Brevet FR2086257A1 — publié le 19711231

La présente invention couvre un matériau eatadiop-trique, principalement destiné à la signalisation routière, par exemple par incorporation à des compositions à appliquer sur une surface routière pour former les baffices-banquettes 5 séparant les deux voies de circulation ou autres dispositifs de signalisation. Le matériau conforme à l'invention comprend des billes, sphérules ou perlettes en matière transparente, généralement en verre, revêtues par une autre composition ou matière réfléchissante ou fortement diffusante ou noyées 10 dans une telle composition ou matière. De tels matériaux catadioptriques sont bien connus et ne requièrent pas d'autre description. Ils sont largement utilisés pour l'établissement de signaux sur la surface routière ou sur les panneaux de signalisation verticaux ou autres, 15 de manière à être visibles pendant les heures de la nuit, lorsqu'ils sont frappés par la lumière projetée par les feux ou les lampes d'une automobile ou d'un autre véhicule. Ces matériaux connus présentent notoirement le sérieux inconvénient, qui est considéré être inévitable dans 20 la technique envisagée,de ne réfléchir la lumière que sui vant une direction assez proche de la perpendiculaire à la surface généralement plane incorporant ces sphérules et d'où ces sphérules font partiellement saillie par une calotte sphérique non revêtue, ou ûien, ils sont susceptibles d'être 25 éclairés à travers une couche transparente. Les phénomènes optiques donnant lieu aux effets de réflexion et de luminosité apparente qui en résulte sont bien connus et seront rappelés ci-après afin de permettre une meilleure compréhension de l'invention. Essentiellement, ces phénomènes ne se produi-30 sent dans une mesure satisfaisante que si ces sphérules ou perlettes sont constituées par un verre ayant un indice de réfraction bien déterminé, en fonction de la capacité pour ces sphérules ou perlettes de focaliser la lumière qui les frappe,par la calotte exposée, en un point diamétralement 35 opposé au centre de cette calotte et de renvoyer aussitôt la lumière dans la direction suivant laquelle elle a frappé ladite calotte. Ceci posé, l'invention a pour objet un matériau catadioptrique perfectionné, capable de réfléchir et de 4.0 renvoyer la lumière suivant des directions comprises dans 71 14323 -2- 2086257 un cône très ouvert allant jusqu'à 90° par rapport à l'axe de la calotte en saillie sur la surface essentiellement plane incorporant les sphérules. Le plus, le matériau conforme à l'invention est sufceptible de réfléchir d'une maaière satisfaisante la lumière dans les directions indiquées ci-dessus, même dans le cas où la calotte exposée est fortement endommagée ou ne présenterait plus sa conformation sphérique originelle. Le matériau conforme à l'invention est aussi susceptible de présenter un rendement optique élevé même pour des conditions atmosphériques défavorables, par exemple en cas de pluie, ou lorsque les parties exposées sont recouvertes d'une couche ou voile d'eau dont l'indice de réfraction modifie largement les conditions dans lesquelles les phénomènes optiques intéressés se produisent. Le matériau catadioptrique conforme à l'invention comporte essentiellement des sphérules ou perlettet, en verre, possédant un indice de réfraction convenable et dont la surface, à l'exclusion de la calotte exposée à la lumière incidente à réfléchir, est entourée d'éléments réfléchissants essentiellement sphériques, dont le rayon est beaucoup plus petit que celui des sphérules ou perlette^, de manière à former autant de points où le phénomène de la focalisation des rayons lumineux pourra se produire. En d'autres termes, ce matériau perfectionné est à même d'assurer un phénomène dit de "focalisation double", sous l'effet duquel le rendement optique et l'angle au sommet du cône des directions dans lesquelles la lumière peut être reçue et réfléchie, sont accrus d'une manière surprenante. Les caractéristiques et les avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description