Dispositif d'éclairage La présente invention concerne un dispositif d'éclairage comprenant un élément incandescent et un organe réfléchissant.
Le dispositif a pour but d'augmenter la lumi nance de lampes à incandescence notamment à sur face émettrice polie, par exemple à filament ou à ruban de tungstène ou à surface émettrice diffusante par exemple à ampoules opalines, à bâtonnets de Nernst ou de Globar.
Jusqu'ici, certains procédés optiques bien con nus ont été proposés pour l'augmentation du ren dement d'une source à incandescence. Prévus unique ment pour les lampes à filament de tungstène bou diné, ils sont destinés à former une image du fila ment sur lui-même pour tenter de combler les vides des interspires.
Dans ce but on utilise - soit un miroir centré sur le filament, d'ou verture égale à celle du condenseur placé devant la source, - soit l'ampoule elle-même argentée partielle ment, à condition qu'elle soit sphérique et centrée sur le filament.
Pratiquement dans les meilleures conditions de réalisation, l'augmentation de la luminance moyenne obtenue n'excède pas 30 %. Ceci est dû au fait que les lampes actuelles étant boudinées serrées, il y a peu de vide dans les interspires et que ces vides ne peuvent être entièrement couverts par l'image ren versée du filament; car il est impossible d'obtenir une régularité de boudinage parfaite qui rendrait objet et image identiques.
On a proposé également dans le cas de l'ampoule sphérique de l'argenter en presque totalité en ménageant une fenêtre correspondant à l'ouverture du condenseur. Argenture, ampoule et filament ne résistant pas aux températures élevées auxquelles ils sont ainsi portés, on a proposé d'enfermer ces lampes dans une calotte sphérique non détériorable de petite dimension, placée contre l'ampoule. Mais cette enceinte forme, en fait un calorimètre et l'aug mentation de température est considérable.
Afin d'obtenir une durée de vie acceptable, certains au teurs ont proposé d'utiliser ce montage en sous-vol- tant fortement le filament (20 %).<B>Il</B> ne s'agit donc pas d'augmentation de luminance, mais simplement d'une diminution de la puissance électrique néces saire avec conservation de la température vraie du filament, grâce à l'échauffement de l'enceinte qui n'est pas ventilée.
Or, il y a lieu de rappeler que la luminance éner gétique d'un élément de tungstène à la température absolue T est inférieure à celle du corps noir à la même température T ; il en est de même pour un filament de Nernst ou de Globar.
Pour le tungstène qui, dans le spectre visible est sensiblement un corps gris, la luminance énergétique est dans cette région les 4/10 environ de celle du corps noir. Elle est de 1/3 vers 1,2 #t, 1/4 vers 2 u et 1/S vers 3 #t.
Dans le cas du filament de Nerns-t qui s'utilise de préférence entre 3 et 7 #t cette différence est forte puisqu'elle atteint pour cette région 1/10 à 1/20.
Ceci montre tout l'intérêt qu'il peut y avoir à transformer une source donnée en une source équi- valente au corps noir de même surface et de même température vraie.
Un corps comme le tungstène possède à chaud, s'il est poli, un pouvoir réflecteur élevé qui, dans le spectre visible, est sensiblement constant et égal à 0,5, puis augmente rapidement dans le proche infra rouge et dépasse 0,9 au-delà de 2 [.
Dans le cas d'un bâtonnet, type Nernst, le même phénomène se produit en ce qui concerne son fac teur de réflexion diffuse qui est voisin de 1 dans le proche infrarouge.
En résumé, qu'il soit poli ou diffusant, un fila ment porté à l'incandescence peut être considéré à la fois, comme une source possédant une luminance énergétique propre L et comme un miroir ou un écran diffusant de pouvoir réflecteur à chaud R.
On a eu l'idée d'utiliser les observations ci-dessus pour réaliser un dispositif d'augmentation de la lu minance des lampes à incandescence, telles que dé finies plus haut. A cet effet, on s'est proposé d'uti liser l'énergie lumineuse non directement utilisée par le condenseur pour former l'image du filament rigou reusement sur lui-même à l'aide d'un système opti que approprié. Si une partie des rayons réfléchis se trouve dans la direction d'observation, la luminance apparente de la partie correspondante du filament devient L (1 + R) en négligeant les pertes dues au système optique.
C'est la somme de la luminance propre du filament et de la luminance de l'image ré fléchie par le filament.
Si le dispositif optique permet d'augmenter le nombre des réflexions successives intervenant sur lui-même et sur le filament, la luminance énergéti que apparente du filament tend vers la limite
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Pour une longueur d'onde déterminée, le coeffi cient d'augmentation de la luminance énergétique tend pour R = 0,5 vers 2 pour R = 0,75 vers 4 pour R = 0,9 vers 10 En d'autres termes, il est possible de transformer la source émettrice de température vraie T en une source de surface identique dont l'ouverture utile peut atteindre facilement 60 , dont les propriétés sont, du point de vue émission énergétique, voisines de celles du corps noir à cette même température T pratiquement inchangée,
et cela, sans modification sensible de la puissance électrique nécessaire à l'ali mentation du filament incandescent.
