WO2007042711A1 - Dispositif d'eclairage a diode - Google Patents

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WO2007042711A1
WO2007042711A1 PCT/FR2006/050988 FR2006050988W WO2007042711A1 WO 2007042711 A1 WO2007042711 A1 WO 2007042711A1 FR 2006050988 W FR2006050988 W FR 2006050988W WO 2007042711 A1 WO2007042711 A1 WO 2007042711A1
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lens
led
face
optical
curvature
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PCT/FR2006/050988
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Jacques Sabater
Jean-Marc Kubler
Original Assignee
OPTIC K (Société à Responsabilité Limitée)
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    • F21V5/04—Refractors for light sources of lens shape
    • F21V5/041—Ball lenses
    • 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
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    • F21W2131/10—Outdoor lighting
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • 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

  • the present invention generally relates to the field of lighting, in particular lighting having to respond to particular specificities, in particular capable of producing uniform illumination, and relates to a diode lighting device, as well as to lighting devices. lighting comprising at least two such devices.
  • LEDs Light-emitting diode lighting devices
  • LEDs Light-emitting diode lighting devices
  • Such diodes have a long life, have low consumption and do not produce excessive heat.
  • white LEDs increasingly powerful and powerful in terms of brightness, which can be substituted for incandescent or halogen lamps.
  • the illuminated area is adapted to the object that we want to illuminate.
  • Existing devices for maximum light collection from the LED stream are optical components that are available against the LED and referred to as collimators.
  • the present invention is more particularly concerned with LEDs having a Lambertian emission indicator.
  • the radiation indicator is expressed by the following variation I ( ⁇ ):
  • I I 0 * cos ( ⁇ ), where I 0 is the luminous intensity in candela or watts per steradian in the direction of the optical beam emission axis of the LED and I is the luminous intensity in a direction making an angle ⁇ with the axis.
  • optical device composed of one or more lenses and / or a mirror or several mirrors. or reflective devices.
  • the lens devices have the advantage of forming a very clear image of the emitting surface of the LED which is very interesting to obtain uniform illumination, delimited and located on the useful area.
  • a simple known solution is to use an LED and a single lens. To obtain a clear image of the emission area on a screen and recover the maximum flux, it is desirable that the lens has at least one aspherical face.
  • the total flux collected on a 700 mm screen of the aspherical lens as defined above is 20 lumens, hence an energy efficiency (FiTF ratio 0 between the total flux F L collected and refracted by the lens and the total flux F 0 emitted by the LED) of 33%.
  • the main problem of the invention is to provide a simple solution to significantly improve the performance of the aforementioned known solution (LED + aspherical lens), and to provide a diode lighting device better meeting the three criteria. previously mentioned.
  • the present invention relates to a diode lighting device comprising a light emitting diode or LED.
  • the optical light projection means comprise at least one aspherical lens; the surface of the input face of the lens has a radius of curvature R1 equal to or slightly greater than that of the outer surface, of substantially spherical shape, of the output face of the LED;
  • the lens is reported by its input face on the outer surface of the output face of the LED through a layer of transparent glue;
  • the surface of the exit face of the lens corresponds to a spherical surface portion greater in size than a hemispherical surface;
  • the aspherical lens has at least one conical meridian face;
  • the aspherical lens has, on the one hand, an input face, turned towards the LED, whose surface is flat or carried by a spherical surface of very large radius of curvature, in particular very large with respect to R2, and on the other hand, an exit face, opposite to the input face, whose surface is aspherical; the aspheric lens is symmetrical with revolution around its optical axis;
  • the aspheric lens has an entry or exit face with a biconical surface; the aspheric lens has an inlet or outlet face whose surface corresponds to a circular or circular cylindrical surface portion;
  • the optical light projection means comprise an adjustable optical sub-system with a zoom effect;
  • the optical light projection means comprise optical means for refocusing in a light guide of the recovered light flux;
  • the optical refocusing means comprise two aspheric lenses arranged symmetrically with respect to a plane perpendicular to the optical axis or symmetry of the lens.
  • the invention also relates to a dental operating light device providing shadow-free illumination, characterized in that it comprises two lighting devices as described above, mounted side by side and whose respective beams are directed in such a manner to be confused at the level of the area to be illuminated.
  • the invention further relates to a surgical operating light apparatus providing shadowless illumination, characterized in that it comprises at least two lighting devices as described above, mounted side by side and whose respective beams are directed to be confused at the level of the area to be illuminated.
  • the lighting devices respectively forming one of the aforementioned devices are mounted together in a single housing or protective housing, for example fixed on the end of an articulated support arm.