détaillée suivante et en se référant àux dessins annexés sur lesquels : La fig. 1 fait voir, en coupe, à une échelle fortement grossie, un matériau catadioptrique de type bien connu, dans des conditions d'éclairage déterminées, pour en démontrer Les caractéristiques et les phénomènes optiques susceptibles d'être exploité» suivant une technique bien connue. La fig. 2 montre d'une manière similaire le matériau connu de la fig. 1 sous différentes conditions d'éclairage, pour montrer les limites des possibilités de réflexion pour des directions déterminées d'incidence de la lumière. bad original 71 14323 -3- 2086257 La fig. 3 est un graphique représentant le point critique dans le cas de l'adoption de matériaux ayant un indice de réfraction déterminé, afin d'obtenir un résultat suffisant, toujours dans les limites correspondant à la fig. 2. 5 La fig. 4 montre à une échelle fortement grossie un matériau suivant une première forme de réalisation de l'invention, assurant un rendement optique élevé ïe réflexion de la lumière incidente pratiquement sous n'importe quel angle. La fig. 5 représente à une échelle fortement gros-10 aie, un détail du matériau perfectionné de la fig. 4. La fig. 6 est un graphique dans lequel on compare les capacités de réflexion utile de la lumière du matériau connu d'une pârt, et d'à matériau perfectionné d'autre part, les conditions d'exposition et d'éclairage étant les mêmes 15 dans les deux cas. La fig. 7 montre une variante de réalisation du matériau représenté en fig. 4. La fig. 8 représente, à une échelle fortement grossie une partie du matériau de la fig. 7 avec indication de phé-20 nomènes complémentaires avantageux. La fig. 9 montre une autre variante de réalisation du matériau perfectionné, destiné particulièrement, mais non exclusivement à être utilisé sous forme d'un agglomérat de perlettes en verre entièrement incorporées à une matrice plas-25 tique. La fig. 10 représente une autre variante encore de réalisation du matériau catadioptique. La fig. 11 montre à une échelle grossie une partie du matériau de la fig. 10. ■30 Examinons d'abord les matériaux de type bien connus, considérés maintenant comme les meilleurs actuellement disponibles et représentés aux figs. 1 et 2. Suivant la technique bien connue, le matériau catadioptrique est composé d'éléments constitués par des sphérules ou perlettes 10 en ma-35 tière transparente, par exemple en verre, revêtues d'une couche réfléchissante 12 qui s'enlève ou disparait par suite de l'usure de la partie ou calotte faisant saillie au-delà du niveau L de la surface exposée de la matrice ou duncomposé bien connu par lui-même tel qu'un vernis, aggloméré ou 40 autre, composé dans leqWel des perlettes sont encastrees. 7i 14323 "4~ 2086257 En moyenne, la saillie de la perlette 10 au-delà du niveau I peut être considérée comme égale à la moitié de son rayon. Comme représenté en fig. 1, cette perlette 10 est supposée frappée par un faisceau P de lumière dont l'axe passe 5 par le centre de la perlette et est perpendiculaire à la corde de la calotte exposée. Si le matériau formant la perlette 10 possède un indice de réfraction approprié compris entre 1,90 et 1,95 et, plus exactement de 1,92, le faisceau ]? de lumière est focalisé au point P diamétralement opposé de la perletteet 10 est renvoyé suivant des directions parallèles aux rayons incidents, ceci naturellement dans les limites imposées par les tolérances de sphéricité, d'homogénéité et de réflexion du système catadioptrique. Comme on le sait, ces conditions de focalisation produisent une inversion des rayons lumineux, à 15 savoir un rayon parallèle à l'axe de la calotte, et renvoyé suivant une trajectoire symétriquement opposée à celle de son incidence. Par exemple, le rayon B. est réfléchi dans la direction indiquée par R'. Ces conditions sont cependant valables dans une zone 20 limitée à une section donnée du faisceau lumineux P, par rapport au diamètre de la perlette. L'effet catadioptrique utile se produit seulement pour les rayons contenus dans un faisceau F arrivant sur