Dispositif d'éclairage à diodes électroluminescentes à lentilles ellipsoïdales astigmates La présente invention concerne de manière générale le domaine de l'éclairage, en particulier les éclairages devant répondre à des spécificités particulières, notamment aptes à produire un éclairement concentré uniforme sur une ligne, et a pour objet un dispositif d'éclairage à diodes électroluminescentes dénommées DELs. Dans certains domaines ou certaines applications, il est nécessaire de disposer d'un éclairage répondant à certaines spécifications techniques, voire 10 réglementaires, par exemple en termes d'intensité ou d'uniformité de l'éclairage au niveau de la zone à éclairer. Tel est notamment le cas, à titre d'exemple illustratif, dans le domaine des éclairages industriels nécessitant un éclairage linéaire intense permettant le contrôle de la qualité des produits plats sortant à grande vitesse de la machine. Les appareils du type précité, qui sont commercialisés actuellement comportent généralement comme source(s) lumineuse(s) des ampoules halogènes ou à incandescence, ou des tubes fluorescents associés à une surface réfléchissante (réflecteur) et à une vitre de protection frontale, ils forment une ligne lumineuse de largeur typique de l'ordre de un à deux centimètres, cela sur une longueur allant de 20 quelques dizaines de centimètres à plusieurs mètres. Certains dispositifs utilisent des sources de type DELs blanches ou de couleur. Dans le cas de machines rapides telles que les papeteries ou les laminoirs, la grande vitesse de propagation du matériau à contrôler nécessite de la part du dispositif de prise de vue des temps de pose très courts (entre un dix-millième et un cent-millième de seconde) qui imposent un éclairement très important impossible à obtenir avec des dispositifs à tubes fluorescents. Les dispositifs équipés de lampes à incandescence peuvent fournir une ligne lumineuse permettant un très fort éclairement mais ils sont peu efficaces, émettent beaucoup de chaleur et ont une durée de vie en moyenne 10 à 50 fois plus courtes que les DELs. 30 Les dispositifs équipés de DELs n'ont pas les inconvénients précités mais nécessitent des systèmes optiques performants pour faire converger le rayonnement des DELs sur la surface à éclairer. Ces dispositifs sont d'autant plus intéressants que les trois critères suivants sont au mieux vérifiés : - le flux récupéré est le plus grand possible (meilleur rendement) - l'éclairement est uniforme - la zone éclairée est adaptée à l'objet que l'on veut éclairer. The present invention relates generally to the field of lighting, in particular lighting having to respond to particular specificities, especially capable of producing uniform concentrated illumination on a line, and A lighting device with LEDs called LEDs is used. In certain areas or applications, it is necessary to have lighting that meets certain technical or even regulatory specifications, for example in terms of the intensity or uniformity of the lighting at the level of the area to be illuminated. This is particularly the case, as an illustrative example, in the field of industrial lighting requiring intense linear lighting to control the quality of flat products leaving the machine at high speed. The devices of the aforementioned type, which are currently marketed, generally include halogen or incandescent bulbs, or fluorescent tubes associated with a reflective surface (reflector) and a front protective glass, as light source (s). a luminous line of typical width of the order of one to two centimeters, that over a length ranging from a few tens of centimeters to several meters. Some devices use sources such as white LEDs or color. In the case of fast machines such as paper mills or rolling mills, the high speed of propagation of the material to be controlled requires from the camera very short exposure times (between one thousandth and one hundred thousandths of second) which impose a very important illumination impossible to obtain with devices with fluorescent tubes. Devices equipped with incandescent lamps can provide a light line for very high illumination but they are inefficient, emit a lot of heat and have a lifetime on average 10 to 50 times shorter than LEDs. Devices equipped with LEDs do not have the aforementioned drawbacks but require efficient optical systems to converge the LED radiation on the surface to be illuminated. These devices are all the more interesting that the following three criteria are at best verified: - the recovered flux is the largest possible (better efficiency) - the illumination is uniform - the illuminated area is adapted to the object that the we want to enlighten.
