FR2699290A1 - Fibre optique à gaine liquide. - Google Patents

Abstract

La présente invention a trait à une fibre optique qui présente la caractéristique d'un cœur solide (2) et d'une gaine liquide (3), l'indice de réfraction du cœur solide (2) étant supérieur à l'indice de réfraction de la gaine liquide (2, 3). L'invention concerne, également, l'application de cette fibre optique, tout particulièrement, aux dispositifs d'éclairage et aux cellules photoélectriques constituant un capteur solaire.

Description

L'invention a trait à une fibre optique et son application tout particulièrement, dans le domaine de l'éclairage public ou encore dans le domaine des cellules photo-électriques de capteurs solaires.

La présente invention concerne l'industrie spécialisée dans les fibres optiques. Elle concerne, en outre, l'industrie de l'éclairage d'une manière générale et plus particulièrement celle spécialisée dans le domaine de l'éclairage public, ainsi que l'industrie des capteurs solaires.

Dans le domaine des fibres optiques l'on distingue, actuellement, principalement, trois types de fibres, à savoir :
-la fibre silice qui présente une transmission de bonne qualité dans la mesure où elle conduit à une atténuation moyenne de l'ordre de quelques dizaines de décibels au kilomètre, ce type de fibre comportant, cependant, un inconvénient qui est celui de son coût de revient particulièrement élevé ;
-la fibre optique en verre qui comporte une atténuation moyenne de l'ordre de la centaine de décibels au kilomètre ;
-et la fibre en plastique conduisant à une atténuation de 200 décibels au kilomètre ce qui est non négligeable, par contre, son coût étant particulièrement faible.

D'ores et déjà, l'on observe qu'il n'existe pas, réellement, de bon compromis entre une atténuation faible et un coût de revient réduit de ces fibres optiques. En effet, afin d'obtenir une faible perte par diffusion au niveau de l'interface solide-solide définie entre le coeur et la gaine d'une fibre optique, il est nécessaire de mettre en oeuvre des procédés particulièrement couteux. De plus, ces fibres sont, nécessairement, de sections réduites, soit inférieures à 1 millimètre. Naturellement, de manière à contourner ce problème, il a été envisagé l'usage d'un faisceau de fibres optiques qui présente, cependant, l'inconvénient d'une perte géométrique importante. En effet, les fibres optiques étant de section circulaire, leur rangement dans un faisceau se fait au mieux dans le mode hexagonal. Aussi, cela conduit à une perte de lumière incidente de 10 % minimum. Par ailleurs, étant donné que les rayons tombant sur la gaine sont perdus, il faut, également, tenir compte de la surface des gaines qui, sur la totalité, peut représenter un pourcentage important.

A côté de cela on a envisagé d'utiliser des fibres optiques à coeur liquide qui, moyennant une perte plus faible au niveau de l'interface liquide-solide conduisent à une atténuation réduite proche de ce que l'on rencontre dans le cadre de la fibre silice. Toutefois, cette fibre optique à coeur liquide présente une mauvaise transmission dans le visible. De plus, les diamètres habituels sont limités à 8 millimètres. En vue de respecter la répartition requise des indices de réfraction, soit un indice de réfraction plus élevé en ce qui concerne le coeur liquide de la fibre optique par rapport à l'indice de réfraction de la gaine solide, le produit susceptible de concevoir ce coeur liquide s'avère, généralement, toxique. Ainsi, les produits liquides habituellement utilisés sont des composés de brome, de chlore, d'iode et de fluor. En fait, ces produits liquides sont à l'origine de la mauvaise transmission dans le rouge.

Si l'on se reporte, à présent, tout particulièrement, au domaine des dispositifs d'éclairage publics et, notamment, si l'on observe les candélabres actuellement existants, on constate que ceux-ci se présente sous forme d'un mât à l'extrémité supérieure duquel est implanté un luminaire électrique intégrant une lampe à incandescence, à décharge ou halogène. Bien sûr, en cas de défaillance de cette lampe, il convient de la remplacer. Or, étant située à l'extrémité supérieure d'un mât, l'on ne peut pas y accéder sans l'usage de moyens appropriés, telle qu'une nacelle. C'est pour cette raison que les frais liés au changement d'une lampe sont particulièrement importants, sans compter que de telles interventions sont à effectuer, en moyenne, tous les deux ans.

