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Système optique à source de lumière linéaire.
On a déjà proposé de transformer une source de lumière linéaire, à l'aide de deux lentilles cylindriques, en une surface lumineuse, ce qui peut être appliquée par exemple, à la projection de films. Les axes de ces lentilles sont alors perpendiculaires l'un à l'autre. Pour approprier une source de lumière de ce genre au but envisagé, on doit lui donneren général, un grossissement différent dans les sens longitudinal et transversal. Comme on le sait, il est impossible de transformer une source de lumière linéaire en une surface lumineuse à l'aide d'une seule lentille ou d'un seul miroir cylindriques parce que l'utilisation d'un seul @
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élément cylindrique donne toujours lieu à la production d'astig- matisme.
Cet astigmatisme ne peut être supprimé qu'à l'aide d'un second élément,cylindrique dont l'axe est perpendiculaire à celui du premier élément.
L'utilisation de deux lentilles cylindriques pré- sente, toutefois, des inconvénients, notamment si la lentille qui concentre la lumière dans le plan passant par l'axe lon- gitudinal de la source de lumière, doit intercepter la lu- mière sur un angle solide aussi grand que l'autre lentille qui concentre la lumière dans un plan perpendiculaire à l'axe longitudinal de la source de lumière. Dans ce cas, la len- tille mentionnée en premier lieu doit avoir des dimensions et une épaisseur de verre excessives.
La présente invention permet de remédier à cet inconvénient. Dans le système optique à source de lumière linéaire réalisé conformément à l'invention, les rayons lu- mineux émis par cette source, sont traités par un élément optique cylindrique, pour tomber ensuite sur un miroir cylin- drique. Les axes de cet élément et de ce miroir sont perpen- diculaires l'un à l'autre et la source de lumière, l'élément optique cylindrique mentionné en premier lieu et le miroir cylindrique sont disposés l'un par rapport à l'autre de telle façon que la source de lumière et le premier élément optique soient situés en dehors du faisceau lumineux émis par le miroir cylindrique. Ce système permet de transformer la source de lumière linéaire en une surface lumineuse.
Par exemple, dans la projection de films, cette surface peut servir à l'éclai- rage de la fenêtre de projection. Il est aussi possible de représenter la source de lumière dans l'infini et d'utiliser le système optique dans ce cas pour l'éclairage à grande dis- tance à l'aide de projecteurs.
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La disposition pour laquelle l'axe proprement dit du système présente un coude permet, d'une part, d'augmenter le rendement en lumière émise par rapport à celui des dis- positifs connus et, d'autre part, de supprimer l'inconvénient que la source de lumière et le premier élément optique sont situés dans le faisceau lumineux émis par le miroir cylindri- que.
Par "élément optique cylindrique" on doit entendre un miroir ou une lentille cylindriques. Selon les conditions on choisit l'un ou l'autre. Tant pour le premier élément optique dont il s'agit ci-dessus que pour le miroir cylindri- que sur lequel frappent les rayons lumineux provenant du premier élément optique, l'expression "cylindrique" s'applique aux lentilles ou miroirs dont la surface active a, dans deux directions perpendiculaires l'une à l'autre, des courbures différentes, de sorte que dans des directions différentes on obtient aussi des grossissements différents. Dans une seule direction il ne se produit parfois aucun grossissement de sorte que dans ce cas le miroir ou la lentille agit sur les rayons lumineux comme un miroir plan ou une plaque plan- parallèle.
Là où il s'agit d'axes de cylindres on doit entendre par cette expression les axes des miroirs ou lentilles qui sont perpendiculaires à l'axe du système et aux plans des miroirs ou lentilles dans lesquels la direction d'un rayon lumineux incident varie le plus fortement.
Pour ledit premier élément optique cylindrique on peut distinguer deux systèmes de points de divergence. Tout d'abord,cet élément optique agit d'une manière quelconque sur la source de lumière dans le sens de la longueur ; dans cette direction l'élément cylindrique n'a généralement aucun effet grossissant sur la longueur de la source de lumière. Si l'on considère, par conséquent, le parcours des rayons.émis par la source de lumière dans un plan passant par l'axe après
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que ces rayons ont .été réfléchis ou réfractes par ledit élé- ment, on peut figurer un organe lumineux virtuel qui occupe- rait la place de la source de lumière si ledit élément optique n'existait pas.
Cet organe virtuel émet donc en apparence de la lumière; il émet des faisceaux lumineux divergents de sorte que, puisqu'on considère un plan passant par l'axe longitu- dinal de la source de lumière, on peut parler ici d'un point de divergence axial du premier élément optique cylindrique.
