FR3028918A1 - Element injecteur de lumiere a energie repartie - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un élément injecteur de lumière (20) comprenant un corps (21) creux, 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) étant configurée pour émettre un faisceau de lumière sensiblement parallèle à l'axe longitudinal (22) dudit corps (21), l'élément injecteur (20) comprenant en outre au moins un élément optique (35i) ménagé à l'intérieur du corps (21) et configuré pour laisser passer une fraction du faisceau de lumière 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, de sorte à distribuer localement l'énergie émise par la source de lumière (23). L'invention concerne également un photobioréacteur (10) et un élément d'éclairage domestique 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.
3028918 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 3028918 3 tubulaire, à l'extrémité desquels 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 3028918 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 un élément injecteur de lumière comprenant un corps creux, s'étendant selon un axe longitudinal, et une source de lumière 30 placée en regard d'une extrémité du corps, 3028918 5 l'élément injecteur étant caractérisé en ce que la source de lumière est configurée pour émettre un faisceau de lumière sensiblement parallèle à l'axe longitudinal dudit corps, et en ce que l'élément injecteur comprend en outre au moins un élément optique ménagé à l'intérieur du corps et configuré pour laisser passer une 5 fraction du faisceau de lumière se propageant dans une partie centrale du 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 .
10 Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives : - 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 se propageant dans la partie centrale du corps ; - l'élément injecteur de lumière comprend une pluralité d'éléments optiques 15 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 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 20 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 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 25 lumière ; - le ou les éléments optiques sont des lentilles divergentes ou des prismes déflecteurs divergents ; - 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 3028918 6 former une surface d'émission sensiblement perpendiculaire à l'axe longitudinal du corps ; - la source de lumière est constituée de diodes laser à cavité verticale émettant par la surface configurées pour toutes émettre des longueurs d'onde sensiblement 5 égales ; - un luminophore est appliqué contre une paroi latérale du corps, les diodes laser à cavité verticale émettant par la surface étant configurées émettfeent de la lumière aux longueurs d'onde correspondant de préférence à la lumière bleue ; - la source de lumière comprend un premier groupe de diodes laser à cavité 10 verticale émettant par la surface configuré pour émettre de la lumière à des longueurs d'onde correspondant à la lumière rouge, un deuxième groupe de diodes laser à cavité verticale émettant par la surface configuré pour émettre de la lumière à des longueurs d'onde correspondant à la lumière bleue, et un troisième groupe de diodes laser à cavité verticale émettant par la surface configuré pour 15 émettre de la lumière à des longueurs d'onde correspondant à la lumière verte, de sorte que l'élément injecteur émette de la lumière blanche ; - 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 ; - la source de lumière est configurée pour n'émettre de la lumière que dans la 20 zone périphérique ; - la zone centrale de la surface d'émission ne comprend pas de diodes ; - l'élément injecteur de lumière comprend en outre une unité de commande configurée pour piloter la source de lumière de sorte que la zone périphérique de la surface d'émission émette davantage de lumière que la zone centrale ; 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 diodes présentent chacune une surface d'émission élémentaire, et dans lequel les surfaces d'émission élémentaires des diodes de la zone périphérique sont de dimensions différentes entre elles de sorte que la source de lumière 3028918 7 émette une densité d'énergie non uniforme dans la zone périphérique de la surface d'émission ; - l'élément injecteur comprend en outre des injecteurs de courant configurés pour délivrer aux diodes une densité de courant électrique ou une tension 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 ; - 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 ; - l'élément injecteur comprend en outre un miroir d'extrémité disposé à une 10 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 ; - le corps présente une forme cylindrique, en particulier cylindrique de révolution ou parallélépipédique ; 15 - le corps a la forme d'un cylindre de révolution ; - un miroir est appliqué contre une partie du corps correspondant à un demi-cylindre, de sorte à réfléchir vers l'intérieur du corps l'énergie émise vers ledit miroir ; - le corps a la forme d'un demi-cylindre de révolution ; 20 - un miroir est appliqué contre une paroi latérale plane de sorte à réfléchir vers l'intérieur du corps l'énergie émise vers ledit miroir ; - la surface d'émission de la source de lumière a la forme d'un demi-disque, et dans lequel la source de lumière est configurée pour émettre une quantité d'énergie lumineuse décroissante à mesure que l'on s'éloigne de la section en 25 ligne droite de la surface d'émission dans une direction s'étendant perpendiculairement à ladite section en ligne droite ; - le corps a sensiblement la forme d'un parallélépipède rectangle ; - le corps comprend une première plaque et une deuxième plaque, entre lesquelles sont placés au moins un couple d'éléments optiques, les éléments 3028918 8 optiques de chaque couple étant placés en regard et à distance l'un de l'autre, de sorte à former une ouverture sensiblement coaxiale avec l'axe longitudinal du corps de manière à laisser passer la fraction du faisceau de lumière se propageant dans la partie centrale du corps ; 5 - le corps comprend une plaque et un miroir plan placé en regard l'un de l'autre, et au moins un élément optique placé à distance du miroir plan de sorte à former une ouverture sensiblement coaxiale avec l'axe longitudinal du corps de manière à laisser passer la fraction du faisceau de lumière se propageant dans la partie centrale du corps.
