Brevet FR2507741A1 — publié le 19821217

La présente invention concerne les systèmes récupérateurs de flux lumineux susceptibles de coopérer avec une source lumineuse pour créer un faisceau de rayons lumineux centré autour d'une direction déterminée, notamment dans les appareils de signalisation ou d'éclairage utilisés sur les véhicules automo- biles, c'est-à-dire les feux ou les projecteurs, De tels récupérateurs de flux sont connus dans leur principe depuis longtemps : placés au devant d'une source lumi- neuse, ils interceptent une partie des rayons lumineux émis et les transforment en un faisceau utile pour la signalisation et/ou l'éclairage ; le système le plus simple à cet égard est constitué d'une lentille convergente placée devant la source ; des systèmes plus élaborés ont été proposés, susceptibles d'être constitués de lentilles de Fresnel, de prismes travaillant en réfraction, de prismes travaillant en réflexion totale. La présente invention a pour objet un récupérateur de flux du type précité, remarquable par une ou plusieurs des propriétés suivantes : a) il possède un tres haut rendement global en (tant en particulier susceptible d'intercepter et de ramener S une direction utile les faisceaux lumineux émis par la source sur un angle solide supérieur à 2 w; b) il possède un très haut rendement intrinsèque, les pertes de flux encourus lors du changement de direction des rayons lumineux issus de la source et renvoyés dans use direction utile étant très réduits ;; c) la luminance du faisceau qu'il émet (ctest-a-dire l.'eclairement par unité de surface d'un écran de rEference place au devant de lui) est sensiblement constante. Grâce cet ensemble de propriEtes, un tel récupéra- teur de flux peut être utilisE en coopération avEc une source lumineuse pour créer un dispositif de signalisation ou d'eclai- rement pour véhicules automobiles qui se révèle supérieur aux dispositifs classiques faisant intervenir un réflecteur coopérant avec une source lumineuse : la supénorité tient en particulier au rendement en flux et à l'uniformité de la luminance du faisceau produit. Bien entendu, l'invention concerne aussi lesdits dispositifs de signalisation et d'éclairage (feux et projecteurs) incorporant de tels récupérateurs de flux. Pour atteindre de tels résultats, le récupérateur de flux selon l'invention est caractérisé par sa forme générale et par sa structure constitutive. Il enveloppe la source lumineuse sur un angle solide supérieur à 27T, et, au groins sur une zone s'étendant en arrière de la source lumineuse, il est constitué d'une pluralité d'élements prismatiques de révolution disposés autour d'un axe optique central sur lequel est placé la source, chaque élément prismatique travaillant en réflexion totale et comportant à cet effet une facette interne dont les génératrices s'étendent dans une direction proche de l'axe optique, et un couple de facettes exter nes coqpartant une fa facette à réflexion totale et une facette de sortie orientées pour que deux éléments prismatiques adjacents émettent des pinceaux lumineux exactement adjacents, sans écart ou chevauchement. Dans une variante préférentielle, les facettes internes sont groupies deux à deux selon des faces et'entrée communes à deux éléments prismatiques adjacents. Selon une autre caractéristique, le récupérateur de flux selon l'invention comporte, autour de son axe optique, une zone arrière du type précité, et une zone avant constituée par une lentille de Presnel divergente, réunies par une région intermédiaire délimitée par des surfaces prismatiques. Selon une autre caractéristique de l'invention, la ré- gion internédiaire comporte une prenière zone antérieure compor- tant des surfaces prisnatiques extérieures travaillant par réfraction et une seconde zone, postérieure, comportant des sur faces prismatiques internes travaillant en réflexion totale. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui v suivre en se référant aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une vue générale, en demi-coupe axiale passant par l'axe optique, d'un feu équipé d'un récupé- rateur de flux selon l'invention ; - la figure 2 est une vue en coupe similaire illustrant la constitution de la zone arrière du récupérateur - la figure 3 est une coupe de entre nature illustrant la constitution de la zone avant et de la région intermédiaire. la figure 1 représente en demi-coupe axiale un récupé- rateur de flux selon l'invention coopérant avec une source lunineuse pour permettre la réalisation d'un feu de signalisation pour véhicule automobile. L'ensemble du feu selon l'invention est organisé autour d'un axe optique central A-A. Une lampe X, d'un type classique, est disposée sur l'axe A-A. Son filament F est disposé sur cet t axe. D'une nanière connue en elle-même, un ballon B, qui peut avoir toute coloration voulue, enveloppe la lampe L. Comme on le voit sur la figure, les rayons issus du filament F, soit par exemple R1, R2, sont déviés par le récupérateur 100, de manière à sortir du feu, en traversant sa glace de fermeture G, en étant sensiblement parallèles à l'axe optique A-A, ou, en tout cas, centrés autour de l'axe optique A-A. La constitution du