FR2988806A1 - Dispositif d'eclairage a diodes electroluminescentes et a fibres optiques, appareil d'eclairage - Google Patents

Dispositif d'eclairage a diodes electroluminescentes et a fibres optiques, appareil d'eclairage Download PDF

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Abstract

Un dispositif d'éclairage (10) à diodes électroluminescentes et à fibres optiques, comprend une première diode électroluminescente (11a) agencée pour émettre une lumière blanche ayant une première température de couleur, une seconde diode électroluminescente (11b) agencée pour émettre une lumière blanche ayant une seconde température de couleur différente de ladite première température de couleur, un harnais de fibres optiques (13) agencé pour conduire la lumière produite par lesdites première et seconde diodes électroluminescentes vers des sorties d'éclairage (20) et un moyen d'alimentation électrique (17a, 17b) adapté pour fournir auxdites diodes électroluminescentes (11a, 11b) des courants respectifs ayant une intensité différente de telle façon que chaque sortie d'éclairage (20) est apte à produire une lumière blanche ayant une température de couleur modulable comprise entre ladite première température de couleur et ladite seconde température de couleur par variation de l'intensité des courants alimentant lesdites diodes électroluminescentes (1 1a, 11b).

Description

Domaine technique L'invention concerne un dispositif d'éclairage à diodes électroluminescentes et à fibres optiques, en particulier d'un champ d'éclairage opératoire médical. L'invention s'étend à un appareil d'éclairage médical, notamment d'un champ 5 d'éclairage opératoire, comprenant un tel dispositif d'éclairage. Technique antérieure En milieu médical, notamment en bloc opératoire, les conditions d'éclairage doivent être ajustées pour que le chirurgien ou le médecin puisse travailler 10 correctement. En particulier, l'éclairage doit permettre au chirurgien de distinguer les différents types de tissus biologiques. Pour ce faire, l'éclairage, globalement blanc, doit se conformer à certaines normes et fournir une lumière présentant un indice de rendu des couleurs (IRC) compris entre 85 et 100 ainsi qu'une température de 15 couleurs comprise entre 3000 degrés Kelvin (K) et 6700K. Plus précisément, on désigne ici par « température de couleur » d'une lumière, la température de couleur équivalente évaluée de manière classique à partir des coordonnées chromatiques (x,y) de la lumière dans un diagramme chromatique de la Commission Internationale de l'Eclairage. 20 En outre, un bon éclairage doit permettre au chirurgien de faire varier la température de couleur pour l'adapter à son besoin. Actuellement, il existe différents types de dispositifs d'éclairage répondant à ces exigences qui mélangent de la lumière blanche et de la lumière colorée pour obtenir une lumière d'éclairage blanche de température de couleur variable. 25 On définira ici, de manière classique, le flux lumineux d'une source de lumière, par exemple d'une diode électroluminescente ci-après désignée par LED pour Light Emitting Diode, comme la puissance lumineuse émise par cette source de lumière (exprimée en lumens), et l'éclairement visuel d'un dispositif d'éclairage dans un champ d'éclairage comme la quantité de flux lumineux éclairant ce 30 champ d'éclairage par unité de surface (exprimée en lux, c'est-à-dire en lumen/m2).