Les dispositifs existants permettant une collecte maximale de lumière du flux de la DEL sont des composants optiques que l'on dispose contre la DEL et 40 dénommés collimateurs. Toutefois, ils sont très mauvais en termes d'uniformité et de concentration de la lumière. L'association d'un grand nombre de collimateurs sur une même ligne ne permet pas un éclairage efficace et uniforme sur une zone linéaire de grande longueur. Pour projeter ce rayonnement sur l'objet que l'on veut éclairer sur un écran éloigné typiquement de quelques centimètres à quelques dizaines de centimètres, il est nécessaire de prévoir un dispositif optique composé d'une ou plusieurs lentilles et/ou un miroir ou plusieurs miroirs ou dispositifs réfléchissants. Les dispositifs à lentilles ont l'avantage de former une image très nette de la surface émissive de la DEL ce qui est très intéressant pour obtenir un éclairage 50 uniforme, délimité et localisé sur la zone utile. Pour obtenir une bande lumineuse intense avec une série de DELs, les DELs sont alignées sur support longitudinal parallèlement à une direction appelée axe du dispositif, elles sont séparées l'une de l'autre par une distance appelée pas, puis une simple lentille cylindrique dont les lignes directrices sont parallèles à l'axe permet alors la formation sur l'objet de la bande lumineuse par focalisation. La ligne de DELs est disposée sur un radiateur principalement en aluminium qui permet un refroidissement correct des DELs. Le rendement du système optique est le rapport entre le flux total émis par les DELs et le flux total qui permet l'éclairement de la bande lumineuse. 60 Ce rendement est une donnée très importante du système car il permet soit d'augmenter l'éclairement pour un pas donné, soit d'augmenter le pas avec un éclairement identique. L'augmentation du pas permet de disposer moins de DELs par mètre et permet de réduire les problèmes de refroidissement. L'utilisation d'une seule lentille cylindrique convergente fournit un rendement de l'ordre de 40%, il est primordial d'augmenter ce rendement. A cet effet, la présente invention a pour objet un dispositif d'éclairage à diode, comprenant un ensemble de diodes électroluminescentes ou DELs, alignées parallèlement à un axe, associées à un système optique apte à récupérer une part 70 importante du flux lumineux émis par les DELs et à produire à distance une bande lumineuse sensiblement uniforme en terme d'éclairement, dispositif caractérisé en ce que le système optique comprend, d'une part, en face de chaque DEL une première lentille dont la face en regard de la DEL est plane ou concave et dont la deuxième face est de forme ellipsoïdale et, d'autre part, une deuxième lentille cylindrique d'axe parallèle à l'axe d'alignement des DELs. Existing devices for maximum light collection from the LED flow are optical components that are available against the LED and 40 so-called collimators. However, they are very bad in terms of uniformity and concentration of light. The combination of a large number of collimators on the same line does not allow efficient and uniform illumination on a linear zone of great length. To project this radiation onto the object that one wants to illuminate on a remote screen typically from a few centimeters to a few tens of centimeters, it is necessary to provide an optical device composed of one or more lenses and / or a mirror or several mirrors or reflecting devices. The lens devices have the advantage of forming a very clear image of the emitting surface of the LED which is very interesting to obtain a uniform illumination 50 delimited and located on the useful area. To obtain an intense light band with a series of LEDs, the LEDs are aligned on a longitudinal support parallel to a direction called the axis of the device, they are separated from each other by a distance called step, then a simple cylindrical lens which the guidelines are parallel to the axis then allows the formation on the object of the light band by focusing. The LED line is arranged on a mainly aluminum radiator which allows correct cooling of the LEDs. The efficiency of the optical system is the ratio between the total flux emitted by the LEDs and the total flux that allows the illumination of the light band. This performance is a very important feature of the system because it allows either to increase the illumination for a given step, or to increase the pitch with identical illumination. Increasing the pitch allows less LEDs per meter and reduces cooling problems. The use of a single convergent cylindrical lens provides a yield of the order of 40%, it is essential to increase this yield. For this purpose, the present invention relates to a diode lighting device, comprising a set of light emitting diodes or LEDs, aligned parallel to an axis, associated with an optical system capable of recovering a significant portion of the luminous flux emitted by LEDs and to produce remotely a light band substantially uniform in terms of illumination, characterized in that the optical system comprises, on the one hand, in front of each LED a first lens whose face facing the LED is plane or concave and the second face is ellipsoidal and secondly a second cylindrical lens axis parallel to the alignment axis of the LEDs.