S'ajoute, à cela, un problème supplémentaire, à savoir que selon la disposition du candélabre, l'accès à ce dernier au moyen d'une nacelle n'est pas toujours possible, par exemple, en raison de l'encombrement que créée, au niveau de la chaussée, le véhicule portant la nacelle.

Ces dispositifs d'éclairage publics connus présentent un autre inconvénient à savoir que si un luminaire classique placé à l'extrémité supérieure d'un mât présente, en règle générale, un rendement global de l'ordre de 80 %, l'éclairage utile qu'il produit au niveau d'une chaussée ne correspond qu'à un rendement de 30 à 50 % selon l'application. En effet, pour ce type de luminaire se pose le problème de l'uniformité de l'éclairage.

Plus précisément, en cas d'éclairage d'une route, on éclaire non seulement la route, mais, également, les alentours dans la mesure où l'impact au sol est souvent de forme ronde.

Par ailleurs, si l'on prend en compte les dispositifs d'éclairage indirects utilisant un réflecteur, un miroir, un diffuseur ou autre placé au-dessus de la source lumineuse, afin de renvoyer les rayons de lumière en direction du sol, très souvent l'on voit se refléter, sur ce réflecteur ou analogue, l'image de la lampe émettrice de la source lumineuse. Ceci est particulièrement inesthétique. Pour éviter ce phénomène, l'on modifie le concentrateur du luminaire de manière précisément, à éviter une concentration trop importante de la lumière sur le réflecteur. Ceci a pour conséquence une nouvelle dégradation du rendement de l'éclairage obtenu au niveau du sol.

Ainsi, l'invention a pour but de remédier à l'ensemble des inconvénients précités, tout d'abord au travers d'une fibre optique qui est caractérisée en ce qu'elle comporte un coeur solide et une gaine liquide, l'indice de réfraction du coeur solide étant, naturellement, supérieur à l'indice de réfraction de la gaine liquide.

La présente invention concerne, en outre, l'application de cette fibre optique à un dispositif d'éclairage public comportant un mat pourvu, dans sa partie inférieure, d'une source lumineuse telle qu'une lampe à incandescence, à décharge ou halogène, éclairant, au travers d'un concentrateur, l'extrémité inférieure d'une fibre optique à coeur solide et gaine liquide coopérant, à son extrémité supérieure, avec un répartiteur de lumière en vue d'éclairer la surface désirée. A noter que cette surface peut tre constituée par un réflecteur, une lentille, un miroir ou analogue dans le cadre d'un dispositif d'éclairage indirect.

Les avantages obtenus grâce à cette invention consistent, essentiellement, en ce que dans le cadre de cette fibre optique à coeur solide et gaine liquide, l'on obtienne, sur le plan de l'atténuation, des valeurs similaires à celles retrouvées dans la situation coeur liquide-gaine solide, c'est-à-dire une atténuation sensiblement égale à une fibre silice.

Toutefois, le diamètre de la fibre optique coeur solide et gaine liquide peut tre largement plus conséquent, soit de l'ordre de plusieurs centimètres, de sorte qu'elle puisse tre associée à des lampes courantes de taille importante, telles que des lampes à incandescence, à décharge ou halogène.

Par ailleurs, le choix du liquide employé dans ce cas est plus facilité par rapport à la solution du coeur liquide dans la mesure où il est plus aisé, dans ces conditions, de respecter la répartition des indices de réfraction. Par ailleurs, l'usage d'un produit liquide non toxique tel que de l'huile de silicone est possible. De plus, la transmission dans le visible est presque parfaite. Une telle fibre optique est, en outre, d'un coût de revient réduit.