On connaît notamment du document de brevet US 6513962 un dispositif d'éclairage tel que décrit ci-dessus dans lequel on utilise deux sources de lumière, à savoir une lampe aux halogénures émettant une lumière blanche et une LED émettant une lumière rouge. Dans ce document, les deux sources de 5 lumière sont couplées à des fibres optiques qui sont reliées à un guide de lumière qui assure un mélange homogène de la lumière blanche et de la lumière rouge dans des proportions appropriées pour obtenir une lumière d'éclairage blanche de bonne qualité. Cependant, ce dispositif nécessite une mesure de la température de couleur de la lumière d'éclairage pour ajuster les proportions des 10 lumières blanche et rouge et est d'une réalisation très complexe. Il existe aussi des dispositifs d'éclairage qui utilisent comme source de lumière une pluralité de LEDs blanches et de LEDs colorées, par exemple vertes ou rouges, généralement couplées chacune à une optique de focalisation dans le champ d'éclairage et qui forment ensemble une lumière d'éclairage blanche de 15 température de couleur ajustable. Toutefois, il est difficile avec ce type de dispositif d'obtenir un éclairement homogène, et l'éclairement du champ opératoire varie en fonction de la température de couleur choisie par le chirurgien. En outre, ce type de dispositif d'éclairage présente l'inconvénient majeur de créer des ombres colorées dans le champ opératoire lorsqu'une partie 20 de la lumière d'éclairage est obstruée, par la tête du chirurgien par exemple. Par ailleurs, il est connu que les LEDs ont des vieillissements variables selon leur couleur, en particulier, que les LEDs rouge vieillissent plus vite que les LEDs blanches, ce qui pose un problème de variation du flux lumineux des LEDs dans le temps. 25 Le document de brevet DE 10 2006 040 393 décrit un exemple d'un tel dispositif d'éclairage amélioré, dans lequel les LEDs blanches et colorées sont couplées ensemble à une optique de focalisation unique, ce qui permet d'obtenir une lumière d'éclairage blanche de bonne qualité. Un guide de lumière peut être interposé entre les LEDs et l'optique de focalisation pour améliorer le mélange 30 des couleurs. Cependant, ce type de dispositif ne réduit qu'en partie la formation d'ombre colorée dans le champ d'éclairage et ne s'affranchissent pas du problème dû au vieillissement variable des LEDs en fonction de leur couleur. Exposé de l'invention Le but de l'invention est de remédier à tous ces inconvénients en proposant un dispositif d'éclairage simplifié apte à offrir d'excellentes conditions d'éclairage pour un chirurgien ou un médecin, notamment un éclairement homogène, quelle que soit la température de couleur choisie et stable dans le temps, sans créer d'ombres colorées dans le champ opératoire.
L'idée à la base de l'invention est un dispositif d'éclairage à par exemple deux LEDs blanches identiques mais présentant des températures de couleur différentes. Un harnais de fibres optiques à deux faisceaux de tête est couplé aux deux LEDs blanches. Le harnais peut avoir des bras (en nombre et en diamètre variable) d'où sort la lumière provenant des LEDs blanches. Les bras sont couplés chacun à une sortie d'éclairage pouvant être pourvue d'une optique de focalisation de la lumière dans le champ opératoire. En sortie du harnais, on obtient une lumière blanche provenant d'un mélange des deux lumières blanches produites par les LEDS et, en modulant de manière appropriée le courant dans chacune des LEDs, on peut moduler la température de couleur du flux lumineux de sortie. Plus particulièrement, l'invention a donc pour objet un dispositif d'éclairage à diodes électroluminescentes et à fibres optiques, caractérisé en ce qu'il comprend une première diode électroluminescente agencée pour émettre une lumière blanche ayant une première température de couleur, une seconde diode électroluminescente agencée pour émettre une lumière blanche ayant une seconde température de couleur différente de ladite première température de couleur, un harnais de fibres optiques agencé pour conduire la lumière produite par lesdites première et seconde diodes électroluminescentes vers des sorties d'éclairage et un moyen d'alimentation