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ELEMENT INJECTEUR DE LUMIERE A ENERGIE REPARTIE
DOMAINE TECHNIQUE GENERAL
La présente invention concerne le domaine général de l'éclairage, et en
particulier celui de l'éclairage pour la culture intensive et continue de
microorganismes photosynthétiques.
ETAT DE L'ART
De nombreux éléments d'éclairage sont connus de l'état de la technique,
comme par exemple le tube luminescent ou néon, le tube fluorescent ou la diode
électroluminescente (ou LED).
En particulier, une LED présente un diagramme d'émission énergétique
suivant un profil lambertien, c'est-à-dire sous la forme d'un lobe. Une LED
émet un
flux d'énergie maximum dans une direction principale perpendiculaire à sa
surface
d'émission, et ce flux énergie décroit à mesure que l'on s'éloigne de cette
direction
principale.
Par ailleurs, une LED présente un cône d'émission dont l'angle solide est
limité, typiquement de 90 . Une LED ne permet donc pas d'émettre d'énergie
dans
des directions présentant une forte inclinaison par rapport à la direction
principale,
notamment au-delà de 45 . Ainsi, lorsqu'une LED est par exemple installée au
plafond d'une pièce de sorte à émettre de la lumière principalement à la
verticale,
elle ne peut pas éclairer à l'horizontal, réduisant de ce fait la qualité de
l'éclairage
dans la pièce. Une telle qualité d'éclairage peut poser des problèmes de
confort
pour un utilisateur et nécessite une multiplication des systèmes d'éclairage
pour
remédier à ce défaut.
L'utilisation de LEDs présente cependant des avantages non négligeables,
notamment leur rendement lumineux important qui est quasi-constant dans la
durée d'utilisation de la LED, en particulier quand les LEDs ne s'échauffent
pas.
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Contrairement aux LEDs, les tubes fluorescents ou néons permettent
d'obtenir une émission d'énergie dans toutes les directions radiales, même à
l'horizontal lorsqu'ils sont installés en plafonnier.
Cependant, de tels éléments d'éclairage présentent des rendements
lumineux bien plus faibles que les LEDs et leur intensité lumineuse diminue
avec
le temps. Par ailleurs, il arrive souvent que de tels éléments d'éclairage
scintillent,
ce qui peut être particulièrement gênant pour un utilisateur.
Dans le domaine particulier de l'éclairage pour la culture intensive de
microorganismes photosynthétiques, notamment des microalgues, il est essentiel
que le flux d'énergie émis par les éléments d'éclairage soit le plus uniforme
possible dans toutes les directions d'émission dudit élément d'éclairage, de
sorte
à améliorer le rendement de production desdites microalgues.
On comprend en effet que d'une façon générale la production dépende
directement de la qualité de l'éclairage dans le volume du photobioréacteur
dans
lequel sont cultivées les microalgues. Il est nécessaire que l'ensemble du
liquide
biologique soit correctement éclairé avec une énergie moyenne optimale, qui
dépend de la nature de la micro-algue. Par conséquent, il faut que l'interface
entre
les sources lumineuses et le liquide biologique soit la plus grande possible
ce qui
maximise le volume utile du liquide biologique (bain).
Pour fixer les idées on notera qu'a des concentrations d de l'ordre du
gramme par litre, la lumière est absorbée sur une profondeur de A = 0.5cm.
Pour
un réacteur d'1 m3, avec une surface de 1 m2 d'éclairement (source de lumière
plane de 1m2), le volume de liquide biologique concerné sera seulement de
1/200
m3. Le réacteur idéal serait tel que le volume éclairé soit égal au volume du
réacteur. Plus généralement le facteur de qualité d'un réacteur peut se
définir par
la relation : Q = SA/VO, où S est la surface éclairée (à la bonne puissance)
dans le
volume VO du réacteur, et A la profondeur de pénétration de la lumière.
Ve étant le volume des éléments éclairants dispersés dans le réacteur la
production en Masse M peut s'exprimer par la relation : M = (VO - Ve)d (où d
est la
masse de palgues par unité de volume).
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Ces deux relations doivent être maximisées simultanément.
Pour cela, le document W02011/080345 propose par exemple des
éléments injecteurs de lumière comprenant un guide de lumière de forme
tubulaire, à l'extrémité desquels est placée une LED. La LED est entourée d'un
miroir de forme parabolique ou conique, ou toute autre forme qui permet de
renvoyer les rayons de grands angles émis par la LED dans la direction axiale
de
l'injecteur.
De plus, le guide de lumière de l'élément injecteur est recouvert, à son
extrémité du côté de la LED, d'un miroir dont l'opacité décroit lorsqu'on
s'éloigne
de la source lumineuse. En d'autres termes, ce miroir métallique est total
dans la
partie haute de l'élément injecteur, devient progressivement semi-transparent,
et
in fine disparait. En effet, sans ces miroirs, compte-tenu du profil
d'émission
énergétique lambertien de la LED, la quantité d'énergie émise par le tube le
long
de sa paroi latérale décroîtrait exponentiellement à mesure que l'on s'éloigne
de la
LED, ce qui aurait pour conséquence que l'énergie lumineuse sortirait pour
l'essentiel dans la partie haute de l'élément injecteur. On comprend donc que
la
mise en oeuvre de tels miroirs soit essentielle pour que l'élément injecteur
émette
une énergie la plus uniforme possible le long du tube.
Ce document propose également de placer un miroir à l'extrémité du guide
de lumière opposée à la LED, de sorte à renvoyer le long du guide de lumière
de
l'élément injecteur les rayons lumineux provenant directement de la LED ou
réfléchis dans des directions présentant un angle faible par rapport à la
direction
principale d'émission, afin de compenser les pertes d'énergie croissantes à
mesure que l'on s'éloigne de la LED. Ce miroir présente par exemple une forme
conique, demi-sphérique, ou parabolique, voire une forme plus complexe.
Or, l'utilisation de tels miroirs introduit une absorption significative du
flux
d'énergie réfléchi par les miroirs, ce qui en plus d'entraîner une perte
d'énergie
utile, induit un échauffement local de l'élément injecteur, et in fine un
échauffement du liquide biologique (bain).
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En effet, considérant un miroir de bonne qualité et une émission de lumière
d'une longueur d'onde de 0.8pm, 5% de l'énergie lumineuse est absorbée lors
d'une réflexion sur ledit miroir. Ainsi, s'il n'y a qu'une seule réflexion des
rayons
lumineux à réorienter et que ces rayons représentent par exemple 50% du flux
lumineux, c'est donc 2.5% de l'énergie lumineuse qui peut être absorbée.
Or, notamment dans le cas du miroir entourant la LED, les rayons lumineux
présentant les angles les plus forts par rapport à la direction principale
d'émission
sont réfléchis à plusieurs reprises. Cet effet est par ailleurs renforcé pour
des
LEDs de grande surface d'émission en comparaison avec la section de l'élément
injecteur (surface de quelques dizaines de mm2). Ainsi, une absorption
énergétique supérieure à 10% peut être observée, et ce même avec un miroir de
bonne qualité.
L'utilisation de miroirs de forme conique voire de forme plus complexe
permet de limiter le nombre de réflexion des rayons lumineux et donc de
réduire
les pertes liées à l'absorption du flux lumineux réfléchi.
Cependant, outre le fait que certains de ces miroirs peuvent être
industriellement difficiles à réaliser, l'absorption du flux lumineux qu'ils
induisent
reste importante.