La DEL a préférentiellement une face d'émission plane ou courbe située au plus près de la première face plane ou concave de la lentille plan-convexe. La lentille ellipsoïdale est en matériau transparent, sa première face est plane ou concave et sa deuxième face possède deux plans de symétrie perpendiculaires 80 qui génèrent deux méridiennes principales de formes différentes. Les plans de symétrie se coupent suivant un axe qui est l'axe de la lentille et qui coupe la face convexe en son sommet. En ce sommet, les rayons de courbure suivant les deux méridiennes principales sont différents. Le premier plan de symétrie, parallèle à l'axe d'alignement des DELs, coupe la lentille plan-convexe suivant une méridienne sensiblement elliptique permettant une concentration optimale de lumière sur la ligne lumineuse. Le deuxième plan de symétrie, perpendiculaire à l'axe d'alignement des DELs, coupe la lentille suivant une méridienne préférentiellement circulaire de rayon de courbure plus grand que celui de la méridienne elliptique. 90 La différence de longueur des rayons de courbure pour les dits plans de symétrie rend la lentille astigmate. De ce fait elle possède des distances focales différentes suivant deux plans de symétrie perpendiculaires. La lentille ellipsoïdale est associée à une lentille cylindrique d'axe parallèle à l'axe d'alignement des DELs. Préférentiellement la méridienne de cette lentille cylindrique est asphérique. La combinaison des lentilles ellipsoïdales astigmates et de la lentille cylindrique permet une parfaite concentration de lumière sur la ligne lumineuse avec un excellent rendement. Dans un exemple de réalisation non limitatif la lentille ellipsoïdale est 100 plan-convexe d'épaisseur notée E et elle est réalisée dans un matériau transparent d'indice de réfraction noté N. Pour optimiser le rendu de l'éclairage en terme de concentration de lumière et d'uniformité la face convexe possède deux rayons de courbure suivant deux plans perpendiculaires. La méridienne dans le plan de coupe parallèle à l'axe des DELs est elliptique et a un rayon de courbure en son sommet proche de E(1-1/N). La méridienne dans le plan de coupe perpendiculaire à l'axe des DELs est circulaire et a un rayon de courbure proche de E/(1+1/N). Pour un indice de réfraction N proche de 1,5, le rayon de courbure de la méridienne circulaire est environ 1,8 fois celui de la méridienne elliptique. La lentille est ainsi astigmate et la distance focale de la lentille dans un plan perpendiculaire à l'axe des DELs est environ 1,8 fois 110 plus grande que sa distance focale dans le plan parallèle à l'axe des DELs. Le rapport des deux rayons de courbure de la face convexe doit être au moins égal à 1,5 pour obtenir un effet suffisant quel que soit le matériau composant la lentille. The LED preferably has a plane or curved emission face located closest to the first planar or concave face of the plano-convex lens. The ellipsoidal lens is made of transparent material, its first face is plane or concave and its second face has two perpendicular planes of symmetry 80 which generate two main meridians of different shapes. The planes of symmetry intersect along an axis which is the axis of the lens and which intersects the convex face at its summit. At this summit, the radii of curvature along the two main meridians are different. The first plane of symmetry, parallel to the LED alignment axis, intersects the plano-convex lens along a substantially elliptical meridian allowing an optimal concentration of light on the light line. The second plane of symmetry, perpendicular to the LED alignment axis, intersects the lens along a preferentially circular meridian of radius of curvature greater than that of the elliptical meridian. The difference in the length of the radii of curvature for the said planes of symmetry makes the lens astigmatic. As a result, it has different focal lengths along two perpendicular planes of symmetry. The ellipsoidal lens is associated with a cylindrical lens with an axis parallel to the alignment axis of the LEDs. Preferably the meridian of this cylindrical lens is aspherical. The combination of the astigmatic ellipsoidal lenses and