la calotte à l'intérieur d'une cône d'angle au sommet d qui ne peut comme on le sait, dépasser 25 environ 74°. L'importance de l'indice de réfraction du verre, constituant les perlettes 10 est notoire et pratiquement de valeur critique. Comme indiqué sur le graphique de la fig. 3, la courbe C indique le pourcentage de la surface utile ( # Su) par rapport à la surface totale, pouvant recevoir un faisceau 30 de rayons et le réfléchir, en fonction de l'indice de réfraction n^ du matériau composant la perlette. Ces matériaux bien connus sont en mesure de réfléchir un faisceau lumineux frappant la calotte exposée même sous des directions différentes de la perpendiculaire à la surface 35 totale L du dispositif catadioptrique, à savoir, ils peuvent réfléchir les faisceaux lumineux dont l'incidence va jusqu'à un angle par rapport à cette direction perpendiculaire. La réponse optique maxima du système intervient exclusivement lorsque cet angle d'incidence p est inférieur à une valeur 40 B' = « 2 71 14323 -5- 2086257 où En effet, eomme on peut le voir, en fig. 2, tandis que les faisceaux lumineux P1 et P" peuvent être entièrement réfléchis, en se focalisant aux points diamétralement opposés P» et P", un faisceau lumineux , dont l'axe passe le long de la périphérie de la calotte, n'est pratiquement pas réfléchi, car en raison de l'inversion des rayons lumineux par rapport à l'axe du faisceau passant par le centre de la sphérule, les rayons pouvant frapper cette calotte, par exemple le rayon R^ focalisé en P^ est réfléchi suivant R^' et puis dispersé. la fig. 1 montre par exemple, comment un rayon incident R par- A venant sous un angle très grand par rapport à la perpendiculaire au plan 1 est renvoyé dans une direction Rx, après une double réfDation, sans aucun avantage. Suivant l'invention et comme représenté en fig. 4> chaque élément individuel du matériau complexe comprend une sphérule ou perlette 20 entourée ,1e long de sa partie non exposée, par un grand nombre de perlettes plus petites 22, reliées à la perlette centrale plus grosse 20 par un matériau adhésif transparent, par exemple un polymère de type bien eon-nu. Les surfaces des perlettes 22 opposées à la grosse perlette 20 sont revêtues par une couche réfléchissante 24. En fig. 4 et d'une façon analogue sur les figures restant à décrire .ei-après, la couche réfléchissante est indiquée par une ligne très épaisse. La perlette centrale plus grosse 20 est pratiquement susceptible de focaliser les faisceaux lumineux incidents en des points correspondants de sa surface, les perlettes plus petites 22 focalisant à leur tour, les rayons frappant celles-ci. On obtient ainsi deux avantages très importants, à savoir : toute l'étendue angulaire etJ de la calotte est utilisée et utilisable pour obtenir la réponse optique. En R et R', on a reproduit les conditions indiquées à la fig. 1, mais les rayons extérieurs à la zone angulaire des matériaux connus, par exemple le rayon R? est réfléchi en R2't % autrement dit, le matériau est en mesure de réfléchir un faisceau lumineux d'une étendue P , pratiquement égale à l'étendue de la calotte ex>posée. On obtient ainsi une luminosité apparente plusieurs fois supérieure, sous un éclairage à peu près perpendiculaire à la surface du niveau L, à celle 71 14325 ~6- 2086257 fournie par les matériaux bien courras antérieurs Le matériau perfectionné est à même de renvoyer, dans la direction d'incidence et en sens opposé, les rayons frappant la calotte exposée sous n'importe quel angle $ par rapport à la perpendiculaire. Par exemple, les rayons E^, E^, et 2^ d'un faisceau rasant F , en se réfractant dans la perlette principale 20 arrivent res-pectiveœents aux points P , p et Pc où. ils sont focalisés par les perlettes 22 plub petites qui as trouvent en regard, poux" être renvoyés à peu px-èg dans la direction-même de leur incidence » Hs phénomène de la focalisation dans les petites perlettes extérieures est représenté evec plus de détail en fig.5 pour lec rayons E„ et R. oui» après avoir traversé la couche "J 4- d'adhésif transparent 26 sont, focalisés en P_, et p. dans les 3 4 perlettes plu3 petites ?2/3 et 2?