FR3028917A1 - Element injecteur de lumiere - Google Patents

Element injecteur de lumiere Download PDF

Info

Publication number
FR3028917A1
FR3028917A1 FR1461523A FR1461523A FR3028917A1 FR 3028917 A1 FR3028917 A1 FR 3028917A1 FR 1461523 A FR1461523 A FR 1461523A FR 1461523 A FR1461523 A FR 1461523A FR 3028917 A1 FR3028917 A1 FR 3028917A1
Authority
FR
France
Prior art keywords
light
injector element
light source
vcsel
energy
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
FR1461523A
Other languages
English (en)
Inventor
Alain Friederich
Gael Ruiz
Mahmoud Affi
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Huet Holdings
Original Assignee
Huet Holdings
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Huet Holdings filed Critical Huet Holdings
Priority to FR1461523A priority Critical patent/FR3028917A1/fr
Priority to ARP150103857A priority patent/AR102788A1/es
Priority to TW104139138A priority patent/TW201626668A/zh
Priority to CN201580064534.3A priority patent/CN107250854A/zh
Priority to BR112017010997A priority patent/BR112017010997A2/pt
Priority to PCT/EP2015/077852 priority patent/WO2016083548A1/fr
Priority to KR1020177016759A priority patent/KR20170103772A/ko
Priority to EP15801801.0A priority patent/EP3224342A1/fr
Priority to EA201791135A priority patent/EA201791135A1/ru
Priority to CA2968177A priority patent/CA2968177A1/fr
Priority to AU2015352457A priority patent/AU2015352457A1/en
Priority to US15/529,065 priority patent/US20170331253A1/en
Priority to JP2017547074A priority patent/JP2017535295A/ja
Publication of FR3028917A1 publication Critical patent/FR3028917A1/fr
Priority to IL252511A priority patent/IL252511A0/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M21/00—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses
    • C12M21/02—Photobioreactors
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M31/00—Means for providing, directing, scattering or concentrating light
    • C12M31/08—Means for providing, directing, scattering or concentrating light by conducting or reflecting elements located inside the reactor or in its structure
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0005—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being of the fibre type
    • G02B6/0008—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being of the fibre type the light being emitted at the end of the fibre
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0005—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being of the fibre type
    • G02B6/001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being of the fibre type the light being emitted along at least a portion of the lateral surface of the fibre
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0011—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form
    • G02B6/0033—Means for improving the coupling-out of light from the light guide
    • G02B6/0035—Means for improving the coupling-out of light from the light guide provided on the surface of the light guide or in the bulk of it
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0096—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the lights guides being of the hollow type
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0005—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being of the fibre type
    • G02B6/0006—Coupling light into the fibre
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0011—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form
    • G02B6/0066—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form characterised by the light source being coupled to the light guide
    • G02B6/0068—Arrangements of plural sources, e.g. multi-colour light sources
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S2301/00—Functional characteristics
    • H01S2301/20—Lasers with a special output beam profile or cross-section, e.g. non-Gaussian
    • H01S2301/203—Lasers with a special output beam profile or cross-section, e.g. non-Gaussian with at least one hole in the intensity distribution, e.g. annular or doughnut mode

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)
  • Micro-Organisms Or Cultivation Processes Thereof (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
  • Non-Portable Lighting Devices Or Systems Thereof (AREA)
  • Chemical Vapour Deposition (AREA)

Abstract

L'invention concerne un élément injecteur de lumière (20) comprenant un corps (21) s'étendant selon un axe longitudinal (22), et une source de lumière (23) placée en regard d'une extrémité (25) du corps (21), la source de lumière (23) comprenant une pluralité de diodes laser à cavité verticale émettant par la surface (VCSEL), ladite pluralité de diodes étant disposées de sorte à former une surface d'émission (26) sensiblement perpendiculaire à l'axe longitudinal (22) du corps (21). L'invention concerne également un photobioréacteur (10) comprenant un tel élément injecteur de lumière (20).