L'ensemble de ces avantages en ont rendu l'application possible aux dispositifs d'éclairages, notamment du type public. En fait, de tels dispositifs d'éclairage Intégrant une telle fibre optique à coeur solide et gaine liquide, ont la possibilité de disposer d'une source lumineuse implantée en partie inférieure du mât entraînant, ainsi, une division par quatre ou cinq du coût habituel pour le remplacement d'une lampe.

Par ailleurs, l'on observe qu'en raison d'une ouverture numérique importante de ces fibres optiques à coeur solide et gaine liquide, elles trouvent un intért tout particulier conformément à l'invention, dans le domaine des capteurs solaires à cellules photo-électriques. Ainsi, dans le cadre d'une cellule photo-électrique, l'on constate que sa rentabilité est maximum lorsqu'elle se situe dans un plan sensiblement perpendiculaire aux rayons de lumière. Or, à moins de disposer d'un capteur solaire orientable, ces conditions optimum d'une disposition perpendiculaire des cellules photoélectriques par rapport aux rayons du soleil ne sont obtenues que pendant une courte période durant la journée. En fait, cette période peut tre largement augmentée par l'emploi d'un dispositif surmontant la cellule photoélectrique et constituée par un tronçon de fibre optique à coeur solide et gaine liquide de section ajustée à celle de ladite cellule photo-électrique. En effet, grâce à son ouverture numérique importante, les rayons de soleil arrivant sur un capteur solaire selon un certain angle seront, en fait redressés à travers la fibre optique en vue d'un impact perpendiculaire au plan de la cellule photo-électrique.

D'autres buts et avantages de la présente invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre se rapportant à des exemples de réalisation et d'application qui ne sont donnés qu'à titre indicatif et non limitatifs.

La compréhension de cette description sera facilitée en se référant au dessin joint en annexe et dans lequel :
-la figure 1 est une vue schématisée et en coupe d'une fibre optique conforme à l'invention ;
-la figure 2 est une vue schématisée de l'application de la fibre optique, conforme à l'invention, à un dispositif d'éclairage ;
-la figure 3 est une vue schématisée et en élévation d'un dispositif d'éclairage indirect ;
-la figure 4 est une vue schématisée de l'application de la fibre optique à coeur solide et gaine liquide à une cellule photo-électrique.

Telle que représentée dans la figure 1, la présente invention est relative à une fibre optique 1 qui présente la particularité de disposer d'un coeur 2 solide et d'une gaine 3 liquide, le coeur 2 comportant un indice de réfraction ne supérieur à l'indice de réfraction ng de la gaine liquide 3. Les matériaux susceptibles de constituer le coeur solide 2 sont ceux déjà utilisés dans le domaine des fibres optiques connues à coeur et gaine solides. Ainsi, ce coeur solide 2 peut tre réalisé en silice ou en verre ou encore en un matériau organique transparent issu, par exemple, des trois familles habituellement rencontrées dans le domaine, à savoir, les polystyrènes, les méthacrylates et les polycarbonates.

Tel que rappelé plus haut, l'interface solide-liquide diminue considérablement les pertes par diffusion. Aussi, l'atténuation rencontrée au travers de ce type de fibre optique 1 à coeur solide 2 et gaine liquide 3 est proche de celle mesurée dans le cadre de fibres silices. Par conséquent, lors du choix du matériau susceptible de constituer le coeur solide 2, il est avantageux de retenir les matériaux organiques qui sont moins onéreux.

Quant à la gaine liquide 3, celle-ci peut tre réalisée par tout liquide d'indice de réfraction ng inférieur à l'indice de réfraction ne du coeur solide 2. Toutefois, les liquides retenus sont tout particulièrement ceux que l'on peut qualifier de mouillant dans la mesure où ils ont certaines facultés de mouiller, aisément, la surface du solide constituant le coeur 2.

A titre d'exemple, la gaine liquide 3 peut tre réalisée en polydimethylsiloxane ou P. D. M. S. présentant un indice de réfraction ng = 1,40. Ce P. D. M. S. peut, ainsi, recouvrir un coeur solide 2, par exemple, en polyméthacrylate de méthyle ou P. M. M. A., d'indice de réfraction ne = 1,49.