  • FIGS. are schematic representations of a lighting device according to two embodiments of the invention
  • FIG. 2 is a sectional view, on a different scale, of the lens with spherical input and output faces forming part of the device of FIG. 1
  • Figures 3 and 4 are representations of projection screen images (graduated in lux), illustrating the distribution of the intensity of illumination provided by an LED associated with an aspherical lens alone (Fig. 3) or an optical system according to the invention (Fig. 4);
  • FIG. 5 is a representation similar to those of FIGS.
  • FIGS. 6A and 6B are schematic representations of a lighting device according to two other embodiments of the invention, incorporating refocusing means (FIG. 6B having means 5 different from those shown in FIG. 1B), and
  • Figure 7 is a schematic representation of a lighting apparatus comprising two lighting devices according to the invention, mounted in a housing carried by an articulated support arm.
  • the lighting device 1 comprises an LED 2 associated with an optical system 3 able to recover a large part of the luminous flux emitted by said LED and to produce a light spot remotely. 7 substantially uniform in terms of illumination.
  • the basic principle of the invention is to interpose, between the LED 2 and the projection means 5, an optical component 6 made of glass or transparent plastic material (such as polycarbonate or acrylic) which allows an improvement in efficiency.
  • the projection means 5 consist of or advantageously comprise at least one aspheric lens 8 (Fig. IA) or a biconvex lens (Fig. 1B).
  • the optical component 6 is preferably a lens whose input face 6 'is spherical concave. It has a radius of curvature R1 close to that of the output face 4 of the LED. It is preferably placed intimately against the surface of the LED 2. This face 6 'is, in a preferred embodiment, almost a half-sphere to be placed in contact with the LED 2.
  • the exit face 6 "of this lens 6 is preferably also spherical, its surface being preferentially greater than a half-sphere (it may be called super-hemispherical).
  • This lens 6 aims to collect a larger solid angle from the LED.
  • this lens will be chosen so that the solid angle is multiplied by a factor of between 2.5 and 3 and the collected luminous flux multiplied by approximately 2.
  • LEDs which have a non-Lambertian indicator are also, in connection with the invention, an overall improvement in collimation efficiency since the device 1 recovers from the LED a larger solid angle.
  • the lens 6 has a spherical input face 6 'of radius R1 and a spherical output face of radius R2.
  • the vertices of the two faces are distant from e which is the thickness on the optical axis or of the symmetry of the lens 6.
  • This lens 6 is made of a material of index n and advantageously the first face 6 'of radius of curvature Rl has its center of curvature very close to the surface, region or emission zone 2 'of the LED 2.
  • the radius R1 is very little different from the radius of curvature of the output face 2 'of the LED and these two faces 2' and 6 'can be glued together with a transparent adhesive 4'.
  • the advantage is a fixation of the lens 6 on the LED which allows a perfect and irremovable positioning, and an improvement in terms of light output because this bonding removes a very large part of the light lost by reflection on the faces 4 and 6 'opposite the LED and the lens 6.
  • the adhesive preferably of the transparent resin type, advantageously has an index comprised between the indices of the LED and the lens 6.
  • the second face 6 has a radius of curvature R2 forming a spherical diopter which operates a refraction using the aplanetic conjugation of the Young points. This conjugation occurs for the following relation between R1,
  • the radius of curvature R2 is indeterminate and it will be chosen according to considerations of space, mechanical and optical achievements and cost.
  • a radius R1 equal to that of the output face 4 of the LED will be chosen, the input face 6 'of the lens 6 being glued against the LED, and a radius R2 making it possible to dispose said superhemispheric lens 6, taking into account the available space between the LED 2 and the projection means 5, for example in the form of an aspherical lens 8.
  • lens shapes 8 make it possible to produce this type of illumination and can thus have a toric or biconical face, for example.
  • the input face 8 ' is flat or slightly spherical and the exit face 8 "is aspherical with two different aspherical meridians in the two perpendicular planes corresponding to the two elongation directions of the illumination on the screen.
  • An exemplary embodiment of such a surface may be a biconical surface of which two perpendicular meridians are each parameterized by a radius of curvature R and a taper k.
  • the lens 8 is made of glass or plastic with a material index close to 1.5.
  • the face 8 ', facing the LED is flat.
  • the 8 "face is characterized by two conical meridians:
  • projection means 5 for example in the form of an aspherical lens
  • the single aspheric lens 8 may be replaced by a set of at least two lenses 8 and 9, at least one of which is aspherical. This device makes it possible to continuously modify the focal length and to obtain a zoom-like effect to obtain a larger or smaller illuminated area.