Description

1 DOMAINE TECHNIQUE GENERAL La présente invention concerne le domaine général de l'éclairage, et en particulier celui de l'éclairage pour la culture intensive et continue de microorganismes photosynthétiques.
ETAT DE L'ART De nombreux éléments d'éclairage sont connus de l'état de la technique, comme par exemple le tube luminescent ou néon, le tube fluorescent ou la diode électroluminescente (ou LED).
En particulier, une LED présente un diagramme d'émission énergétique suivant un profil lambertien, c'est-à-dire sous la forme d'un lobe. Une LED émet un flux d'énergie maximum dans une direction principale perpendiculaire à sa surface d'émission, et ce flux énergie décroit à mesure que l'on s'éloigne de cette direction principale.
Par ailleurs, une LED présente un cône d'émission dont l'angle solide est limité, typiquement de 90°. Une LED ne permet donc pas d'émettre d'énergie dans des directions présentant une forte inclinaison par rapport à la direction principale, notamment au-delà de 45°. Ainsi, lorsqu'une LED est par exemple installée au plafond d'une pièce de sorte à émettre de la lumière principalement à la verticale, elle ne peut pas éclairer à l'horizontal, réduisant de ce fait la qualité de l'éclairage dans la pièce. Une telle qualité d'éclairage peut poser des problèmes de confort pour un utilisateur et nécessite une multiplication des systèmes d'éclairage pour remédier à ce défaut. L'utilisation de LEDs présente cependant des avantages non négligeables, notamment leur rendement lumineux important qui est quasi-constant dans la durée d'utilisation de la LED, en particulier quand les LEDs ne s'échauffent pas. Contrairement aux LEDs, les tubes fluorescents ou néons permettent d'obtenir une émission d'énergie dans toutes les directions radiales, même à l'horizontal lorsqu'ils sont installés en plafonnier.
3028917 2 Cependant, de tels éléments d'éclairage présentent des rendements lumineux bien plus faibles que les LEDs et leur intensité lumineuse diminue avec le temps. Par ailleurs, il arrive souvent que de tels éléments d'éclairage scintillent, ce qui peut être particulièrement gênant pour un utilisateur.
5 Dans le domaine particulier de l'éclairage pour la culture intensive de microorganismes photosynthétiques, notamment des microalgues, il est essentiel que le flux d'énergie émis par les éléments d'éclairage soit le plus uniforme possible dans toutes les directions d'émission dudit élément d'éclairage, de sorte à améliorer le rendement de production desdites microalgues.
10 On comprend en effet que d'une façon générale la production dépende directement de la qualité de l'éclairage dans le volume du photobioréacteur dans lequel sont cultivées les microalgues. Il est nécessaire que l'ensemble du liquide biologique soit correctement éclairé avec une énergie moyenne optimale, qui dépend de la nature de la micro-algue. Par conséquent, il faut que l'interface entre 15 les sources lumineuses et le liquide biologique soit la plus grande possible ce qui maximise le volume utile du liquide biologique (bain). Pour fixer les idées on notera qu'à des concentrations d de l'ordre du gramme par litre, la lumière est absorbée sur une profondeur de À = 0.5cm. Pour un réacteur d'1 m3, avec une surface de 1 m2 d'éclairement (source de lumière 20 plane de 1m2), le volume de liquide biologique concerné sera seulement de 1/200 m3. Le réacteur idéal serait tel que le volume éclairé soit égal au volume du réacteur. Plus généralement le facteur de qualité d'un réacteur peut se définir par la relation : Q = SiVVO, où S est la surface éclairée (à la bonne puissance) dans le volume VO du réacteur, et À la profondeur de pénétration de la lumière.
25 Ve étant le volume des éléments éclairants dispersés dans le réacteur la production en Masse M peut s'exprimer par la relation : M = (VO - Ve)d (où d est la masse de palgues par unité de volume). Ces deux relations doivent être maximisées simultanément. Pour cela, le document W02011/080345 propose par exemple des 30 éléments injecteurs de lumière comprenant un guide de lumière de forme 3028917 3 tubulaire, à l'extrémité duquel est placée une LED. La LED est entourée d'un miroir de forme parabolique ou conique, ou toute autre forme qui permet de renvoyer les rayons de grands angles émis par la LED dans la direction axiale de l'injecteur.
5 De plus, le guide de lumière de l'élément injecteur est recouvert, à son extrémité du côté de la LED, d'un miroir dont l'opacité décroit lorsqu'on s'éloigne de la source lumineuse. En d'autres termes, ce miroir métallique est total dans la partie haute de l'élément injecteur, devient progressivement semi-transparent, et in fine disparait. En effet, sans ces miroirs, compte-tenu du profil d'émission 10 énergétique lambertien de la LED, la quantité d'énergie émise par le tube le long de sa paroi latérale décroîtrait exponentiellement à mesure que l'on s'éloigne de la LED, ce qui aurait pour conséquence que l'énergie lumineuse sortirait pour l'essentiel dans la partie haute de l'élément injecteur. On comprend donc que la mise en oeuvre de tels miroirs soit essentielle pour que l'élément injecteur émette 15 une énergie la plus uniforme possible le long du tube. Ce document propose également de placer un miroir à l'extrémité du guide de lumière opposée à la LED, de sorte à renvoyer le long du guide de lumière de l'élément injecteur les rayons lumineux provenant directement de la LED ou réfléchis dans des directions présentant un angle faible par rapport à la direction 20 principale d'émission, afin de compenser les pertes d'énergie croissantes à mesure que l'on s'éloigne de la LED. Ce miroir présente par exemple une forme conique, demi-sphérique, ou parabolique, voire une forme plus complexe. Or, l'utilisation de tels miroirs introduit une absorption significative du flux d'énergie réfléchi par les miroirs, ce qui en plus d'entraîner une perte d'énergie 25 utile, induit un échauffement local de l'élément injecteur, et in fine un échauffement du liquide biologique (bain). En effet, considérant un miroir de bonne qualité et une émission de lumière d'une longueur d'onde de 0.8pm, 5% de l'énergie lumineuse est absorbée lors d'une réflexion sur ledit miroir. Ainsi, s'il n'y a qu'une seule réflexion des rayons 3028917 4 lumineux à réorienter et que ces rayons représentent par exemple 50% du flux lumineux, c'est donc 2.5% de l'énergie lumineuse qui peut être absorbée. Or, notamment dans le cas du miroir entourant la LED, les rayons lumineux présentant les angles les plus forts par rapport à la direction principale d'émission 5 sont réfléchis à plusieurs reprises. Cet effet est par ailleurs renforcé pour des LEDs de grande surface d'émission en comparaison avec la section de l'élément injecteur (surface de quelques dizaines de mm2). Ainsi, une absorption énergétique supérieure à 10% peut être observée, et ce même avec un miroir de bonne qualité.
10 L'utilisation de miroirs de forme conique voire de forme plus complexe permet de limiter le nombre de réflexion des rayons lumineux et donc de réduire les pertes liées à l'absorption du flux lumineux réfléchi. Cependant, outre le fait que certains de ces miroirs peuvent être industriellement difficiles à réaliser, l'absorption du flux lumineux qu'ils induisent 15 reste importante. On comprend donc que la mise en oeuvre de tels miroirs est particulièrement compliquées et coûteuse énergétiquement. Il existe donc un besoin de développer un élément injecteur de lumière pour photobioréacteur permettant de réduire les pertes d'énergie lumineuse.
20 PRESENTATION DE L'INVENTION Un objectif de l'invention est donc de proposer un élément injecteur de lumière permettant de réduire les pertes d'énergie lumineuse entre l'énergie émise par la source de lumière et l'énergie sortant de l'élément injecteur. L'invention a 25 également pour objectif de proposer un élément injecteur permettant de fournir un flux d'énergie globalement uniforme dans toutes les directions d'émission dudit élément injecteur. A cet effet, l'invention propose selon un premier aspect un élément injecteur de lumière comprenant un corps s'étendant selon un axe longitudinal, et une source de lumière placée en regard d'une extrémité du corps, 3028917 5 l'élément injecteur étant caractérisé en ce que la source de lumière comprend une pluralité de diodes laser à cavité verticale émettant par la surface, ladite pluralité de diodes étant disposées de sorte à former une surface d'émission sensiblement perpendiculaire à l'axe longitudinal du corps.
5 Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives : - le corps présente une forme cylindrique, en particulier cylindrique droite ou parallélépipédique ; - chaque diode présente une surface d'émission élémentaire, la surface 10 d'émission comprenant au moins l'ensemble des surfaces d'émission élémentaire ; - lesdites diodes sont associées de sorte à former un circuit intégré ; - la source de lumière est configurée pour émettre davantage de lumière dans une zone périphérique que dans une zone centrale de la surface d'émission ; 15 - la source de lumière est configurée pour n'émettre de la lumière que dans la zone périphérique ; - la zone centrale de la surface d'émission ne comprend pas de diodes ; - l'élément injecteur comprend en outre une unité de commande configurée pour piloter la source de lumière de sorte que la zone périphérique de la surface 20 d'émission émette davantage de lumière que la zone centrale ; - l'élément injecteur comprend en outre un miroir d'extrémité disposé à une extrémité du corps opposée à la source de lumière, de sorte à renvoyer dans le corps la partie du faisceau de lumière venant se réfléchir contre ledit miroir d'extrémité ; 25 - la source de lumière est configurée pour émettre une densité d'énergie non uniforme dans la zone périphérique de la surface d'émission ; - les surfaces d'émission élémentaires des diodes de la zone périphérique sont de dimensions différentes entre elles de sorte que la source de lumière émette 3028917 6 une densité d'énergie non uniforme dans la zone périphérique de la surface d'émission ; - l'élément injecteur comprend en outre des alimentations en courant configurées pour délivrer aux diodes une densité de courant électrique non 5 uniforme de sorte que la source de lumière émette une densité d'énergie non uniforme dans la zone périphérique de la surface d'émission - l'élément injecteur comprend au moins un élément optique ménagé à l'intérieur du corps et configuré pour laisser passer une fraction du faisceau de lumière émis par la source de lumière se propageant dans une partie centrale du 10 corps, et dévier vers l'extérieur dudit corps une fraction du faisceau de lumière se propageant dans une partie périphérique du corps, de sorte à distribuer localement