On comprend donc que la mise en oeuvre de tels miroirs est
particulièrement compliquées et coûteuse énergétiquement.
Il existe donc un besoin de développer un élément injecteur de lumière pour
photobioréacteur permettant de réduire les pertes d'énergie lumineuse.
PRESENTATION DE L'INVENTION
Un objectif de l'invention est donc de proposer un élément injecteur de
lumière permettant de réduire les pertes d'énergie lumineuse entre l'énergie
émise
par la source de lumière et l'énergie sortant de l'élément injecteur.
L'invention a
également pour objectif de proposer un élément injecteur permettant de fournir
un
flux d'énergie globalement uniforme dans toutes les directions d'émission
dudit
élément injecteur.
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A cet effet, l'invention propose un élément injecteur de lumière comprenant
un corps creux, s'étendant selon un axe longitudinal, et une source de lumière
placée en regard d'une extrémité du corps,
l'élément injecteur étant caractérisé en ce que la source de lumière est
configurée
5 pour émettre un faisceau de lumière sensiblement parallèle à l'axe
longitudinal
dudit corps, et en ce que l'élément injecteur comprend en outre au moins un
élément optique ménagé à l'intérieur du corps et configuré pour laisser passer
une
fraction du faisceau de lumière se propageant dans une partie centrale du
corps,
et dévier vers l'extérieur dudit corps une fraction du faisceau de lumière se
propageant dans une partie périphérique du corps, de sorte à distribuer
localement l'énergie émise par la source de lumière .
Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives :
= l'élément optique présente une ouverture sensiblement coaxiale avec l'axe
longitudinal du corps de sorte à laisser passer la fraction du faisceau de
lumière
se propageant dans la partie centrale du corps ;
= l'élément injecteur de lumière comprend une pluralité d'éléments optiques
ménagés à l'intérieur du corps, et s'étendant à distance les uns des autres le
long
dudit corps, lesdits éléments optiques étant configurés pour laisser passer
une
fraction du faisceau de lumière se propageant dans une partie centrale du
corps
de plus en plus restreinte à mesure que les éléments optiques sont éloignés de
la
source de lumière, de sorte à répartir l'énergie émise par la source de
lumière le
long du corps ;
= les éléments optiques présentent chacun une ouverture sensiblement
coaxiale
avec l'axe longitudinal du corps de sorte à laisser passer une fraction du
faisceau
de lumière se propageant dans la partie centrale du corps, lesdites ouvertures
présentant une taille décroissante avec l'éloignement par rapport à la source
de
lumière ;
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= le ou les éléments optiques sont des lentilles divergentes ou des prismes
déflecteurs divergents ;
= la source de lumière comprend une pluralité de diodes laser à cavité
verticale
émettant par la surface, ladite pluralité de diodes étant disposées de sorte à
former une surface d'émission sensiblement perpendiculaire à l'axe
longitudinal du
corps ;
= la source de lumière est constituée de diodes laser à cavité verticale
émettant
par la surface configurées pour toutes émettre des longueurs d'onde
sensiblement
égales ;
= un luminophore est appliqué contre une paroi latérale du corps, les diodes
laser à cavité verticale émettant par la surface gant configurées émettreent
de la
lumière aux longueurs d'onde correspondant de préférence à la lumière bleue ;
= la source de lumière comprend un premier groupe de diodes laser à cavité
verticale émettant par la surface configuré pour émettre de la lumière à des
longueurs d'onde correspondant à la lumière rouge, un deuxième groupe de
diodes laser à cavité verticale émettant par la surface configuré pour émettre
de la
lumière à des longueurs d'onde correspondant à la lumière bleue, et un
troisième
groupe de diodes laser à cavité verticale émettant par la surface configuré
pour
émettre de la lumière à des longueurs d'onde correspondant à la lumière verte,
de
sorte que l'élément injecteur émette de la lumière blanche ;
= la source de lumière est configurée pour émettre davantage de lumière
dans
une zone périphérique que dans une zone centrale de la surface d'émission ;
= la source de lumière est configurée pour n'émettre de la lumière que dans
la
zone périphérique ;
= la zone centrale de la surface d'émission ne comprend pas de diodes ;
= l'élément injecteur de lumière comprend en outre une unité de commande
configurée pour piloter la source de lumière de sorte que la zone périphérique
de
la surface d'émission émette davantage de lumière que la zone centrale ;
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= la source de lumière est configurée pour émettre une densité d'énergie
non
uniforme dans la zone périphérique de la surface d'émission ;
= les diodes présentent chacune une surface d'émission élémentaire, et dans
lequel les surfaces d'émission élémentaires des diodes de la zone périphérique
sont de dimensions différentes entre elles de sorte que la source de lumière
émette une densité d'énergie non uniforme dans la zone périphérique de la
surface d'émission ;
= l'élément injecteur comprend en outre des injecteurs de courant
configurés
pour délivrer aux diodes une densité de courant électrique ou une tension non
uniforme de sorte que la source de lumière émette une densité d'énergie non
uniforme dans la zone périphérique de la surface d'émission ;
= les éléments optiques sont configurés pour dévier vers l'extérieur du
corps
toute la lumière émise par la zone périphérique de la surface d'émission ;
= l'élément injecteur comprend en outre un miroir d'extrémité disposé à une
extrémité du corps opposée à la source de lumière, de sorte à renvoyer dans le
corps la partie du faisceau de lumière venant se réfléchir contre ledit miroir
d'extrémité ;
= le corps présente une forme cylindrique, en particulier cylindrique de
révolution ou parallélépipédique ;
= le corps a la forme d'un cylindre de révolution ;
= un miroir est appliqué contre une partie du corps correspondant à un demi-
cylindre, de sorte à réfléchir vers l'intérieur du corps l'énergie émise vers
ledit
miroir ;
= le corps a la forme d'un demi-cylindre de révolution ;
= un miroir est appliqué contre une paroi latérale plane de sorte à réfléchir
vers
l'intérieur du corps l'énergie émise vers ledit miroir ;
= la surface d'émission de la source de lumière a la forme d'un demi-
disque, et
dans lequel la source de lumière est configurée pour émettre une quantité
d'énergie lumineuse décroissante à mesure que l'on s'éloigne de la section en
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ligne droite de la surface d'émission dans une direction s'étendant
perpendiculairement à ladite section en ligne droite ;
= le corps a sensiblement la forme d'un parallélépipède rectangle ;
= le corps comprend une première plaque et une deuxième plaque, entre
lesquelles sont placés au moins un couple d'éléments optiques, les éléments
optiques de chaque couple étant placés en regard et à distance l'un de
l'autre, de
sorte à former une ouverture sensiblement coaxiale avec l'axe longitudinal du
corps de manière à laisser passer la fraction du faisceau de lumière se
propageant dans la partie centrale du corps ;
= le corps comprend une plaque et un miroir plan placé en regard l'un de
l'autre,
et au moins un élément optique placé à distance du miroir plan de sorte à
former
une ouverture sensiblement coaxiale avec l'axe longitudinal du corps de
manière à
laisser passer la fraction du faisceau de lumière se propageant dans la partie
centrale du corps.