  • the device 1 according to the invention is perfectly suited to this application because it allows to adapt to the illuminated area by extending in one direction the illumination for obtain rectangular lighting (Figure 5).
  • Another type of application is the focusing of the luminous flux of the LED 2 in a light guide 10. It is then important to refocus the greater part of the luminous flux inside the guide 10 which can be a transparent piece of light. one piece or a set of optical fibers.
  • the device 1 according to the invention makes it possible to collect this flux which is focused by projection optical means 5 in the form of refocusing means in the light guide 10.
  • a second identical aspherical lens 9 arranged symmetrically to the first aspherical lens 8 allows this type of refocusing, as well as a biconvex lens (FIGS. 6A and 6B).

Abstract

La présente invention a pour objet un dispositif d'éclairage à diode, comprenant une diode électroluminescente ou DEL associé à un système optique apte à récupérer une part importante du flux lumineux émis par ladite DEL et à produire à distance une tache lumineuse sensiblement uniforme en termes d'éclairement. Dispositif (1) caractérisé en ce que le système optique (3) comprend au moins deux lentilles, à savoir au moins, d'une part, une première lentille de type asphérique (5) et, d'autre part, une seconde lentille (6) disposée entre la DEL (2) et ladite première lentille asphérique (5), ladite seconde lentille (6) présentant une face d'entrée (6') de forme courbe concave tournée vers la DEL (2) avec un rayon de courbure R1 et une face de sortie (6') de forme courbe convexe avec un rayon de courbure R2, avec R2>Rl, la face d'entrée (6') étant située à proximité de la surface d'émission (2') de la DEL (2) et l'épaisseur maximale e du matériau transparent d'indice n formant cette seconde lentille (6), vue selon l'axe optique (X) ou le plan de symétrie de cette lentille (6), vérifiant sensiblement la relation e=R2 x (l + l/n) - R1.

Description

Dispositif d'éclairage à diode
La présente invention concerne de manière générale le domaine de l'éclairage, en particulier les éclairages devant répondre à des spécificités particulières, notamment aptes à produire un éclairement uniforme, et a pour objet un dispositif d'éclairage à diode, ainsi que des appareils d'éclairage comprenant au moins deux tels dispositifs.
Dans certains domaines ou certaines applications, il est nécessaire de disposer d'un éclairage répondant à certaines spécifications techniques, voire réglementaires, par exemple en termes d'intensité ou d'uniformité de l'éclairage au niveau de la zone à éclairer. Tel est notamment le cas, à tire d'exemple illustratif, dans le domaine dentaire. En effet, les appareils d'éclairage opératoire mis en œuvre dans ce domaine doivent remplir les critères et répondre aux exigences de la norme française, européenne et internationale NF EN ISO 9680. Les appareils du type précité, également appelés lampes opératoires dentaires ou encore scialytiques (nom déposé), qui sont commercialisés actuellement comportent généralement comme source(s) lumineuse(s) des ampoules halogènes ou à incandescence, associées à une surface réfléchissante (réflecteur) et à une vitre de protection frontale, l'ensemble étant suspendu au bout d'un bras support articulé, avec blocage en position précis à l'arrêt.
Néanmoins, ces appareils existants sont relativement lourds, peu compacts (nécessité d'un bloc d'alimentation dans le socle ou l'embase du bras support) et ne fournissent pas un éclairement avec un bon degré d'uniformité dans la zone cible à éclairer.
De plus, du fait de la nature même des sources lumineuses utilisées, ces appareils d'éclairage connus émettent beaucoup de chaleur (gêne pour le patient et le praticien) et nécessitent des interventions fréquentes pour changer les ampoules (durée de vie limitée de 50 heures à 2 000 heures maximum).
On connaît d'autre part des dispositif d'éclairage à diodes électroluminescentes (généralement désignées par DEL ou LED). De telles diodes présentent une grande durée de vie, présentent une faible consommation et ne produisent pas une chaleur excessive. Il existe en particulier, depuis peu, des DEL blanches de plus en plus performantes et puissantes, en termes de luminosité, qui peuvent se substituer aux lampes à incandescence ou halogènes.
Il est toutefois nécessaire d'associer à ces DEL des dispositif ou systèmes permettant de récupérer le flux lumineux émis par elles et de l'amener au niveau de la surface à éclairer.