l'énergie émise par la source de lumière - l'élément optique présente une ouverture sensiblement coaxiale avec l'axe longitudinal du corps de sorte à laisser passer la fraction du faisceau de lumière 15 se propageant dans la partie centrale du corps - l'élément injecteur comprend une pluralité d'éléments optiques ménagés à l'intérieur du corps, et s'étendant à distance les uns des autres le long dudit corps, lesdits éléments optiques étant configurés pour laisser passer une fraction du faisceau de lumière se propageant dans une partie centrale du corps de plus en 20 plus restreinte à mesure que les éléments optiques sont éloignés de la source de lumière, de sorte à répartir l'énergie émise par la source de lumière le long du corps - les éléments optiques présentent chacun une ouverture sensiblement coaxiale avec l'axe longitudinal du corps de sorte à laisser passer une fraction du faisceau 25 de lumière se propageant dans la partie centrale du corps, lesdites ouvertures présentant une taille décroissante avec l'éloignement par rapport à la source de lumière ; - le ou les éléments optiques sont des lentilles divergentes, ou des prismes ; 3028917 7 - les éléments optiques sont configurés pour dévier vers l'extérieur du corps toute la lumière émise par la zone périphérique de la surface d'émission. Selon un deuxième aspect, l'invention concerne un photobioréacteur 5 destiné à la culture notamment en continu de microorganismes photosynthétiques, de préférence de microalgues, ledit photobioréacteur comprenant au moins une enceinte de culture destinée à contenir le milieu de culture (12) des microorganismes, ledit photobioréacteur étant caractérisé en ce qu'il comprend un élément injecteur 10 de lumière selon le premier aspect de l'invention, le corps dudit élément injecteur étant placé dans l'enceinte de culture. PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la 15 description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 représente une vue schématique, en coupe verticale, d'un photobioréacteur destiné à la culture notamment en continu de microorganismes photosynthétiques, comprenant un élément injecteur de lumière 20 selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 représente une vue schématique, en coupe, d'une structure d'une diode laser à cavité verticale émettant par la surface (VCSEL) ; - la figure 3 représente une vue schématique, en coupe verticale, d'un photobioréacteur comprenant un élément injecteur de lumière selon une 25 variante du mode de réalisation illustré à la figure 1 ; - la figure 4 représente un premier exemple de profil d'émission d'énergie d'une pluralité de VCSEL dans lequel la densité d'énergie émise n'est pas uniforme sur toute la surface d'émission formée par les VCSEL ; 3028917 8 - la figure 5 représente un deuxième exemple de profil d'émission d'énergie d'une pluralité de VCSEL dans lequel la densité d'énergie émise n'est pas uniforme sur toute la surface d'émission formée par les VCSEL ; - la figure 6 représente une vue schématique, en coupe verticale, d'un 5 photobioréacteur comprenant un élément injecteur de lumière selon une variante des modes de réalisation illustrés aux figures 1 et 3 ; - la figure 7 représente la répartition de l'énergie émise par l'élément injecteur de lumière illustré à la figure 6 sur toute sa longueur, lorsque les VCSEL ont un profil d'émission tel que représenté à la figure 4 ; 10 - la figure 8 représente la répartition de l'énergie émise par l'élément injecteur de lumière illustré à la figure 6 sur toute sa longueur, lorsque les VCSEL ont un profil d'émission tel que représenté à la figure 5 ; - la figure 9 représente une vue en perspective, en coupe verticale, d'un élément injecteur de lumière plan selon une variante des modes de 15 réalisation illustrés aux figures 1, 3 et 6 ; - la figure 10 représente une vue en perspective, en coupe verticale, d'un élément injecteur de lumière plan selon une variante des modes de réalisation illustrés aux figures 1, 3, 6 et 9.
20 DESCRIPTION DETAILLEE La figure 1 montre un photobioréacteur 10 destiné à la culture notamment en continu de micro-organismes photosynthétiques, de préférence de microalgues, selon un mode de réalisation de l'invention. Le photobioréacteur 10 comprend au moins une enceinte de culture 11 25 destinée à contenir le milieu de culture 12 des micro-organismes, et au moins un élément injecteur de lumière 20. L'élément injecteur de lumière 20 comprend un corps 21 cylindrique s'étendant selon un axe longitudinal 22. Dans une utilisation en photobioréacteur, l'axe longitudinal 22 de l'élément injecteur de lumière 20 coïncide sensiblement avec une direction verticale.
3028917 9 On entend par cylindre, le volume engendré par la translation d'une surface (formant une base) selon une direction orthogonale à la surface. Par exemple, le corps 21 peut présenter la forme d'un cylindre de révolution (cylindre dont la base est un disque) ou d'un prisme (cylindre dont la base est un polygone). En 5 particulier, le corps 21 peut présenter la forme d'un parallélépipède rectangle. Le corps 21 est placé dans l'enceinte de culture 11. Le corps 21 est de façon préférée creux pour éviter des pertes par absorption, mais on comprendra qu'il peut éventuellement être en matériau transparent, voir plus loin. Dans le cas d'un corps 21 de la forme d'un parallélépipède rectangle, comme illustré à la figure 10 9 ou à la figure 10, deux faces opposées dudit corps 21 sont de préférence des plaques 21a, 21b placées à faible distance l'une de l'autre. Les plaques 21a, 21b définissent la longueur (hauteur) et la largeur du corps 21, tandis que la distance entre les plaques 21a, 21b définit l'épaisseur du corps 21. Les plaques sont par exemple en polyméthacrylate de méthyle (PMMA) ou en verre.
15 Le corps 21 de l'élément injecteur de lumière 20 est couplé avec une source de lumière 23 (disposé en extrémité haute de l'élément injecteur de lumière 20 lorsque celui-ci est orienté verticalement) de façon à guider le flux de lumière émis par la source de lumière 23 et le transmettre dans le milieu de culture 12 par sa (ses) paroi(s) latérale (s) 24.
20 Dans le cas d'un élément 20 creux, le saut d'indice entre la cavité centrale et l'enveloppe du corps 21 définissant les parois latérales 24 (plaques 21a, 21b pour un corps parallélépipédique) permet de contrôler la transmission latérale de la lumière. Dans le cas d'un élément plein, la présence d'une structure à double enveloppe (de sorte à avoir deux indices différents) avec éventuellement des 25 rugosités est nécessaire. Dans le cas d'un corps 21 de la forme d'un parallélépipède rectangle, comme illustré à la figure 9 ou à la figure 10, la lumière est émise latéralement à travers les plaques 21a, 21b. De préférence et pour des raisons de gestion des pertes thermiques de la source de lumière 23, on place celle-ci à l'extérieur de 30 l'enceinte de culture 11, en regard d'une extrémité 25 proximale dudit corps, 3028917 10 notamment au contact d'un radiateur (préféré commun à tous les éléments injecteurs) réfrigéré par un fluide caloporteur. La source de lumière 23 comprend une pluralité de diodes laser à cavité 5 verticale émettant par la surface, dites VCSEL (en terminologie anglo-saxonne « Vertical Cavity Surface Emission Laser »), disposées de sorte à former une surface d'émission 26 sensiblement perpendiculaire à l'axe longitudinal 22 du corps 21 et à émettre un faisceau de lumière dans une direction d'émission 27 sensiblement parallèle à l'axe longitudinal 22 du corps 21. Les VCSEL sont 10 alimentées en courant électrique par l'intermédiaire d'au moins une alimentation en courant 28. La ou les alimentations en courant 28 sont par exemple pilotées par une unité de commande 29. La surface d'émission 26 est de préférence centrée sur l'entrée (extrémité 25) du corps 21. La surface d'émission 26 est de préférence de forme adaptée à la section transversale du corps 21. Ainsi, dans le 15 cas d'un corps 21 présentant une section transversale circulaire, la surface d'émission 26 sera de préférence un disque, tandis que dans le cas d'un corps 21 de la forme d'un parallélépipède rectangle, la surface d'émission 26 sera de préférence une bande, comme illustré à la figure 9 ou à la figure 10. Les VCSEL sont des lasers solides à semi-conducteur à gap direct 20 permettant d'obtenir une émission de lumière cohérente, contrairement aux LEDs qui ne permettent que de générer une lumière incohérente. Comme illustré à la figure 2, une VCSEL comprend une structure 100 en couches superposées selon la direction d'émission 101 du faisceau de lumière. La structure 100 comprend notamment : 25 - une couche de contact métallique dite inférieure 102, - un substrat de semi-conducteur 103 présentant un dopage de type n, - un miroir de Bragg dit inférieur 104 présentant un dopage de type n, - au moins un puits quantique 105 formant la cavité verticale résonnante, - un miroir de Bragg dit supérieur 106 présentant un dopage de type p, 3028917 11 une couche de contact métallique 107 dite supérieure présentant une ouverture 108, dans laquelle est déposée une couche d'oxyde métallique transparente et conductrice, et par laquelle le faisceau de lumière 109 est émis.
5 Une VCSEL émet donc un faisceau de lumière par une surface d'émission élémentaire 110 sensiblement perpendiculaire à la direction d'empilement des couches 102 à 107, contrairement aux lasers solides conventionnels qui émettent par la tranche, c'est-à-dire par une surface sensiblement parallèle à la direction d'empilement des couches (flanc de la cavité).
10 La surface d'émission élémentaire d'une VCSEL est par exemple de l'ordre de la centaine de pm2 et la puissance optique délivrée dépasse les quelques dizaines de milliwatts dans le domaine du visible pour une surface d'émission de quelques centaines de pm2. Le fait que les VCSEL aient une structure 100 en couches s'étendant 15 perpendiculairement à la direction d'émission 101 (technologie dite « planar ») permet d'en associer un très grand nombre (quelques centaines) sur une surface millimétrique, de sorte à former un « circuit intégré laser » C-VCSEL comprenant un nombre N de VCSEL. L'énergie lumineuse émise par le C-VCSEL est la somme des énergies lumineuses émises par chaque VCSEL élémentaire s'il n'y a 20 pas de couplage entre VCSEL, notamment par les couches semi-conductrices 103 à 106 Un C-VCSEL permet ainsi d'obtenir des émissions lumineuses de forte puissance avec une divergence quasiment nulle, contrairement aux LEDs. Un CVCSEL permet par exemple d'obtenir des puissances dépassant la dizaine de watts optiques par mm2.
