PROJECTEUR A OPTIQUE FLUIDE

FLUID OPTICS PROJECTOR

English Abstract

A device for trapping all available light and organizing it into any given beam by means of an optical device which, by forcing a fluid to rotate in a suitably-shaped space (1) (revolution or non-revolution of a logarithmic spiral arc), enables a temperature gradient to be created, thus causing a refractive index gradient to be maintained in a fluid chosen for its ability to transmit or absorb part of the light flux according to the wavelength thereof. All the light may be concentrated and channeled in the desired direction while the heat energy not needed for visual projection is removed. A spotlight or still picture projector having excellent optical efficiency (no heat-absorbing glass) and unlimited power may thereby be obtained.

French Abstract

L'invention concerne un dispositif destiné à piéger
toute la lumière disponible, de l'organiser en un faisceau prédéfini à volonté, grâce à un dispositif optique permettant, par rotation
forcée d'un fluide dans un volume à la forme (1) appropriée (révolution ou non révolution d'un arc de spirale logarithmique),
de créer un gradient thermique créant un gradient d'indice de réfraction entretenu dans un fluide choisi pour ses propriétés de
transmission ou d'absorption d'une partie du flux lumineux en fonction de la longueur d'onde, de concentrer ainsi la totalité de la
lumière et de la canaliser dans la direction désirée tout en évacuant l'énergie calorifique non utile à la projection visuelle. L'invention
permet de créer un projecteur de lumière et d'images fixes dont le rendement optique est excellent (pas de verre anticalorique)
et dont la puissance n'est pas limitée.

Claims

Les réalisations de l'invention, au sujet desquelles un
droit exclusif de propriété ou de privilège est revendiqué,
sont définies comme il suit:
1. Dispositif optique destiné à concentrer une lumière
incidente pour la projeter selon une nappe organisée et
figée, comprenant un corps délimitant un volume intérieur
présentant d'un coté une face d'entrée et du coté opposé
une sortie, la face d'entrée étant prévue pour recevoir la
lumière incidente, la sortie étant prévue pour projeter la
lumière selon une nappe organisée et figée, le volume
intérieur étant recouvert d'une surface réfléchissante, le
volume intérieur étant défini par la révolution d'un arc de
spirale, l'arc de spirale étant un arc de spirale
logarithmique, le corps comprenant des moyens d'entrée et
de sortie situés respectivement près de la face d'entrée et
de la sortie pour faire circuler un fluide à travers le
volume intérieur de façon tangentielle audit volume
intérieur, le moyen d'entrée étant le plus près possible de
la face d'entrée et disposée de telle sorte que le fluide
soit animé d'une circulation initiale tangentielle et
laminaire, les moyens d'entrée et de sortie étant disposés
de telle façon que le fluide soit animé durant son parcours
de la face d'entrée vers la sortie d'un mouvement de
rotation centripète, le moyen de sortie constituant avec la
sortie le sommet d'un cône de sortie permettant d'évacuer
de la chaleur.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce
que le mouvement de rotation centripète crée un gradient
thermique créant un gradient d'indice de réfraction au sein
du fluide.
3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2,
caractérisé en ce que le fluide est choisi pour ses
propriétés de transmission ou d'absorption d'une partie de
la lumière en fonction de sa longueur d'onde.

4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce
que:
- la face d'entrée est formée d'un hublot transparent par
lequel pénètre la lumière incidente, et
- le cône de sortie a une forme prolongeant le volume
intérieur et est constitué d'une matière transparente.
5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce
que le volume intérieur contient un produit pâteux ou
solide qui laisse passer la lumière.
6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce
qu'il comprend un bloc monolithique solide et transparent
comme le verre ou le plastique, ce bloc étant situé dans le
volume intérieur et ayant une forme extérieure
complémentaire à celle du volume intérieur.
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications
1, 2, 3, 4, 5 et 6, caractérisé en ce que le corps est
refroidi par un fluide thermique supplémentaire circulant
dans un radiateur situé à l'extérieur du corps.
8. Projecteur de lumière caractérisé en ce qu'il comprend
un dispositif optique selon l'une quelconque des
revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6 et 7, et une ou plusieurs
sources lumineuses, la face d'entrée du dispositif
recueillant toute la lumière produite par cette ou ces
sources quelle que soit l'incidence du ou des rayonnements
d'entrée et leur position par rapport à la face d'entrée.