10 Selon un deuxième aspect, l'invention concerne un photobioréacteur 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 des microorganismes, 15 ledit photobioréacteur étant caractérisé en ce qu'il comprend un élément injecteur de lumière selon le premier aspect de l'invention, le corps dudit élément injecteur étant placé dans l'enceinte de culture. Selon un troisième aspect, l'invention concerne un élément d'éclairage pour 20 l'éclairage domestique, caractérisé en ce qu'il comprend un élément injecteur de lumière (20) selon le premier aspect de l'invention. Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives, l'élément d'éclairage comprend en outre un miroir placé en regard du corps, de sorte à réfléchir l'énergie émise vers ledit miroir.
25 PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés, sur lesquels : 3028918 9 - la figure 1 représente une vue schématique, en coupe verticale, d'un photobioréacteur destiné à la culture notamment en continu de microorganismes photosynthétiques, de préférence de microalgues, comprenant un élément injecteur de lumière selon un mode de réalisation de 5 l'invention ; - la figure 2 représente une vue schématique, en coupe verticale, d'un photobioréacteur comprenant un élément injecteur de lumière selon une variante du mode de réalisation illustré à la figure 1 ; - la figure 3 représente une vue schématique, en coupe, d'une structure 10 d'une diode laser à cavité verticale émettant par la surface (VCSEL) ; - 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 ; - la figure 5 représente la répartition de l'énergie émise par l'élément 15 injecteur de lumière illustré à la figure 4 sur toute sa longueur, lorsque les VCSEL ont un profil d'émission tel que représenté à la figure 4 ; - la figure 6 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 ; 20 - 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 6 ; - la figure 8 représente une vue schématique, en coupe transversale, d'un élément d'éclairage comprenant un élément injecteur de lumière selon une 25 première forme de réalisation de l'invention ; - la figure 9 représente une vue schématique, en coupe transversale, d'un élément d'éclairage comprenant un élément injecteur de lumière selon une deuxième forme de réalisation de l'invention ; 3028918 10 - la figure 10 représente une vue schématique, en coupe transversale, d'un élément d'éclairage comprenant un élément injecteur de lumière selon une troisième forme de réalisation de l'invention ; - la figure 11 représente une vue schématique, en perspective, de l'élément 5 d'éclairage illustré à la figure 10 ; - la figure 12 représente une vue en perspective, en coupe verticale, d'un photobioréacteur comprenant un élément injecteur de lumière selon une variante des modes de réalisation illustrés aux figures 1 et 2 ; - la figure 13 représente une vue en perspective, en coupe verticale, d'un 10 photobioréacteur comprenant un élément d'éclairage comprenant un élément injecteur de lumière selon une quatrième forme de réalisation de l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE 15 Cas de l'éclairage pour la culture intensive et continue de microorganismes photosynthétiques La figure 1 montre un photobioréacteur 10 destiné à la culture notamment 20 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 destinée à contenir le milieu de culture 12 des micro-organismes, et au moins un élément injecteur de lumière 20.
25 L'élément injecteur de lumière 20 comprend un corps 21 cylindrique et creux 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. 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 3028918 11 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 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 peut 5 présenter la forme d'un cylindre de révolution ou d'un prisme. Dans le cas d'un corps 21 de la forme d'un parallélépipède rectangle, comme illustré à la figure 12, 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 10 plaques 21a, 21b définit l'épaisseur du corps 21. Les plaques sont par exemple en polyméthacrylate de méthyle (PMMA) ou en verre. 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 15 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. 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.
20 Dans le cas d'un corps 21 de la forme d'un parallélépipède rectangle, comme illustré à la figure 12, la lumière est émise latéralement à travers les plaques 21a, 21b. De préférence et pour des raisons de gestion des pertes thermiques, la source de lumière 23 est placée à l'extérieur de l'enceinte de culture 11, en regard d'une extrémité 25 proximale dudit corps 21, notamment au 25 contact d'un radiateur (préféré commun à tous les éléments injecteurs) réfrigéré par un fluide caloporteur. La source de lumière 23 est configurée pour émettre un faisceau de lumière sensiblement parallèle à l'axe longitudinal 22 du corps 21, et peut par exemple consister en une ou plusieurs sources laser, voir plus loin.