électrique adapté pour fournir aux diodes électroluminescentes des courants respectifs ayant une intensité différente de telle façon que chaque sortie d'éclairage est apte à produire une lumière blanche ayant une température de couleur modulable comprise entre ladite première température de couleur et ladite seconde température de couleur par variation de l'intensité des courants alimentant les diodes électroluminescentes. Avec cet agencement, on obtient donc facilement en sortie d'éclairage une 5 lumière blanche ayant un éclairement homogène sur toute une gamme de températures de couleur et, en cas de présence d'obstacle dans le champ d'éclairage, il n'y a pas d'ombre colorée qui se forme dans le champ d'éclairage. En outre, on s'affranchit complètement du problème de la variation du flux lumineux dans le temps à cause des vieillissements variables des LEDs selon 10 leur couleur. Par ailleurs, les LEDs peuvent être déportées des sorties d'éclairage pour améliorer la compatibilité entre une coupole d'éclairage et des flux laminaires nécessaires en salle d'opération. De plus, en étant déportées, les LEDs ne gênent pas la vue du chirurgien qui peut profiter d'un meilleur confort visuel 15 général. Le dispositif d'éclairage selon l'invention peut présenter avantageusement les particularités suivantes : - ledit moyen d'alimentation électrique est agencé pour faire varier les intensités respectives des courants fournis aux diodes électroluminescentes 20 selon un principe de vases communicants, ce qui permet avantageusement de garder un éclairement constant lors du changement de la température de couleur de la sortie d'éclairage. - le harnais de fibres optiques fibres optiques comprend deux faisceaux de tête de fibres optiques couplées respectivement aux deux diodes 25 électroluminescentes et une pluralité de faisceaux de sortie de fibres optiques couplés chacun à une sortie d'éclairage, les fibres optiques de chaque faisceau de sortie provenant en même proportion des deux faisceaux de tête. L'invention s'étend à un appareil d'éclairage médical, notamment d'un champ 30 d'éclairage opératoire, comprenant un dispositif d'éclairage tel que défini ci- dessus, chaque diode électroluminescente ayant une température de couleur comprise entre 3000 degrés Kelvin et 6700 degrés Kelvin ; chaque diode électroluminescente pouvant avoir un indice de rendu des couleurs compris entre 85 et 100, de préférence compris entre 90 et 100.
Description sommaire des dessins La présente invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple nullement limitatif et illustré par les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique en perspective d'un appareil d'éclairage d'un champ opératoire comprenant un dispositif d'éclairage selon l'invention ; - la figure 2 est une vue schématique détaillée du dispositif d'éclairage de la figure 1 ; - la figure 3 représente un exemple des intensités de courants traversant les diodes électroluminescentes du dispositif d'éclairage de la figure 2 pour obtenir différentes températures de couleur en sortie d'éclairage. Description d'un exemple de réalisation Sur la figure 1, on a illustré un appareil d'éclairage 1 éclairant un champ 20 d'éclairage opératoire 2, ici un champ d'intervention d'un chirurgien sur un patient. L'appareil d'éclairage 1 est ici du type suspendu au plafond de la salle opératoire de façon connue en soi, et comprend dans le cas d'exemple deux bras de suspension 3 articulés portant chacun une coupole 4 d'éclairage. 25 Comme visible sur la figure 1, chaque coupole 4 peut présenter une pluralité de sorties d'éclairage tels que 20 d'un dispositif d'éclairage selon l'invention. On a représenté sur la figure 2 de façon très schématique un exemple d'un dispositif d'éclairage 10 selon l'invention. Il comprend ici deux sources de lumière comprenant chacune une diode 30 électroluminescente ou LED 11a, 11b émettant une lumière blanche. Les deux LEDs 11 a, 11b sont couplées respectivement à deux faisceaux de tête 15a, 15b de fibres optiques d'un harnais 13 de fibres optiques. Les LEDs 11a, 11 b peuvent être directement plaquées contre les têtes du harnais 13 ou couplées par l'intermédiaire d'un élément optique de focalisation 14a, 14b