L'invention a pour objet un dispositif d'éclairage comprenant comme source un élément incandescent, et un organe réfléchissant, caractérisé en ce que cet organe réfléchissant est centré sur la source et n'est pas diffusant dans la zone spectrale correspon dant à l'élément et à la température de fonctionne ment et que la position de l'organe réfléchissant par rapport à l'élément est telle que ce dernier reçoive par réflexion une quantité telle des rayons qu'il émet que la luminance énergétique résultante soit aussi voisine que possible de celle du corps noir à la même température.
Dans une forme d'exécution préférée, les meil leurs résultats sont obtenus, dans les conditions gé nérales indiquées ci-dessus, par un montage tel de ses divers organes que l'on assure - une aberration sphérique au voisinage du cen tre de courbure très faible, ce qui entraîne pratiquement à un diamètre de sphère supé rieur à 60 mm ; - une diffusion minimum :donc sphéricité par faite et état de surface du poli excellent ; - un facteur de réflexion du système le plus proche possible de 1 dans le domaine spectral utilisé ; - un centrage excellent de la source dans la sphère.
Pour obtenir ces résultats, on peut accoupler deux demi-sphères métalliques sur la surface interne desquelles on aura déposé une couche réfléchissante. Toutefois il est préférable de remplacer les demi- sphères métalliques par des demi-sphères de verre Pyrox ou mieux de silice optique transparente résistant bien aux chocs thermiques, métallisées sui vant les besoins sur la partie convexe ou concave.
En outre un refroidissement efficace de l'ampoule de verre qui absorbe la presque totalité de l'infra rouge au-delà de 2 [ peut être assuré aisément.
Les dessins annexés représentent diverses for mes d'exécution du dispositif d'éclairage faisant l'ob jet de l'invention. Dans ces dessins Les fig. 1 et 2 sont des vues en coupe horizon tale et en perspective d'une première forme d'exé cution avec source à ruban.
Les fi-. 3 et 4 montrent une variante en deux vues en coupe faites respectivement par deux plans perpendiculaires.
La fig. 5 est une vue en coupe d'une lampe selon une deuxième forme d'exécution permettant un re froidissement aisé, sans grand encombrement.
La fig. 6 est une variante de la forme d'exécu tion représentée aux fig. 3 et 4.
La fig. 7 représente une variante de la forme d'exécution des fi-. 1 et 2 ; La fig. 8 montre schématiquement une forme d'exécution à source opaline.
Dans le mode de réalisation des fig. 1 et 2 le ruban incandescent 1 est placé au centre d'un mi roir sphérique 2. On observe dans la direction 3 symétrique de l'axe 4 du miroir 2 par rapport à la perpendiculaire X'X élevée au centre du ruban in candescent. Sur une lentille 5 ayant comme axe la direction 3, on reçoit d'une part le rayonnement di rect émis par le ruban 1 et d'autre part le rayonne ment émis par le ruban dans la direction du miroir, rayonnement qui s'est réfléchi au moins une fois sur le miroir 2 puis sur le ruban 1.
Pour recueillir ce rayonnement dans de bonnes conditions, tout en évitant une diaphragmation en oeil de chat , on donne à la lentille 5 une ouverture légèrement infé rieure à celle du miroir 2.
Comme la luminance à chaud du tungstène n'obéit pas à la loi de Lambert mais varie avec l'in cidence de manière à atteindre un maximum vers 70 , l'angle des axes du miroir 2 et du condenseur 2 avec XX' est choisi ou calculé de manière à ob tenir une luminance maximum en utilisant la meil leure partie de la courbe de variation de la lumi nance du tungstène en fonction de l'incidence pour une ouverture de faisceau donné.
On peut remplacer (fig. 7) le miroir 2 par une lentille et un miroir plan perpendiculaire 2' à l'axe, en réalisant un système autocollimateur sur le fila ment. Un verre coloré 2" peut être placé, d'une ma nière inclinable à volonté sur l'axe devant le miroir plan (entre ledit miroir et la lentille) c'est-à-dire pour conserver le faisceau parallèle. afin de faire varier l'épaisseur du verre traversé, modifier la coloration du faisceau réfléchi et par conséquent modifier la température de couleur du faisceau global utilisé. On peut ainsi obtenir une brillance colorée variable su périeure à la brillance propre du filament.
Lorsqu'on utilise un filament de tungstène com me source à spectre continu, on peut donc en em ployant une lampe auxiliaire monochromatique à spectre de raies, projeter des repères de longueurs d'ondes déterminées dans le fond continu provenant du filament.