30 3028918 12 L'élément injecteur 20 comprend en outre au moins un élément optique 35i ménagé à l'intérieur du corps 21 et configuré pour laisser passer une fraction du faisceau de lumière se propageant dans une partie centrale 36i du corps 21, et dévier vers l'extérieur du corps 21 une fraction du faisceau de lumière se 5 propageant dans une partie périphérique 37 du corps 21. De cette manière, l'élément optique 35i permet de distribuer localement l'énergie émise par la source de lumière 23. En d'autres termes, l'élément optique 35i permet de ponctionner sur le faisceau de lumière une fraction d'énergie pour la diffuser vers l'extérieur du corps 21.
10 De préférence, comme illustré à la figure 1, l'élément injecteur 20 comprend 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 15 optiques 35i sont éloignés de la source de lumière 23. De cette manière, à chaque fois que le faisceau de lumière traverse un élément optique 35i, ce dernier ponctionne une partie de son énergie pour la diffuser 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.
20 On comprendra qu'il est ainsi possible de prélever l'énergie émise par la 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 25 énergie dite de saturation des micro-organismes. L'énergie seuil correspond à 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 30 latérale du corps 21. Ainsi, dans le cas d'un corps 21 de section transversale 3028918 13 circulaire, les éléments optiques 35i présentent un diamètre sensiblement égal au 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, 5 respectivement. 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 10 outre de plus en plus petites à mesure que les éléments optiques 35i sont 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 15 diamètre Di des ouvertures 38i étant alors de plus en plus petit à mesure que les 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 20 peuvent présenter des géométries identiques ou différentes. 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 1, l'élément injecteur 20 est tubulaire et 25 les éléments optiques 35i sont des lentilles divergentes présentant une ouverture 38i de diamètre Di de plus en plus petite à mesure que la lentille 35i est éloignée de la source de lumière 23. Dans ces exemples, 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 le dévie vers l'extérieur du corps 21. La 30 lentille 35i permet ainsi de faire sortir une énergie moyenne du corps sur une 3028918 14 longueur Li dépendant de la focale fi de la lentille 35i et de son diamètre Di. La 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 5 lentille 35i+1 présente une ouverture 38i+1 de diamètre Di+1 inférieur à la lentille 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 10 positionnant n lentilles 35i dans le corps), il est possible de prélever progressivement de l'énergie du faisceau de lumière pour le 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 15 38i de la lentille 35i sur la paroi latérale 24 du corps 21. On comprendra que pour 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 20 uniforme sur toute la longueur du corps 21, les paramètres de chaque lentille 35i 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 25 prendre en compte, pour la croissance de micro-organisme photosynthétique, le 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 transmettre vers l'extérieur 30 du corps 21 de manière contrôlée.
3028918 15 En variante, dans le cas particulier d'un corps 21 de la forme d'un parallélépipède rectangle, comme illustré à la figure 12, les ouvertures 38i peuvent être formées par des couples de prismes déflecteurs 35i placés en regard et à distance l'un de l'autre. Chaque prisme 35i d'un couple de prismes présente alors 5 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 plus en plus petite à mesure que les éléments optiques 35i sont éloignés de la 10 source de lumière 23. 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. une 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 le flux de lumière réfléchi par la paroi latérale 24 du corps 21 arrivant sur le miroir d'extrémité 31. On comprendra également, toujours pour limiter les pertes d'énergie dans l'élément injecteur 20, qu'il est 30 avantageux de réduire la fraction du faisceau de lumière revenant sur la source de 3028918 16 lumière 23 afin 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 2, 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 10 lumière réfléchie contre le miroir d'extrémité 31, le couple lentille et miroir de forme adaptée doit être optimisé à cet effet. De cette manière, l'énergie 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.
15 Selon un mode de réalisation préféré, la source de lumière 23 comprend une ou plusieurs une source laser, notamment une pluralité de diodes laser à cavité verticale émettant par la surface 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 20 corps 21 et à émettre un faisceau de lumière dans une direction d'émission 27 sensiblement parallèle à l'axe longitudinal 22 du corps. Les VCSEL sont alimentées en courant électrique par l'intermédiaire d'au moins une alimentation en courant 28. Le ou les alimentations en courant 28 sont par exemple pilotées par une unité de commande 29. La surface d'émission 26 est de préférence 25 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 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 30 préférence une bande, comme illustré à la figure 12.
3028918 17 Les VCSEL sont des lasers solides à semi-conducteur à gap direct 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 3, une VCSEL comprend une structure 100 en 5 couches superposées selon la direction d'émission 101 du faisceau de lumière. La structure 100 comprend notamment : - 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, 10 - au moins un puits quantique 105 formant la cavité verticale résonnante, - un miroir de Bragg dit supérieur 106 présentant un dopage de type p, - 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 15 lumière 109 est émis. 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 20 d'empilement des couches (flanc de la cavité). 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.