25 La pluralité de VCSEL de la source de lumière 23 est ainsi organisée en C- VCSEL de sorte que l'ensemble des surfaces d'émission élémentaire 110 des VCSEL forment la surface d'émission 26. On comprendra que l'utilisation d'un C-VCSEL permet de transporter l'énergie lumineuse sur toute la longueur du corps 21 ainsi que de se passer des 30 miroirs qui dans l'art antérieur étaient nécessaires pour corriger le profil d'énergie 3028917 12 lambertien des LEDs, réduisant de ce fait les pertes énergétiques qui étaient liées à l'utilisation de ces miroirs, ainsi que les coûts de réalisation de l'élément injecteur 20. Comme l'on verra plus loin, de façon avantageuse le C-VCSEL peut être 5 configuré de sorte à présenter une densité d'énergie variable sur sa surface d'émission 26. L'homme du métier connait une pluralité de techniques permettant d'arriver à ce résultat, et le présent élément injecteur de lumière ne sera limité à aucune d'entre elles. En particulier, la structure complexe d'un VCSEL (miroirs de Bragg, 10 couches actives, etc.) est réalisée par épitaxie (épitaxie par jets moléculaires par exemple) sur un substrat 103 conducteur d'au moins toute la surface du CVCSEL. La délimitation des VCSEL élémentaires (c'est-à-dire de la surface d'émission élémentaire de chaque VCSEL) est faite par lithographie optique. Il est ainsi possible par le biais de « masques optiques » de définir les dimensions de la 15 surface d'émission élémentaire 110 de chaque VCSEL et leurs densités surfaciques (autrement dit faire varier le pas entre deux VCSEL adjacentes) sur une zone donnée du C-VCSEL. Les technologies de connectiques font l'objet de dépôts à travers des masques adaptés aux besoins de commandes électriques, bien connues de l'homme de l'art. Il est ainsi possible de prévoir des « trous » 20 dans la surface d'émission 26, en d'autres termes des zones dépourvues de VCSEL. Pour la clarté de la description, les éventuelles zones présentant une émission de lumière nulle mais entourées par des zones présentant une émission de lumière non nulle seront considérées comme faisant partie de la surface d'émission 26.
25 Alternativement, dans le C-VCSEL, chaque VCSEL peut être connectée individuellement à une alimentation en courant 28. Dans ce cas, l'unité de commande 29 peut être configurée pour commander individuellement les alimentations en courant 28 de sorte à délivrer des densités de courant différentes selon les VCSEL. On peut aussi commander les VCSEL en tension. Le C-VCSEL 30 peut également être délimité par zones et les VCSEL de chaque zone peuvent 3028917 13 être connectées entre elles et à une alimentation en courant 28 dédiée par zone. Dans ces deux derniers cas, l'unité de commande 29 est par exemple un circuit de commande matricielle. Les VCSEL peuvent au contraire être connectées entre elles et à une unique alimentation en courant 28. Dans ce cas, l'alimentation en 5 courant 28 est pilotée par l'unité de commande 29 de sorte à délivrer une densité de courant uniforme (autrement dit, si les VCSEL ont la même impédance par unité de surface, la tension est la même pour tous les VCSEL). Dans l'exemple illustré à la figure 1, la source de lumière 23 est associée, 10 en amont du corps 21, à une lentille d'entrée 30 divergente ou convergente configurée pour dévier le faisceau de lumière émis par les VCSEL vers la paroi latérale 24 du corps 21. La lentille d'entrée 30 permet d'ajuster l'angle d'attaque du faisceau de lumière dévié contre la paroi latérale 24 du corps 21, de sorte à contrôler l'énergie émise par le corps 21. De préférence, l'angle d'attaque est 15 choisi de sorte que l'énergie émise par l'élément injecteur soit comprise entre une énergie seuil prédéterminée et une énergie dite de saturation des microorganismes. L'énergie seuil correspond à l'énergie minimale nécessaire pour amorcer la photosynthèse. L'angle d'attaque permet ensuite de déterminer la focale f de la lentille d'entrée 30. On comprendra que le C-VCSEL permet 20 d'émettre un faisceau de lumière sensiblement cylindrique, parallèle à l'axe longitudinal 22 du corps 21, et que de ce fait l'angle d'attaque du faisceau de lumière peut être plus aisément contrôlé par la lentille d'entrée 30. Par ailleurs, cela permet d'étaler la tâche lumineuse générée lorsque le faisceau de lumière est dévié par la lentille d'entrée 30 sur toute la longueur de la paroi latérale 24 du 25 corps 21 et ainsi de répartir l'énergie émise sur toute la longueur du corps 21. Dans le cas d'un corps 21 de la forme d'un parallélépipède rectangle, comme illustré à la figure 9, la lentille d'entrée 30 est remplacée par un prisme divergent 301 présentant une largeur et une longueur sensiblement égales à l'épaisseur et à la largeur du corps 21, respectivement. Les faces du prisme 30' 3028917 14 peuvent être non planes afin de distribuer au mieux l'énergie le long des plaques 21a, 21b du corps 21. Dans les exemples illustrés aux figures 1 et 3, la surface d'émission 26 du 5 C-VCSEL est sensiblement de mêmes dimensions que la section transversale du corps 21. Si la surface d'émission 26 du C-VCSEL est de dimensions inférieures à la section transversale du corps 21, l'élément injecteur 20 peut en outre être pourvu d'un système optique projetant une image agrandie du C-VCSEL, de préférence de la section du guide optique, sur la lentille (ou le prisme) divergente 10 30 située en entrée du corps 21. Dans l'exemple illustré à la figure 1, l'élément injecteur 20 comprend en outre un miroir 31 disposé à une extrémité distale du corps 21, i.e. l'extrémité opposée à la source de lumière 23. Le miroir d'extrémité 31 est configuré pour 15 renvoyer le faisceau de lumière dans le corps 21 de sorte à compenser la perte d'énergie extraite du corps 21 lorsque l'on s'éloigne de la source de lumière 23. Le miroir d'extrémité 31 permet ainsi d'uniformiser le flux d'énergie émis par la paroi latérale 24 du corps 21. Le miroir d'extrémité 31 présente par exemple une surface réfléchissante plane, demi-sphérique, conique ou parabolique. De 20 préférence, le profil de la surface réfléchissante du miroir 31 est déterminée de sorte que l'énergie lumineuse réfléchie par le miroir d'extrémité 31 diminue à mesure que l'on s'approche de la source de lumière 23, afin que réduire au maximum l'énergie revenant sur la source de lumière 23. On comprendra en effet que pour limiter les pertes d'énergie dans l'élément injecteur 20, il est avantageux 25 de renvoyer dans le corps 21 la fraction du faisceau de lumière arrivant directement sur le miroir d'extrémité 31 (c'est-à-dire sans avoir été réfléchie par la paroi latérale 24 du corps 21) et la fraction réfléchie par la paroi latérale 24 du corps 21 vers le miroir d'extrémité 31. On comprendra également, toujours pour limiter les pertes d'énergie dans l'élément injecteur 20, qu'il est avantageux de 30 réduire la fraction du faisceau de lumière revenant sur la source de lumière 23 afin 3028917 15 notamment d'éviter que cette dernière ne s'échauffe et qu'une partie de l'énergie émise ne soit pas transmise au milieu de culture 12. Le miroir 31 est de préférence de mêmes dimensions que la section transversale du corps 21.
5 Comme illustré à la figure 3, l'élément injecteur 20 peut également être muni d'une lentille d'extrémité 32 divergente ou convergente ménagée à l'intérieur du corps 21 en regard du miroir d'extrémité 31, de sorte à augmenter l'angle d'attaque contre la paroi latérale 24 du corps 21 de la fraction du faisceau de lumière réfléchie contre le miroir d'extrémité 31. De cette manière, l'énergie 10 réfléchie par le miroir d'extrémité 31 est plus rapidement consommée et les risques que cette énergie ne retourne sur la source de lumière 23 sont limités. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, la source de lumière 23 est configurée pour émettre davantage de lumière dans une zone périphérique 33 15 que dans une zone centrale 34 de la surface d'émission 26. De préférence, la zone centrale 34 de la surface d'émission 26 n'émet aucune lumière. De cette manière, la partie du faisceau de lumière réfléchie directement (c'est-à-dire sans avoir été réfléchie par la paroi latérale 24 du corps 21) contre le miroir d'extrémité 31 est limitée voire supprimée, réduisant de ce fait l'énergie réfléchie par le miroir 20 d'extrémité 31 directement vers la source de lumière 23. Cela permet en outre de limiter la quantité d'énergie réfléchie par le miroir d'extrémité 31, et ainsi de réduire les pertes énergétiques liées à cette réflexion. Un exemple de profil d'émission de la source de lumière 23 présentant une telle densité d'énergie dans la surface d'émission 26 est illustré à la figure 4. Dans 25 cet exemple, la densité d'énergie est nulle dans la zone centrale 34 et uniforme dans la zone périphérique 33. Dans cet exemple, le corps 21 est un cylindre de révolution et le profil d'émission présente une symétrie de révolution autour de l'axe longitudinal 22 du corps 21. La zone centrale 34 de la surface d'émission 26 présente la forme d'un disque et la zone périphérique 35 de la surface d'émission 30 26 présente la forme d'un anneau.
3028917 16 Selon ce mode de réalisation préféré, la zone centrale 34 de la surface d'émission 26 ne comprend par exemple pas de VCSEL. Le substrat traité par photolithographie peut également être configuré pour désactiver les VCSEL (les surfaces d'émission élémentaires des VCSEL) de la zone centrale 24, de sorte 5 que seules les VCSEL de la zone périphérique 33 émettent de la lumière. Selon une variante, l'unité de commande 29 pilote la source de lumière 23 de sorte que la zone périphérique 33 de la surface d'émission 26 émette davantage de lumière que la zone centrale 34. Pour cela, l'unité de commande 22 commande par exemple la ou les alimentations en courant 28 reliées aux VCSEL 10 de la zone centrale 34 de délivrer une densité de courant faible voire nulle, et la ou les alimentations en courant 28 reliées aux VCSEL de la zone périphérique 33 de délivrer une densité de courant plus forte. Les VCSEL de la zone centrale 34 sont de préférence éteintes. Les VCSEL peuvent également être commandées en tension.
