WO2007017617A1 - Dispositif d' eclairage a ouverture variable du faisceau lumineux - Google Patents

Dispositif d' eclairage a ouverture variable du faisceau lumineux Download PDF

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Jean-Paul Rami
Pierre Tarroux
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    • F21V21/14—Adjustable mountings
    • F21V21/24—Lazy-tongs
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • F21V14/06—Controlling the distribution of the light emitted by adjustment of elements by movement of refractors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V5/00—Refractors for light sources
    • F21V5/008—Combination of two or more successive refractors along an optical axis
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21Y—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES F21K, F21L, F21S and F21V, RELATING TO THE FORM OR THE KIND OF THE LIGHT SOURCES OR OF THE COLOUR OF THE LIGHT EMITTED
    • F21Y2115/00—Light-generating elements of semiconductor light sources
    • F21Y2115/10—Light-emitting diodes [LED]

Definitions

  • Lighting device with variable opening of the light beam
  • the present invention relates to the general field of optical lighting devices with variable aperture of the light beam, in particular the projectors used for external lighting (for example for the lighting of details on a facade of a monument) or for interior lighting.
  • Optical lighting devices with variable aperture of the light beam generally use the principle of relative displacement between an optical lens and a light source to obtain a light beam whose range is adjustable.
  • the optical lenses of these devices belong to two distinct families: the continuous-surface lenses and the so-called Fresnel lenses.
  • Spherical mirrors make it possible to recover the luminous flux coming from the light source which is not intercepted by the optical lens. However, a significant part of the luminous flux is intercepted neither by the optical lens nor by the mirror. In addition, this flow not intercepted by the lens increases with the distance between the lens and the light source.
  • the lighting devices with variable aperture of the light beam as described above have a luminous efficiency problem related to the importance of the nonintercepted luminous flux (the luminous efficiency of a lighting device is defined as being the ratio between the luminous flux coming out of the lighting device and the luminous flux emitted by the light source).
  • the luminous efficiency of a lighting device is defined as being the ratio between the luminous flux coming out of the lighting device and the luminous flux emitted by the light source.
  • such lighting devices have a light output ranging from 15% to 30% depending on the distance between the lens and the light source.
  • the main object of the present invention is therefore to overcome such drawbacks by proposing an optical illumination device with variable aperture of the light beam having a high and homogeneous light output whatever the extent of the light beam.
  • a lighting device with variable aperture of the light beam characterized in that it comprises a diode electroluminescent optical axis XX emitting the majority of its luminous flux through a substantially hemispherical optical surface, at least one optical lens with echelon centered on the optical axis XX and means for axially displacing the step lens with respect to the light-emitting diode.
  • Such a lighting device makes it possible to obtain a luminous efficiency varying from 70% to 80% depending on the extent of the light beam.
  • the use of a light-emitting diode as a light source which emits the majority of its luminous flux through a substantially hemispherical optical surface has the advantage that it does not require the use of a mirror for recovering a flux. bright emitted out of the hemispherical surface.
  • a light source associated with a substantially hemispherical optical surface also makes it possible to dispense with a catadioptric system consisting of a reflection system and a refraction system.
  • the substantially hemispherical optical surface associated with the light-emitting diode comprises a surface provided with refracting rings.
  • the light emitting diode and its associated optical surface may be integral with a fixed cylindrical member and the optical step lens may be mounted on a tubular sleeve adapted to slide axially around said cylindrical member.
  • FIG. 1 is a partial view of the lighting device according to the invention.
  • FIGS. 2A and 2B are views of the device of FIG. 1 showing the variation of the opening of the light beam; and - Figure 3 is a longitudinal sectional view of the lighting device of Figure 1 in its environment. Detailed description of an embodiment
  • the lighting device with variable aperture of the light beam essentially comprises a light source 10 of optical axis X-X, namely an emitting chip of a light-emitting diode.
  • This type of light source emits the majority of its luminous flux through a substantially hemispherical optical surface 12. It is a light emitting diode.
  • the lighting device also comprises at least one optical lens with steps 14 centered on the optical axis X-X. Means not shown in FIG. 1 make it possible to move the stepped lens 14 with respect to the light-emitting diode along the optical axis X-X in order to vary the opening of the light beam coming out of the lighting device.