25 Le fait que les VCSEL aient une structure 100 en couches s'étendant 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 30 somme des énergies lumineuses émises par chaque VCSEL élémentaire s'il n'y a 3028918 18 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 5 watts optiques par mm2. 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 10 l'énergie lumineuse sur toute la longueur du corps 21 ainsi que de se passer des miroirs qui dans l'art antérieur étaient nécessaires pour corriger le profil d'énergie 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.
15 Comme l'on verra plus loin, de façon avantageuse le C-VCSEL peut être 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.
20 En particulier, la structure complexe d'un VCSEL (miroirs de Bragg, 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 25 ainsi possible par le biais de « masques optiques » de définir les dimensions de la 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, 30 bien connues de l'homme de l'art. Il est ainsi possible de prévoir des « trous » 3028918 19 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 5 d'émission 26. 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 10 selon les VCSEL. On peut aussi commander les VCSEL en tension. Le C-VCSEL peut également être délimité par zones et les VCSEL de chaque zone peuvent 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 15 elles et à une unique alimentation en courant 28. Dans ce cas, l'alimentation en courant 28 est pilotée par l'unité de commande 29 de sorte à délivrer une densité de courant ou une tension uniforme (autrement dit, si les VCSEL ont la même impédance par unité de surface, la tension de commande est la même sur tous les VCSEL). Avantageusement, la source de lumière 23 est configurée pour émettre 20 davantage de lumière dans une zone périphérique 33 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, 25 réduisant de ce fait l'énergie réfléchie par le miroir 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 30 telle densité d'énergie émise par la surface d'émission 26 est illustré à la figure 4.
3028918 20 Dans 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 5 d'émission 26 présente la forme d'un disque et la zone périphérique 35 de la surface d'émission 26 présente la forme d'un anneau. La figure 5 illustre en outre la répartition de l'énergie émise par l'élément injecteur 20 sur toute la longueur du corps 21, lorsque les VCSEL ont un tel profil d'émission d'énergie. On observe sur cette figure que l'élément injecteur 20 permet d'émettre un niveau d'énergie 10 globalement uniforme sur tout le long du corps 21. 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 15 que seuls 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 le ou les injecteurs de courant 28 reliés aux VCSEL de la 20 zone centrale 34 de délivrer une densité de courant faible voire nulle, et le ou les injecteurs de courant 28 reliés aux VCSEL de la zone périphérique 33 de délivrer une densité de courante plus forte. Les VCSEL de la zone centrale 34 sont de préférence éteintes. Les VCSEL peuvent également être commandées en tension. Avantageusement, les éléments optiques 35i sont configurés pour dévier 25 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 l'élément optique 35i le plus éloigné de la source de lumière 23. On comprendra en effet que dans ce cas tout le faisceau de lumière est dévié par les éléments 30 optiques 35i et qu'aucune fraction du faisceau de lumière ne vient directement se 3028918 21 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 la source de lumière 23, ce qui entraînerait des pertes d'énergie et une surchauffe de ladite source de lumière 23.
5 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 10 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 15 d'énergie dans la zone périphérique 33 de la surface d'émission 26 est illustré à la figure 6. 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 20 bord de la surface d'émission 26. Plus précisément, sur une première zone 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 25 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. La figure 7 illustre en outre la répartition de l'énergie émise par l'élément injecteur 20 sur toute la longueur du corps 21, lorsque les VCSEL ont un tel profil d'émission 30 d'énergie. On observe en comparant cette figure à la figure 5 que le profil 3028918 22 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 obtenus avec un élément injecteur 20 tel qu'illustré à la figure 12, ce dernier présentant alors un profil d'émission globalement uniforme 5 sur toute la surface des plaques 21a, 21b. Le fait d'utiliser un C-VCSEL comme source de lumière 23 en combinaison des éléments optiques 35i permet en outre de réaliser des éléments diffuseurs de 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 10 parallélépipède rectangle illustré à la figure 12) et qui présente un rendement (puissance transférée au milieu de culture/puissance émise par le C-VCSEL) particulièrement élevé, notamment supérieur à 90%. Dans les exemples illustrés aux figures 1 et 2, la surface d'émission 26 du 15 C-VCSEL est sensiblement de mêmes dimensions que la section transversale du corps 21. En variante, comme illustré aux figures 12 et 13, la surface d'émission 26 peut également être de dimensions inférieures à la section transversale du corps 21. Dans ce dernier cas, l'élément injecteur 20 peut en outre être pourvu d'un système optique 302 projetant une image agrandie du C-VCSEL, de 20 préférence de la section du guide optique, sur la lentille (ou le prisme) divergente 30 située en entrée du corps 21. Ce dispositif 302 bien connu de l'homme de l'art comprend au moins deux lentilles ou deux prismes. L'unité de commande 29 peut également être configurée pour piloter la 25 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-delà de 100 MHz.