Tel que le représente la figure 1, cette fibre optique 1 peut tre contenue dans une enveloppe tubulaire 4 de diamètre et de longueur ajustés.

En fait, cette enveloppe tubulaire 4 peut tre réalisée, comme le coeur solide 2, en un matériau organique tel qu'en P. M. M. A. ou encore en polychlorure de vinyl ou mme en aluminium, cette énumération n'étant, naturellement, pas limitative. Ainsi, après introduction dans cette enveloppe tubulaire 4 du barreau constituant le coeur solide 2, l'on injecte, dans l'interstice 7 persistant entre la paroi externe du coeur solide 2 et la paroi interne de 1'enveloppe tubulaire 4, le liquide destiné à concevoir la gaine 3. Ce remplissage peut s'effectuer, soit par pression d'air, soit sous vide ou encore par l'intermédiaire d'un piston, par gravité ou mme par capillarité. A noter, qu'il n'est pas nécessaire de disposer d'une épaisseur constante au niveau de la gaine liquide 3 pour obtenir 1'effet recherché. Ainsi, cet effet est obtenu dès la présence d'un film liquide autour du coeur solide 2. Par conséquent, en cas d'usage d'un liquide parfaitement mouillant, il n'est pas nécessaire d'assurer le centrage du coeur solide 2 à l'intérieur de 1'enveloppe tubulaire 4. Toutefois, dans le cas contraire ce centrage peut tre obtenu, aisément, au moyen d'un fil 8 entourant, selon une trajectoire spiralée, le coeur solide 2. Bien entendu, d'autres moyens de centrage peuvent tre envisagés, tels que la présence d'un filet au niveau de la paroi interne de l'enveloppe tubulaire 4.

Le cas échéant et une fois ce remplissage effectué, les extrémités 5,9 de cette enveloppe tubulaire 4 peuvent tre refermés par l'intermédiaire d'un hublot, respectivement 6, 10. De tels hublots 6,10, seront traités, préférentiellement, anti-reflets pour les rayonnements dans le visible et réfléchissant ou absorbant pour les rayonnements infrarouges et ultraviolets. Cela évite une augmentation de la température à l'intérieur de la fibre optique et une modification de la transparence d'un coeur solide en matériau organique tel que cela arrive sous l'influence des ultra-violets. Ces hublots 6,10, peuvent, notamment, tre réalisés en verre trempé thermique.

A noter que l'ensemble peut tre équipé d'un système d'expansion du liquide, par exemple, au niveau de 1'enveloppe tubulaire 4, de manière à faire face à une différence d'expansion des matériaux en cas d'élévation de la température.

En fait, ce type de fibre optique 1, conforme à l'invention, présente l'avantage de pouvoir adopter des sections importantes, soit de plusieurs centimètres. De plus, son ouverture numérique peut tre particulièrement élevée et peut dépasser 0,50. Aussi, il peut tre envisagé de coupler ce type de fibre optique 1 avec des lampes courantes de taille importante, telles que des lampes à incandescence, à décharge ou halogène, application qui est plus particulièrement représentée dans la figure 2.

Plus précisément, dans le cadre de cette figure 2, l'on voit un dispositif d'éclairage faisant appel, à une telle lampe 11 du type à incandescence, à décharge ou halogène disposée au centre d'un miroir de révolution 12 jouant le rôle de concentrateur. Dans l'alignement de cette lampe 11, se situe une fibre optique 1 conforme à l'invention dont la section est adaptée à ce type d'application, cette section étant, elle-mme, dépendante de l'ouverture numérique de la fibre optique 1. Ainsi, si à l'une des extrémités 5 de cette fibre optique 1 se situe la source lumineuse constituée par la lampe 11, à son extrémité opposée 9, l'on retrouve une lentille jouant le rôle d'un répartiteur 13. Il est encore représenté dans cette figure 2, au-delà de ce répartiteur 13, la surface 14 à éclairer.

