Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
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ELEMENT INJECTEUR DE LUMIERE
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 duquel 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. A cet effet, l'invention propose selon un premier aspect un
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élément injecteur de lumière comprenant un corps 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 comprend
une
pluralité de diodes laser à cavité verticale émettant par la surface, ladite
pluralité
5 de diodes étant disposées de sorte à former une surface d'émission
sensiblement
perpendiculaire à l'axe longitudinal du corps.
Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives :
= le corps présente une forme cylindrique, en particulier cylindrique
droite ou
parallélépipédique ;
= chaque diode présente une surface d'émission élémentaire, la surface
d'émission comprenant au moins l'ensemble des surfaces d'émission
élémentaire ;
= lesdites diodes sont associées de sorte à former un circuit intégré ;
= 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 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 ;
= 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 ;
= la source de lumière est configurée pour émettre une densité d'énergie
non
uniforme dans la zone périphérique de la surface d'émission ;
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= 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 alimentations en courant
configurées pour délivrer aux diodes une densité de courant électrique 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
= l'élément injecteur comprend au moins un élément optique ménagé à
l'intérieur du corps et configuré pour laisser passer une fraction du faisceau
de
lumière émis par la source 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
= 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 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 ;
= 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.
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 (12) 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.
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, comprenant un élément injecteur de lumière
selon un mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 2 représente une vue schématique, en coupe, d'une structure
d'une
diode laser à cavité verticale émettant par la surface (VCSEL) ;
- la figure 3 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 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 ;
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- la figure 5 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 6 représente une vue schématique, en coupe verticale, d'un
photobioréacteur comprenant un élément injecteur de lumière selon une
variante des modes de réalisation illustrés aux figures 1 et 3;
- 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 4 ;
- la figure 8 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 5 ;
- la figure 9 représente une vue en perspective, en coupe verticale, d'un
élément injecteur de lumière plan selon une variante des modes de
réalisation illustrés aux figures 1, 3 et 6 ;
- la figure 10 représente une vue en perspective, en coupe verticale, d'un
élément injecteur de lumière plan selon une variante des modes de
réalisation illustrés aux figures 1, 3, 6 et 9.
DESCRIPTION DETAILLEE
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
s'étendant selon un axe longitudinal 22. Dans une utilisation en
photobioréacteur,
l'axe longitudinal 22 de l'élément injecteur de lumière 20 coïncide
sensiblement
avec une direction verticale.
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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 est de
façon préférée creux pour éviter des pertes par absorption, mais on comprendra
qu'il peut éventuellement être en matériau transparent, voir plus loin. Dans
le cas
d'un corps 21 de la forme d'un parallélépipède rectangle, comme illustré à la
figure
9 ou à la figure 10, 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
une lentille d'entrée 30 divergente ou convergente configurée pour dévier le
faisceau de lumière, comme il sera expliqué plus loin.
Dans le cas d'un élément 20 creux, 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 élément plein, la présence d'une structure à
double
enveloppe (de sorte à avoir deux indices différents) avec éventuellement des
rugosités est nécessaire.
Dans le cas d'un corps 21 de la forme d'un parallélépipède rectangle,
comme illustré à la figure 9 ou à la figure 10, la lumière est émise
latéralement à
travers les plaques 21a, 21b. De préférence et pour des raisons de gestion des
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pertes thermiques de la source de lumière 23, on place celle-ci à l'extérieur
de
l'enceinte de culture 11, en regard d'une extrémité 25 proximale dudit corps,
notamment au contact d'un radiateur (préféré commun à tous les éléments
injecteurs) réfrigéré par un fluide caloporteur.
5 On comprendra que le présent élément injecteur diffuseur de lumière 20
ne
transfère l'énergie lumineuse du 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
de
l'éventuelle lentille 30, de la paroi latérale 24, ou d'éventuels autres
éléments
10 optiques 35i (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 comprend une pluralité de diodes laser à cavité
verticale émettant par la surface, dites 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 21. Les VCSEL sont
alimentées en courant électrique par l'intermédiaire d'au moins une
alimentation
en courant 28. La 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
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de la forme d'un parallélépipède rectangle, la surface d'émission 26 sera de
préférence une bande, comme illustré à la figure 9 ou à la figure 10.
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 2, 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,
- 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
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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
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
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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
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
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 uniforme (autrement dit, si les VCSEL ont la même impédance par
unité de surface, la tension est la même pour tous les VCSEL).