3028918 23 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 l'enceinte de culture 11. De cette manière, la température de l'enceinte de culture 5 11 est maintenue plus facilement à une température ad hoc pour la croissance de micro-organismes photosynthétiques. On notera que pour une utilisation dans un photobioréacteur, la source de lumière 23 (ou le C-VCSEL) est configurée pour émettre des longueurs d'onde 10 correspondant à la lumière rouge, notamment allant de 620 à 780 nm. Cas de l'éclairage domestique, notamment d'éléments injecteurs de lumière blanche 15 Les figures 8, 9, 10, 11 et 13 montrent un élément d'éclairage 50 pour éclairage domestique selon différentes formes de réalisation de l'invention. L'élément d'éclairage 50 comprend un élément injecteur de lumière 20 tel que précédemment décrit. Pour un usage de l'élément injecteur 20 pour l'éclairage domestique, 20 l'élément injecteur 20 comprend par exemple un luminophore 39 appliqué le long de la paroi latérale du corps 21. Le luminophore 39 est par exemple protégé par encapsulation dans un matériau transparent organique ou minéral, comme cela est par exemple illustré à la figure 9. Le corps 21 peut également présenter une double paroi 24 entre laquelle le luminophore 39 est disposé, comme cela est par 25 exemple illustré aux figures 8 et 10. Pour obtenir un élément injecteur 20 émettant une lumière blanche, le luminophore 39 est un mélange de trois luminophores différents (Rouge Vert Bleu ou RVB) et la source de lumière 23 (ou le C-VCSEL) est configuré pour émettre des longueurs d'onde correspondant à la lumière bleue, notamment allant de 446 à 500 nm.
3028918 24 On note que le processus de conversion de la lumière bleue en lumière blanche par un luminophore supprime le caractère directionnel de la lumière. En d'autres termes, la lumière primaire est bleue est directionnelle (laser) alors que la lumière émise par le luminophore est diffuse. Cette dernière ne peut pas se 5 propager dans le guide de lumière et être facilement configurée pour obtenir un flux homogène en surface externe de l'injecteur. En variante, lorsque la source de lumière 23 comprend un C-VCSEL, le CVCSEL comprend un premier groupe de VCSEL configuré pour émettre des longueurs d'onde correspondant à la lumière rouge, notamment allant de 620 à 10 780 nm, un deuxième groupe de VCSEL configuré pour émettre des longueurs d'onde correspondant à la lumière bleue, notamment allant de 446 à 500 nm, et un troisième groupe de VCSEL configuré pour émettre des longueurs d'onde correspondant à la lumière verte, notamment allant de 500 à 578 nm. Pour cela, il est par exemple possible de réaliser des épitaxies localisées de sorte à obtenir les 15 premier, deuxième et troisième groupes de VCSEL, et de les imbriquer les uns dans les autres de manière à avoir en tout point du C-VCSEL de préférence des sous-groupes de VSCEL comprenant un VSCEL rouge, un VSCEL vert, et VSCEL bleu. On comprendra que selon cette variante des faisceaux de couleur rouge, bleue et verte sont émis par le C-VCSEL et sont ensuite mélangés dans le corps 20 21 de l'élément injecteur 20 de sorte à obtenir une émission de lumière blanche vers l'extérieur de l'élément injecteur 20. Pour une utilisation de l'élément injecteur 20 en plafonnier, les formes de réalisation suivantes ont été réalisées.
25 Selon une première forme de réalisation illustrée à la figure 8, le corps 21 de l'élément injecteur 20 a la forme d'un cylindre de révolution et l'élément d'éclairage 50 comprend en outre un miroir 40 placé en regard et à distance du corps 21, de sorte à réfléchir la lumière blanche émise par l'élément injecteur 20 30 vers l'arrière (le plafond) en direction de l'avant (le sol de la pièce).
3028918 25 Le miroir 40 s'étend par exemple selon un axe longitudinal parallèle à l'axe longitudinal 22 de l'élément injecteur 20 et présente une section transversale sensiblement en U renversé. Le miroir 40 comprend pour cela un premier pan placé parallèlement au plafond et des deuxième et troisième pans s'étendant de 5 part et d'autre du premier pan de sorte à former avec ledit premier pan un angle d'environ 120°. On comprendra que selon cette forme de réalisation, l'élément injecteur 20 émet de la lumière sur toute sa circonférence (2-rr). Selon une deuxième forme de réalisation illustrée à la figure 9, le corps 21 10 de l'élément injecteur 20 a la forme d'un cylindre de révolution et, sur une partie du corps 21 correspondant à un demi-cylindre, le luminophore est remplacé par un miroir 41 présentant une surface réfléchissante en regard de l'intérieur du corps 21 de sorte à réfléchir vers l'intérieur du corps 21 l'énergie émise vers le miroir 41. La partie du corps 21 accueillant le miroir 41 est destinée à être placée en regard 15 du plafond de sorte à réfléchir vers l'intérieur du corps 21 l'énergie émise par l'élément injecteur 20 vers le plafond. On comprendra que selon cette forme de réalisation, l'élément injecteur 20 émet de la lumière sur une demi-circonférence (7).