Ces dispositifs sont d'autant plus intéressants que les trois critères suivants sont au mieux vérifiés :
- le flux récupéré est le plus grand possible (meilleur rendement)
- l'éclairement est uniforme
- la zone éclairée est adaptée à l'objet que l'on veut éclairer. Les dispositifs existants permettant une collecte maximale de lumière du flux de la DEL sont des composants optiques que l'on dispose contre la DEL et dénommés collimateurs.
Toutefois, ils sont très mauvais en terme d'uniformité et ne permettent pas un éclairage correct sur une zone déterminée.
En effet, ils donnent un éclairage fort dans l'axe à ±5° et une décroissance régulière de lumière sans disparition jusqu'à ±30°. La présente invention s'intéresse plus particulièrement aux DEL ayant une indicatrice d'émission Lambertienne. Pour une émission parfaitement Lambertienne, l'indicatrice de rayonnement s'exprime par la variation I(θ) suivante :
I = I0*cos(θ), où I0 est l'intensité lumineuse en candelas ou en watts par stéradian dans la direction de l'axe d'émission du faisceau optique de la DEL et I est l'intensité lumineuse dans une direction faisant un angle θ avec l'axe.
Certaines DEL disponibles dans le commerce, comme par exemple celle connues sous la désignation Luxeon III, ont, par construction, une indicatrice dont les variations sont très semblables à la formule ci- dessus.
Ce rayonnement couvre tout le demi-espace en avant de la LED soit un angle solide total Ω = 2π stéradians (environ 6,28 stéradians).
Pour projeter ce rayonnement sur l'objet que l'on veut éclairer sur un écran éloigné (de 20 cm à plusieurs mètres), il est nécessaire de prévoir un dispositif optique composé d'une ou plusieurs lentilles et/ou un miroir ou plusieurs miroirs ou dispositifs réfléchissants. Les dispositifs à lentilles ont l'avantage de former une image très nette de la surface émissive de la DEL ce qui est très intéressant pour obtenir un éclairage uniforme, délimité et localisé sur la zone utile.
Toutefois, la mise en œuvre d'une pluralité de lentilles peut s'avérer délicate et aboutir à une construction complexe et coûteuse.
Les dispositifs utilisant des réflexions ou une combinaison de réfractions et de réflexions comme le collimateur de la société Luxeon ("Luxeon collimator") ne produisent pas d'éclairage uniforme.
Une solution simple connue est d'utiliser une DEL et une seule lentille. Pour obtenir une image nette de la zone d'émission sur un écran et récupérer le maximum de flux, il est souhaitable que la lentille ait au moins une face asphérique.
De manière préférentielle, une telle lentille a une première face plane en regard avec la DEL et une deuxième face asphérique avec une méridienne conique, par exemple, de rayon de courbure R = 9 mm et de paramètre de conicité k = -0,6.
L'équation de la méridienne s'écrit de manière connue :
Z = X
R + jR2 - (l + k)X2
Pour une DEL du type Luxeon III blanche de 60 lumens, le flux total collecté sur un écran à 700 mm de la lentille asphérique telle que définie précédemment est de 20 lumens, d'où un rendement énergétique (rapport FiTF0 entre le flux total FL collecté et réfracté par la lentille et le flux total F0 émis par la DEL) de 33 %.
Ce rendement faible est dû au fait qu'une partie seulement des rayons issus de la DEL est collectée par la lentille. En terme d'angle solide, pour les meilleures lentilles existant sur le marché, l'angle solide collecté n'est que le quart de l'angle solide de la DEL. Ainsi, le problème principal posé à l'invention consiste à fournir une solution simple permettant d'améliorer notablement le rendement de la solution connue précitée (DEL + lentille asphérique), et de fournir un dispositif d'éclairage à diode répondant mieux aux trois critères évoqués précédemment. A cet effet, la présente invention a pour objet un dispositif d'éclairage à diode, comprenant une diode électroluminescente ou DEL - A - associé à un système optique apte à récupérer une part importante du flux lumineux émis par ladite DEL et à produire à distance une tache lumineuse sensiblement uniforme en termes d'éclairement, dispositif caractérisé en ce que le système optique comprend, d'une part, des moyens optiques de projection de lumière et, d'autre part, une lentille disposée entre la DEL et lesdits moyens optiques de projection de lumière, ladite lentille présentant une face d'entrée de forme sphérique concave tournée vers la DEL avec un rayon de courbure Rl et une face de sortie de forme sphérique convexe avec un rayon de courbure R2, avec R2 > Rl, la face d'entrée ayant un centre de courbure situé à proximité de la zone ou région d'émission de la DEL et l'épaisseur maximale e du matériau transparent d'indice n formant ladite lentille, vue selon l'axe de symétrie de cette lentille, vérifiant sensiblement la relation e = R2 x (1 + 1/n) - Rl.