15 Avantageusement, la source de lumière 23 est en outre configurée pour émettre une densité d'énergie non uniforme dans la zone périphérique 33 de la surface d'émission 26. Pour cela, le substrat (après le dépôt des couches définissant la structure 100 illustrée à la figure 2) traité par photolithographie peut être configuré pour moduler la surface d'émission élémentaire des VCSEL de la 20 zone périphérique 33 de la surface d'émission 26 de sorte à obtenir une densité d'énergie non uniforme (dans le C-VCSEL). En variante, l'unité de commande 29 commande les alimentations en courant 28 de sorte à délivrer une densité de courant non uniforme dans la zone périphérique 33 de la surface d'émission 26. Un exemple de profil d'émission du C-VCSEL présentant une telle densité 25 d'énergie dans la zone périphérique 33 de la surface d'émission 26 est illustré à la figure 5. Dans cet exemple, le corps 21 est un cylindre de révolution et le profil d'émission présente une symétrie de révolution autour de l'axe longitudinal 22 du corps 21. On voit sur la figure 5 que la source de lumière 23 est configurée pour émettre une énergie décroissante depuis le bord de la zone centrale 34 vers le 30 bord de la surface d'émission 26. Plus précisément, sur une première zone 3028917 17 s'étendant depuis le bord de la zone centrale 34, l'énergie décroît à mesure que l'on s'éloigne de la zone centrale 34 passant d'un niveau d'énergie élevé à un niveau d'énergie moyen haut, puis, sur une deuxième zone s'étendant depuis le bord de la première zone vers le bord de la surface d'émission 26, l'énergie 5 décroît à nouveau à mesure que l'on s'éloigne de la zone centrale 34 passant d'un niveau d'énergie moyen faible à un niveau d'énergie faible. A l'interface entre la première zone et la deuxième zone, le niveau d'énergie est donc discontinu. Dans l'exemple illustré à la figure 6, l'élément injecteur 20 comprend en 10 outre une pluralité d'éléments optiques 35i ménagés à l'intérieur du corps 21 à distance les uns des autres le long dudit corps 21, les éléments optiques 35i étant en outre configurés pour laisser passer une fraction du faisceau de lumière se propageant dans une partie centrale 36i de plus en plus restreinte à mesure que les éléments optiques 35i sont éloignés de la source de lumière 23. De cette 15 manière, à chaque fois que le faisceau de lumière traverse un élément optique 35i, ce dernier est ponctionné d'une partie de son énergie pour la transmettre vers l'extérieur du corps 21. Les éléments optiques 35i permettent ainsi de répartir l'énergie du faisceau de lumière le long du corps 21. On comprendra qu'il est ainsi possible de prélever l'énergie émise par la 20 source de lumière 23 de manière à la répartir uniformément le long du corps 21, de sorte que l'énergie moyenne le long dudit corps 21 soit suffisante pour permettre le développement des microorganismes. L'énergie émise le long du corps 21 est notamment comprise entre une énergie seuil prédéterminée et une énergie dite de saturation des micro-organismes. L'énergie seuil correspond à 25 l'énergie minimale nécessaire pour amorcer la photosynthèse. Les éléments optiques 35i sont de préférence de même forme et sensiblement de mêmes dimensions que la section transversale du corps 21, le bord des éléments optiques 35i étant placé contre la surface intérieure de la paroi latérale du corps 21. Ainsi, dans le cas d'un corps 21 de section transversale 30 circulaire, les éléments optiques 35i présentent un diamètre sensiblement égal au 3028917 18 diamètre du corps 21, tandis que dans le cas d'un corps 21 de la forme d'un parallélépipède rectangle, les éléments optiques 35i présentent une longueur et une largeur sensiblement égales à la largeur et à l'épaisseur du corps 21, respectivement.
5 Par exemple, les éléments optiques 35i sont « troués », ils présentent une ouverture 38i sensiblement coaxiale avec l'axe longitudinal 22 du corps 21, de sorte à ne laisser passer que la fraction du faisceau de lumière se propageant dans la partie centrale 36i du corps 21 sans la dévier. Les ouvertures 38i sont en outre de plus en plus petites à mesure que les éléments optiques 35i sont 10 éloignés de la source de lumière 23. L'ouverture 38i des éléments optiques 35i est de préférence de même forme que la section transversale du corps 21. Ainsi, lorsque le corps 21 est tubulaire, l'ouverture 38i des éléments optiques 35i est de préférence circulaire, le diamètre Di des ouvertures 38i étant alors de plus en plus petit à mesure que les 15 éléments optiques 35i sont éloignés de la source de lumière 23. Les éléments optiques 35i sont par exemple des lentilles divergentes ou des prismes déflecteurs, notamment des prismes annulaires. Les lentilles 35i peuvent présenter une focale identique ou différente. De même, les prismes 35i peuvent présenter des géométries identiques ou différentes.
20 Lorsque le corps 21 est tubulaire, chaque lentille 35i est par exemple positionnée dans ledit corps au moyen d'un anneau élastique (non représenté) en plastique, collé contre la paroi intérieure du corps 21. Dans l'exemple illustré à la figure 6, l'élément injecteur 20 est tubulaire et les éléments optiques 35i sont des lentilles divergentes présentant une ouverture 25 38i de diamètre Di de plus en plus petite à mesure que la lentille 35i est éloignée de la source de lumière 23. Dans cet exemple, lorsque la source de lumière 23 émet le faisceau de lumière dans la direction d'émission, une lentille 35i intercepte une fraction du faisceau de lumière et la dévie vers l'extérieur du corps 21. La lentille 35i permet ainsi de faire sortir une énergie moyenne du corps sur une 30 longueur Li dépendant de la focale fi de la lentille 35i et de son diamètre Di. La 3028917 19 fraction du faisceau de lumière interceptée par la lentille 35i détermine l'énergie injectée sur la longueur Li. Au bout de la longueur Li, une nouvelle fraction du faisceau de lumière est interceptée par une lentille 35i+1 (dans la mesure où la lentille 35i+1 présente une ouverture 38i+1 de diamètre Di+1 inférieur à la lentille 5 35i) et est déviée vers l'extérieur du corps 21 sur une longueur Li+1 dépendant de la focale fi+1 de la lentille 35i+1 et de son diamètre Di+1. La puissance reçue par la lentille 35i+1 est proportionnelle à la différence de surfaces entre les ouvertures 38i et 38i+1. On comprendra qu'en réalisant cette opération n fois (c'est-à-dire en positionnant n lentilles 35i dans le corps), il est possible de prélever 10 progressivement de l'énergie du faisceau de lumière pour la distribuer de manière uniforme sur toute la longueur du corps 21. La longueur Li correspond à la distance entre la lentille 35i et le point d'attaque de la fraction du faisceau de lumière déviée par le bord de l'ouverture 38i de la lentille 35i sur la paroi latérale 24 du corps 21. On comprendra que pour 15 répartir l'énergie de manière uniforme sur toute la longueur du corps 21, la lentille 35i+1 est de préférence placée à une distance de la lentille 35i correspondant à la longueur Li. On comprendra par ailleurs que pour obtenir une distribution de l'énergie uniforme sur toute la longueur du corps 21, les paramètres de chaque lentille 35i 20 sont optimisés en fonction du nombre n de lentilles 35i. Ces paramètres sont les suivants : le diamètre Di, la longueur Li (ou distance entre deux lentilles consécutives 35i et 35i+1), et la focale fi de chaque lentille 35i. On notera également que l'optimisation des paramètres des lentilles 35i peut en outre prendre en compte, pour la croissance de micro-organisme photosynthétique, le 25 fait que l'énergie moyenne émise par le corps 21 doit être comprise entre l'énergie seuil et l'énergie dite de saturation des micro-organismes. L'élément injecteur 20 permet ainsi de ponctionner progressivement l'énergie véhiculée dans le faisceau de lumière et de la diffuser vers l'extérieur du corps 21 de manière contrôlée.
3028917 20 Avantageusement, les éléments optiques 35i sont configurés pour dévier vers l'extérieur du corps 21 toute la lumière émise par la zone périphérique 33 de la surface d'émission 26. Pour cela, la zone centrale 34 de la surface d'émission 26 est de dimensions supérieures ou égales à celles de l'ouverture 38i de 5 l'élément optique 35i le plus éloigné de la source laser 23. On comprendra en effet que dans ce cas, tout le faisceau de lumière est dévié par les éléments optiques 35i et qu'aucune fraction du faisceau de lumière ne vient directement se réfléchir contre le miroir d'extrémité 31 sans avoir été préalablement déviée. On évite ainsi que le miroir d'extrémité 31 ne réfléchisse le faisceau de lumière directement sur 10 la source de lumière 23, ce qui entraînerait des pertes d'énergie et une surchauffe de ladite source de lumière 23. En variante, dans le cas particulier d'un corps 21 de la forme d'un parallélépipède rectangle, comme illustré à la figure 10, les ouvertures 38i peuvent être formées par des couples de prismes déflecteurs 35i placés en regard et à 15 distance l'un de l'autre. Chaque prisme 35i d'un couple de prismes présente alors un premier bord placé contre la surface intérieure d'une plaque 21a, 21b opposée du corps 21, et un deuxième bord s'étendant en regard et à une distance di du deuxième bord de l'autre prisme 35i du couple de prismes, la distance di entre les primes 35i de chaque couple formant ainsi l'ouverture 38i. La distance di est de 20 plus en plus petite à mesure que les éléments optiques 35i sont éloignés de la source de lumière 23. Les figures 7 et 8 illustrent la répartition de l'énergie émise par un élément injecteur 20 à corps 21 cylindrique comprenant des éléments optiques 35i, respectivement lorsque les C-VCSEL suivent les profils d'émission illustrés aux 25 figures 5 et 6. On observe que l'élément injecteur 20 permet d'émettre un niveau d'énergie globalement uniforme sur tout le long du corps 21, lorsque les C-VCSEL ont le profil d'émission illustré à la figure 5, et que le profil d'émission illustré à la figure 6 permet d'améliorer encore l'uniformité de la répartition de l'énergie émise par l'élément injecteur 20 le long du corps 21. Des résultats similaires sont 30 obtenus avec un élément injecteur 20 tel qu'illustré à la figure 10, ce dernier 3028917 21 présentant alors un profil d'émission globalement uniforme sur toute la surface des plaques 21a, 21b. Le fait d'utiliser des éléments optiques 35i en combinaison d'un C-VCSEL comme source de lumière 23 permet de réaliser des éléments injecteurs 20 de 5 grande longueur (supérieure à un mètre) (cas du corps 21 cylindrique illustré aux figures 1 et 3) ou de grande surface (cas du corps 21 de la forme d'un parallélépipède rectangle illustré à la figure 10) et qui présente un rendement (puissance transférée au milieu de culture/puissance émise par le C-VCSEL) particulièrement élevé, notamment supérieur à 90%.
10 L'unité de commande 29 peut également être configurée pour piloter la source de lumière 23 de sorte qu'elle émette une lumière pulsée. En particulier, avec les VCSEL, la lumière peut être modulée à des fréquences élevées, notamment au-delà du GHz. Au contraire, les LEDs peuvent difficilement aller au- 15 delà de 100 MHz. L'élément injecteur 20 peut également être adossé à un caloduc plan configuré pour récupérer les pertes thermiques de la source de lumière 23. Le caloduc plan est placé en contact avec la source de lumière 23, à l'extérieur de 20 l'enceinte de culture 11. De cette manière, la température de l'enceinte de culture 11 est maintenue plus facilement à une température ad hoc pour la croissance de micro-organismes photosynthétiques.