Selon un deuxième aspect, l'invention concerne un photobioréacteur
destiné à la culture notamment en continu de microorganismes
photosynthétiques,
de préférence de microalgues, ledit photobioréacteur comprenant au moins une
enceinte de culture destinée à contenir le milieu de culture des
microorganismes,
ledit photobioréacteur étant caractérisé en ce qu'il comprend un élément
injecteur
de lumière selon le premier aspect de l'invention, le corps dudit élément
injecteur
étant placé dans l'enceinte de culture.
Selon un troisième aspect, l'invention concerne un élément d'éclairage pour
l'éclairage domestique, caractérisé en ce qu'il comprend un élément injecteur
de
lumière (20) selon le premier aspect de l'invention.
Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives, l'élément
d'éclairage comprend en outre un miroir placé en regard du corps, de sorte à
réfléchir l'énergie émise vers ledit miroir.
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PRESENTATION DES FIGURES
D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la
description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui
doit être
lue en regard des dessins annexés, sur lesquels :
- la figure 1 représente une vue schématique, en coupe verticale, d'un
photobioréacteur destiné à la culture notamment en continu de micro-
organismes photosynthétiques, de préférence de microalgues, comprenant
un élément injecteur de lumière selon un mode de réalisation de
l'invention ;
- la figure 2 représente une vue schématique, en coupe verticale, d'un
photobioréacteur comprenant un élément injecteur de lumière selon une
variante du mode de réalisation illustré à la figure 1 ;
- la figure 3 représente une vue schématique, en coupe, d'une structure
d'une diode laser à cavité verticale émettant par la surface (VCSEL) ;
- la figure 4 représente un premier exemple de profil d'émission d'énergie
d'une pluralité de VCSEL dans lequel la densité d'énergie émise n'est pas
uniforme sur toute la surface d'émission formée par les VCSEL;
- la figure 5 représente la répartition de l'énergie émise par l'élément
injecteur de lumière illustré à la figure 4 sur toute sa longueur, lorsque les
VCSEL ont un profil d'émission tel que représenté à la figure 4;
- la figure 6 représente un deuxième exemple de profil d'émission d'énergie
d'une pluralité de VCSEL dans lequel la densité d'énergie émise n'est pas
uniforme sur toute la surface d'émission formée par les VCSEL;
- la figure 7 représente la répartition de l'énergie émise par l'élément
injecteur de lumière illustré à la figure 6 sur toute sa longueur, lorsque les
VCSEL ont un profil d'émission tel que représenté à la figure 6;
- la figure 8 représente une vue schématique, en coupe transversale, d'un
élément d'éclairage comprenant un élément injecteur de lumière selon une
première forme de réalisation de l'invention ;
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- la figure 9 représente une vue schématique, en coupe transversale, d'un
élément d'éclairage comprenant un élément injecteur de lumière selon une
deuxième forme de réalisation de l'invention ;
- la figure 10 représente une vue schématique, en coupe transversale, d'un
5 élément d'éclairage comprenant un élément injecteur de lumière selon une
troisième forme de réalisation de l'invention ;
- la figure 11 représente une vue schématique, en perspective, de l'élément
d'éclairage illustré à la figure 10 ;
- la figure 12 représente une vue en perspective, en coupe verticale, d'un
10 photobioréacteur comprenant un élément injecteur de lumière selon une
variante des modes de réalisation illustrés aux figures 1 et 2 ;
- la figure 13 représente une vue en perspective, en coupe verticale, d'un
photobioréacteur comprenant un élément d'éclairage comprenant un
élément injecteur de lumière selon une quatrième forme de réalisation de
l'invention.
DESCRIPTION DETAILLEE
Cas de l'éclairage pour la culture intensive et continue de microorganismes
photosynthétiques
La figure 1 montre un photobioréacteur 10 destiné à la culture notamment
en continu de micro-organismes photosynthétiques, de préférence de
microalgues, selon un mode de réalisation de l'invention.
Le photobioréacteur 10 comprend au moins une enceinte de culture 11
destinée à contenir le milieu de culture 12 des micro-organismes, et au moins
un
élément injecteur de lumière 20.
L'élément injecteur de lumière 20 comprend un corps 21 cylindrique et
creux s'étendant selon un axe longitudinal 22. Dans une utilisation en
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photobioréacteur, l'axe longitudinal 22 de l'élément injecteur de lumière 20
coïncide sensiblement avec une direction verticale.
On entend par cylindre, le volume engendré par la translation d'une surface
(formant une base) selon une direction orthogonale à la surface. Par exemple,
le
corps 21 peut présenter la forme d'un cylindre de révolution (cylindre dont la
base
est un disque) ou d'un prisme (cylindre dont la base est un polygone). En
particulier, le corps 21 peut présenter la forme d'un parallélépipède
rectangle.
Le corps 21 est placé dans l'enceinte de culture 11. Le corps 21 peut
présenter la forme d'un cylindre de révolution ou d'un prisme. Dans le cas
d'un
corps 21 de la forme d'un parallélépipède rectangle, comme illustré à la
figure 12,
deux faces opposées dudit corps 21 sont de préférence des plaques 21a, 21b
placées à faible distance l'une de l'autre. Les plaques 21a, 21b définissent
la
longueur (hauteur) et la largeur du corps 21, tandis que la distance entre les
plaques 21a, 21b définit l'épaisseur du corps 21. Les plaques sont par exemple
en
polyméthacrylate de méthyle (PMMA) ou en verre.
Le corps 21 de l'élément injecteur de lumière 20 est couplé avec une
source de lumière 23 (disposé en extrémité haute de l'élément injecteur de
lumière 20 lorsque celui-ci est orienté verticalement) de façon à guider le
flux de
lumière émis par la source de lumière 23 et le transmettre dans le milieu de
culture 12 par sa (ses) paroi(s) latérale(s) 24. Ce couplage est par exemple
via au
moins un élément optique 35i (notamment lentille divergente ou convergente)
configuré pour dévier le faisceau de lumière, comme il sera expliqué plus
loin. Le
saut d'indice entre la cavité centrale et l'enveloppe du corps 21 définissant
les
parois latérales 24 (plaques 21a, 21b pour un corps parallélépipédique) permet
de
contrôler la transmission latérale de la lumière.
Dans le cas d'un corps 21 de la forme d'un parallélépipède rectangle,
comme illustré à la figure 12, la lumière est émise latéralement à travers les
plaques 21a, 21b. De préférence et pour des raisons de gestion des pertes
thermiques, la source de lumière 23 est placée à l'extérieur de l'enceinte de
culture 11, en regard d'une extrémité 25 proximale dudit corps 21, notamment
au
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contact d'un radiateur (préféré commun à tous les éléments injecteurs)
réfrigéré
par un fluide caloporteur.
On comprendra que le présent élément injecteur de lumière 20 ne transfère
l'énergie lumineuse de la source 23 à la paroi latérale que par des phénomènes
de réfraction, c'est-à-dire de déviation des rayons lumineux à des interfaces
entre
deux milieu (i.e. des sauts d'indice), que ce soit au niveau des éléments
optiques
35i de type lentille, de la paroi latérale 24, ou d'éventuels autres éléments
optiques (voir plus loin).
Les phénomènes dits de diffusion (déviation des rayons lumineux par des
particules dans un milieu hétérogène) sont quant à eux au maximum évités (au
sein d'un milieu donné, on favorise la transparence maximale). Cela permet de
ne
perdre quasiment aucune énergie dans le milieu et de restituer 100% de
l'énergie
fournie par la source 23. Des milieux diffusant ont en effet tendance à
chauffer
sous l'effet du rayonnement.