En accord avec des variantes de réalisation préférées de l'invention et/ou des caractéristiques avantageuses supplémentaires de cette dernière, il peut en outre être prévu, de manière séparée ou cumulative, que :
- les moyens optiques de projection de lumière comprennent au moins une lentille asphérique ; - la surface de la face d'entrée de la lentille a un rayon de courbure Rl égal ou légèrement supérieur à celui de la surface extérieure, de forme sensiblement sphérique, de la face de sortie de la DEL ;
- la lentille est rapportée par sa face d'entrée sur la surface extérieure de la face de sortie de la DEL par l'intermédiaire d'une couche de colle transparente ;
- la surface de la face de sortie de la lentille correspond à une portion de surface sphérique supérieure en taille à une surface hémisphérique ; - la lentille asphérique présente au moins une face à méridienne conique ;
- la lentille asphérique présente, d'une part, une face d'entrée, tournée vers la DEL, dont la surface est plane ou portée par une surface sphérique de très grand rayon de courbure, en particulier très grand par rapport à R2, et, d'autre part, une face de sortie, opposée à la face d'entrée, dont la surface est asphérique ; - la lentille asphérique est symétrique de révolution autour de son axe optique ;
- la lentille asphérique présente une face d'entrée ou de sortie à surface biconique ; - la lentille asphérique présente une face d'entrée ou de sortie dont la surface correspond à une partie de surface torique ou cylindrique circulaire ;
- les moyens optiques de projection de lumière comprennent un sous-système optique réglable à effet de zoom ; - les moyens optiques de projection de lumière comprennent des moyens optiques de refocalisation dans un guide de lumière du flux lumineux récupéré ;
- les moyens optiques de refocalisation comprennent deux lentilles asphériques disposées symétriquement par rapport à un plan perpendiculaire à l'axe optique ou de symétrie de la lentille.
L'invention concerne également un appareil d'éclairage opératoire dentaire fournissant un éclairage sans ombres portées, caractérisé en ce qu'il comprend deux dispositifs d'éclairage comme décrits ci-dessus, montés côte à côte et dont les faisceaux respectifs sont dirigés de manière à être confondus au niveau de la zone à éclairer.
L'invention concerne en outre un appareil d'éclairage opératoire chirurgical fournissant un éclairage sans ombres portées, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux dispositifs d'éclairage comme décrits ci- dessus, montés côte à côte et dont les faisceaux respectifs sont dirigés de manière à être confondus au niveau de la zone à éclairer.
Préférentiellement, les dispositifs d'éclairage formant respectivement l'un des appareils précités sont montés ensemble dans un unique carter ou boîtier de protection, par exemple fixé sur l'extrémité d'un bras support articulé.
L'invention sera mieux comprise grâce à la description ci-après, qui se rapporte à des modes de réalisation préférés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, et expliqués avec référence aux dessins schématiques annexés, dans lesquels : les figures IA et IB sont des représentations schématiques d'un dispositif d'éclairage selon deux variantes de réalisation de l'invention ; Ia figure 2 est une vue en coupe, à une échelle différente, de la lentille avec faces d'entrée et de sortie sphériques faisant partie du dispositif de la figure 1 ; les figures 3 et 4 sont des représentations d'images d'écrans de projection (graduées en lux), illustrant la distribution de l'intensité de l'éclairement fourni par une DEL associée à une lentille asphérique seule (Fig. 3) ou à un système optique selon l'invention (Fig. 4) ; la figure 5 est une représentation similaire à celles des figures 3 et 4, montrant l'éclairement fourni par un dispositif selon l'invention avec une lentille asphérique biconique ; les figures 6A et 6B sont des représentations schématiques d'un dispositif d'éclairage selon deux autres variantes de réalisation de l'invention, intégrant des moyens de refocalisation (la figure 6B présentant des moyens 5 différents de ceux représentés sur la figure IB), et la figure 7 est une représentation schématique d'un appareil d'éclairage comprenant deux dispositifs d'éclairage selon l'invention, montés dans un boîtier porté par un bras support articulé.
Comme le montrent les figures 1 et 6 des dessins annexés, le dispositif d'éclairage 1 comprend une diode DEL 2 associée à un système optique 3 apte à récupérer une part importante du flux lumineux émis par ladite DEL et à produire à distance une tache lumineuse 7 sensiblement uniforme en termes d'éclairement.