Claims (19)

  1. REVENDICATIONS1. Elément injecteur de lumière (20) comprenant un corps (21) s'étendant selon un axe longitudinal (22), et une source de lumière (23) placée en regard d'une extrémité (25) du corps (21), l'élément injecteur (20) étant caractérisé en ce que la source de lumière (23) comprend une pluralité de diodes laser à cavité verticale émettant par la surface (VCSEL), ladite pluralité de diodes étant disposées de sorte à former une surface d'émission (26) sensiblement perpendiculaire à l'axe longitudinal (22) du corps (21).
  2. 2. Elément injecteur (20) selon la revendication 1, dans lequel le corps (21) présente une forme cylindrique, en particulier cylindrique droite ou parallélépipédique.
  3. 3. Elément injecteur (20) selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel chaque diode (VCSEL) présente une surface d'émission élémentaire (110), la surface d'émission (26) comprenant au moins l'ensemble des surfaces d'émission élémentaire (110).
  4. 4. Elément injecteur (20) selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel lesdites diodes (VCSEL) sont associées de sorte à former un circuit intégré (C-VCSEL).
  5. 5. Elément injecteur (20) selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel la 25 source de lumière (23) est configurée pour émettre davantage de lumière dans une zone périphérique (33) que dans une zone centrale (34) de la surface d'émission (26). 20 3028917 23
  6. 6. Elément injecteur (20) selon la revendication 5, dans lequel la source de lumière (23) est configurée pour n'émettre de la lumière que dans la zone périphérique (33). 5
  7. 7. Elément injecteur (20) selon l'une des revendications 5 et 6, dans lequel la zone centrale (34) de la surface d'émission (26) ne comprend pas de diodes (VCSEL).
  8. 8. Elément injecteur (20) selon l'une des revendications 5 et 6, comprenant en outre une unité de commande (29) configurée pour piloter la source de lumière 10 (23) de sorte que la zone périphérique (33) de la surface d'émission (26) émette davantage de lumière que la zone centrale (24).
  9. 9. Elément injecteur (20) selon l'une des revendications 5 à 8, comprenant en outre un miroir d'extrémité (31) disposé à une extrémité du corps (21) opposée à 15 la source de lumière (23), de sorte à renvoyer dans le corps (21) la partie du faisceau de lumière venant se réfléchir contre ledit miroir d'extrémité (31).
  10. 10. Elément injecteur (20) selon l'une des revendications 5 à 9, dans lequel la source de lumière (23) est configurée pour émettre une densité d'énergie non uniforme dans la zone périphérique (33) de la surface d'émission (26).
  11. 11. Elément injecteur (20) selon la revendication 3 en combinaison avec la revendication 10, dans lequel les surfaces d'émission élémentaires des diodes (VCSEL) de la zone périphérique (33) sont de dimensions différentes entre elles de sorte que la source de lumière (23) émette une densité d'énergie non uniforme dans la zone périphérique (33) de la surface d'émission (26).
  12. 12. Elément injecteur (20) selon l'une des revendications 10 et 11, comprenant en outre des alimentations en courant (28) configurées pour délivrer aux diodes 30 (VCSEL) une densité de courant électrique non uniforme de sorte que la source 3028917 24 de lumière (23) émette une densité d'énergie non uniforme dans la zone périphérique (33) de la surface d'émission (26).
  13. 13. Elément injecteur (20) selon l'une des revendications 1 à 12, comprenant au 5 moins un élément optique (35i) ménagé à l'intérieur du corps (21) et configuré pour laisser passer une fraction du faisceau de lumière émis par la source de lumière (23) se propageant dans une partie centrale (36i) du corps (21), et dévier vers l'extérieur dudit corps (21) une fraction du faisceau de lumière se propageant dans une partie périphérique (37i) du corps (21), de sorte à distribuer localement 10 l'énergie émise par la source de lumière (23).
  14. 14. Elément injecteur (20) selon la revendication 13, dans lequel l'élément optique (35i) présente une ouverture (38i) sensiblement coaxiale avec l'axe longitudinal (22) du corps (21) de sorte à laisser passer la fraction du faisceau de lumière se 15 propageant dans la partie centrale (36i) du corps (21).
  15. 15. Elément injecteur (20) selon l'une des revendications 14, comprenant une pluralité d'éléments optiques (35i) ménagés à l'intérieur du corps (21), et s'étendant à distance les uns des autres le long dudit corps (21), lesdits éléments 20 optiques (35i) étant configurés pour laisser passer une fraction du faisceau de lumière se propageant dans une partie centrale (36i) du corps (21) de plus en plus restreinte à mesure que les éléments optiques (35i) sont éloignés de la source de lumière (23), de sorte à répartir l'énergie émise par la source de lumière (23) le long du corps (21). 25
  16. 16. Elément injecteur (20) selon la revendication 15, dans lequel les éléments optiques (35i) présentent chacun une ouverture (38i) sensiblement coaxiale avec l'axe longitudinal (22) du corps (21) de sorte à laisser passer une fraction du faisceau de lumière se propageant dans la partie centrale (36i) du corps (21), 3028917 25 lesdites ouvertures (38i) présentant une taille décroissante avec l'éloignement par rapport à la source de lumière (23).
  17. 17. Elément injecteur (20) selon l'une des revendications 13 à 16, dans lequel le 5 ou les éléments optiques (35i) sont des lentilles divergentes, ou des prismes.
  18. 18. Elément injecteur (20) selon l'une des revendications 13 à 17, dans lequel les éléments optiques (35i) sont configurés pour dévier vers l'extérieur du corps (21) toute la lumière émise par la zone périphérique (33) de la surface d'émission (26). 10
  19. 19. Photobioréacteur (10) destiné à la culture notamment en continu de microorganismes photosynthétiques, de préférence de microalgues, ledit photobioréacteur (10) comprenant au moins une enceinte de culture (11) destinée à contenir le milieu de culture (12) des microorganismes, 15 ledit photobioréacteur (10) étant caractérisé en ce qu'il comprend un élément injecteur de lumière (20) selon l'une quelconque des revendications 1 à 18, le corps (21) dudit élément injecteur (20) étant placé dans l'enceinte de culture (11).
FR1461523A 2014-11-26 2014-11-26 Element injecteur de lumiere Pending FR3028917A1 (fr)