Suivant le mode de réalisation représenté sur les fig. 3 et 4, la lampe 6 a son filament 7 situé au cen tre d'un miroir sphérique 8 ; le filament est avanta geusement à plusieurs rangées de boudins. Le mi roir est formé de deux pièces métalliques (ou en si lice opaque transparente argentée) 9 et 10 dont la surface intérieure sphérique est réfléchissante, très exactement centrée sur le filament. Son rayon est choisi suffisamment grand pour que soient négligea bles les aberrations des images des bords du fila ment - images se formant au voisinage du centre de courbure.
Des ouvertures cylindriques 11 et 12 permettent le passage du culot et de la partie supé rieure de la lampe ainsi que du courant d'air de refroidissement.
Les deux pièces 9 et 10 sont munies chacune d'un rebord 13-14 et sont raccordées, par exemple, au moyen de vis. Ceci permet un démontage facile pour changer la lampe tout en assurant une position correcte lors du remontage. Une ouverture cylindri que ménagée dans les pièces 9 et 10 permet le lo- gement d'un condenseur 15. La douille de la lampe, non représentée sur le dessin est munie des organes de réglage nécessaires pour permettre un centrage parfait du filament au centre du miroir sphérique.
Des ailettes 16 contribuent à assurer le refroidis sement. Ce dernier peut être accentué par une venti lation provoquée qui suivra la direction des flèches F.
Pour les grandes puissances, on peut utiliser des lampes à bulbe extérieur, comme cela est représenté sur la fig. 5. La partie située à l'intérieur de la sphère réfléchissante est de petites dimensions et le refroidissement s'effectue non seulement par un cou rant d'air suivant le trajet des flèches F mais aussi par les mouvements de convection du gaz à l'intérieur de l'ampoule dont une partie 17, située à l'extérieur de l'enceinte réfléchissante, est en contact direct avec l'air.
Ce dispositif est en particulier utilisable dans les projecteurs cinématographiques ; le miroir sphéri que transforme la source lumineuse en corps noir, comble les interspires en améliorant l'uniformité on forme ainsi l'image plus près du film en n'utili sant que les boudins centraux à haute température. Le coefficient d'augmentation réalisé est d'environ 4à5.
La fig. 6 concerne le cas où la source lumineuse est une ampoule sphérique à filament ramassé (1 seul boudin à spires serrées). On utilise un miroir sphé rique extérieur, ne laissant comme ouverture que celles nécessaires au passage de l'ampoule et du condenseur. En outre, pour réduire l'encombrement du système, on utilise, non une sphère unique, mais des portions de sphères de rayons différents, ces diverses portions étant rigoureusement centrées sur le filament. Un tel montage est donc formé de deux miroirs sphériques 18 et 19 de même rayon et d'un élément 20 de rayon plus petit. Cet élément 20 a la même ouverture que le condenseur 15. Il n'a pas le même rôle que les éléments 18 et 19.
Il sert seule ment à renvoyer vers le condenseur le flux lumineux qu'il reçoit ; c'est pourquoi, il peut être légèrement douci.
Ce dispositif à filament ramassé peut être utilisé - soit en régime normal a) dans le spectre visible<B>:</B> la luminance moyenne est multipliée environ par 3 ; b) dans le spectre infrarouge (vers 1 #L - 1,5 [.), la luminance énergétique est multipliée par 4 ou 5 environ ce qui donne de très bonnes possibilités dans les projecteurs à infrarouge utilisant des récepteurs à cellules photoélec triques ou des transformateurs d'image ;
- soit en régime survolté : au voisinage de la température de fusion du tungstène, on ob tient une luminance dans le rouge très voi sine de celle de l'arc électrique : ceci est très avantageux et important en photographie médicale, par exemple avec un endoscope ou un rétinographe, ou une lampe à fente.
Une lampe à ampoule opaline 21 peut être uti lisée, par exemple pour l'agrandissement de négatifs photographiques 22 (fig. 8), le sommet de la lampe étant centré sur le miroir. On peut aussi employer comme source une lampe à filament de Nernst, axée sur la sphère réfléchissante ; suivant les oxydes em ployés pour les bâtonnets, on réalise un coefficient d'augmentation de 10 à 20 pour la région spectrale de 1 à 7 @,.
On voit que les dispositifs décrits permettent d'accroître la luminance d'une lampe à incandescence en observant une portion de filament ou de ruban qui émet, en plus de son rayonnement propre, un rayonnement réfléchi provenant soit d'une autre partie du filament ou ruban soit de la même partie du filament ou ruban mais après au moins une ré flexion sur un miroir.
On constate que dans tous les cas, les disposi tifs décrits assurent un très grand nombre de ré flexions multiples avec le minimum de pertes.
Pratiquement, les dispositifs qui ont été décrits ci-dessus permettent en général de multiplier, par un coefficient compris entre 3 et 20, la brillance, sui vant les cas et le domaine spectral où l'on travaille.
Les dispositifs décrits trouvent leur emploi en tre autres, dans les projecteurs, les appareils de pro jection de cinéma, les dispositifs d'éclairage pour mi croscopes, endoscopes, projecteurs de profil, lampes à fente, rétinographes, phares, projecteurs pour bar rages électroniques, etc.