/4» ces phénomènes de focalisation locale f, et F, se produisant individuellement dans 3 4^ toutes les zones ce transfert dans les deux sens pour les rayons lumineux; à savoir la grosse perlette 20 st les perlettes plvs petites 22= Ces phénomène & ne se produisent évidemment que pour autant que ckscu& de ces faisceaux de rayons locaux soit contenu dans le.-> acnés angulaires oc ^ et a^, campa failles avec las capacités de focalisation ces perlettes plus petites elles-sêmes« Ces perlettes, étant noyées dans un milieu transparent tel que l'adhésif 26 présentant naturellement son propre indice de réfraction, doivent être composées par un verre possédant, un indice de réfraction suffisamment élevé pour se rapprocher ds rapport le plus favorable '!/*'•»32 entre l'indice de réfraction propre des perlettes 22 et celui du matériau transparent 26, En fig. 6, les courbas et S„_ indiquent le pour- y vS centage de la réponse optique en fonction de l'angle d'incidence B» en supposant que 100;- -soit la. valeur la plus élevée réalisable peur le matériau établi t-oasse en fig» 4 pour le matériau connu respectivement, l'éclairage et les autres conditions étant les mêmes dai»« les deux cas. On observe, que quand l'angle $ dépasse environ 30®, la réponse optique du matériau connu diminue et s'annule pour environ 75°, tandis que le matériau perfectionné aesyre une réponse qui est toujours plus favorable et présente une valeur maximum à environ 60° et pour 9Û° environ, la réponse optique est enco- bad original 71 14323 "7" 2086257 re supérieure au maximum du matériau connu, éclairé sous de petits angles p. Pour pouvoir utiliser aussi pour la formation des perlettes plus petites 22, des verres présentant un indice de réfraction plus faible et qui sont moins coûteux, ét plus résistants aux conditions atmosphériques, iî est prévu suivant la variante de réalisation de la fig. 7» que la couche réfléchissante 124 est écartée de ces perlettes plus petites, par exemple, au moyen d'une couche mince de matière adhésive 126, englobant entièrement ces perlettes plus petites. Dans ce cas, le point de focalisation dans les perlettes plus petites, peut se trouver à l'extérieur de celles-ci. Par. exemple, le rayon Rg est localisé en Pg et est renvoyé dans la direction Rg,. Comme on peut le voir en fig. 8, l'application de la matière adhésive à l'état liquide provoque la formation de petits ménisques en 128, entre les petites perlettes qui se succèdent sans être jointivës , ces ménisques formant eux -mêmes des surfaces réfléchissantes focalisantes du fait qu' ils constituent des calottes approximativement sphériques. Par exemple, le rayon R^ est réfléchi suivant sa propre direction d'incidence. L'analogie optique entre un système dioptrique et un système catadioptrique peut être exploitée, conformément à l'invention, par êxemple comme représenté à la fig. 9. Dans une matrice transparente, constituée par exemple par un polymère 226, sont immergées des perlettes plus grosses 20 à surface non revêtue et des perlettes plus petites 122 entièrement recouvertes par une couche réfléchissante. On obtient ainsi un aggloméré catadioptrique à rendement très élevé, les perlettes plus petites 122 affleurant au niveau 1 perdent leur revêtement réfléchissant et agissent comme les systèmes catadioptriques connus. Les rayons tels que le rayon Rg frappant les perlettes plus grosses 20, sont infléchis à l'extérieur de celles-c, i par les calottes réfléchissantes matérialisées par les surfaces des sphérules 122 frappées par ces rayons, en produisant ainsi le phénomène analogue à celui décrit ci-dessus. Cette analogie peut être aussi exploitée en utilisant un matériau dans lequel la perlette 20 plus grosse est entourée par des surfaces convexes réjMchissantes. Par 71 i432^ 2086257 exemple, comme représenté en fig. 10, une perlette 20 peut être revêtue d'une matière transparente 326, sur laquelle on imprime lorsqu'elle est encore à l'état plastique, des