La source de lumière 23 est configurée pour émettre un faisceau de lumière
sensiblement parallèle à l'axe longitudinal 22 du corps 21, et peut par
exemple
consister en une ou plusieurs sources laser, voir plus loin.
L'élément injecteur 20 comprend en outre au moins un élément optique 35i
ménagé à l'intérieur du corps 21 et configuré pour laisser passer une fraction
du
faisceau de lumière se propageant dans une partie centrale 36i du corps 21, et
dévier vers l'extérieur du corps 21 une fraction du faisceau de lumière se
propageant dans une partie périphérique 37 du corps 21. De cette manière,
l'élément optique 35i permet de distribuer localement l'énergie émise par la
source
de lumière 23. En d'autres termes, l'élément optique 35i permet de ponctionner
sur le faisceau de lumière une fraction d'énergie pour la dévier vers
l'extérieur du
corps 21.
De préférence, comme illustré à la figure 1, l'élément injecteur 20 comprend
une pluralité d'éléments optiques 35i ménagés à l'intérieur du corps 21 à
distance
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les uns des autres le long dudit corps 21, les éléments optiques 35i étant en
outre
configurés pour laisser passer une fraction du faisceau de lumière se
propageant
dans une partie centrale 36i de plus en plus restreinte à mesure que les
éléments
optiques 35i sont éloignés de la source de lumière 23. De cette manière, à
chaque
fois que le faisceau de lumière traverse un élément optique 35i, ce dernier
ponctionne une partie de son énergie pour la dévier vers l'extérieur du corps
21.
Les éléments optiques 35i permettent ainsi de répartir l'énergie du faisceau
de
lumière le long du corps 21.
On comprendra qu'il est ainsi possible de prélever l'énergie émise par la
source de lumière 23 de manière à la répartir uniformément le long du corps
21,
de sorte que l'énergie moyenne le long dudit corps 21 soit suffisante pour
permettre le développement des microorganismes. L'énergie émise le long du
corps 21 est notamment comprise entre une énergie seuil prédéterminée et une
énergie dite de saturation des micro-organismes. L'énergie seuil correspond à
l'énergie minimale nécessaire pour amorcer la photosynthèse.
Les éléments optiques 35i sont de préférence de même forme et
sensiblement de mêmes dimensions que la section transversale du corps 21, le
bord des éléments optiques 35i étant placé contre la surface intérieure de la
paroi
latérale du corps 21. Ainsi, dans le cas d'un corps 21 de section transversale
circulaire, les éléments optiques 35i présentent un diamètre sensiblement égal
au
diamètre du corps 21, tandis que dans le cas d'un corps 21 de la forme d'un
parallélépipède rectangle, les éléments optiques 35i présentent une longueur
et
une largeur sensiblement égales à la largeur et à l'épaisseur du corps 21,
respectivement.
Par exemple, les éléments optiques 35i sont troués , ils présentent une
ouverture 38i sensiblement coaxiale avec l'axe longitudinal 22 du corps 21, de
sorte à ne laisser passer que la fraction du faisceau de lumière se propageant
dans la partie centrale 36i du corps 21 sans la dévier. Les ouvertures 38i
sont en
outre de plus en plus petites à mesure que les éléments optiques 35i sont
éloignés de la source de lumière 23.
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L'ouverture 38i des éléments optiques 35i est de préférence de même
forme que la section transversale du corps 21. Ainsi, lorsque le corps 21 est
tubulaire, l'ouverture 38i des éléments optiques 35i est de préférence
circulaire, le
diamètre Di des ouvertures 38i étant alors de plus en plus petit à mesure que
les
éléments optiques 35i sont éloignés de la source de lumière 23.
Les éléments optiques 35i sont par exemple des lentilles divergentes ou
des prismes déflecteurs, notamment des prismes annulaires. Les lentilles 35i
peuvent présenter une focale identique ou différente. De même, les prismes 35i
peuvent présenter des géométries identiques ou différentes.
Lorsque le corps 21 est tubulaire, chaque lentille 35i est par exemple
positionnée dans ledit corps au moyen d'un anneau élastique (non représenté)
en
plastique, collé contre la paroi intérieure du corps 21.
Dans l'exemple illustré à la figure 1, l'élément injecteur 20 est tubulaire et
les éléments optiques 35i sont des lentilles divergentes présentant une
ouverture
38i de diamètre Di de plus en plus petite à mesure que la lentille 35i est
éloignée
de la source de lumière 23. Dans ces exemples, lorsque la source de lumière 23
émet le faisceau de lumière dans la direction d'émission, une lentille 35i
intercepte
une fraction du faisceau de lumière et le dévie vers l'extérieur du corps 21.
La
lentille 35i permet ainsi de faire sortir une énergie moyenne du corps sur une
longueur Li dépendant de la focale fi de la lentille 35i et de son diamètre
Di. La
fraction du faisceau de lumière interceptée par la lentille 35i détermine
l'énergie
injectée sur la longueur Li. Au bout de la longueur Li, une nouvelle fraction
du
faisceau de lumière est interceptée par une lentille 35i+1 (dans la mesure où
la
lentille 35i+1 présente une ouverture 38i+1 de diamètre Di+1 inférieur à la
lentille
35i) et est déviée vers l'extérieur du corps 21 sur une longueur Li+1
dépendant de
la focale fi+1 de la lentille 35i+1 et de son diamètre Di+1. La puissance
reçue par
la lentille 35i+1 est proportionnelle à la différence de surfaces entre les
ouvertures
38i et 38i+1. On comprendra qu'en réalisant cette opération n fois (c'est-à-
dire en
positionnant n lentilles 35i dans le corps), il est possible de prélever
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progressivement de l'énergie du faisceau de lumière pour le distribuer de
manière
uniforme sur toute la longueur du corps 21.
La longueur Li correspond à la distance entre la lentille 35i et le point
d'attaque de la fraction du faisceau de lumière déviée par le bord de
l'ouverture
5 38i de la lentille 35i sur la paroi latérale 24 du corps 21. On
comprendra que pour
répartir l'énergie de manière uniforme sur toute la longueur du corps 21, la
lentille
35i+1 est de préférence placée à une distance de la lentille 35i correspondant
à la
longueur Li.
On comprendra par ailleurs que pour obtenir une distribution de l'énergie
10 uniforme sur toute la longueur du corps 21, les paramètres de chaque
lentille 35i
sont optimisés en fonction du nombre n de lentilles 35i. Ces paramètres sont
les
suivants : le diamètre Di, la longueur Li (ou distance entre deux lentilles
consécutives 35i et 35i+1), et la focale fi de chaque lentille 35i. On notera
également que l'optimisation des paramètres des lentilles 35i peut en outre
15 prendre en compte, pour la croissance de micro-organisme
photosynthétique, le
fait que l'énergie moyenne émise par le corps 21 doit être comprise entre
l'énergie
seuil et l'énergie dite de saturation des micro-organismes.
L'élément injecteur 20 permet ainsi de ponctionner progressivement
l'énergie véhiculée dans le faisceau de lumière et de la transmettre vers
l'extérieur
du corps 21 de manière contrôlée.