Priority Applications (14)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1461523A FR3028917A1 (fr) 2014-11-26 2014-11-26 Element injecteur de lumiere
ARP150103857A AR102788A1 (es) 2014-11-26 2015-11-25 Elemento inyector de luz y fotobiorreactor que lo incluye
TW104139138A TW201626668A (zh) 2014-11-26 2015-11-25 光注射器元件
EP15801801.0A EP3224342A1 (fr) 2014-11-26 2015-11-26 Element injecteur de lumiere
BR112017010997A BR112017010997A2 (pt) 2014-11-26 2015-11-26 elemento injetor de luz e fotobiorreator
PCT/EP2015/077852 WO2016083548A1 (fr) 2014-11-26 2015-11-26 Element injecteur de lumiere
KR1020177016759A KR20170103772A (ko) 2014-11-26 2015-11-26 광 주입기 요소
CN201580064534.3A CN107250854A (zh) 2014-11-26 2015-11-26 光注入器元件
EA201791135A EA201791135A1 (ru) 2014-11-26 2015-11-26 Осветительное устройство
CA2968177A CA2968177A1 (fr) 2014-11-26 2015-11-26 Element injecteur de lumiere
AU2015352457A AU2015352457A1 (en) 2014-11-26 2015-11-26 Light-injecting element
US15/529,065 US20170331253A1 (en) 2014-11-26 2015-11-26 Light injector element
JP2017547074A JP2017535295A (ja) 2014-11-26 2015-11-26 照明インジェクタエレメント
IL252511A IL252511A0 (en) 2014-11-26 2017-05-25 An element capable of injecting light