  • the light-emitting diode (LED) emits light only in a hemisphere, which dispenses with the use of a luminous flux recovery mirror.
  • the luminous flux (shown schematically by the light rays F in the figures) which is emitted by such a light source has, after optical refraction in the substantially hemispherical optical surface 12, an angular aperture of the order of 90 ° centered on the axis XX optics.
  • a light-emitting diode is a semiconductor component that converts electrical energy directly into light.
  • the optical principle on which operates the substantially hemispherical surface 12 associated with the light source 10 is similar to that of the strictly stigmatic points of the so-called Weierstrass sphere.
  • Strict stigmatism means that all the light rays coming from the object source point located on the optical axis XX are deflected by the optical system so that the light rays coming out of the system come from the same image point located on the X axis - X
  • the optical lens with rungs 14 is of the Fresnel lens type. It has a continuous surface 14a on the side of the light source 10 and a surface 14b provided with steps on the opposite side. These steps are formed by a plurality of concentric rings 16 centered on the optical axis XX. The presence of these rings 16 allows, on the one hand to limit the angular extent of the light beam to obtain a homogeneous light beam, and secondly to gain space in the optical axis XX.
  • the angular extent of the light beam from the illumination device varies. As illustrated in FIGS. 2A and 2B, as it approaches the light source 10, the extent of the light beam increases. Moreover, thanks to the use of an optical surface 12 operating on the principle of the Weierstrass sphere, the homogeneity of the light beam obtained is improved and remains substantially identical regardless of the angular extent of the beam.
  • the substantially hemispherical optical surface 12 associated with the light source 10 comprises a surface 18 provided with refractive rings 20. More specifically, a portion of the substantially hemispherical surface 12 associated with the light source 10 is replaced by a flattened surface 18 provided with a system of refracting rings 20 which can be likened to a Fresnel lens.
  • a system of refracting rings 20 which can be likened to a Fresnel lens.
  • the technique for incorporating such a modification is well known per se. It essentially consists in replacing a continuous refracting surface with a succession of connected frustoconical surfaces, each angle of which is calculated to obtain an angular deviation of the light rays to that generated by a thick lens whose surface is continuous.
  • the connecting surfaces between the truncated cones are also frustoconical and are aligned with the light rays incident to not participate in the deviation of light rays.
  • the amplitude of the displacement of the optical lens 14 is more important if the substantially hemispherical surface 12 had not been modified.
  • the axial size of the lighting device is reduced and the adjustment amplitude of the angular extent of the light beam from this device is increased.
  • the refracting rings 20 of the surface 18 associated with the light source 10 are calculated to obtain deviations of the light rays which are similar to or similar to those obtained by the substantially hemispherical surface 12.
  • Fresnel lens of the lighting device as described previously could be associated with several other optical lenses.
  • optical lenses could be mounted downstream of the illumination device to obtain the desired optical effects.
  • the light source 10 of the lighting device is mounted on a cylindrical member 22 whose longitudinal axis coincides with the optical axis X-X of the lighting device.
  • This cylindrical member 22 is fixed. It is provided with a longitudinal bore 24 for the passage of the son (not shown) supplying the light source.
  • the optical lens with rungs 14 of the lighting device is fixed at one end of a tubular sleeve 26 that can slide axially around the cylindrical member 22.
  • the axial displacement of the step lens 14 with respect to the source 10 is thus obtained by sliding the sleeve 26 around the cylindrical member 22.
  • Such sliding of the sleeve (shown in dashed lines in Figure 3) can be achieved manually or by means of a motor for example.
  • the end of the tubular sleeve 26 on which is fixed the step lens 14 of the lighting device may also be provided with a transparent lens 28 for protecting the lighting device.
  • other optical lenses could be interposed between the step lens 14 and the transparent lens 28.
  • a pin 30 secured to the cylindrical member 22 is slidable in a slot 32 arranged for this purpose through the sleeve 26 during the relative movement between the cylindrical member and the tubular sleeve.
  • a pin 30 has the function, on the one hand to avoid excessive relative displacement between the cylindrical member and the tubular sleeve, and other to prevent any rotation of the tubular sleeve around the cylindrical member.