tel qu'une lentille, un prisme, un réflecteur, un collimateur ou analogue, ou une combinaison de ceux-ci. En amont des têtes du harnais 13, chaque LED 11a, 11 b sera de préférence reliée à un radiateur 12a, 12b de refroidissement, par exemple avec de la graisse thermique. Les fibres optiques des deux faisceaux de tête 15a, 15b sont brassées (c'est-à-dire mélangées) dans le corps 16 du harnais 13 pour être réparties dans une pluralité de bras ou faisceaux de sortie 18 de fibres optiques qui sont couplés chacun à une sortie d'éclairage 20, par exemple à travers un élément optique de focalisation. L'élément optique peut être une lentille, un prisme, un réflecteur, un collimateur ou analogue ou une combinaison de ceux-ci. On peut ainsi avoir un harnais 13 à deux faisceaux de tête 15a, 15b et une multitude de faisceaux de sortie 18, par exemple trente-deux, soixante-quatre, etc. faisceaux de sorties 18. Il est entendu que le harnais 13 peut comporter plusieurs centaines ou milliers de fibres optiques. Les fibres optiques du harnais 13 seront de préférence en verre ce qui contribue à une bonne efficacité de l'éclairage sans atténuation du rouge pour une grande longueur du harnais de fibres optiques et qui réduit le risque d'inflammabilité du harnais. En outre, pour un meilleur rendement du harnais 13, les fibres optiques du harnais 13 seront thermofusionnées à chaud dans le harnais 13 et on choisira de préférence des fibres optiques à grand angle d'acceptance pour réduire les pertes. Le brassage ou mélange des fibres optiques dans le harnais 13 consiste en une répartition homogène des fibres, chaque faisceaux de sortie 18 comportant des fibres optiques provenant en même proportion des deux faisceaux de tête 15a, 15b, c'est-à-dire un nombre égal de fibres optiques provenant pour une moitié du faisceau de tête 15a et pour une autre moitié du faisceau de tête 15b. Sur la figure 2, on a illustré un brassage des fibres optiques dans le harnais 13 30 qui définit, à partir des deux faisceaux de tête 15a, 15b, deux groupes 19a, 19b de seize faisceaux de sortie 18 pour équiper par exemple deux coupoles 4 ou deux portions de coupole 4. Selon l'invention, les LEDs 11 a, 11 b sont alimentées en courant par un moyen d'alimentation électrique agencé pour fournir de façon séparée aux LEDs 11a, 11 b des courants d'intensités différentes. Le moyen d'alimentation électrique peut se présenter sous la forme d'une alimentation électrique unique ou alors sous la forme de deux alimentations électriques 17a, 17b comme illustré sur la figure 2. Selon l'invention, la LED 1 1 a d'une première source de lumière émet une lumière blanche ayant une première température de couleur et la LED llb de la seconde source de lumière émet une lumière blanche ayant une seconde température de couleur différente de la première température de couleur. On obtient donc en sortie d'éclairage 20 une lumière blanche ayant une température de couleur intermédiaire comprise entre la première température de couleur et la seconde température de couleur, et un flux lumineux total en sortie d'éclairage 20 égal à la somme des flux lumineux respectifs des deux LEDs 11 a, llb et des pertes (dans la fibre, au couplage entre la fibre et l'élément optique de focalisation, etc.). On choisira des LEDs blanches ayant un indice de rendu des couleurs élevé, compris entre 85 et 100, de préférence compris entre 90 et 100, voire compris entre 95 et 100 et une température de couleur comprise entre 3000K et 6700K. Dans le cas d'exemple, la LED 11 a peut avoir une température de couleur de 3000K et la LED 11 b peut avoir une température de couleur de 5000K. On obtient alors un éclairage en lumière blanche avec une température de couleur intermédiaire d'environ 3900K lorsque les deux LED 11 a, 11 b sont traversées par des courants respectifs d'intensité identique. De préférence, on choisira deux LEDs 11a, 11 b géométriquement identiques hormis leur température de couleur, afin de s'affranchir de toute autre différence de flux lumineux entre les deux LEDs 11a, 11 b. La différence entre les LEDs pourra se situer par exemple au niveau de la composition des mélanges de poudre de phosphore qui forment les LEDs. En particulier, on choisira