Description

. ~ CA 02111020 1998-03-2~
~_ 1
La puissance lumineuse des pro1ecteurs de lumière
destinés à l'éclairage ou à la projection d'images est
limitée par les déqagements d'origine thermique.
L'unique source lumineuse crée une forte élévation de
température non seulement au sein du projecteur, mais aussi
dans le rayonnement émis (par la présence importante
d'énergie infrarouge). De plus, les optiques
traditionnelles étant centrées, elle ne permettent
l'utilisation que d'une SOURCE UNIQUE et limitent par là
même la puissance des projecteurs.
L'optique fluide permet de s'affranchir de tous ces
inconvénients.
Le dispositif pr~senté par Morton et al. (US-A-3
825 741), prévu pour un seul type de source à arc placée
derrière un bloc dioptrique parabolique est prévu pour
créer une zone quasi ponctuelle très lumineuse. Il ne
permet pas d'utiliser simultanément plusieurs sources de
lumière de type ou de puissance quelconque ni même
d'augmenter ind~finiment la puissance de la source en
place. Ce système ne permet pas de dissiper et filtrer à
volonté l'énergie thermique créée par le rayonnement
infrarouge de la source ni de moduler à volonté la
puissance et la qualité de la lumière utile produite. Il
ne permet pas, par exemple, la création de phares
multifonctions (multisources) ou de générateur de lumière
de très grande puissance (plus de 20 Kw).
l'idée de l'optique fluide utilise l'une des propriété
fondamentales de l'eau ou d'un fluide similaire caloporteur
filtrant naturellement le rayonnement infrarouge émis par
toutes sources de lumière. Ce fluide dégrade cette énergie
en chaleur, puis l'évacue en créant en son sein un gradient
thermique générateur de gradient d'indice de réfraction.
Le volume dans lequel circule le fluide est tel que la
génératrice qui l'engendre est une spirale logaritmique.
Le choix et le nombre des sources est indifférent. Le
terme "optique fluide" défini une optique qui se démarque
fondamentalement d'une optique traditionnelle. C'est une

CA 02111020 1998-03-25
. . .
optique acentrée, asphérique, astigmatique, a~ocale et
éventuellement anisotrope.
La présente invention concerne l'optique industrielle
de grande puissance. Il s'agit de créer un projecteur de
lumière dont la puissance lumineuse peut être très
supérieure à tout ce qui existe actuellement.
L'utilisation d'un tel système ne nécessite pas de
verre anticalorique pour projeter des images fixes ou
mobiles d'où un gain considérable de rendement optique.
lo Les projecteurs actuels sont traditionnellement composés
d'une source lumineuse, d'un réflecteur et d'une lentille
de sortie du type de la lentille de Fresnel. Leur
puissance est limitée à 20 Kw. cette puissance est limitée
et nécessite l'utilisation de verre anticalorique
pénalisant le rendement lumineux nécessaire aux projections
d'images fixes. Le dispositif selon l'invention permet de
remédier à cet inconvénient.
La présente invention vise un dispositif optique
destiné à concentrer une lumière incidente pour la projeter
selon une nappe organisée et figée, comprenant un corps
délimitant un volume intérieur présentant d'un coté une
face d'entrée et du coté opposé une sortie, la face
d'entrée étant prévue pour recevoir la lumière incidente,
la sortie étant prévue pour projeter la lumière selon une
nappe organisée et figée, le volume intérieur étant
recouvert d'une surface réfléchissante, le volume intérieur
étant défini par la révolution d'un arc de spirale, l'arc
de spirale étant un arc de spirale logarithmique, le corps
comprenant des moyens d'entrée et de sortie situés
respectivement près de la face d'entrée et de la sortie
pour faire circuler un fluide à travers le volume intérieur
de façon tangentielle audit volume intérieur, le moyen
d'entrée étant le plus près possible de la face d'entrée et
disposée de telle sorte que le fluide soit animé d'une
circulation initiale tangentielle et laminaire, les moyens
d'entrée et de sortie étant disposés de telle façon que le
fluide soit animé durant son parcours de la face d'entrée