En fait, l'on retrouve ce type de montage dans le cadre du dispositif d'éclairage public 15 illustré dans la figure 3. Plus précisément, ce dispositif d'éclairage public 15 comporte un mât tubulaire 16 à l'intérieur duquel s'étend la fibre optique 1. Dans la partie inférieure 17 du mât 16 est implantée une source lumineuse 18 comprenant une lampe 11 du type que l'on rencontre habituellement dans le cadre de ces dispositifs d'éclairage publics, à savoir une lampe à incandescence, à décharge ou halogène. Cette lampe 11 coopère avec un concentrateur 12 afin d'orienter les rayons lumineux en direction de la fibre optique 1. A l'extrémité supérieure de cette dernière, lon retrouve le répartiteur 13 destiné à assurer, dans ce cas de figure, une uniformité de l'éclairage de la surface à éclairer 19, telle qu'une lentille, un réflecteur, un miroir, un diffuseur ou analogue. En fait, l'on comprend bien, que dans ce cas de figure, il s'agit d'un dispositif d'éclairage indirect puisque c'est cette surface à éclairer 19 qui, va refléter la lumière au sol. Bien entendu, il peut tre envisagé la visualisation d'un dispositif d'éclairage direct. Dans ce cas, le mât 16 emprunte une trajectoire courbe dans sa partie supérieure, cette trajectoire étant suivie, à l'intérieur par la fibre optique 1. Quant au répartiteur 13 placé à l'extrémité supérieure de cette fibre optique, il peut avoir pour fonction, dans ces conditions, d'assurer une répartition parfaitement déterminée et adéquate de la lumière au sol. En fait, un tel répartiteur 13 permet d'orienter les rayons lumineux en direction de la surface qu'il convient réellement d'éclairer.

En fait, les avantages obtenus grâce à un tel dispositif d'éclairage public 15 consistent en ce que la source lumineuse, soit la lampe 11 se situe à la partie inférieure 17 du mât 16 facilitant, considérablement, les opérations de remplacement de cette lampe 11. A noter que cet avantage est obtenu sans, pour autant, qu'il y ait une baisse de la rentabilité de l'éclairage obtenu en comparaison des dispositifs d'éclairage connus par le passé, disposant d'une source lumineuse située à l'extrémité supérieure du mât. En effet, grâce à l'usage d'une fibre optique dont l'ouverture numérique est importante et dont la section peut tre adaptée à la taille de la lampe 11, l'on obtient aucune perte de nature géométrique. De plus, ce type de fibre optique présentant une atténuation particulièrement faible, les pertes par diffusion sont, elles, aussi, négligeables. En outre, il convient d'observer que, grâce au répartiteur 13, l'uniformité de l'éclairage auquel conduit ce type de dispositif d'éclairage, conforme à l'invention, est largement supérieure à ce qui peut tre obtenu au travers des dispositifs d'éclairage antérieurs. Par ailleurs, on obtient un meilleur couplage avec les surfaces à éclairer.

La figure 4 illustre l'application de la fibre optique 1, selon l'invention, à une cellule photo-électrique 20 que l'on retrouve dans le cadre de capteurs solaires. Là encore, on se sert de l'ouverture numérique importante que présente une telle fibre optique 1 selon l'invention et le fait qu'elle peut adopter une section équivalente à celle de la cellule photo-électrique 20 pour garantir la perpendicularité de l'incidence des rayons lumineux sur cette dernière. Il s'en suit que sur une journée d'exposition au soleil, la cellule photo-électrique 20 fonctionne selon un rendement optimum sur une bien plus longue période qu'une cellule photo-électrique classique.

La fibre optique 1 selon la présente invention, trouvera son application dans bien d'autres domaines encore. En effet, 11 est possible, au moyen de cette fibre optique 1, d'assurer un éclairage artificiel de grande rentabilité malgré une délocalisation de la lampe. Elle est également à l'origine d'un éclairage uniforme. En outre, elle conduit à une grande sécurité en cas d'usage en milieu aquatique ou humide.