20 Selon une troisième forme de réalisation illustrée aux figures 10 et 11, le corps 21 de l'élément injecteur 20 a la forme d'un demi-cylindre de révolution dont la paroi latérale plane 24a est pourvue d'un miroir plan 42 de sorte à réfléchir vers l'intérieur du corps 21 l'énergie émise vers le plafond le miroir 42, et la paroi latérale convexe 24b est pourvue du luminophore 39. La paroi latérale plane 24a 25 est destinée à être placée en regard du plafond de sorte à réfléchir vers l'intérieur du corps 21 l'énergie émise par l'élément injecteur 20 vers le plafond. Un luminophore 39 peut par exemple être déposé contre la surface extérieure de la paroi latérale convexe 24b, puis encapsulé pour le protéger de l'environnement extérieur. On comprendra que selon cette forme de réalisation, l'élément injecteur 30 20 émet de la lumière sur une demi-circonférence (7).
3028918 26 Selon cette forme de réalisation, la surface d'émission 26 du C-VCSEL présente de préférence la forme d'un demi-disque, la section en ligne droite 260 du demi-disque étant disposée parallèlement à la paroi latérale plane 24a du corps 21 sans cependant la toucher.
5 Selon cette forme de réalisation, le C-VCSEL est en outre, de préférence, configuré pour compenser la perte de densité d'énergie reçue au niveau du sol quand on s'éloigne perpendiculairement à l'axe longitudinal 22 de l'élément injecteur 20, de sa projection sur le sol. Pour cela, on fait croître la densité surfacique de VCSEL quand on se déplace sur une ligne perpendiculaire à la 10 section en ligne droite 260 de l'injecteur, en se rapprochant de cette section en ligne droite 260. La fonction de variation de la densité surfacique de VCSEL a de préférence une dépendance quadratique, liée à la distance entre l'axe longitudinal 22 de l'élément injecteur 20 et le point éclairé considéré sur le sol. Autrement dit, le C-VCSEL est configuré pour émettre une quantité 15 d'énergie lumineuse décroissante à mesure que l'on s'éloigne de la section en ligne droite 260 de la surface d'émission 26 dans une direction 261 s'étendant perpendiculairement à ladite section en ligne droite 260. Pour cela, les VCSEL peuvent par exemple être alignées parallèlement à la section en ligne droite 260 de la surface d'émission 26, la distance entre deux lignes 262 adjacentes de 20 VCSEL augmentant à mesure que l'on s'éloigne de la section en ligne droite 260 de la surface d'émission 26 dans la direction 261. La croissance de la densité surfacique de VCSEL dans le C-VCSEL augmente par exemple de manière quadratique à mesure que l'on s'approche de la section en ligne droite 260 de la surface d'émission 26 dans la direction 261. Selon ce mode de réalisation 25 particulier, les VCSEL peuvent présenter dans le C-VCSEL une surface d'émission élémentaire de mêmes dimensions. Alternativement, on peut diminuer la surface d'émission élémentaire des VCSEL à mesure que l'on s'éloigne de la section en ligne droite 260 dans la direction 261. On comprendra que cette augmentation quadratique de la densité de VSCEL quand on se déplace en 30 direction du bord droit du circuit C-VCSEL (suivant la direction 261) permet de 3028918 27 maintenir constante la densité d'énergie arrivant sur le sol, quand on se déplace sur le sol perpendiculairement à l'axe 22 de l'injecteur. L'application de cette correction du flux arrivant sur le sol est limitée par la densité maximale de VCSEL implantés dans le C-VCSEL. Cette technique permet d'élargir significativement le 5 champ d'éclairage perpendiculairement à la direction 22. Selon cette forme de réalisation, les éléments optiques 35i et leur ouverture 38i présentent de préférence une forme de demi-lentilles trouées en leurs centres pour répartir l'énergie du faisceau de lumière entre les éléments 35i. La section en ligne droite des demi-lentilles étant disposée contre la paroi latérale plane 24a du 10 corps. Dans ce cas, l'élément injecteur 20 pourra être réalisé en positionnant les éléments optiques 35i dans le corps 21, puis en refermant le corps 21 au moyen du miroir 42, ce dernier faisant alors office de couvercle. Selon une quatrième forme de réalisation illustrée à la figure 13, l'élément injecteur 20 correspond à un demi-élément injecteur 20 est tel qu'illustré à la figure 15 12. Autrement dit, la première plaque 21a et le prisme 35i de chaque couple de prismes 35i associé à ladite première plaque 21a sont remplacés par un miroir plan 43 placé en regard de la deuxième plaque 21b, de sorte à réfléchir vers l'intérieur du corps 21 l'énergie émise par l'élément injecteur 20 vers le miroir 43. Le miroir 43 est placé à une distance di/2 du deuxième bord des prismes 35i. Le 20 miroir 43 est destiné à être placé en regard du plafond de sorte à réfléchir vers l'intérieur du corps 21 l'énergie