Abstract

Dispositif d'éclairage à ouverture variable du faisceau lumineux comportant une source lumineuse (10) d'axe optique (X-X) du type émettant la majorité de son flux lumineux au travers d'une surface optique (12) sensiblement hémisphérique, par exemple une diode électroluminescente, au moins une lentille optique à échelons (14) centrée sur l'axe optique (X-X) et des moyens pour déplacer axialement la lentille à échelons (14) par rapport à la source lumineuse (10).

Description

Titre de l'invention
Dispositif d'éclairage à ouverture variable du faisceau lumineux
Arrière-plan de l'invention La présente invention se rapporte au domaine général des dispositifs optiques d'éclairage à ouverture variable du faisceau lumineux, notamment les projecteurs utilisés pour l'éclairage extérieur (par exemple pour l'éclairage de détails sur une façade d'un monument) ou pour l'éclairage intérieur. Les dispositifs optiques d'éclairage à ouverture variable du faisceau lumineux utilisent généralement le principe du déplacement relatif entre une lentille optique et une source lumineuse pour obtenir un faisceau lumineux dont l'étendue est réglable. Les lentilles optiques de ces dispositifs appartiennent à deux familles distinctes : les lentilles à surfaces continues et les lentilles à échelons dites lentilles de Fresnel. Des miroirs sphériques permettent de récupérer le flux lumineux issu de la source lumineuse qui n'est pas intercepté par la lentille optique. Or, une partie importante du flux lumineux n'est intercepté ni par la lentille optique, ni par le miroir. En outre, ce flux non intercepté par la lentille augmente avec la distance entre la lentille et la source lumineuse.
Aussi, les dispositifs d'éclairage à ouverture variable du faisceau lumineux tels que décrits précédemment présentent un problème de rendement lumineux lié à l'importance du flux lumineux non intercepté (le rendement lumineux d'un dispositif d'éclairage est défini comme étant le rapport entre le flux lumineux sortant du dispositif d'éclairage et le flux lumineux émis par la source lumineuse). A titre indicatif, de tels dispositifs d'éclairage présentent un rendement lumineux variant de 15% à 30% selon la distance entre la lentille et la source lumineuse.
Objet et résumé de l'invention
La présente invention a donc pour but principal de pallier de tels inconvénients en proposant un dispositif optique d'éclairage à ouverture variable du faisceau lumineux ayant un rendement lumineux élevé et homogène quelle que soit l'étendue du faisceau lumineux. A cet effet, il est prévu un dispositif d'éclairage à ouverture variable du faisceau lumineux, caractérisé en ce qu'il comporte une diode électroluminescente d'axe optique X-X émettant la majorité de son flux lumineux au travers d'une surface optique sensiblement hémisphérique, au moins une lentille optique à échelons centrée sur l'axe optique X-X et des moyens pour déplacer axialement la lentille à échelons par rapport à la diode électroluminescente.
Un tel dispositif d'éclairage permet d'obtenir un rendement lumineux variant de 70% à 80% selon l'étendue du faisceau lumineux. L'utilisation d'une diode électroluminescente comme source lumineuse qui émet la majorité de son flux lumineux au travers d'une surface optique sensiblement hémisphérique a pour avantage qu'elle ne nécessite pas l'emploi d'un miroir de récupération d'un flux lumineux émis hors de la surface hémisphérique. Combinée à une lentille optique à échelons, une telle source lumineuse associée à une surface optique sensiblement hémisphérique permet également de se dispenser d'un système catadioptrique constitué d'un système de réflexion et d'un système de réfraction.
Selon une disposition particulièrement avantageuse de l'invention, la surface optique sensiblement hémisphérique associée à la diode électroluminescente comporte une surface munie d'anneaux réfractant.
La diode électroluminescente et sa surface optique associée peuvent être solidaires d'un organe cylindrique fixe et la lentille optique à échelons peut être montée sur un manchon tubulaire apte à coulisser axialement autour dudit organe cylindrique.
Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures :
- la figure 1 est une vue partielle du dispositif d'éclairage selon l'invention ;
- les figures 2A et 2B sont des vues du dispositif de la figure 1 montrant la variation de l'ouverture du faisceau lumineux ; et - la figure 3 est une vue en coupe longitudinale du dispositif d'éclairage de la figure 1 dans son environnement. Description détaillée d'un mode de réalisation
En liaison avec la figure 1, le dispositif d'éclairage à ouverture variable du faisceau lumineux selon l'invention comporte essentiellement une source lumineuse 10 d'axe optique X-X, à savoir une puce émissive d'une diode électroluminescente. Ce type de source lumineuse émet la majorité de son flux lumineux au travers d'une surface optique 12 sensiblement hémisphérique. Il s'agit d'une diode électroluminescente.
Le dispositif d'éclairage comporte également au moins une lentille optique à échelons 14 centrée sur l'axe optique X-X. Des moyens non représentés sur la figure 1 permettent de déplacer selon l'axe optique X-X la lentille à échelons 14 par rapport à la diode électroluminescente afin de faire varier l'ouverture du faisceau lumineux sortant du dispositif d'éclairage. La diode électroluminescente (DEL) n'émet de la lumière que dans un hémisphère ce qui dispense de l'utilisation d'un miroir de récupération du flux lumineux. Le flux lumineux (schématisé par les rayons lumineux F sur les figures) qui est émis par une telle source lumineuse présente, après réfraction optique dans la surface optique 12 sensiblement hémisphérique, une ouverture angulaire de l'ordre de 90° centrée sur l'axe optique X-X. En outre, une diode électroluminescente est un composant semi-conducteur qui convertit l'énergie électrique directement en lumière.
Le principe optique sur lequel fonctionne la surface 12 sensiblement hémisphérique associée à la source lumineuse 10 s'apparente à celui des points rigoureusement stigmatiques de la sphère dite de Weierstrass. Par stigmatisme rigoureux, on entend que tous les rayons lumineux issus du point source objet situé sur l'axe optique X-X sont déviés par le système optique de telle sorte que les rayons lumineux sortants du système proviennent du même point image située sur l'axe X- X
La lentille optique à échelons 14 est du type lentille de Fresnel. Elle présente une surface continue 14a du côté de la source lumineuse 10 et une surface 14b munie d'échelons du côté opposé. Ces échelons sont formés par une pluralité d'anneaux concentriques 16 centrés sur l'axe optique X-X. La présence de ces anneaux 16 permet, d'une part de limiter l'étendue angulaire du faisceau lumineux afin d'obtenir un faisceau lumineux homogène, et d'autre part de gagner en encombrement selon l'axe optique X-X.
Selon la distance séparant la lentille à échelons 14 de la source lumineuse 10, l'étendue angulaire du faisceau lumineux issu du dispositif d'éclairage varie. Comme illustré sur les figures 2A et 2B, en se rapprochant de la source lumineuse 10, l'étendue du faisceau lumineux augmente. Par ailleurs, grâce à l'utilisation d'une surface optique 12 fonctionnant sur le principe de la sphère de Weierstrass, l'homogénéité du faisceau lumineux obtenu est améliorée et reste sensiblement identique quelle que soit l'étendue angulaire du faisceau.
Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, la surface optique sensiblement hémisphérique 12 associée à la source lumineuse 10 comporte une surface 18 munie d'anneaux réfractant 20. Plus précisément, une partie de la surface sensiblement hémisphérique 12 associée à la source lumineuse 10 est remplacée par une surface aplanie 18 munie d'un système d'anneaux réfractant 20 pouvant être assimilé à une lentille de Fresnel. Cette caractéristique est notamment illustrée sur la figure 1 sur laquelle la surface sensiblement hémisphérique 12 est représentée en traits pointillées, tandis que la surface modifiée par ajout d'une surface 18 munie d'anneaux réfractant 20 est représentée en traits pleins.
La technique permettant d'incorporer une telle modification est bien connue en soi. Elle consiste essentiellement à remplacer une surface réfractante continue par une succession de surfaces tronconiques raccordées dont chaque angle est calculé pour obtenir une déviation angulaire des rayons lumineux à celle engendrée par une lentille épaisse dont la surface est continue. Les surfaces de raccordement entre les troncs de cône sont également tronconiques et sont alignées avec les rayons lumineux incidents pour ne pas participer à la déviation des rayons lumineux. Ces anneaux réfractant s'obtiennent par la technique de moulage par injection de matière plastique transparent à haut coefficient de transmission lumineuse.