de préférence des LEDs provenant du même fournisseur, ayant par exemple un même boîtier, des mêmes puces électroniques et nécessitant un même type d'alimentation. On comprend donc que le dispositif d'éclairage 10 selon l'invention ne comprend 5 que des LEDs blanches ce qui fait qu'aucune ombre colorée ne peut se créer dans le champ opératoire 2 en cas de présence d'un obstacle dans le flux lumineux en sortie du dispositif d'éclairage. L'invention repose sur le fait que le flux lumineux d'une LED dépend de l'intensité du courant qui la traverse. En faisant varier l'intensité des courants 10 électriques alimentant respectivement les deux LEDs 11a, 11b, on fait donc varier le flux lumineux de chaque LED 11 a, 11 b et, par conséquent, on obtient en sortie d'éclairage 20 une lumière ayant une température intermédiaire modulable toujours comprise entre la première et la seconde température de couleur des LEDs 11 a, 11 b. 15 Selon l'invention, on fait varier l'intensité des courants électriques alimentant respectivement les LEDs 11 a, 11 b en faisant varier les flux lumineux respectifs des LED 11 a, 11 b selon un principe de vases communicants, ce qui permet de maintenir constant le flux lumineux total, de sorte que l'éclairement du champ opératoire 2 reste constant lors du changement de la température de couleur 20 intermédiaire de la sortie d'éclairage 20. Par constant, on entend que le flux lumineux est identique à 5% près. On comprend donc que le dispositif d'éclairage 10 selon l'invention permet de produire en sortie d'éclairage 20 un flux lumineux homogène et constant de couleur blanche ayant une température de couleur modulable comprise entre la 25 première température de couleur de la LED 11a et la seconde température de couleur de la LED 11 b par une variation appropriée de l'intensité des courants respectifs alimentant les LEDs 11 a, 11b. La figure 3 est un graphique qui représente différentes températures de la lumière d'éclairage en sortie d'éclairage 20 obtenues à partir de différentes 30 intensités de courant alimentant les LEDs 11 a, llb qui permettent de conserver un flux lumineux total constant en sortie d'éclairage 20. On voit sur ce graphique que les intensités de courant appropriées des deux LEDs 11a, 11 b varient selon un principe des vases communicants, c'est-à-dire de façon complémentaire et opposée en tenant compte de petites corrections. Le graphique de la figure 3 peut être obtenu en mesurant un spectre de la 5 lumière produite en sortie d'éclairage 20 avec un spectromètre et en évaluant, à partir de ce spectre, de manière classique, la température de couleur de la lumière produite en sortie d'éclairage 20. On construit ainsi un calibrage du dispositif d'éclairage 10 qui indique les intensités de courant d'alimentation des LEDs 11a, llb à fournir pour chaque température de couleur en sortie 10 d'éclairage 20. On voit sur la figure 3 qu'avec des LEDs 11 a, 11 b ayant des températures de couleur respectives de 5000K et 3000K, on peut faire varier la température de couleur du flux lumineux en sortie d'éclairage 20, ici par palier, entre environ 3400K et 4500K avec des intensités de courant d'alimentation des LEDs 11 a, 15 11 b variant entre environ 200mA et 900mA. Par exemple, on obtient en sortie d'éclairage 20 une température de couleur d'environ 3400K avec une intensité de courant d'environ 200mA pour la LED ayant une température de couleur de 5000K et une intensité de courant d'environ 900mA pour la LED ayant une température de couleur de 3000K, ce 20 qui correspond à un certain flux lumineux en sortie d'éclairage 20. Pour obtenir une température de couleur en sortie d'éclairage 20 d'environ 3800K par exemple, tout en conservant ce même flux lumineux en sortie d'éclairage 20, il convient d'augmenter à environ 450mA l'intensité du courant traversant la LED ayant une température de couleur de 5000K et de réduire à 25 environ 600mA l'intensité du courant traversant la LED ayant une température de couleur de 3000K. En variante, on peut mettre un capteur pour mesurer la température de couleur de la lumière en sortie d'éclairage 20, par exemple un spectromètre, de sorte à optimiser les valeurs d'intensité respectives des LEDs 11a, 11b.