émise par l'élément injecteur 20 vers le plafond. Un luminophore 39 peut par exemple être déposé sur la surface extérieure de la deuxième plaque 21b, puis encapsulé pour le protéger de l'environnement extérieur. On comprendra que selon cette forme de réalisation, l'élément injecteur 25 20 émet de la lumière sur toute la surface de la deuxième plaque 21b. Les injecteurs décrits aux figures 8 et 12 décrites-ci-dessus peuvent également être appliquées au cas de l'éclairage pour la culture intensive et continue de microorganismes photosynthétiques. Dans ce cas, les éléments 30 d'éclairage 50 ne comprendront aucun luminophore 39 et la source de lumière 23 3028918 28 (ou le C-VCSEL) sera configurée pour émettre des longueurs d'ondes correspondant à la lumière rouge, notamment allant de 620 à 780 nm. Les injecteurs décrits aux figures 8, 9, 10, 11, 12 et 13 peuvent être utilisés pour l'éclairage plafonnier ou mural. Dans les versions décrites plus haut où on utilise 5 des luminophores, on doit noter qu'il possible selon un choix judicieux de la composition des luminophores d'obtenir des éclairages de diverses couleurs. De même dans la version C-VCSEL RVB, un changement du poids relatif des intensités lumineuses émises par chacun des groupes rouge, vert ou bleu permet de modifier la couleur de la lumière émise par les éléments injecteurs 10. 10
Claims (30)
- REVENDICATIONS1. Elément injecteur de lumière (20) comprenant un corps (21) creux, 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) est configurée pour émettre un faisceau de lumière sensiblement parallèle à l'axe longitudinal (22) dudit corps (21), et en ce que l'élément injecteur (20) comprend en outre au moins un élément optique (35i) ménagé à l'intérieur du corps (21) et configuré pour laisser passer une fraction du faisceau de lumière 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, de sorte à distribuer localement l'énergie émise par la source de lumière (23).
- 2. Elément injecteur (20) selon la revendication 1, 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 propageant dans la partie centrale (36i) du corps (21).
- 3. Elément injecteur (20) selon l'une des revendications 1 et 2, 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 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). 3028918
- 4. Elément injecteur (20) selon la revendication 3, 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), 5 lesdites ouvertures (38i) présentant une taille décroissante avec l'éloignement par rapport à la source de lumière (23).
- 5. Elément injecteur (20) selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel le ou les éléments optiques (35i) sont des lentilles divergentes ou des prismes 10 déflecteurs divergents.
- 6. Elément injecteur (20) selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel 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 15 sorte à former une surface d'émission (26) sensiblement perpendiculaire à l'axe longitudinal (22) du corps (21).
- 7. Elément injecteur (20) selon la revendication 6, dans lequel la source de lumière est constituée de diodes laser à cavité verticale émettant par la surface 20 (VCSEL) configurées pour toutes émettre de la lumière à des longueurs d'onde sensiblement égales.
- 8. Elément injecteur (20) selon la revendication 7, dans lequel un luminophore (39) est appliqué contre une paroi latérale (24, 24b, 21b) du corps (21), les diodes 25 laser à cavité verticale émettant par la surface (VCSEL) étant configurées pour émettre de la lumière à des longueurs d'onde correspondant à la lumière bleue.
- 9. Elément injecteur (20) selon la revendication 6, dans lequel la source de lumière (23) comprend un premier groupe de diodes laser à cavité verticale 30 émettant par la surface (VCSEL) configuré pour émettre de la lumière à des 3028918 31 longueurs d'onde correspondant à la lumière rouge, un deuxième groupe de diodes laser à cavité verticale émettant par la surface (VCSEL) configuré pour émettre de la lumière à des longueurs d'onde correspondant à la lumière bleue, et un troisième groupe de diodes laser à cavité verticale émettant par la surface 5 (VCSEL) configuré pour émettre de la lumière à des longueurs d'onde correspondant à la lumière verte, de sorte que l'élément injecteur (20) émette de la lumière blanche.
- 10. Elément injecteur (20) selon l'une des revendications 6 à 9 dans lequel la 10 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).
- 11. Elément injecteur (20) selon la revendication 10, dans lequel la source de 15 lumière (23) est configurée pour n'émettre de la lumière que dans la zone périphérique (33).
- 12. Elément injecteur (20) selon l'une des revendications 6 à 11, dans lequel la zone centrale (34) de la surface d'émission (26) ne comprend pas de diodes 20 (VCSEL).