réccpérateur de flux 100, et sa coopération avec la source lumineuse F, constituent l'essentiel de l'invention. Tout d'abord, comme on le soit sur la figure 1, le récupérateur de flux 100 selon l'invention, enveloppe la source lumineuse (filament lunineux) F sur un angle solide supérieur à 2#. Cet angle solide est défini par le demi-angle au sommet &alpha;, représenté sur la figure 1. Avec les matériaux traditionnellement employés pour la constitution de pièces optiques, la valeur de l'angle &alpha; peut aller jusqu'à un maximum de 1350. Comme on le verra par la suite, le caractère enveloppant du récupérateur 100 est rendu possible par la constitution optique de ses différentes zones. On comprend en tout cas facilement que le réccpérateur de flux selon l'invention est ainsi caractérisé par un très haut rendement global, puisqu'il permet d'utiliser le flux émis selon un angle solide aussi grand, ses performances n'étant pas atteintes par les dispositifs de la technique antérieure, notarmrnt les dispositifs dans lesquels la source lumineuse coopère avec un réflecteur (qui reçoit en général le flux lumineux de la source sous un angle inférieur à 2#). Pour ce faire, le réccpérateur de flux 100 est constitué de diverses zones, concentriquement disposées autour de l'axe A-A selon des secteurs circulaires successifs. Du centre à la périphérie, il comporte ainsi quatre zones successives Z0, Z1, Z2, et Z3. L'organisation individuelle des zones, ainsi que leur combinaison, sont caractéristiques de l'invention. La caractéristique prenière de l'invention réside dans la zone périphérique arrière Z3. Cette zone s'étend en arrière de la source lumineuse F, oe qui constitue une caractéristique topologique nouvelle pour un récupérateur de flux. Elle est constituée d'une série d'éléments prismatiques juxtaposéstra- vaillant en réflexion totale. La figure 2 illustre précisément la constitution de cette zone. Comme on le voit sur la figure 2, la zone Z3 est cons tituée d'une série d'éléments prismatiques e, juxtaposes, chaque élément comportant une facette d'entrée f1, une facette de réflexion totale f2 et une facette de sortie f3. Les différentes facettes f1 sont séparées les unes des autres par des décrochemonts d. La détermination de la succession des éléments pris matiques e est faite en respectant les conditions suivantes - premièrement, les décrochements tels que d coïncident avec le rayon lumineux local issu du filament F et pénétrant dans le récupérateur 100 au voisinaae d'une arête interne telle que a ; - deuxièmement, les facettes d'entrée, telles que fl (qui peuvent être groupées deux a deux, comme représenté, pour constituer des faces d'entrée communes â deux éléments e adjacents), sont des surfaces tronconiques d'axe A-A, et dont les génératrices sont aussi proches que possible de la direction de l'axe A-A.Ainsi, les facettes d'entrée fl les plus en avant ont-elles des génératrices qui font avec l'axe A-A un angle très faible (par exemple de l'ordre de 50), correspondant à la de- pouille de démoulage nécessaire au démoulage du récupérateur de flux 100, qui se fait selon l'axe A-A. L'angle entre la génératrice des facettes d'entrée f1 et l'axe A-A est maintenu aussi faible que possible. Il augmente régulièrement de l'avant à l'arrière de la zone Z3, tout en restant aussi faible que possible. Il est par exemple de l'ordre de 100 pour la facette d'entrée la plus en arrière. - troisièmement, les facettes de réflexion totale f2 et de sortie f3, sont choisies, d'un élément au suivant, pour que deux pinceaux lunineux adjacents se retrouvent, ccmme représenté sur la figure 2, à l'état de pinceaux lumineux rigoureusement adjacents P1 et P2 a la sortie respective de deux éléments e adjacents (comme représenté sur la figure 2). Les trois conditions ci-dessus permettent de de finir géométriquement la zone Z3, de préférence en procédant de proche en proche depuis les éléments prismatiques avant jusqu'aux élé- ments prismatiques arrière. De préférence, conne représenté sur les figures, on recherche une direction de sortie des rayons R1 sensiblement pa rallèle à l'axe optique A-A : dans ce cas, les pinceaux tels que P1 et P2 sont constitués de rayons parallèles. Mais, on peut aussi donner aux rayons tels que R3 diverses inclinaisons (pinceaux P1 et P2 divergents) allant de préférence en croissant à mesure que la facette d'entrée fl s'éloigne de A-A; on maintient toujours l'adjacence des pinceaux P1 et P. Dans tous les cas, pour la détermination d'un élément e (dans une certaine position globale donnée par rapport à la source lumineuse F), il faut essentiellement définir trois inconnues qui sont - direction de fl (par rapport à A-A), - direction de f2, - direction de f3 Trois paramètres sont imposés, à savoir - direction du rayon issu de la source F et arrivant sur l'élément e en cause, - angle de réflexion totale sur la face f2 (il doit en tout cas rester supérieur à l'angle limite de réflexion totale pour le matériau considéré), - angle (ou angle moyen) de sortie des rayons 9 sortant de l'élément e considéré. Pour un élément e donné, en arrière de F, on choisit carme on l'a dit plus haut une direction de fl aussi