Bien entendu, s'il est fait état, plus spécifiquement, à des dispositifs d'éclairage publics, ce type de fibre optique peut également trouver son application dans le domaine de l'éclairage domestique ou encore dans le cadre de l'éclairage en lumière naturelle.

Bien sur, il est également possible d'envisager la transmission de signaux à haut niveau de puissance continue dans le domaine du visible ou le pilotage à distance d'éléments photos sensibles mobiles.

Ainsi, l'on s'aperçoit que la présente invention conduit à un réel progrès technique dans de nombreux domaines.

Bien que l'invention ait été décrite à propos d'une forme de réalisation particulière, il est bien entendu qu'elle n'y est nullement limitée et qu'on peut y apporter diverses modifications de formes, de matériaux et de combinaisons de ces divers éléments, sans pour cela s'éloigner du cadre et de l'esprit de l'invention.

Claims (13)

Revendications

1. Fibre optique (1) caractérisée en ce qu'elle comporte un coeur solide (2) et une gaine liquide (3), l'indice de réfraction nc du coeur solide (2) étant supérieur à l'indice de réfraction ng de la gaine liquide (3).

2. Fibre optique selon la revendication 1, caractérisée par le fait que le coeur solide (2) est réalisé en silice ou en verre.

3. Fibre optique (1) selon la revendication 1, caractérisée par le fait que le coeur solide (2) est réalisé en un matériau organique transparent issu de l'une des trois familles :

-les polystyrènes ;

-les méthacrylates ;

-les polycarbonates ;

4. Fibre optique (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que la gaine liquide (3) est constituée par un liquide présentant la propriété d'etre mouillant au regard du matériau solide constituant le coeur solide (2).

5. Fibre optique (1) selon la revendication 1, caractérisée par le fait que la gaine liquide (3) est réalisée en polydimethylsiloxane.

6. Fibre optique (1) selon la revendication 1, caractérisée par le fait que la gaine liquide (3) est réalisée en polydimethylsiloxane présentant un indice de réfraction ng = 1, 40 et que le coeur solide (2) est en polyméthacrylate de méthyle d'indice de réfraction ne = 1,49.

7. Fibre optique (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait qu'elle est contenue dans une enveloppe tubulaire (4) de diamètre et de longueur ajustés.

8. Fibre optique (1) selon la revendication (7), caractérisée par le fait que 1'enveloppe tubulaire (4) comporte des extrémités (5,9) refermées par l'intermédiaire de hublots (6,10).

9. Fibre optique (1) selon la revendication 8, caractérisée par le fait que les hublots (6,10) sont traités anti-reflets, pour les rayonnements dans le visible et réfléchissant ou absorbant pour les rayonnements infrarouges et les rayonnements ultra-violets.

10. Fibre optique (1) selon la revendication 7, caractérisée par le fait que le coeur solide (2) est centré à l'intérieur de 1'enveloppe tubulaire (4) par l'intermédiaire de moyens de centrage appropriés, tels qu'un fil ou un filet à trajectoire spiralée entourant ledit coeur solide (2).

11. Application de la fibre optique (1), selon l'une quelconque des revendications précédentes, à un dispositif d'éclairage en vue de délocaliser la source lumineuse.

12. Application de la fibre optique (1), selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, à un dispositif d'éclairage public comportant un mât (16) dans la partie inférieure (17) duquel est implantée une source lumineuse (18) coopérant avec l'extrémité inférieure d'une fibre optique (1) s'étendant à l'intérieur dudit mât (16) jusqu'à l'extrémité supérieure de ce dernier au niveau de laquelle coopère ladite fibre optique (1) avec un répartiteur (13) destiné à assurer l'uniformité de l'éclairage au niveau de la surface à éclairer (14, 19).

13. Application de la fibre optique (1), selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, à une cellule photo-électrique (20) entrant dans la composition d'un capteur solaire pour garantir le fonctionnement selon un rendement optimum de cette cellule photo-électrique (20) en assurant la perpendicularité de l'incidence des rayons lumineux sur cette dernière.