CA 02111020 1998-03-25
2a
vers la sortie d'un mouvement de rotation centripète, le
moyen de sortie constituant avec la sortie le sommet d'un
cône de sortie permettant d'évacuer de la chaleur.
De préférence l'invention utilise les propriétés
optiques et thermiques d'éléments fluides en état stable,
ou mis en mouvement par convection naturelle, ou entretenu
en mouvement forcé dans un récipient étudié aux formes
intérieures optiques appropriées.
De préférence, on utilisera la variation forcée et
entretenue de l'indice de réfraction par la maitrise du
gradient thermique du milieu fluide créant ainsi un
gradient d'indice de réfraction. On utilise de plus les
propriétés de transmission ou d'absorption d'une partie du
/
..S ,o ~
,~

CA 02111020 1998-03-2
_ 3
flux lumineux par le fluide en fonction de la longueur
d'onde. Il s'agit d'une optique qui recueille toute la
lumière produite par une ou plusieurs sources lumineuses,
quelque soit l'incidence du rayonnement d'entrée et sa
position par rapport à sa face d'entrée, la canalise et la
concentre en une nappe divergente dont la forme est figée.
Cette optique utilise les propriétés de réfraction et
réflexion totale, d'une part sur ses surfaces et dioptres
selon les lois de Descartes-Snell et d'autre part au sein
même du fluide en mouvement. On note que cette optique est
contrôlée thermiquement par des mouvements forcés de
fluides gazeux ou liquides.
De préférence, le nouveau système évite l'utilisation
des filtres anticaloriques pénalisant les projecteurs
actuels (rendement de 25 à 30%) pour la projection des
images fixes. Les filtres anticaloriques absorbent en
effet une quantité non négligeable de lumière visible.
De préférence, on fait circuler un fluide transparent
à la lumière visible et opaque aux autres rayons lumineux
dans un récipient de forme appropriée et parfaitement
définie de telle sorte que les lois de Descartes-Snell
soient vérifi~es et assujetties à une circulation laminaire
créant en son sein un gradient thermique régulé favorisant
la concentration de rayons lumineux par réflexions et
réfractions successives.
De préférence, pour atteindre simultanément ce
résultat il faut que la forme du volume de l'optique de
concentration soit générée par la révolution d'un segment
d'arc de spirale logarithmique.
D'autre segments d'arcs, courbes ou approximations par
lignes brisées seront aussi possibles pour générer cette
forme de volume mais SEUL l'arc de spirale logarithmique
donne le rendement oblique maximum. D'autres formes que
des formes de révolution sont également possibles.
La figure n 1 représente une perspective écorchée de
l'optique fluide.
La figure n 2 représente une coupe de l'optique
, -- . .,

CA 02111020 1998-03-25
fluide.
Un mode de réalisation préférentielle de l'invention
sera décrit en référence aux figures n 1 et n 2, le
dispositif comportant les éléments suivants numérotés.
La forme intérieur (1) constitue l'essentiel de
l'OPTIQUE FLUIDE. Cette forme est générée par la
révolution d'un arc de spirale logarithmique.
La surface est recouverte d'un dépôt réfléchissant
chromé, nickelé, argenté,, ou constituée d'un dépôt de
verre ou de tout autre système parfaitement réfléchissant.
Cette forme peut être exécutée en fonderie sous pression
tfonderie d'aluminium, fonte ou tout autre matière ayant
une bonne résistance mécanique et thermique) sur laquelle
il est possible de fixer un dépôt réfléchissant. La
géométrie intérieure doit être parfaite.
Les récipients (2) et (3) supports de la forme
intérieure, sont formés de deux enveloppes rendues
solidaires par des vis et un joint (4). Ces enveloppes
peuvent extérieurement servir de radiateur pour évacuer les
calories excédentaires par circulation forcée d'un fluide
réfrigéré.
L'enveloppe (5) extérieure retenant le fluide
réfrigérant. Le joint d'étanchéité (6). Le hublot (7)
transparent formant la face d'entrée. L'étanchéité est
réalisée par un joint torique.
Le tout est maintenu par une bride de maintien (8)
vissée. Le cône de sortie (9) de la forme intérieure du
récipient marqué (1) est constitué de matière transparente
tel un verre de qualité optique résistant très bien à la
température.
Ce cône est maintenu à l'ensemble (1), (2) et (3) par
une bride de maintien (11). L'ensemble est rendu étanche
par un joint torique (10). Le sommet (12) du cône est
coiffé d'u
-
.