- 13. Elément injecteur (20) selon l'une des revendications 10 et 11, comprenant en outre une unité de commande (29) configurée pour piloter la source de lumière (23) de sorte que la zone périphérique (33) de la surface d'émission (26) émette 25 davantage de lumière que la zone centrale (24).
- 14. Elément injecteur (20) selon l'une des revendications 10 à 13, 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). 30 3028918 32
- 15. Elément injecteur (20) selon la revendication 14, dans lequel les diodes (VCSEL) présentent chacune une surface d'émission élémentaire, et 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 5 (23) émette une densité d'énergie non uniforme dans la zone périphérique (33) de la surface d'émission (26).
- 16. Elément injecteur (20) selon l'une des revendications 14 et 15, comprenant en outre des injecteurs de courant (28) configurés pour délivrer aux diodes (VCSEL) 10 une densité de courant électrique ou une tension non uniforme 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).
- 17. Elément injecteur (20) selon l'une des revendications 10 à 16, dans lequel les 15 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).
- 18. Elément injecteur (20) selon l'une des revendications 6 à 17, comprenant en outre un miroir d'extrémité (31) disposé à une extrémité du corps (21) opposée à 20 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).
- 19. Elément injecteur (20) selon l'une des revendications 1 à 18, dans lequel le corps (21) présente une forme cylindrique, en particulier cylindrique de révolution 25 ou parallélépipédique.
- 20. Elément injecteur (20) selon la revendication 19, dans lequel le corps (21) a la forme d'un cylindre de révolution. 3028918 33
- 21. Elément injecteur (20) selon la revendication 20, dans lequel un miroir (41) est appliqué contre une partie du corps (21) correspondant à un demi-cylindre, de sorte à réfléchir vers l'intérieur du corps (21) l'énergie émise vers ledit miroir. 5
- 22. Elément injecteur (20) selon la revendication 19, dans lequel le corps (21) a la forme d'un demi-cylindre de révolution.
- 23. Elément injecteur (20) selon la revendication 22, dans lequel un miroir (42) est appliqué contre une paroi latérale plane (24a) de sorte à réfléchir vers l'intérieur 10 du corps (21) l'énergie émise vers ledit miroir.
- 24. Elément injecteur (20) selon l'une des revendications 6 à 9 en combinaison avec l'une des revendications 22 et 23, dans lequel la surface d'émission (26) de la source de lumière (23) a la forme d'un demi-disque, et dans lequel la source de 15 lumière (23) est configurée pour émettre une quantité d'énergie lumineuse décroissante à mesure que l'on s'éloigne de la section en ligne droite (260) de la surface d'émission (26) dans une direction (261) s'étendant perpendiculairement à ladite section en ligne droite. 20
- 25. Elément injecteur (20) selon la revendication 19, dans lequel le corps (21) a sensiblement la forme d'un parallélépipède rectangle.
- 26. Elément injecteur (20) selon la revendication 25, dans lequel le corps (21) comprend une première plaque (21a) et une deuxième plaque (21b), entre 25 lesquelles sont placés au moins un couple d'éléments optiques (35i), les éléments optiques (35i) de chaque couple étant placés en regard et à distance l'un de l'autre, de sorte à former une ouverture (38i) sensiblement coaxiale avec l'axe longitudinal (22) du corps (21) de manière à laisser passer la fraction du faisceau de lumière se propageant dans la partie centrale (36i) du corps (21). 30 3028918 34
- 27. Elément injecteur (20) selon la revendication 25, dans lequel le corps (21) comprend une plaque (21b) et un miroir plan (43) placé en regard l'un de l'autre, et au moins un élément optique (35i) placé à distance du miroir plan (43) de sorte à former une ouverture (38i) sensiblement coaxiale avec l'axe longitudinal (22) du 5 corps (21) de manière à laisser passer la fraction du faisceau de lumière se propageant dans la partie centrale (36i) du corps (21).
- 28. Photobioréacteur (10) destiné à la culture notamment en continu de microorganismes photosynthétiques, de préférence de microalgues, ledit 10 photobioréacteur (10) comprenant au moins une enceinte de culture (11) destinée à contenir le milieu de culture (12) des microorganismes, ledit photobioréacteur (10) étant caractérisé en ce qu'il comprend un élément injecteur de lumière (20) selon l'une quelconque des revendications 1 à 27, le corps (21) dudit élément injecteur (20) étant placé dans l'enceinte de culture (11). 15
- 29. Elément d'éclairage (50) pour l'éclairage domestique, caractérisé en ce qu'il comprend un élément injecteur de lumière (20) selon l'une des revendications 1 à 27. 20
- 30. Elément d'éclairage (50) selon la revendication 29, comprenant en outre un miroir (40) placé en regard du corps (21), de sorte à réfléchir l'énergie émise vers ledit miroir.
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