the cylindrical lens allows a perfect concentration of light on the light line with an excellent performance. In a nonlimiting exemplary embodiment, the ellipsoidal lens is 100 plano-convex thickened E and is made of a transparent material of refractive index denoted N. To optimize the rendering of the light in terms of light concentration and uniformity the convex face has two radii of curvature in two perpendicular planes. The meridian in the section plane parallel to the LED axis is elliptical and has a radius of curvature at its apex close to E (1-1 / N). The meridian in the sectional plane perpendicular to the LED axis is circular and has a radius of curvature close to E / (1 + 1 / N). For a refractive index N close to 1.5, the radius of curvature of the circular meridian is about 1.8 times that of the elliptical meridian. The lens is thus astigmatic and the focal length of the lens in a plane perpendicular to the LED axis is about 1.8 times larger than its focal length in the plane parallel to the LED axis. The ratio of the two radii of curvature of the convex face must be at least 1.5 to obtain a sufficient effect regardless of the material constituting the lens.
Le système optique comprend ainsi, associé à chaque DEL, une lentille ellipsoïdale astigmate ayant des distances focales différentes suivant deux plans perpendiculaires. Les lentilles ellipsoïdales peuvent avoir une face en regard de la DEL qui peut être plane ou concave. Chaque DEL étant associée à une lentille ellipsoïdale, il est avantageux de 120 lier les lentilles ellipsoïdales entre elles en réalisant une pièce moulée en matériau transparent comportant un certain nombre de lentilles. La lentille cylindrique permet une focalisation correcte du flux lumineux des DELs issu des lentilles ellipsoïdales à une distance variable du dispositif nécessitant une mise au point. Un réglage de distance entre la lentille cylindrique et les lentilles ellipsoïdales permet d'effectuer cette mise au point. Avantageusement la lentille cylindrique est plan-convexe, la méridienne de la face convexe est asphérique et cette lentille possède un réglage de mise au point. L'invention sera mieux comprise, grâce à la description ci-après, qui se rapporte à un mode de réalisation préféré, donné à titre d'exemple non limitatif, et 130 expliqué avec référence aux dessins schématiques annexés, dans lesquels : OXYZ est un trièdre trirectangle de l'espace orienté de telle façon que OX est la direction parallèle à l'axe d'alignement des DELs, OZ est la direction moyenne de propagation de la lumière émise par les DELs, OY est une direction perpendiculaire à OX et OZ. La figure 1 est une représentation schématique du dispositif dans le plan de symétrie XOZ du dispositif qui est parallèle à l'axe d'alignement des DELs. La figure 2 est une représentation schématique du dispositif dans le plan YOZ qui est perpendiculaire à l'axe d'alignement des DELs. La figure 3 est une représentation schématique de la lentille ellipsoïdale en 140 coupe dans un plan parallèle à l'axe d'alignement des DELs La figure 4 est une représentation schématique de la lentille ellipsoïdale en coupe dans un plan perpendiculaire à l'axe d'alignement des DELs La figure 5 est une représentation schématique du dispositif comprenant une pièce moulée comportant 10 lentilles ellipsoïdales liées. Comme le montre les figures 1 et 2 des dessins annexés, le dispositif d'éclairage comprend plusieurs DELs (1) alignées suivant OX (7) associées à des lentilles ellipsoïdales astigmates (2) et une lentille cylindrique (3) d'axe parallèle à l'axe d'alignement des DELs. La lentille ellipsoïdale (2) possède une première face concave (4) située en 150 regard de la face de sortie de la DEL (1), un axe de propagation de la lumière suivant OZ (5) et une deuxième face convexe (6). The optical system thus comprises, associated with each LED, an astigmatic ellipsoidal lens having different focal lengths in two perpendicular planes. The ellipsoidal lenses may have a face facing the LED which may be flat or concave. Since each LED is associated with an ellipsoidal lens, it is advantageous to link the ellipsoidal lenses to each other by producing