En considérant, après réflexion et réfraction, le parcours des rayons dans d'autres plans passant par l'axe de la source de lumière, on peut imaginer d'autres organes lumineux vir- tuels. On obtient, par conséquent, plusieurs points de di- vergence axiaux et on peut donc parler d'un lieu géométrique des points de divergence axiaux du parcours des rayons de cet élément.
Si par contre, on considère une section de l'élément optique qui est située dans un plan perpendiculaire à l'axe longitudinal de la source de lumière, la fonction d'organe lumineux virtuel pour le miroir cylindrique qui succède, dans le parcours des rayons, à cet élément optique, est rem- plie par un autre objet virtuel qui est sensiblement puncti- forme et qui émet en apparence de la lumière. En faisant passer à travers la source de lumière d'autres plans qui sont perpen- diculaires à l'axe longitudinal, on peut figurer d'autres objets virtuels punctiformes. Puisqu'on considère ici des plans perpendiculaires à l'axe longitudinal de la source de lumière, ces points seront désignés ci-après par l'expression "points de divergence transversaux du parcours des rayons du premier élément optique.
L'ensemble de ces points sera désigné ci-après par l'expression "lieu géométrique des points de divergence transversaux". Selon que le grossissement de la source de
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lumière linéaire dans la direction transversale doit être su- périeur à celui produit dans la direction axiale, le lieu ' métrique des points de divergence transversaux est plus éloigné du lieu géométrique des points de divergence axiaux, ces der- niers points étant situés d'ordinaire au voisinage immédiat du premier élément optique.
Dans un mode de réalisation avantageux de l'inven- tion le miroir cylindrique, qui succède, par conséquent, au premier élément optique, est formé par une ligne droite qui s'est déplacée parallèlement à elle-même, le long d'une section conique. Cette section conique peut être un cercle, une ellipse, une parabole ou une hyperbole.
Conformément à l'invention, il est très avantageux que la section conique soit formée par un arc d'ellipse dont l'un des foyers, compté dans celui des plans passant par l'axe du système qui comporte la source de lumière, est situé au point de convergence du faisceau lumineux sortant du miroir cylindrique ou à proximité de ce point tandis que l'autre foyer est situé au point d'intersection du lieu géomé- trique des points de divergence axiaux du premier élément optique et dudit plan, ou à proximité de ce point d'intersec- tion.
Conformément à l'invention, pour une telle configura- tion du miroir cylindrique il est recommandé d'utiliser pour le premier élément optique un miroir cylindrique dont la ligne directrice est une ellipse et dont la génératrice est une li- gne droite déplacée, parallèlement à elle-même, le long de la directrice tandis qu'une ligne focale de ce cylindre elliptique coïncide avec l'axe longitudinal de la source de lumière et que l'autre ligne focale coïncide, au moins approximativement, avec le lieu géométrique des points de divergence transversaux /\du second miroir cylindrique. Dans ce mode de réalisation le
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lieu géométrique des points de divergence transversaux est, par conséquent, une ligne droite.
Si l'on utilise des éléments optiques d'autre configuration, ce lieu géométrique affecte également une autre forme.
Conformément à l'invention, il est aussi possible, toutefois, de donner au miroir cylindrique sur lequel tombe la lumière provenant du premier élément oblique, la forme d'un solide de révolution produit par la révolution d'une ligne autour d'un axe. Le choix de la forme de cette ligne dépend de la section transversale du faisceau de rayons produit finale- ment par le système. Cet axe passe tout près du lieu géométrique ou par le lieu géométrique des points de divergence axiaux du parcours des rayons du premier élément optique et par le point de convergence du faisceau de rayons qui sort du miroir de révolution.
Ce miroir exerce sur les rayons lumineux incidents qui proviennent du premier élément optique, un effet tel que l'astigmatisme produit par le premier ,élément soit supprimé presque complètement, de sorte qu'au point voulu il se produit une image de la source lumineuse linéaire qui possède une certaine étendue tant dans le sens de la longueur que dans le sens de la largeur.
Le choix de la forme de la ligne qui tourne autour de l'axe, dépend du point où et de la forme sous laquelle on veut former l'image de la source de lumière. Si, par exemple, on veut éclairer la fenêtre de projection d'un appareil destiné à la projection de films, on choisira comme ligne de révolution un arc d'ellipse dont l'un des foyers est situé dans la fenêtre de projection ou au voisinage de cette fenêtre tandis que l'autre foyer est situé dans le lieu géométrique des points de divergence transversaux du parcours des rayons du premier élément optique, ou au voisinage immédiat de ce lieu géométrique.
-Lorsque cette ligne tourne autour de l'axe mentionné ci-dessus,
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ce dernier foyer suit, par conséquent, ce mouvement de rotation.
Cet arc d'ellipse peut se transformer de différentes manières en une autre section conique. Tout d'abord, il est possible de déplacer à l'infini le foyer qui se trouve au lieu géométrique des points de divergence transversaux ou au voisinage immédiat de ce lieu géométrique, ce lieu se dépla- çant alors en même temps à l'infini. La forme du premier élé- ment optique est ainsi déterminée dans une seule direction.