évidements en forme de calottes sphériques, par exemple en faisant rouler ce matériau sur des perlettes qui sont ensuite retirées, la surface du matériau 326 est ensuite revêtue d'une couche réfléchissante ou tout au moins fortement diffusante. Ces revêtements sont enlevés ou éliminés par usure sur la partie de la perlette 20, exposée à l'extérieur du plan défini par le niveau 1. Ces petites calottes sphériques creuses 222 agissent individuellement, de la même manière que les surfaces réfléchissantes des sphérules 122 de la fig. 9. Comme on peut le voir sur la fig. 11, les rayons E^ et S1Q sont réfléchis dans la direction-même de leur incidence et leur seconde focalisation se produit au point virtuel Pg correspondant au centre de la calotte 222 intéressée. Dans ce cas, ainsi que dans les cas précédents, on peut utiliser des matériaux présentant un grand pouvoir réfléchissant, même lorsque le matériau e^t mouillé, par exemple, sous l'effet de la pluie. En considérant que l'eau présente un indice de réfraction égal à 1,33, la présence d'un voile d'eau sur la calotte exposée du matériau modifie la direction des rayons traversant les perlettes 20 plus grosses. Par exemple, en utilisant, pour la formation de ces perlettes, un verre ayant un indice de réfraction de l'ordre de 1,90-1,95, les rayons lumineux sont focalisés sur la surface de la grosse perlette 20, à savoir dans les conditions de la fig. 4. En choisissant des perlettes plus petites 22 ou 122 ou des calottes creuses 222 dont les centres soient écartés de la surface des grosses perlettes 20, on obtient, dans la mesure où les rayons tombant sur la grosse perlette recouverte d'eau vont se focaliser, une réponse optique identique avec le matériau sec qu'avec le matériau mouillé. les matériaux et les procédés utilisés pour la formation d'articles conformes à l'invention ne requièrent aucune description, du fait qu'ils sont du ressort de la têeh-nique courante en la matière. Des sphérules ou perlettes en verre possédant des indice s de réfraction les plus différents sont disponibles dans le commerce. Comme adhésifs transparents, on peut utiliser des polymères connus, tels 71 14323 -9- 2086257 que lea polyesters, les polymétacrylates etc. la formation des revêtements réfléchissants peut s'effectuer suivant différentes méthodes connues, par exemple par argenture, parrëlvête-ments d'aluminium, etc. Dans la mise en pratique de l'inven-5 tion, on peut utiliser des perlettes de dimensions différentes, suivant les convenances de fabrication et les besoins du service. Par exemple, les grosses perlettes ou sphérules pourront avoir un diamètre compris entre 10 et 0,2:, mm, tandis que les perlettes plus petites ou bien, les empreintes formant calottes 10 sphériques, pourront avoir un diamètre compris entre 2 et 0,005 mm. Le rapport entre les diamètres des grosses et des petites perlettes coit être au minimum égal à 5/1 et, de préférence, de 10/1 environ, mais il peut être aussi de beaucoup supérieur, jusqu'à 2000/1, sans qu'il convienne généralement 15 de dépasser le rapport de 100/1. Comme on le voit sur les figs. 4, 7 et 9» quand le matériau décrit est frappé par une lumière rasante, par exemple le faisceau de la fig. 4 et les rayons R^, R^ et Rg des figs. 7 et 9, la grosse perlette 20 a pour rôle essentiel celui 20 de dévier vers le bas les rayons incidents. Ce rôle est assuré par la différence entre l'indice de réfraction du verre de la grosse perlette et celui du milieu ambiant extérieur tel que l'air ou éventuellement l'eau. Une telle déviation vers le bas peut intervenir parfaitement aussi bien dans le cas où 25 la calotte exposée est endommagée ou même brisée. Cela peut se constater en particulier dans le cas de l'emploi préféré du matériau perfectionné pour signalisation sur la surface de routes, cas où il est extrêmement important de disposer d'un pouvoir de réflexion en lumière rasante, c'est-à-dire, aous 30 des angles £ proches de 90°, parce que le caractère essentiel des signalisations catadioptriques consiste à être clairement visibles à une grande distance pendant les heures de nuit, par réflexion de la lumière émise par les feux ou les lampes des automobiles. 