En variante, dans le cas particulier d'un corps 21 de la forme d'un
parallélépipède rectangle, comme illustré à la figure 12, les ouvertures 38i
peuvent
être formées par des couples de prismes déflecteurs 35i placés en regard et à
distance l'un de l'autre. Chaque prisme 35i d'un couple de prismes présente
alors
un premier bord placé contre la surface intérieure d'une plaque 21a, 21b
opposée
du corps 21, et un deuxième bord s'étendant en regard et à une distance di du
deuxième bord de l'autre prisme 35i du couple de prismes, la distance di entre
les
primes 35i de chaque couple formant ainsi l'ouverture 38i. La distance di est
de
plus en plus petite à mesure que les éléments optiques 35i sont éloignés de la
source de lumière 23.
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Dans l'exemple illustré à la figure 1, l'élément injecteur 20 comprend en
outre un miroir 31 disposé à une extrémité distale du corps 21, i.e. une
extrémité
opposée à la source de lumière 23. Le miroir d'extrémité 31 est configuré pour
renvoyer le faisceau de lumière dans le corps 21 de sorte à compenser la perte
d'énergie extraite du corps 21 lorsque l'on s'éloigne de la source de lumière
23. Le
miroir d'extrémité 31 permet ainsi d'uniformiser le flux d'énergie émis par la
paroi
latérale 24 du corps 21. Le miroir d'extrémité 31 présente par exemple une
surface réfléchissante plane, demi-sphérique, conique ou parabolique. De
préférence, le profil de la surface réfléchissante du miroir 31 est déterminée
de
sorte que l'énergie lumineuse réfléchie par le miroir d'extrémité 31 diminue à
mesure que l'on s'approche de la source de lumière 23, afin que réduire au
maximum l'énergie revenant sur la source de lumière 23. On comprendra en effet
que pour limiter les pertes d'énergie dans l'élément injecteur 20, il est
avantageux
de renvoyer dans le corps 21 la fraction du faisceau de lumière arrivant
directement sur le miroir d'extrémité 31 (c'est-à-dire sans avoir été
réfléchie par la
paroi latérale 24 du corps 21) et le flux de lumière réfléchi par la paroi
latérale 24
du corps 21 arrivant sur le miroir d'extrémité 31. On comprendra également,
toujours pour limiter les pertes d'énergie dans l'élément injecteur 20, qu'il
est
avantageux de réduire la fraction du faisceau de lumière revenant sur la
source de
lumière 23 afin notamment d'éviter que cette dernière ne s'échauffe et qu'une
partie de l'énergie émise ne soit pas transmise au milieu de culture 12. Le
miroir
31 est de préférence de mêmes dimensions que la section transversale du corps
21.
Comme illustré à la figure 2, l'élément injecteur 20 peut également être
muni d'une lentille d'extrémité 32 divergente ou convergente ménagée à
l'intérieur
du corps 21 en regard du miroir d'extrémité 31, de sorte à augmenter l'angle
d'attaque contre la paroi latérale 24 du corps 21 de la fraction du faisceau
de
lumière réfléchie contre le miroir d'extrémité 31, le couple lentille et
miroir de forme
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adaptée doit être optimisé à cet effet. De cette manière, l'énergie réfléchie
par le
miroir d'extrémité 31 est plus rapidement consommée et les risques que cette
énergie ne retourne sur la source de lumière 23 sont limités.
Selon un mode de réalisation préféré, la source de lumière 23 comprend
une ou plusieurs une source laser, notamment une pluralité de diodes laser à
cavité verticale émettant par la surface VCSEL (en terminologie anglo-saxonne
Vertical Cavity Surface Emission Laser ), disposées de sorte à former une
surface d'émission 26 sensiblement perpendiculaire à l'axe longitudinal 22 du
corps 21 et à émettre un faisceau de lumière dans une direction d'émission 27
sensiblement parallèle à l'axe longitudinal 22 du corps. Les VCSEL sont
alimentées en courant électrique par l'intermédiaire d'au moins une
alimentation
en courant 28. Le ou les alimentations en courant 28 sont par exemple pilotées
par une unité de commande 29. La surface d'émission 26 est de préférence
centrée sur l'entrée (extrémité 25) du corps 21. La surface d'émission 26 est
de
préférence de forme adaptée à la section transversale du corps 21. Ainsi, dans
le
cas d'un corps 21 présentant une section transversale circulaire, la surface
d'émission 26 sera de préférence un disque, tandis que dans le cas d'un corps
21
de la forme d'un parallélépipède rectangle, la surface d'émission 26 sera de
préférence une bande, comme illustré à la figure 12.
Les VCSEL sont des lasers solides à semi-conducteur à gap direct
permettant d'obtenir une émission de lumière cohérente, contrairement aux LEDs
qui ne permettent que de générer une lumière incohérente.
Comme illustré à la figure 3, une VCSEL comprend une structure 100 en
couches superposées selon la direction d'émission 101 du faisceau de lumière.
La
structure 100 comprend notamment :
- une couche de contact métallique dite inférieure 102,
- un substrat de semi-conducteur 103 présentant un dopage de type n,
- un miroir de Bragg dit inférieur 104 présentant un dopage de type n,
- au moins un puits quantique 105 formant la cavité verticale résonnante,
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- un miroir de Bragg dit supérieur 106 présentant un dopage de type p,
- une couche de contact métallique 107 dite supérieure présentant une
ouverture 108, dans laquelle est déposée une couche d'oxyde
métallique transparente et conductrice, et par laquelle le faisceau de
lumière 109 est émis.
Une VCSEL émet donc un faisceau de lumière par une surface d'émission
élémentaire 110 sensiblement perpendiculaire à la direction d'empilement des
couches 102 à 107, contrairement aux lasers solides conventionnels qui
émettent
par la tranche, c'est-à-dire par une surface sensiblement parallèle à la
direction
d'empilement des couches (flanc de la cavité).
La surface d'émission élémentaire d'une VCSEL est par exemple de l'ordre
de la centaine de pm2 et la puissance optique délivrée dépasse les quelques
dizaines de milliwatts dans le domaine du visible pour une surface d'émission
de
quelques centaines de pm2.
Le fait que les VCSEL aient une structure 100 en couches s'étendant
perpendiculairement à la direction d'émission 101 (technologie dite planar
)
permet d'en associer un très grand nombre (quelques centaines) sur une surface
millimétrique, de sorte à former un circuit intégré laser C-VCSEL
comprenant
un nombre N de VCSEL. L'énergie lumineuse émise par le C-VCSEL est la
somme des énergies lumineuses émises par chaque VCSEL élémentaire s'il n'y a
pas de couplage entre VCSEL, notamment par les couches semi-conductrices 103
à 106. Un C-VCSEL permet ainsi d'obtenir des émissions lumineuses de forte
puissance avec une divergence quasiment nulle, contrairement aux LEDs. Un C-
VCSEL permet par exemple d'obtenir des puissances dépassant la dizaine de
watts optiques par mm2.
La pluralité de VCSEL de la source de lumière 23 est ainsi organisée en C-
VCSEL de sorte que l'ensemble des surfaces d'émission élémentaire 110 des
VCSEL forment la surface d'émission 26.
On comprendra que l'utilisation d'un C-VCSEL permet de transporter
l'énergie lumineuse sur toute la longueur du corps 21 ainsi que de se passer
des
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miroirs qui dans l'art antérieur étaient nécessaires pour corriger le profil
d'énergie
lambertien des LEDs, réduisant de ce fait les pertes énergétiques qui étaient
liées
à l'utilisation de ces miroirs, ainsi que les coûts de réalisation de
l'élément
injecteur 20.