Cet élément devient, en effet, un miroir ou une lentille qui émet un faisceau lumineux dont les rayons sont tous sensible- ment parallèles à un plan qui passe par l'axe longitudinal de la source de lumière et qui est parallèle à la direction principale de l'émission de rayons du premier élément optique.
En raison de ce déplacement l'arc d'ellipse initial s'est transformé en une parabole. L'axe de cette parabole est per- pendiculaire à l'axe de révolution, ce qui, du fait que le foyer de la parabole est situé dans la fenêtre de,projection ou près de cette fenêtre, a pour résultat que tous les rayons lumineux qui sortent du premier élément optique, sont concen- trés dans le foyer de la parabole. Si à la fois le premier élément optique et le miroir de révolution présentent la forme d'une parabole, on obtient l'avantage que le système est com- plètement dépourvu d'aberration.
Il est aussi possible, toutefois, d'effectuer la transforma- tion de l'arc d'ellipse en une parabole en déplaçant à l'in- fini le foyer situé, au début, au point de convergence du faisceau de rayons qui provient du miroir de révolution, ce qui a pour résultat que, en même temps, ce point de convergence se déplace également à l'infini et que le miroir de révolution émet un faisoeau lumineux parallèle qui peut être utilisé,
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par exemple, pour l'éclairage à grande distance à l'aide de projecteurs.
Quand les deux foyers de l'ellipse se déplacent à l'infini, l'arc d'ellipse se transforme en une ligne droite de sorte que le miroir de révolution affecte la forme d'une enveloppe de cône qui, lorsque les rayons lumineux provenant du premier élément optique sont mutuellement parallèles au plan parallèle à la direction d'émission principale et pas- sant par l'axe longitudinal de la source de lumière, et tom- bent sur le miroir de révolution, groupe ces rayons en un faisceau lumineux parallèle.
La description des dessins annexés fera bien com- prendre comment l'invention peut être réalisée, les particu- larités qui ressortent tant des dessins que du texte faisant bien entendu partie de l'invention.
Les figures 1 et 2 représentent deux coupes, per- pendiculaires entre elles, d'un système optique réalisé con- forme'ment à l'invention. Une source de lumière L1 de forme linéaire, par exemple un tube à décharges à vapeur de mercure sous pression très :élevée, est disposé dans un miroir oylindri- que et elliptique A1 qui constitue le premier élément optique.
La lumière réfléchie par ce miroir, tombe sur le miroir cylin- drique B1 qui projette un faisceau lumineux vers le point de convergence F". Comme le montre la fig. 1, l'axe Z'-Z''-Z''' du système est coudé. La Fig. 2 représente une coupe du système qui est perpendiculaire au plan du dessin de la fig. 1. La partie Z'-Z" de l'axe du système est également située dans le plan du dessin de la fig. 2. Sur cette figure, la partie Z''-Z''' n'est pas située dans le plan du dessin. L'un des foyers de l'arc d'ellipse A1 montré sur la Fig. 2, se trouve en L1 tandis que l'autre foyer est situé dans le lieu géométrique des points
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de divergence transversaux Q1 du second miroir cylindrique, ou au voisinage de ce lieu géométrique.
Cela implique, par conséquent, que les rayons lumineux réfléchis par le miroir B1, qui est représenté sur la fig. 2 sous la forme d'une ligne droite, proviennent en apparence de Q1 qui constitue, par con- séquent, un objet virtuel pour ce miroir. Tout cela peut être déduit du parcours des rayons.
Si l'on considère des plans passant par l'axe longi- tudinal de la source de lumière, la lumière, après avoir été réfléchie par le miroir A1 provient en apparence, dans tout plan considéré, d'un point de divergence axial F1 de sorte qu'on peut indiquer un lieu géométrique de ces points de divergence qui est formé par un arc de cercle comme le montre la fig. 2.
Comme il a été remarqué plus haut, le miroir B1 est constitué par un cylindre elliptique produit par la révolution d'une ligne droite, visible sur la fig. 2, sur un arc d'el- lipse représenté sur la Fig. 1. Dans la coupe représentée sur la figure 1, l'un des foyers de l'arc d'ellipse B1 se trouve dans le lieu géométrique des points de divergence axiaux F1 (ce foyer étant désigné sur la fig. 1 par P1) tandis que l'autre foyer est situé au point de convergence F" du faisceau de rayons formé par B'.
La fig. 3 représente un mode de réalisation de l'in- vention qui comporte également une source de lumière L3 de for- me linéaire. L'élément optique cylindrique est constitué ici par la lentille cylindrique A3 et le miroir de révolution par le miroir B3 qui a été produit par la révolution de l'arc d'el- lipse B3 (représenté sur la figure) autour de l'axe X3- X3, les foyers de cet arc étant situés en F' et F".