71 14323 -m- 2086257 mnnciii o j _s 1. Matériau catadioptrique comportant djs éléments catadioptriques par eux-mêmes et constitués par des billes, sphérules ou perlettes en matière transparente, présentant un indice de réfraction déterminé, ces perlettes étant entourées par un revêtement ou une surface réfléchissante ou au moins fortement diffusante, les calottes de ces sphérules et perlettes faisant saillie par rapport à la matière transparente qui les entoure et qui sont découvertes et exposées à la lumière à réfléchir directement,- le matériau complexe étant caractérisé par le fait qu'au moins la majorité de ces sphérules ou perlettes est entourée à l'exclusion de ces calottes par d'autres éléments présentais! des surfaces sphériques susceptibles de réfléchir suivant des direction sensiblement parallèles aux directions d'incidence les r&ycns lumineux qui ont traversé au moins une partie ae la sphérule ou perlette correspondante d'où le rayon ainsi réfléchi, eat renvoyé à l'extérieur sensiblement auiacant la direction d'incidence du même rayon lumineux qui a frappé à l'origine la calotte exposée, le sens du rayon réfléchi étant opposé à celui du rayon incident. 2. Matériau catadioptrique suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport entre le rayon des grosses sphérules ou perlettes et celui des surfaces sphériques des autres éléments est compris entre 5/' et 2000/1 et, de préférence, entre 10/î et '00/1. 3. Matériau catadioptrique suivant les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le diamètre des grosses sphérules ou perlettes est compris entre 0 et 0,25 mm et, de préférence , entre 2 et 0,4 mm et ae2.il £€s r.-rfaees sphériques des autres éléments est cc&pris &nx'xf- 2 -vt 0,005 et, de préférence, entre 0,2 et 0,C2 &m.. 4» Matériau catadioptrique mirant les revendications 1 , 2 et 3, caractérisé en oe qm l-»a autres éléments présentant une surface sphérique sont constitués eux-mêmes par des sphérules ou perlettes plus petites que celles mentionnées en premier lieu. 5, Matériau catadioptrique suivant la revendication 4, caractérisé en ce que les petites sphérules ou perlettes sont maintenues autour des grosses sphérules ou perlettes au moyen d'un adhésif transparent susceptible d'être traversé bad original 71 14323 -11- 2086257 par des rayons progressant entre l'intérieur des grosses sphérules ou perlettes plus grosses et les surfaces sphériques définies par les petites perlettes. 6. Matériau catadioptrique suivant les revendica- 5 tions 4 et 5, caractérisé en ce que les petites perlettes sont recouvertes d'une couche réfléchissante sur leurs surfaces éloignées de la grosse perlette correspondante. 7. Matériau catadioptrique suivant la revendication 6, caractérisé en ce que la couche réfléchissante est écartée 10 de la surface des petites perlettes par une couche de matériau catadioptrique dont l'indice de réfraction est supérieur à celui des petites perlettes. 8. Matériau catadioptrique suivant les revendications 4 et 5» caractérisé en ce que les petites perlettes 15 sont entièrement revêtues d'une couche réfléchissante et sont disposées autour des grosses perlettes dans un aggloméré comprenant ces grosses et petites perlettes noyées dans une matrice transparente. 9. Matériau catadioptrique suivant l*une des reven-20 dications 6 ou 8, caractérisé F»n ce que les petites perlettes à une partie de la surface desquelles la couche transparente est adhérente, sont en un verre présentant un indice de réfraction supérieur à 1,90. 10. Matériau catadioptrique suivant les revendica-25 tions 1, 2 et 3, caractérisé en ce que les surfaces sphériques des autres éléments entourant les grosses perlettes sont constitués par des calottes sphériques creuses comportant un revêtement réfléchissant et imprimées dans une couche transparente entourant ces grosses perlettes et qui est supprimé sur la 30 calotte de la grosse perlette exposée à la lumière à réfléchir.