Selon l'invention, le système optique 3 comprend, d'une part, des moyens optiques de projection de lumière 5 et, d'autre part, une lentille 6 disposée entre la DEL 2 et lesdits moyens optiques de projection de lumière 5, ladite lentille 6 présentant une face d'entrée 6' de forme sphérique concave tournée vers la DEL 2 avec un rayon de courbure Rl et une face de sortie 6" de forme sphérique convexe avec un rayon de courbure R2, avec R2 > Rl, la face d'entrée 6' ayant un centre de courbure situé à proximité de la zone ou région d'émission 2' de la DEL 2 et l'épaisseur maximale e du matériau transparent d'indice n formant ladite lentille 6, vue selon l'axe de symétrie X de cette lentille 6, vérifiant sensiblement la relation e = R2 x (1 + 1/n) - Rl.
Ainsi, le principe de base de l'invention consiste à interposer, entre la DEL 2 et les moyens de projection 5, un composant optique 6 en verre ou en matériau plastique transparent (tel que polycarbonate ou acrylique) qui permette une amélioration du rendement. Les moyens de projection 5 consistent en ou comprennent avantageusement au moins une lentille 8 asphérique (Fig. IA) ou une lentille biconvexe (Fig. IB).
Le composant optique 6 est préférentiellement une lentille dont la face d'entrée 6' est sphérique concave. Elle a un rayon de courbure Rl proche de celui de la face de sortie 4 de la DEL. Elle est préférentiellement placée intimement contre la surface de la DEL 2. Cette face 6' est, dans une réalisation préférentielle, quasiment une demi-sphère pour être placée au contact de la DEL 2. La face de sortie 6" de cette lentille 6 est préférentiellement également sphérique, sa surface étant préférentiellement supérieure à une demi-sphère (on pourra l'appeler super-hémisphérique).
Cette lentille 6 a pour but de collecter un plus grand angle solide issu de la DEL. En pratique, on choisira cette lentille pour que l'angle solide soit multiplié par un facteur compris entre 2,5 et 3 et le flux lumineux collecté multiplié par 2 environ.
Les DEL qui ont une indicatrice non Lambertienne subissent, en relation avec l'invention, aussi une amélioration globale du rendement de collimation puisque le dispositif 1 récupère de la DEL un plus grand angle solide.
La lentille 6 possède une face d'entrée 6' sphérique de rayon Rl et une face de sortie sphérique de rayon R2. Les sommets des deux faces sont distants de e qui est l'épaisseur sur l'axe optique ou de symétrie de la lentille 6. Cette lentille 6 est réalisée dans un matériau d'indice n et avantageusement la première face 6' de rayon de courbure Rl a son centre de courbure très proche de la surface, région ou zone d'émission 2' de la DEL 2.
Dans une réalisation préférentielle, le rayon Rl est très peu différent du rayon de courbure de la face de sortie 2' de la DEL et ces deux faces 2' et 6' peuvent être collées ensemble avec une colle transparente 4'.
L'avantage en est une fixation de la lentille 6 sur la DEL qui permet un positionnement parfait et inamovible, et, une amélioration en terme de rendement lumineux car ce collage élimine une très grande partie de la lumière perdue par reflet sur les faces 4 et 6' en regard de la DEL et de la lentille 6. La colle, préférentiellement du type résine transparente, présente avantageusement un indice compris entre les indices de la DEL et de la lentille 6.
A titre d'exemple, on pourra utiliser une colle résine transparente d'indice 1,53 connu sous la désignation E501 par la société EPOTECNY.
La deuxième face 6" a un rayon de courbure R2 formant un dioptre sphérique qui opère une réfraction en utilisant la conjugaison aplanétique des points d'Young. Cette conjugaison se produit pour la relation suivante entre Rl,
R2, e et n : e + Rl = R2 * (1 + 1/n) ou encore e = R2 * (1 + 1/n) - Rl
Le rayon de courbure R2 est indéterminé et il sera choisi en fonction de considérations d'encombrement, de réalisations mécanique et optique et de coût.
On choisira préférentiellement, un rayon Rl égal à celui de la face de sortie 4 de la DEL, la face d'entrée 6' de la lentille 6 étant collée contre la DEL, et un rayon R2 permettant de disposer ladite lentille superhémisphérique 6 compte tenu de l'encombrement disponible entre la DEL 2 et les moyens de projection 5, par exemple sous la forme d'une lentille asphérique 8.