Comme illustré sur la figure 2B, par une telle modification de la surface sensiblement hémisphérique 12 associée à la source lumineuse 10, l'amplitude du déplacement de la lentille optique 14 est plus importante que si la surface sensiblement hémisphérique 12 n'avait pas été modifiée.
De la sorte, l'encombrement axial du dispositif d'éclairage est réduit et l'amplitude de réglage de l'étendue angulaire du faisceau lumineux issu de ce dispositif est augmentée. A titre d'exemple, il est possible d'augmenter l'amplitude de l'étendue angulaire du faisceau lumineux de 20° à 30°.
Les anneaux réfractant 20 de la surface 18 associée à la source lumineuse 10 sont calculés pour obtenir des déviations des rayons lumineux qui sont voisines ou semblables à celles obtenues par la surface sensiblement hémisphérique 12.
On notera que la lentille de Fresnel du dispositif d'éclairage tel que décrit précédemment pourrait être associée à plusieurs autres lentilles optiques. De même, des lentilles optiques pourraient être montées en aval du dispositif d'éclairage afin d'obtenir les effets optiques souhaités.
En liaison avec la figure 3, on décrira maintenant le dispositif d'éclairage selon l'invention dans son environnement, notamment les moyens permettant de déplacer axialement la lentille à échelons de ce dispositif. Sur cette figure, la source lumineuse 10 du dispositif d'éclairage est montée sur un organe cylindrique 22 dont l'axe longitudinal est confondu avec l'axe optique X-X du dispositif d'éclairage. Cet organe cylindrique 22 est fixe. Il est muni d'un perçage longitudinal 24 pour le passage des fils (non représentés) d'alimentation de la source lumineuse. La lentille optique à échelons 14 du dispositif d'éclairage est quant à elle fixée à une extrémité d'un manchon tubulaire 26 pouvant coulisser axialement autour de l'organe cylindrique 22. Le déplacement axial de la lentille à échelons 14 par rapport à la source lumineuse 10 est donc obtenu en faisant coulisser le manchon 26 autour de l'organe cylindrique 22. Un tel coulissement du manchon (représenté en traits pointillés sur la figure 3) peut être réalisé manuellement ou par l'intermédiaire d'un moteur par exemple.
L'extrémité du manchon tubulaire 26 sur laquelle est fixée la lentille à échelons 14 du dispositif d'éclairage peut également être pourvue d'une lentille transparente 28 destinée à protéger le dispositif d'éclairage. En outre, d'autres lentilles optiques pourraient être intercalées entre la lentille à échelons 14 et la lentille transparente 28.
Par ailleurs, un pion 30 solidaire de l'organe cylindrique 22 est apte à coulisser dans une fente 32 aménagée à cet effet au travers du manchon 26 lors du déplacement relatif entre l'organe cylindrique et le manchon tubulaire. Un tel pion 30 a pour fonction, d'une part d'éviter un déplacement relatif trop important entre l'organe cylindrique et le manchon tubulaire, et d'autre d'empêcher tout rotation du manchon tubulaire autour de l'organe cylindrique.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif d'éclairage à ouverture variable du faisceau lumineux, caractérisé en ce qu'il comporte une diode électroluminescente (10) d'axe optique (X-X) émettant la majorité de son flux lumineux au travers d'une surface optique (12) sensiblement hémisphérique, au moins une lentille optique à échelons (14) centrée sur l'axe optique (X-X) et des moyens pour déplacer axialement la lentille à échelons (14) par rapport à la diode électroluminescente (10).
2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la surface optique sensiblement hémisphérique (12) associée à la diode électroluminescente (10) comporte une surface (18) munie d'anneaux réfractant (20).
3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel la diode électroluminescente (10) est solidaire d'un organe cylindrique fixe (22) et la lentille optique à échelons (14) est montée sur un manchon tubulaire (26) apte à coulisser axialement autour dudit organe cylindrique.
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