a molded part made of transparent material comprising a number of lenses. The cylindrical lens allows a correct focusing of the LED light flux from the ellipsoidal lenses at a variable distance from the device requiring focus. A distance adjustment between the cylindrical lens and the ellipsoidal lenses allows this focusing. Advantageously, the cylindrical lens is plano-convex, the meridian of the convex face is aspheric and this lens has a focus adjustment. The invention will be better understood, thanks to the following description, which refers to a preferred embodiment, given by way of non-limiting example, and explained with reference to the accompanying diagrammatic drawings, in which: OXYZ is a a trirectangular trihedron of the space oriented such that OX is the direction parallel to the LED alignment axis, OZ is the mean direction of propagation of the light emitted by the LEDs, OY is a direction perpendicular to OX and OZ . Figure 1 is a schematic representation of the device in the plane of symmetry XOZ of the device which is parallel to the alignment axis of the LEDs. Figure 2 is a schematic representation of the device in the YOZ plane which is perpendicular to the alignment axis of the LEDs. FIG. 3 is a schematic representation of the ellipsoidal lens in section in a plane parallel to the axis of alignment of the LEDs. FIG. 4 is a schematic representation of the ellipsoidal lens in section in a plane perpendicular to the axis of FIG. Figure 5 is a schematic representation of the device comprising a molded part having 10 linked ellipsoidal lenses. As shown in FIGS. 1 and 2 of the accompanying drawings, the lighting device comprises a plurality of LEDs (1) aligned along OX (7) associated with astigmatic ellipsoidal lenses (2) and a cylindrical lens (3) having a parallel axis with the alignment axis of the LEDs. The ellipsoidal lens (2) has a first concave face (4) located opposite the output face of the LED (1), a light propagation axis along OZ (5) and a second convex face (6). .
La lentille cylindrique (3) est plan-convexe, la face convexe (8) a une méridienne non circulaire. La figure 3 est une représentation en coupe de la lentille ellipsoïdale (2) suivant le plan de symétrie XOZ. L'intersection de la face convexe (9) et du plan XOZ est une méridienne elliptique qui possède en son sommet un rayon de courbure RX. La figure 4 est une représentation en coupe de la lentille ellipsoïdale (2) suivant le plan de symétrie de la lentille parallèle à YOZ. L'intersection de la face convexe et de ce plan est une méridienne circulaire dont le rayon de courbure est RY 160 qui est environ 1,8 fois plus grand que RX. La distance focale de la lentille pour les rayons lumineux situés dans le plan YOZ est plus grande que la distance focale de la lentille pour des rayons situés dans le plan XOZ. Les différences entre les distances focales des deux plans de symétrie perpendiculaires rendent la lentille astigmate. La figure 5 est une représentation montrant la lentille cylindrique (12) et une série de 10 lentilles ellipsoïdales liées formant une pièce unique (11). Avantageusement cette pièce est moulée en plastique. The cylindrical lens (3) is plano-convex, the convex face (8) has a non-circular meridian. Figure 3 is a sectional representation of the ellipsoidal lens (2) along the plane of symmetry XOZ. The intersection of the convex face (9) and the plane XOZ is an elliptical meridian which has at its apex a radius of curvature RX. Figure 4 is a sectional representation of the ellipsoidal lens (2) along the plane of symmetry of the lens parallel to YOZ. The intersection of the convex face and this plane is a circular meridian whose radius of curvature is RY 160 which is about 1.8 times larger than RX. The focal length of the lens for the light rays in the YOZ plane is larger than the focal length of the lens for rays in the XOZ plane. The differences between the focal lengths of the two perpendicular planes of symmetry make the lens astigmatic. Fig. 5 is an illustration showing the cylindrical lens (12) and a series of linked ellipsoidal lenses forming a single piece (11). Advantageously, this piece is molded in plastic.