Exemple de réalisation : - la lentille 8 asphérique a une distance focale de 28 mm, et elle est réalisée dans un matériau transparent d'indice proche de 1,5 (verres BK7 ou B270, acrylique...) - la lentille 6 super-hémisphérique est en polycarbonate avec n = 1,585, avec Rl = 3 mm, R2 = 6 mm et e = 6,8 mm - la distance focale de l'ensemble des deux lentilles 6 et 8 est de 18 mm.
Une comparaison objective des résultats de mesures photométriques obtenus par projection sur l'écran, avec la lentille 6 et la lentille asphérique 8 de 28 mm de distance focale par rapport à une lentille asphérique seule de 18 mm de distance focale, est possible car l'image obtenue est de même dimension. Les résultats de simulation montrent que l'interposition de la lentille super-hémisphérique 6 donne un doublement du rendement photométrique pour un résultat similaire en terme de dimension d'image sur un écran disposé à une certaine distance du dispositif d'éclairage (comparaison des figures 3 et 4).
Pour la figure 3 :
- moyenne au centre sur 10 cm2 = 6 200 lux
- flux total intégré sur l'image = 20 lumens. Pour la figure 4 : - moyenne au centre sur 10 cm2 = 12 000 lux
- flux total intégré sur l'image = 40 lumens.
Dans certains cas, il est nécessaire d'avoir un éclairage allongé dans une certaine direction. A titre d'exemple, ceci est le cas pour les scialytiques dans le domaine de la dentisterie. En choisissant une forme adaptée spécifique pour la lentille asphérique 8, il est possible d'obtenir un tel résultat sans modifier la lentille 6 super-hémisphérique. La lentille asphérique n'a alors plus la symétrie de révolution.
Plusieurs formes de lentille 8 permettent de réaliser ce type d'éclairage et elle peut ainsi avoir une face torique ou biconique, par exemple.
Préférentiellement, la face d'entrée 8' est plane ou légèrement sphérique et la face de sortie 8" est asphérique avec deux méridiennes asphériques différentes dans les deux plans perpendiculaires correspondant aux deux directions d'allongement de l'éclairage sur l'écran.
Un exemple de réalisation d'une telle surface peut être une surface biconique dont deux méridiennes perpendiculaires sont paramétrées chacune par un rayon de courbure R et une conicité k.
Dans une réalisation préférentielle, la lentille 8 est réalisée en verre ou plastique de matériau d'indice proche de 1,5.
La face 8', en regard avec la DEL est plane.
La face 8" est caractérisée par deux méridiennes coniques :
Suivant Y : Ry = 13 mm et ky = -0,6
Suivant X : Rx = 15,5 mm et kx = -0,4 Le résultat donne un éclairage allongé et un très bon rendement de l'ordre de 70 % (voir figure 5). Dans une application à un scialytique pour la dentisterie ou la chirurgie au moins deux dispositifs 1 [DEL 2, lentille super-hémisphérique
6 et moyens de projection 5, par exemple sous forme de lentille asphérique
8] sont utilisés pour obtenir un éclairage sans ombre comme prévu par la norme en vigueur.
Dans un autre mode d'utilisation, l'unique lentille asphérique 8 peut être remplacée par un ensemble d'au moins deux lentilles 8 et 9 dont une au moins est asphérique. Ce dispositif permet de modifier en continu la distance focale et d'obtenir un effet de type zoom pour obtenir une zone éclairée plus ou moins grande.
Un autre type d'application est l'éclairage directif des tableaux dans les musées, le dispositif 1 selon l'invention est parfaitement adapté à cette application car il permet de s'adapter à la zone éclairée en allongeant dans une direction l'éclairement pour obtenir un éclairage rectangulaire (figure 5).
Un autre type d'application est la focalisation du flux lumineux de la DEL 2 dans un guide de lumière 10. Il est alors important de refocaliser la plus grande partie du flux lumineux à l'intérieur du guide 10 qui peut être une pièce transparente d'un seul tenant ou un ensemble de fibres optiques. Le dispositif 1 selon l'invention permet de collecter ce flux qui est focalisé par des moyens optiques de projection 5 sous forme de moyens de refocalisation dans le guide de lumière 10. Une deuxième lentille asphérique 9 identique disposée symétriquement à la première lentille asphérique 8 permet ce type de refocalisation, de même qu'une lentille biconvexe (figures 6A et 6B).
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés aux dessins annexés. Des modifications restent possibles, notamment du point de vue de la constitution des divers éléments ou par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour autant du domaine de protection de l'invention.