CA 02111020 1998-03-2
WO 93/21474 ' ~ CrrFR93/OQ3l~
l collerette d'écoulement qui permet l'évacuation du fluide
optique A pour sa remise en froid.
~our le bon fonctionnement de l'ensemble, il est impératif de
créer une circulation forcée du fluide optique A qui doit être
assujetti à pénétrer dans l'optique de façon tangentielle à la
forme optique et le plus près possible de la face d'entrée
disposée de telle sorte que la circulation initiale soit
tangentielle et laminaire. Le fluide doit dans toute l'optique
être animé d'un mouvement de rotation centripète jusqu'à son
lO évacuation par le sommet du cône de sortie. La collerette ~13)
d'écoulement contribue à évacuer le fluide optique A vers un
dispositif de refroidissement et de filtrage en circuit fermé
(15) grâce à une tuyauterie (14). C'est en effet ce fluide qui
évacue en partie l'énergie calorifique inutile créée par le
15 rayonnement infra-rouge. La tuyauterie (14) d'évacuation sera
aplatie dans le sens du flux lumineux pour occulter au minimum
le raisceau de sortie.D'autres circulations de fluide sont
possibles.Dispositif (lS) en circuit fermé comportant un filtre,
une pompe et un échangeur thermique.
20 Le fluide thermique B de refroidissement (16) du radiateur
périphérique pénètre du côté de la face d'entrée optique (face
la plus chaude). La sortie se fera du côté du cône de sortie.
Tout 1'ensemble devra être mis en oeuvre et contrôlé par un
servomécanisme. L'ensemble devra être piloté à partir de
25 points de test de température, de pression et de débit répartis
sur les endroits stratégiques du circuit fluide de
refroidissement. La création d'un projecteur à optique de TRES
GRANDE PUISSANCE permet d'augmenter de façon non négligeable le
rendement optique et de diversifier le domaine
30 d'application de ces appareils.
FEUILLE MODIFIEE

CA 02111020 1998-03-2~
WO 93/21474 PC~9J/O~
.~
1 Ce type de projecteur est capable de reproduire une image fixe
ou mobile sur un écran (nuages ou édifices publics) situés à
grande distance. Le projecteur convient donc bien pour les
spectacles de sons et lumières ou les représentations
extérieures de grande envergure. Il permet aussi la projection
de nappes de grande intensité lumineuse, de grande ouverture de
faisceau ( environ 170~) à grande distance.
Son utilisation peu. convenir aussi dans l'éclairage de grands
chantiers de travaux publics (tels les constructions de
10 barrages ou ouvrages d'art) les grandes installations
portuaires comme Antifer, apportant de ce fait une sécurité
visuelle supplémentaire au personnel. D'autres applications
comme la mise en valeur de sites prestigieux peuvent également
être envisagées.
15 Il est aussi possible en changeant de fluide et en le
choisissant pour ses propriétés de transmission ou d'absorption
d'une partie du flux lumineux en fonction de sa longueur
d'onde,d'utiliser ce projecteur par visibilité réduite due à lz
présence de brumes et brouillards. (éclairage
20 de ports, de pistes d'atterrissage ou de noeuds routiers). Il
est encore possible en utilisant des produits pateux ou
solides,présentant évidemment les mêmes propriétés optiques,
d'embarquer ces projecteurs sur des mobiies roulants, volants
ou flottants. Il est aussi possible d'utiliser un volume vide
25 de tout fluide en mettant à profit la seule propriété optique
créée par la spirale logarithmique.
Dans tous cçs cas r~n rappelle qu'il est impératif de toujours
respecter la forme intérieure du volume de lloptique de
concentration, qu'elle soit de révolution ou non.
30 Il est enfin possible de créer un bloc monolithique solide et
FEUI~LE MODlFlEEf

CA 02111020 1998-03-25 '~
WO 93/21474 ' ~ ' l'C~ R93/003t4
-I transparent comme le verre ou le plastique.
Ce bloc, dont la forme extérieure (dioptre utile) doit
respecter celle du volume de 1'optique fluide pourrait aussi
concentrer les rayons lumineux de la meme manière. On note
enfin que le fonctionnement de tels projecteurs ne produit pas
de dégagement thermique dans l'environnement ni dans le flux
lumineux.
,_ ~ . . .
-
. . ,
~Ellll.LE MO~I~IFF

Representative Drawing