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1461523A FR3028917A1 (fr) 2014-11-26 2014-11-26 Element injecteur de lumiere

Publications (1)

Publication Number Publication Date
FR3028917A1 true FR3028917A1 (fr) 2016-05-27

Family

ID=52627345

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
FR1461523A Pending FR3028917A1 (fr) 2014-11-26 2014-11-26 Element injecteur de lumiere

Country Status (14)

Country Link
US (1) US20170331253A1 (fr)
EP (1) EP3224342A1 (fr)
JP (1) JP2017535295A (fr)
KR (1) KR20170103772A (fr)
CN (1) CN107250854A (fr)
AR (1) AR102788A1 (fr)
AU (1) AU2015352457A1 (fr)
BR (1) BR112017010997A2 (fr)
CA (1) CA2968177A1 (fr)
EA (1) EA201791135A1 (fr)
FR (1) FR3028917A1 (fr)
IL (1) IL252511A0 (fr)
TW (1) TW201626668A (fr)
WO (1) WO2016083548A1 (fr)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB201904561D0 (en) * 2019-04-01 2019-05-15 Walker Nicholas Simon Remote ligh source algae lighting tube for volume cultivation medium illumination
US20230113048A1 (en) * 2020-02-14 2023-04-13 Fermentalg Reactor having an optimized lighting device
EP4053259A1 (fr) * 2021-03-02 2022-09-07 Syctom L'Agence Metropolitaine Des Dechets Menagers Photobioréacteur à éclairage intérieur doté d'un distributeur de conducteur de lumière pour la culture de micro-organismes photoréactifs
EP4321606A1 (fr) * 2022-08-09 2024-02-14 Ningaloo Biosystems GmbH Dispositif et procédé pour éclairer un échantillon chimique et/ou biologique

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070272839A1 (en) * 2006-05-24 2007-11-29 Schultz John C Backlight wedge with encapsulated light source
US20090185392A1 (en) * 2003-03-26 2009-07-23 Optim, Inc. Detachable illumination system
US20100329605A1 (en) * 2009-06-26 2010-12-30 Graham Luke optical subassembly for coupling light into an optical waveguide
US20110197503A1 (en) * 2010-02-16 2011-08-18 Yoshihisa Usami Light guiding film and plant growing method using the light guiding film
US20140073035A1 (en) * 2011-05-06 2014-03-13 Alain Friederich Photobioreactor in a closed environment for the culture of photosynthetic microorganisms

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3959923A (en) * 1974-12-04 1976-06-01 Erno Raumfahrttechnik Gmbh Equipment for growing algae
CA2690384A1 (fr) * 2007-06-22 2008-12-31 Algaedyne Corporation Bioreacteur
CN102317430A (zh) * 2007-06-22 2012-01-11 阿尔盖迪尼公司 生物反应器
US20090148931A1 (en) * 2007-08-01 2009-06-11 Bionavitas, Inc. Illumination systems, devices, and methods for biomass production
US8809037B2 (en) * 2008-10-24 2014-08-19 Bioprocessh20 Llc Systems, apparatuses and methods for treating wastewater
US20120296322A1 (en) * 2010-03-15 2012-11-22 Ya-Man Ltd. Laser treatment device
US20160072258A1 (en) * 2014-09-10 2016-03-10 Princeton Optronics Inc. High Resolution Structured Light Source

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090185392A1 (en) * 2003-03-26 2009-07-23 Optim, Inc. Detachable illumination system
US20070272839A1 (en) * 2006-05-24 2007-11-29 Schultz John C Backlight wedge with encapsulated light source
US20100329605A1 (en) * 2009-06-26 2010-12-30 Graham Luke optical subassembly for coupling light into an optical waveguide
US20110197503A1 (en) * 2010-02-16 2011-08-18 Yoshihisa Usami Light guiding film and plant growing method using the light guiding film
US20140073035A1 (en) * 2011-05-06 2014-03-13 Alain Friederich Photobioreactor in a closed environment for the culture of photosynthetic microorganisms

Also Published As

Publication number Publication date
BR112017010997A2 (pt) 2018-02-14
WO2016083548A1 (fr) 2016-06-02
US20170331253A1 (en) 2017-11-16
AR102788A1 (es) 2017-03-22
AU2015352457A1 (en) 2017-06-08
KR20170103772A (ko) 2017-09-13
TW201626668A (zh) 2016-07-16
JP2017535295A (ja) 2017-11-30
CN107250854A (zh) 2017-10-13
EA201791135A1 (ru) 2017-11-30
CA2968177A1 (fr) 2016-06-02
EP3224342A1 (fr) 2017-10-04
IL252511A0 (en) 2017-07-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3224342A1 (fr) Element injecteur de lumiere
EP3804050A1 (fr) Procédés et systèmes pour la génération d'impulsions laser de forte puissance crête
FR3028918A1 (fr) Element injecteur de lumiere a energie repartie
US20160161825A1 (en) Continuous spectrum generation apparatus and assembling method thereof
EP3073187A1 (fr) Dispositif d'éclairage linéaire à diodes électroluminescentes avec un lobe d'éclairage décalé
EP3610644B1 (fr) Projecteur de grande puissance a source lumière laser déportée
FR3061537B1 (fr) Module d'emission lumineuse a nappe de guidage ameliore
EP1166402B1 (fr) Module de pompage optique d'un laser, comprenant un reflecteur cylindrique a base polygonale
EP3015758B1 (fr) Dispositif d'éclairage lineaire a diodes electroluminescentes et lentille lineaire
EP2828694B1 (fr) Systeme d'injection de lumiere dans un guide d'onde, dispositif de guidage d'onde et ensemble d'injection de lumiere dans un guide d'onde
EP1196970B1 (fr) Procede de pompage optique d'un milieu amplificateur de lumiere et module de pompage optique pour la mise en oeuvre de ce procede
EP3220044B1 (fr) Dispositif d'éclairage linéaire à lentille linéaire et ailes latérales de diffusion de la lumière
FR2909806A1 (fr) Cristal et source laser a haute energie associe.
WO2009125147A2 (fr) Procede de pompage d'un laser bi-frequence, dispositif de pompage associe et laser bi-frequence incorporant un tel dispositif de pompage
FR2942527A1 (fr) Dispositif d'eclairage domestique
FR2960655A1 (fr) Dispositif et procede d'obtention d'une lumiere polychromatique stabilisee sur une plage de longueurs d'onde determinee
EP1317033A2 (fr) Amplificateur d'un faisceau laser par pompage d'un matériau non linéaire et dispositif d'émission laser comportant un tel amplificateur
WO2007107650A2 (fr) Dispositif de production de lumiere ambiante isotrope
EP3286811A1 (fr) Fibre optique monomode conçue pour compenser une variation d'indice de refraction liée aux effets thermiques et laser utilisant une telle fibre optique comme milieu amplificateur
FR2823554A1 (fr) Appareil d'eclairage a diodes et guides optiques minces

Legal Events

Date Code Title Description
PLFP Fee payment

Year of fee payment: 2

PLSC Publication of the preliminary search report

Effective date: 20160527

PLFP Fee payment

Year of fee payment: 3

PLFP Fee payment

Year of fee payment: 4