Un point de divergence axial du parcours des rayons de la lentille cylin-
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drique A3 est constitué par le point P3; il y a lieu d'obser- ver ici qu'on peut indiquer en général plusieurs points de divergence qui sont tous situés au voisinage du point P3, de sorte qu'on peut parler d'un lieu géométrique de ces points de divergence, ce lieu étant représente sur la figure par un arc à travers lequel passe, par conséquent, l'axe X3- X3. En effet, la lentille cylindrique A3 agit dans une seule direction qui passe par l'axe longitudinal de la source de lumière L3 et qui est, par conséquent, perpendiculaire au plan du dessin de la figure 3, à la manière d'une plaque plan-parallèle, ce qui a, par conséquent, pour résultat que, en apparence, la source de lumière L3 se déplace légèrement vers la lentille.
Le foyer F' coïncide avec le lieu géométrique Q3 des points de divergence transversaux du parcours des rayons lumineux de la lentille A, ou tout au moins est situé à proximité de ce lieu géométrique, ce qui implique, par conséquent, que les rayons lumineux réfractés par la lentille A3, semblent provenir, dans le plan du dessin, du lieu géométrique Q3. Il ressort donc de la figure que, par l'effet de la lentille A3e il se produit un certain degré d'astigmatisme qui est supprimé par le miroir B3 qui agit comme un élément cylindrique. De ce fait les rayons lumineux sont réfléchis dans le plan du dessin vers le point F" parce que la ligne B3 a une forme elliptique et que, par cons±- quent, les rayons lumineux qui semblent provenir de F', sont réfléchis vers F".
Dans des plans perpendiculaires au plan du dessin les rayons lumineux semblent provenir du lieu géométri- que des points de divergence axiaux F3. Ces rayons sont égale- ment réfléchis par B3 vers F" de sorte que la source de lumière L3 forme ici une surface lumineuse qui peut être considérée comme l'image de la source de lumière. Au point F", ou à proxi- mité de ce point, on peut disposer la fenêtre de projection V3' /4'un appareil de projection de films.
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La fig. 4 représente un exemple analogue à celui de la fig. 3, dans lequel, toutefois, la lentille A3 est remplacée par un miroir cylindrique A4. Le lieu géométrique des points de divergence transversaux est situe en 0 qui coïncide avec F' tandis que le lieu géométrique des points de convergence axiaux F4 ou l'ensemble de ces points est situé au voisinage immédiat du miroir A. On a formé le miroir de révolution B4 en faisant tourner l'arc d'ellipse B4 à foyers F' et F" autour de l'axe X4 - X4. La source de lumière
L4 est représentée, au foyer F" ou à proximité de ce foyer, comme une surface lumineuse.
La figure 5 représente la situation qui existe si la ligne dont la révolution autour de l'axe X5 - X5 produit le miroir de révolution, a la forme d'une parabole B5 ayant un foyer F" et un axe Y-Y. Le premier élément optique, qui co- opère avec la source de lumière linéaire L5, est agencé à la manière d'un miroir cylindrique parabolique, bien que naturel- lement son effet puisse aussi être obtenu à l'aide d'une len- tille. Du fait que la ligne B5 a la forme d'une parabole et que le miroir A 5 présente une forme cylindrique parabolique, le foyer F' de l'ellipse initiale ainsi que le lieu géométri- que des points de divergence transversaux Q 5 se sont déplacés à l'infini dans la direction de l'axe Y-Y. Le lieu géométrique des points de divergence axiaux P5 est situé au voisinage im- médiat du miroir A5.
Sur le miroir de révolution B5 tombe un faisceau lumineux parallèle qui a, toutefois, une très grande divergence dans une direction perpendiculaire au plan du dessin. Sous l'effet du miroir cylindrique B5 cette divergence est fortement réduite et au foyer F" il se forme une image de la source de lumière L5 qui a une dimension appropriée tant dans le sens de la longueur que dans celui de la largeur.
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La figure 6 montre la situation si, en raison du déplacement des foyers F' et F'' à l'infini, l'ellipse initiale B1 de la fig. 1 se transforme en une ligne droite B6. En tour- nant autour de l'axe X6- X6 qui passe par le lieu géométrique des points de divergence axiaux P6 du parcours des rayons de L6, la ligne B6 produit une enveloppe de cône. Le lieu géomé- trique des points de divergence transversaux Q6 ainsi que le foyer F' se sont déplacés à l'infini. Le miroir de révolution B6 produit un faisceau lumineux qui est parallèle à l'axe X6- X6 et dont le point de convergence est situé, par consé- quent, dans l'infini.