Comme l'on verra plus loin, de façon avantageuse le C-VCSEL peut être
configuré de sorte à présenter une densité d'énergie variable sur sa surface
d'émission 26. L'homme du métier connait une pluralité de techniques
permettant
d'arriver à ce résultat, et le présent élément injecteur de lumière ne sera
limité à
aucune d'entre elles.
En particulier, la structure complexe d'un VCSEL (miroirs de Bragg,
couches actives, etc.) est réalisée par épitaxie (épitaxie par jets
moléculaires par
exemple) sur un substrat 103 conducteur d'au moins toute la surface du C-
VCSEL. La délimitation des VCSEL élémentaires (c'est-à-dire de la surface
d'émission élémentaire de chaque VCSEL) est faite par lithographie optique. Il
est
ainsi possible par le biais de masques optiques de définir les dimensions
de la
surface d'émission élémentaire 110 de chaque VCSEL et leurs densités
surfaciques (autrement dit faire varier le pas entre deux VCSEL adjacentes)
sur
une zone donnée du C-VCSEL. Les technologies de connectiques font l'objet de
dépôts à travers des masques adaptés aux besoins de commandes électriques,
bien connues de l'homme de l'art. Il est ainsi possible de prévoir des trous
dans la surface d'émission 26, en d'autres termes des zones dépourvues de
VCSEL. Pour la clarté de la description, les éventuelles zones présentant une
émission de lumière nulle mais entourées par des zones présentant une émission
de lumière non nulle seront considérées comme faisant partie de la surface
d'émission 26.
Alternativement, dans le C-VCSEL, chaque VCSEL peut être connectée
individuellement à une alimentation en courant 28. Dans ce cas, l'unité de
commande 29 peut être configurée pour commander individuellement les
alimentations en courant 28 de sorte à délivrer des densités de courant
différentes
selon les VCSEL. On peut aussi commander les VCSEL en tension. Le C-VCSEL
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peut également être délimité par zones et les VCSEL de chaque zone peuvent
être connectées entre elles et à une alimentation en courant 28 dédiée par
zone.
Dans ces deux derniers cas, l'unité de commande 29 est par exemple un circuit
de
commande matricielle. Les VCSEL peuvent au contraire être connectées entre
5 elles et à une unique alimentation en courant 28. Dans ce cas,
l'alimentation en
courant 28 est pilotée par l'unité de commande 29 de sorte à délivrer une
densité
de courant ou une tension uniforme (autrement dit, si les VCSEL ont la même
impédance par unité de surface, la tension de commande est la même sur tous
les
VCSEL). Avantageusement, la source de lumière 23 est configurée pour émettre
10 davantage de lumière dans une zone périphérique 33 que dans une zone
centrale
34 de la surface d'émission 26. De préférence, la zone centrale 34 de la
surface
d'émission 26 n'émet aucune lumière. De cette manière, la partie du faisceau
de
lumière réfléchie directement (c'est-à-dire sans avoir été réfléchie par la
paroi
latérale 24 du corps 21) contre le miroir d'extrémité 31 est limitée voire
supprimée,
15 réduisant de ce fait l'énergie réfléchie par le miroir d'extrémité 31
directement vers
la source de lumière 23. Cela permet en outre de limiter la quantité d'énergie
réfléchie par le miroir d'extrémité 31, et ainsi de réduire les pertes
énergétiques
liées à cette réflexion.
Un exemple de profil d'émission de la source de lumière 23 présentant une
20 telle densité d'énergie émise par la surface d'émission 26 est illustré
à la figure 4.
Dans cet exemple, la densité d'énergie est nulle dans la zone centrale 34 et
uniforme dans la zone périphérique 33. Dans cet exemple, le corps 21 est un
cylindre de révolution et le profil d'émission présente une symétrie de
révolution
autour de l'axe longitudinal 22 du corps 21. La zone centrale 34 de la surface
d'émission 26 présente la forme d'un disque et la zone périphérique 35 de la
surface d'émission 26 présente la forme d'un anneau. La figure 5 illustre en
outre
la répartition de l'énergie émise par l'élément injecteur 20 sur toute la
longueur du
corps 21, lorsque les VCSEL ont un tel profil d'émission d'énergie. On observe
sur
cette figure que l'élément injecteur 20 permet d'émettre un niveau d'énergie
globalement uniforme sur tout le long du corps 21.
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Selon ce mode de réalisation préféré, la zone centrale 34 de la surface
d'émission 26 ne comprend par exemple pas de VCSEL. Le substrat traité par
photolithographie peut également être configuré pour désactiver les VCSEL (les
surfaces d'émission élémentaires des VCSEL) de la zone centrale 24, de sorte
que seuls les VCSEL de la zone périphérique 33 émettent de la lumière.
Selon une variante, l'unité de commande 29 pilote la source de lumière 23
de sorte que la zone périphérique 33 de la surface d'émission 26 émette
davantage de lumière que la zone centrale 34. Pour cela, l'unité de commande
22
commande par exemple le ou les injecteurs de courant 28 reliés aux VCSEL de la
zone centrale 34 de délivrer une densité de courant faible voire nulle, et le
ou les
injecteurs de courant 28 reliés aux VCSEL de la zone périphérique 33 de
délivrer
une densité de courante plus forte. Les VCSEL de la zone centrale 34 sont de
préférence éteintes. Les VCSEL peuvent également être commandées en tension.
Avantageusement, les éléments optiques 35i sont configurés pour dévier
vers l'extérieur du corps 21 toute la lumière émise par la zone périphérique
33 de
la surface d'émission 26. Pour cela, la zone centrale 34 de la surface
d'émission
26 est de dimensions supérieures ou égales à celles de l'ouverture 38i de
l'élément optique 35i le plus éloigné de la source de lumière 23. On
comprendra
en effet que dans ce cas tout le faisceau de lumière est dévié par les
éléments
optiques 35i et qu'aucune fraction du faisceau de lumière ne vient directement
se
réfléchir contre le miroir d'extrémité 31 sans avoir été préalablement déviée.
On
évite ainsi que le miroir d'extrémité 31 ne réfléchisse le faisceau de lumière
directement sur la source de lumière 23, ce qui entraînerait des pertes
d'énergie et
une surchauffe de ladite source de lumière 23.
Avantageusement, la source de lumière 23 est en outre configurée pour
émettre une densité d'énergie non uniforme dans la zone périphérique 33 de la
surface d'émission 26. Pour cela, le substrat (après le dépôt des couches
définissant la structure 100 illustrée à la figure 2) traité par
photolithographie peut
être configuré pour moduler la surface d'émission élémentaire des VCSEL de la
zone périphérique 33 de la surface d'émission 26 de sorte à obtenir une
densité
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d'énergie non uniforme (dans le C-VCSEL). En variante, l'unité de commande 29
commande les alimentations en courant 28 de sorte à délivrer une densité de
courant non uniforme dans la zone périphérique 33 de la surface d'émission 26.