Claims

R E V E N D I C A T I O N S
1. Dispositif d'éclairage à diode, comprenant une diode électroluminescente ou DEL associé à un système optique apte à récupérer une part importante du flux lumineux émis par ladite DEL et à produire à distance une tache lumineuse sensiblement uniforme en termes d'éclairement, dispositif (1) caractérisé en ce que le système optique (3) comprend, d'une part, des moyens optiques de projection de lumière (5) et, d'autre part, une lentille (6) disposée entre la DEL (2) et lesdits moyens optiques de projection de lumière (5), ladite lentille (6) présentant une face d'entrée (6') de forme sphérique concave tournée vers la DEL (2) avec un rayon de courbure Rl et une face de sortie (6") de forme sphérique convexe avec un rayon de courbure R2, avec R2 > Rl, la face d'entrée (6') ayant un centre de courbure situé à proximité de la zone ou région d'émission (2') de la DEL (2) et l'épaisseur maximale e du matériau transparent d'indice n formant ladite lentille (6), vue selon l'axe de symétrie (X) de cette lentille (6), vérifiant sensiblement la relation e = R2 x (1 + 1/n) - Rl.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens optiques de projection de lumière (5) comprennent au moins une lentille asphérique (8).
3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la surface de la face d'entrée (6') de la lentille (6) a un rayon de courbure Rl égal ou légèrement supérieur à celui de la surface extérieure, de forme sensiblement sphérique, de la face de sortie (4) de la DEL (2).
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la lentille (6) est rapportée par sa face d'entrée (6') sur la surface extérieure de la face de sortie (4) de la DEL (2) par l'intermédiaire d'une couche de colle transparente (4').
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la surface de la face de sortie (6") de la lentille (6) correspond à une portion de surface sphérique supérieure en taille à une surface hémisphérique.
6. Dispositif selon la revendication 2, ou l'une quelconque des revendications 3 à 5 pour autant qu'elle se rattache à la revendication 2, caractérisé en ce que la lentille asphérique (8) présente au moins une face (8' ou 8") à méridienne conique.
7. Dispositif selon la revendication 2, ou l'une quelconque des revendications 3 à 6 pour autant qu'elle se rattache à la revendication 2, caractérisé en ce que la lentille asphérique (8) présente, d'une part, une face d'entrée (8'), tournée vers la DEL (2), dont la surface est plane ou portée par une surface sphérique de très grand rayon de courbure, en particulier très grand par rapport à R2, et, d'autre part, une face de sortie (8"), opposée à la face d'entrée (8'), dont la surface est asphérique.
8. Dispositif selon la revendication 2, ou l'une quelconque des revendications 3 à 7 pour autant qu'elle se rattache à la revendication 2, caractérisé en ce que la lentille asphérique (8) est symétrique de révolution autour de son axe optique.
9. Dispositif selon la revendication 2, ou l'une quelconque des revendications 3 à 7 pour autant qu'elle se rattache à la revendication 2, caractérisé en ce que la lentille asphérique (8) présente une face d'entrée (8') ou de sortie (8") à surface biconique.
10. Dispositif selon la revendication 2, ou l'une quelconque des revendications 3 à 7 pour autant qu'elle se rattache à la revendication 2, caractérisé en ce que la lentille asphérique (8) présente une face d'entrée (8') ou de sortie (8") dont la surface correspond à une partie de surface torique ou cylindrique circulaire.
11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les moyens optiques de projection de lumière (5) comprennent un sous-système optique réglable à effet de zoom.
12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les moyens optiques de projection de lumière (5) comprennent des moyens optiques (8, 9) de refocalisation dans un guide de lumière (10) du flux lumineux récupéré.
13. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que les moyens optiques de refocalisation comprennent deux lentilles asphériques (8 et 9) disposées symétriquement par rapport à un plan perpendiculaire à l'axe optique ou de symétrie (X) de la lentille (6).
14. Appareil d'éclairage opératoire dentaire fournissant un éclairage sans ombres portées, caractérisé en ce qu'il comprend deux dispositifs d'éclairage (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, montés côte à côte et dont les faisceaux respectifs sont dirigés de manière à être confondus au niveau de la zone à éclairer.
15. Appareil d'éclairage opératoire chirurgical fournissant un éclairage sans ombres portées, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux dispositifs d'éclairage (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, montés côte à côte et dont les faisceaux respectifs sont dirigés de manière à être confondus au niveau de la zone à éclairer.
16. Appareil d'éclairage selon l'une quelconque des revendications 14 et 15, caractérisé en ce que les dispositifs d'éclairage (1) sont montés ensemble dans un unique boîtier de protection (11).
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