Dans l'exemple illustré à la figure 1, la source de lumière 23 est associée,
en amont du corps 21, à une lentille d'entrée 30 divergente ou convergente
configurée pour dévier le faisceau de lumière émis par les VCSEL vers la paroi
latérale 24 du corps 21. La lentille d'entrée 30 permet d'ajuster l'angle
d'attaque
du faisceau de lumière dévié contre la paroi latérale 24 du corps 21, de sorte
à
contrôler l'énergie émise par le corps 21. De préférence, l'angle d'attaque
est
choisi de sorte que l'énergie émise par l'élément injecteur soit 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
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amorcer la photosynthèse. L'angle d'attaque permet ensuite de déterminer la
focale f de la lentille d'entrée 30. On comprendra que le C-VCSEL permet
d'émettre un faisceau de lumière sensiblement cylindrique, parallèle à l'axe
longitudinal 22 du corps 21, et que de ce fait l'angle d'attaque du faisceau
de
lumière peut être plus aisément contrôlé par la lentille d'entrée 30. Par
ailleurs,
cela permet d'étaler la tâche lumineuse générée lorsque le faisceau de lumière
est
dévié par la lentille d'entrée 30 sur toute la longueur de la paroi latérale
24 du
corps 21 et ainsi de répartir l'énergie émise sur toute la longueur du corps
21.
Dans le cas d'un corps 21 de la forme d'un parallélépipède rectangle,
comme illustré à la figure 9, la lentille d'entrée 30 est remplacée par un
prisme
divergent 301 présentant une largeur et une longueur sensiblement égales à
l'épaisseur et à la largeur du corps 21, respectivement. Les faces du prisme
30'
peuvent être non planes afin de distribuer au mieux l'énergie le long des
plaques
21a, 21b du corps 21.
Dans les exemples illustrés aux figures 1 et 3, la surface d'émission 26 du
C-VCSEL est sensiblement de mêmes dimensions que la section transversale du
corps 21. Si la surface d'émission 26 du C-VCSEL est de dimensions inférieures
à la section transversale du corps 21, 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
située en entrée du corps 21.
Dans l'exemple illustré à la figure 1, l'élément injecteur 20 comprend en
25 outre un miroir 31 disposé à une extrémité distale du corps 21, i.e.
l'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
30 latérale 24 du corps 21. Le miroir d'extrémité 31 présente par exemple
une
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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
5 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 la fraction réfléchie par la paroi latérale
24 du
10 corps 21 vers 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
15 préférence de mêmes dimensions que la section transversale du corps 21.
Comme illustré à la figure 3, 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. 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 de l'invention, la source de lumière 23
est configurée pour émettre 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
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31 est limitée voire supprimée, 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
telle densité d'énergie dans 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.
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 seules 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 la ou les alimentations en courant 28 reliées aux VCSEL
de la zone centrale 34 de délivrer une densité de courant faible voire nulle,
et la ou
les alimentations en courant 28 reliées aux VCSEL de la zone périphérique 33
de
délivrer une densité de courant plus forte. Les VCSEL de la zone centrale 34
sont
de préférence éteintes. Les VCSEL peuvent également être commandées en
tension.
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
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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
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 5. 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.
Dans l'exemple illustré à la figure 6, l'élément injecteur 20 comprend en
outre une pluralité d'éléments optiques 35i ménagés à l'intérieur du corps 21
à
distance 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 est ponctionné d'une partie de son énergie pour la transmettre
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 que le
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premier élément optique 351 peut jouer le rôle de la lentille 30 d'entrée, et
ainsi la
remplacer.
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.
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
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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 6, 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 cet exemple, 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 la 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
progressivement de l'énergie du faisceau de lumière pour la 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
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
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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
uniforme sur toute la longueur du corps 21, les paramètres de chaque lentille
35i
5 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
prendre en compte, pour la croissance de micro-organisme photosynthétique, le
10 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 dévier vers
l'extérieur du
corps 21 de manière contrôlée.
15 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 laser 23. On comprendra en
effet
20 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.
En variante, dans le cas particulier d'un corps 21 de la forme d'un
parallélépipède rectangle, comme illustré à la figure 10, 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
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21
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.
Les figures 7 et 8 illustrent la répartition de l'énergie émise par un élément
injecteur 20 à corps 21 cylindrique comprenant des éléments optiques 35i,
respectivement lorsque les C-VCSEL suivent les profils d'émission illustrés
aux
figures 5 et 6. On observe que l'élément injecteur 20 permet d'émettre un
niveau
d'énergie globalement uniforme sur tout le long du corps 21, lorsque les C-
VCSEL
ont le profil d'émission illustré à la figure 5, et 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 10, ce
dernier
présentant alors un profil d'émission globalement uniforme sur toute la
surface des
plaques 21a, 21b.
Le fait d'utiliser des éléments optiques 35i en combinaison d'un C-VCSEL
comme source de lumière 23 permet de réaliser des éléments injecteurs 20 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 10) et qui présente un
rendement
(puissance transférée au milieu de culture/puissance émise par le C-VCSEL)
particulièrement élevé, notamment supérieur à 90%.
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.
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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.