Un exemple de profil d'émission du C-VCSEL présentant une telle densité
d'énergie dans la zone périphérique 33 de la surface d'émission 26 est
illustré à la
figure 6. Dans cet exemple, le corps 21 est un cylindre de révolution et le
profil
d'émission présente une symétrie de révolution autour de l'axe longitudinal 22
du
corps 21. On voit sur la figure 5 que la source de lumière 23 est configurée
pour
émettre une énergie décroissante depuis le bord de la zone centrale 34 vers le
bord de la surface d'émission 26. Plus précisément, sur une première zone
s'étendant depuis le bord de la zone centrale 34, l'énergie décroît à mesure
que
l'on s'éloigne de la zone centrale 34 passant d'un niveau d'énergie élevé à un
niveau d'énergie moyen haut, puis, sur une deuxième zone s'étendant depuis le
bord de la première zone vers le bord de la surface d'émission 26, l'énergie
décroît à nouveau à mesure que l'on s'éloigne de la zone centrale 34 passant
d'un
niveau d'énergie moyen faible à un niveau d'énergie faible. A l'interface
entre la
première zone et la deuxième zone, le niveau d'énergie est donc discontinu. La
figure 7 illustre en outre la répartition de l'énergie émise par l'élément
injecteur 20
sur toute la longueur du corps 21, lorsque les VCSEL ont un tel profil
d'émission
d'énergie. On observe en comparant cette figure à la figure 5 que le profil
d'émission illustré à la figure 6 permet d'améliorer encore l'uniformité de la
répartition de l'énergie émise par l'élément injecteur 20 le long du corps 21.
Des
résultats similaires sont obtenus avec un élément injecteur 20 tel qu'illustré
à la
figure 12, ce dernier présentant alors un profil d'émission globalement
uniforme
sur toute la surface des plaques 21a, 21b.
Le fait d'utiliser un C-VCSEL comme source de lumière 23 en combinaison
des éléments optiques 35i permet en outre de réaliser des éléments injecteurs
de
grande longueur (supérieure à un mètre) (cas du corps 21 cylindrique illustré
aux
figures 1 et 3) ou de grande surface (cas du corps 21 de la forme d'un
parallélépipède rectangle illustré à la figure 12) et qui présente un
rendement
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(puissance transférée au milieu de culture/puissance émise par le C-VCSEL)
particulièrement élevé, notamment supérieur à 90%.
Dans les exemples illustrés aux figures 1 et 2, la surface d'émission 26 du
C-VCSEL est sensiblement de mêmes dimensions que la section transversale du
corps 21. En variante, comme illustré aux figures 12 et 13, la surface
d'émission
26 peut également être de dimensions inférieures à la section transversale du
corps 21. Dans ce dernier cas, l'élément injecteur 20 peut en outre être
pourvu
d'un système optique projetant une image agrandie du C-VCSEL, de préférence
de la section du guide optique, sur la lentille (ou le prisme) divergente 351
située
en entrée du corps 21. Ce dispositif bien connu de l'homme de l'art comprend
au
moins deux lentilles ou deux prismes.
L'unité de commande 29 peut également être configurée pour piloter la
source de lumière 23 de sorte qu'elle émette une lumière pulsée. En
particulier,
avec les VCSEL, la lumière peut être modulée à des fréquences élevées,
notamment au-delà du GHz. Au contraire, les LEDs peuvent difficilement aller
au-
delà de 100 MHz.
L'élément injecteur 20 peut également être adossé à un caloduc plan
configuré pour récupérer les pertes thermiques de la source de lumière 23. Le
caloduc plan est placé en contact avec la source de lumière 23, à l'extérieur
de
l'enceinte de culture 11. De cette manière, la température de l'enceinte de
culture
11 est maintenue plus facilement à une température ad hoc pour la croissance
de
micro-organismes photosynthétiques.
On notera que pour une utilisation dans un photobioréacteur, la source de
lumière 23 (ou le C-VCSEL) est configurée pour émettre des longueurs d'onde
correspondant à la lumière rouge, notamment allant de 620 à 780 nm.
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Cas de l'éclairage domestique, notamment d'éléments injecteurs de lumière
blanche
Les figures 8, 9, 10, 11 et 13 montrent un élément d'éclairage 50 pour
éclairage domestique selon différentes formes de réalisation de l'invention.
L'élément d'éclairage 50 comprend un élément injecteur de lumière 20 tel
que précédemment décrit.
Pour un usage de l'élément injecteur 20 pour l'éclairage domestique,
l'élément injecteur 20 comprend par exemple un luminophore 39 appliqué le long
de la paroi latérale du corps 21. Le luminophore 39 est par exemple protégé
par
encapsulation dans un matériau transparent organique ou minéral, comme cela
est par exemple illustré à la figure 9. Le corps 21 peut également présenter
une
double paroi 24 entre laquelle le luminophore 39 est disposé, comme cela est
par
exemple illustré aux figures 8 et 10. Pour obtenir un élément injecteur 20
émettant
une lumière blanche, le luminophore 39 est un mélange de trois luminophores
différents (Rouge Vert Bleu ou RVB) et la source de lumière 23 (ou le C-VCSEL)
est configuré pour émettre des longueurs d'onde correspondant à la lumière
bleue, notamment allant de 446 à 500 nm.
On note que le processus de conversion de la lumière bleue en lumière
blanche par un luminophore supprime le caractère directionnel de la lumière.
En
d'autres termes, la lumière primaire est bleue est directionnelle (laser)
alors que la
lumière émise par le luminophore est diffuse. Cette dernière ne peut pas se
propager dans le guide de lumière et être facilement configurée pour obtenir
un
flux homogène en surface externe de l'injecteur.
En variante, lorsque la source de lumière 23 comprend un C-VCSEL, le C-
VCSEL comprend un premier groupe de VCSEL configuré pour émettre des
longueurs d'onde correspondant à la lumière rouge, notamment allant de 620 à
780 nm, un deuxième groupe de VCSEL configuré pour émettre des longueurs
d'onde correspondant à la lumière bleue, notamment allant de 446 à 500 nm, et
un troisième groupe de VCSEL configuré pour émettre des longueurs d'onde
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correspondant à la lumière verte, notamment allant de 500 à 578 nm. Pour cela,
il
est par exemple possible de réaliser des épitaxies localisées de sorte à
obtenir les
premier, deuxième et troisième groupes de VCSEL, et de les imbriquer les uns
dans les autres de manière à avoir en tout point du C-VCSEL de préférence des
5 sous-groupes de VSCEL comprenant un VSCEL rouge, un VSCEL vert, et VSCEL
bleu. On comprendra que selon cette variante des faisceaux de couleur rouge,
bleue et verte sont émis par le C-VCSEL et sont ensuite mélangés dans le corps
21 de l'élément injecteur 20 de sorte à obtenir une émission de lumière
blanche
vers l'extérieur de l'élément injecteur 20.
Pour une utilisation de l'élément injecteur 20 en plafonnier, les formes de
réalisation suivantes ont été réalisées.
Selon une première forme de réalisation illustrée à la figure 8, le corps 21
de l'élément injecteur 20 a la forme d'un cylindre de révolution et l'élément
d'éclairage 50 comprend en outre un miroir 40 placé en regard et à distance du
corps 21, de sorte à réfléchir la lumière blanche émise par l'élément
injecteur 20
vers l'arrière (le plafond) en direction de l'avant (le sol de la pièce).
Le miroir 40 s'étend par exemple selon un axe longitudinal parallèle à l'axe
longitudinal 22 de l'élément injecteur 20 et présente une section transversale
sensiblement en U renversé. Le miroir 40 comprend pour cela un premier pan
placé parallèlement au plafond et des deuxième et troisième pans s'étendant de
part et d'autre du premier pan de sorte à former avec ledit premier pan un
angle
d'environ 120 . On comprendra que selon cette forme de réalisation, l'élément
injecteur 20 émet de la lumière sur toute sa circonférence (27).