Il va de soi que la présente invention ne saurait être limitée à la description qui précède d'un de ses modes de réalisation, susceptibles de subir quelques modifications sans pour autant sortir du cadre de l'invention. Comme indiqué plus haut, on comprend que les LEDs 11a, 11 b peuvent être 5 déportées de la coupole d'éclairage 4 du champ opératoire 2, et peuvent par exemple être disposées hors de la salle opératoire, ce qui permet de faciliter les opérations de maintenance et représente un avantage en termes d'hygiène. Cela apporte aussi un grand avantage en termes de chaleur car la coupole 4 ne contient alors pas de source de chaleur et reste froide, ce qui améliore la 10 compatibilité de la coupole 4 avec des flux laminaires du bloc opératoire. Alternativement, les LEDs 11a, 11 b et le harnais 13 du dispositif d'éclairage 10 selon l'invention peuvent se trouver entièrement dans la coupole d'éclairage 4, ce qui permet d'éviter au harnais de passer dans le bras de suspension 3. Selon la puissance des LEDs disponibles sur le marché et la puissance 15 d'éclairement souhaitée, on pourra choisir de monter une ou plusieurs LEDs dans chaque source de lumière. Si on utilise une LED très puissante (par exemple de 13 ou 41 Watt), on peut réduire la surface des cartes électroniques, ce qui apporte un avantage économique et écologique. Le harnais 13 peut comporter aussi sans sortir du cadre de l'invention un plus 20 grand nombre de faisceaux de tête 15a, 15b, de préférence en multiple de deux et comportant une LED par faisceau de tête. On pourra alors relier avantageusement tous les faisceaux têtes 15a, 15b dans un même corps 16 de harnais 13. On pourra aussi prévoir plusieurs harnais 13 pour équiper une même coupole 25 d'éclairage 4.

Claims (5)

  1. REVENDICATIONS1. Dispositif d'éclairage (10) à diodes électroluminescentes et à fibres optiques, caractérisé en ce qu'il comprend une première diode électroluminescente (11a) agencée pour émettre une lumière blanche ayant une première température de couleur, une seconde diode électroluminescente (11b) agencée pour émettre une lumière blanche ayant une seconde température de couleur différente de ladite première température de couleur, un harnais de fibres optiques (13) agencé pour conduire la lumière produite par lesdites première et seconde diodes électroluminescentes vers des sorties d'éclairage (20) et un moyen d'alimentation électrique (17a, 17b) adapté pour fournir auxdites diodes électroluminescentes (11a, 11b) des courants respectifs ayant une intensité différente de telle façon que chaque sortie d'éclairage (20) est apte à produire une lumière blanche ayant une température de couleur modulable comprise entre ladite première température de couleur et ladite seconde température de couleur par variation de l'intensité des courants alimentant lesdites diodes électroluminescentes (11a, 11b).
  2. 2. Dispositif d'éclairage (10) selon la revendication 1, dans lequel ledit moyen d'alimentation électrique (17a, 17b) est agencé pour faire varier les intensités respectives des courants fournis auxdites diodes électroluminescentes (11a, 11b) selon un principe de vases communicants.
  3. 3. Dispositif d'éclairage (10) selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel le harnais de fibres optiques fibres optiques comprend deux faisceaux de tête (15a, 15b) de fibres optiques couplées respectivement auxdites deux diodes électroluminescentes (11a, 11b) et une pluralité de faisceaux de sortie (18) de fibres optiques couplés chacun à une sortie d'éclairage (20), les fibres optiques de chaque faisceau de sortie (18) provenant en même proportion des deux faisceaux de tête (15a, 15b).
  4. 4. Appareil d'éclairage médical (1), notamment d'un champ d'éclairage opératoire (2), comprenant un dispositif d'éclairage (10) selon l'une des revendications 1 à 3, chaque diode électroluminescente (11a, 11b) ayant une température de couleur comprise entre 3000 degrés Kelvin et 6700 degrés Kelvin.
  5. 5. Appareil (1) selon la revendication 4, dans lequel chaque diode électroluminescente (11a, 11b) a un indice de rendu des couleurs compris entre 85 et 100, de préférence compris entre 90 et 100.
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