Selon une deuxième forme de réalisation illustrée à la figure 9, le corps 21
de l'élément injecteur 20 a la forme d'un cylindre de révolution et, sur une
partie
du corps 21 correspondant à un demi-cylindre, le luminophore est remplacé par
un
miroir 41 présentant une surface réfléchissante en regard de l'intérieur du
corps
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21 de sorte à réfléchir vers l'intérieur du corps 21 l'énergie émise vers le
miroir 41.
La partie du corps 21 accueillant le miroir 41 est destinée à être placée en
regard
du plafond de sorte à réfléchir vers l'intérieur du corps 21 l'énergie émise
par
l'élément injecteur 20 vers le plafond. On comprendra que selon cette forme de
réalisation, l'élément injecteur 20 émet de la lumière sur une demi-
circonférence
(7).
Selon une troisième forme de réalisation illustrée aux figures 10 et 11, le
corps 21 de l'élément injecteur 20 a la forme d'un demi-cylindre de révolution
dont
la paroi latérale plane 24a est pourvue d'un miroir plan 42 de sorte à
réfléchir vers
l'intérieur du corps 21 l'énergie émise vers le plafond le miroir 42, et la
paroi
latérale convexe 24b est pourvue du luminophore 39. La paroi latérale plane
24a
est destinée à être placée en regard du plafond de sorte à réfléchir vers
l'intérieur
du corps 21 l'énergie émise par l'élément injecteur 20 vers le plafond. Un
luminophore 39 peut par exemple être déposé contre la surface extérieure de la
paroi latérale convexe 24b, puis encapsulé pour le protéger de l'environnement
extérieur. On comprendra que selon cette forme de réalisation, l'élément
injecteur
émet de la lumière sur une demi-circonférence (7).
Selon cette forme de réalisation, la surface d'émission 26 du C-VCSEL
20 présente de préférence la forme d'un demi-disque, la section en ligne
droite 260
du demi-disque étant disposée parallèlement à la paroi latérale plane 24a du
corps 21 sans cependant la toucher.
Selon cette forme de réalisation, le C-VCSEL est en outre, de préférence,
configuré pour compenser la perte de densité d'énergie reçue au niveau du sol
quand on s'éloigne perpendiculairement à l'axe longitudinal 22 de l'élément
injecteur 20, de sa projection sur le sol. Pour cela, on fait croître la
densité
surfacique de VCSEL quand on se déplace sur une ligne perpendiculaire à la
section en ligne droite 260 de l'injecteur, en se rapprochant de cette section
en
ligne droite 260. La fonction de variation de la densité surfacique de VCSEL a
de
CA 02965766 2017-04-24
WO 2016/083547 PCT/EP2015/077849
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préférence une dépendance quadratique, liée à la distance entre l'axe
longitudinal
22 de l'élément injecteur 20 et le point éclairé considéré sur le sol.
Autrement dit, le C-VCSEL est configuré pour émettre une quantité
d'énergie lumineuse décroissante à mesure que l'on s'éloigne de la section en
ligne droite 260 de la surface d'émission 26 dans une direction 261 s'étendant
perpendiculairement à ladite section en ligne droite 260. Pour cela, les VCSEL
peuvent par exemple être alignées parallèlement à la section en ligne droite
260
de la surface d'émission 26, la distance entre deux lignes 262 adjacentes de
VCSEL augmentant à mesure que l'on s'éloigne de la section en ligne droite 260
de la surface d'émission 26 dans la direction 261. La croissance de la densité
surfacique de VCSEL dans le C-VCSEL augmente par exemple de manière
quadratique à mesure que l'on s'approche de la section en ligne droite 260 de
la
surface d'émission 26 dans la direction 261. Selon ce mode de réalisation
particulier, les VCSEL peuvent présenter dans le C-VCSEL une surface
d'émission élémentaire de mêmes dimensions. Alternativement, on peut diminuer
la surface d'émission élémentaire des VCSEL à mesure que l'on s'éloigne de la
section en ligne droite 260 dans la direction 261. On comprendra que cette
augmentation quadratique de la densité de VSCEL quand on se déplace en
direction du bord droit du circuit C-VCSEL (suivant la direction 261) permet
de
maintenir constante la densité d'énergie arrivant sur le sol, quand on se
déplace
sur le sol perpendiculairement à l'axe 22 de l'injecteur. L'application de
cette
correction du flux arrivant sur le sol est limitée par la densité maximale de
VCSEL
implantés dans le C-VCSEL. Cette technique permet d'élargir significativement
le
champ d'éclairage perpendiculairement à la direction 22.
Selon cette forme de réalisation, les éléments optiques 35i et leur ouverture
38i présentent de préférence une forme de demi-lentilles trouées en leurs
centres
pour répartir l'énergie du faisceau de lumière entre les éléments 35,. La
section en
ligne droite des demi-lentilles étant disposée contre la paroi latérale plane
24a du
corps. Dans ce cas, l'élément injecteur 20 pourra être réalisé en positionnant
les
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éléments optiques 35i dans le corps 21, puis en refermant le corps 21 au moyen
du miroir 42, ce dernier faisant alors office de couvercle.
Selon une quatrième forme de réalisation illustrée à la figure 13, l'élément
injecteur 20 correspond à un demi-élément injecteur 20 est tel qu'illustré à
la figure
12. Autrement dit, la première plaque 21a et le prisme 35i de chaque couple de
prismes 35i associé à ladite première plaque 21a sont remplacés par un miroir
plan 43 placé en regard de la deuxième plaque 21b, de sorte à réfléchir vers
l'intérieur du corps 21 l'énergie émise par l'élément injecteur 20 vers le
miroir 43.
Le miroir 43 est placé à une distance di/2 du deuxième bord des prismes 35i.
Le
miroir 43 est destiné à être placé en regard du plafond de sorte à réfléchir
vers
l'intérieur du corps 21 l'énergie émise par l'élément injecteur 20 vers le
plafond.
Un luminophore 39 peut par exemple être déposé sur la surface extérieure de la
deuxième plaque 21b, puis encapsulé pour le protéger de l'environnement
extérieur. On comprendra que selon cette forme de réalisation, l'élément
injecteur
20 émet de la lumière sur toute la surface de la deuxième plaque 21b.
Les injecteurs décrits aux figures 8 et 12 décrites¨ci-dessus peuvent
également être appliquées au cas de l'éclairage pour la culture intensive et
continue de microorganismes photosynthétiques. Dans ce cas, les éléments
d'éclairage 50 ne comprendront aucun luminophore 39 et la source de lumière 23
(ou le C-VCSEL) sera configurée pour émettre des longueurs d'ondes
correspondant à la lumière rouge, notamment allant de 620 à 780 nm. Les
injecteurs décrits aux figures 8, 9, 10, 11, 12 et 13 peuvent être utilisés
pour
l'éclairage plafonnier ou mural. Dans les versions décrites plus haut où on
utilise
des luminophores, on doit noter qu'il possible selon un choix judicieux de la
composition des luminophores d'obtenir des éclairages de diverses couleurs. De
même dans la version C-VCSEL RVB, un changement du poids relatif des
intensités lumineuses émises par chacun des groupes rouge, vert ou bleu permet
de modifier la couleur de la lumière émise par les éléments injecteurs 10.