proche que possible de A-A (ceci afin d'obtenir le rendement de pénétration maximal de la lumière). D'autre part, dans une vue en coupe (figure 2) le sommet S3 des éléments e est déterminé par l'intersection de deux rayons limites tels que RL1 et RL2 très voisins, mais attaquant des éléments e distincts ; les points bas B3 de chaque élément e sont déterminés en fonction du sommet S3 de l'é- liement antérieur adjacent, pour que soit sensiblemert respectée la condition d'adjacence des pinceaux ; les décrochements d coin- cident, comme représenté, avec les rayons lumineux issus de F après une première pénétration dans e. L'homme de l'art ccanprendra sans difficulté que, dans le respect des indications ci-dessus, on peut déterminer de proche en proche chaque él & ent e, de façon optimale, depuis l'avant jusqu'à l'arrière de la zone Z3. On va maintenant décrire, à propos de la Figure 3, les zones Z0, Z1 et Z2. La zone centrale Z0 est constituée par une lentille de Fresnel, d'une manière connue en elle-même. De façon remarquable, on donne à cette lentille une divergence suffisante pour que le faisceau qu'elle émet ait finalement une luminance dans la direction privilégiée A-A, du même ordre de grandeur que la luminance des autres zones dans la même direction. Les zones Z1 et Z2 constituent la région de transition entre Z0 et Z3. La zone Z1 est constituée d'une juxtaposition de sur faces prismatiques de révolution. Sa paroi est constituée d'une juxtaposition de prismes p1 travaillant par réfraction, comme représenté. La zone Z2 a une surface extérieure sensiblement plane et une surface interne constituée de prismes P2 travaillant en réflexion totale ; les pointes S2 et les fonds B2 de la surface interne sont optiquement alignés sur les rayons lumineus issus de F. On remarquera d'abord que les différentes zones sont choisies pour renvoyer avec le veilleur rendement les rayons lumineux issus de F selon leur angle par rapport à la direction centrale d'émission A-A du feu. La lentille de Fresnel centrale constituée par la zone ZO est apte à traiter des rayons incidents faisant un angle A-A allant jusqu'à 200 environ ; - la zone Z1 peut traiter, par réfraction, des rayons faisant un angle avec A-A sensiblement compris entre 200 et 450; - la zone Z2, travaillant par réflexion totale avec des prismes intérieurs, peut travailler avec des rayons incidents faisant avec P.-P. un anale S sensiblement compris entre 45 et 600; - la zone Z3, travaillant en réflexion totale avec des prismes extérieurs, peut traiter des rayons faisant un angle avec A-A sensiblement compris entre 600 et 1200. Le récupérateur de flux selon l'invention s'avère ainsi remarquable tant sur le plan du rendement global que sur le plan du rendement intrinsèque. Pour ce qui est de la répartition de la lumière (luminance), l'homme de l'art sait jouer sur la divergence des différentes zones ZO, Z1, Z2 pour harmoniser leurs luminances dans la direction A-A : par exemple, une augmentation du nombre de prismes tels que P1 se traduit par un accroissement de la lumi- nance (à la limite, une infinité de prismes P1 donne lieu à une luminance optimale dans l'axe A-A tous les rayons N étant alors rigoureusement parallèles à A-A). Il faut enfin observer que le feu ainsi réalise (Figure 1) ne laisse que peu ressortir les rayons lumineux ambiants qui y pénétrent, de telle sorte que la coloration éventuelle du ballon B n'est pratiquement pas visible de l'extérieur lorsque la lampe L n'est pas allumée. I1 doit etre bien entendu que l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit, et en particulier n'est pas limitée aux feux, mais s'étend à tout ensemble d'émission de lumière, notamment dans le domaine automobile, c'est-à-dire aussi bien aux projecteurs qu'aux feux. De plus, il doit être entendu que sans sortir du cadre de l'invention l'adjacence des pinceaux lumineux tels que P1 et P2 peut n'être qu'une adjacence approchée. REVENDICATIONS 1. Un ensemble d émission de lumière, notamment pour véhicule automobile, du type comportant un axe optique central, une source lumineuse dispose sur cet axe optique, et une pièce optique au moins en partie de révolution autour de l'axe optique central et constituant un récunérateur du flux lumineux emis par la source lumineuse pour le renvoyer en un faisceau utile centré autour de l'axe optique, caractérisé en ce que ledit récupéra- teur de flux comporte au moins une zone périphérique Z3 s'étendant en arrière de la source lumineuse, F, cette zone étant constituée d'une pluralité d'éléments prismatiques externes de révolution, e, disposés autour de l'axe optique central, chaque élément prismatique travaillant en réflexion totale, deux éle- ments adjacents émettant des pinceaux lumineux P1, P2, oonstituant un faisceau global sans écart ni chevauchement notables. 2. Un ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque élément prismatique e comporte une facette interne f1 dont les génératrices s'étendent dans une direction voisine de l'axe optique, une facette externe f2 à réflexion totale et une facette externe de sortie f3. 3. Un ensemble selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que une même facette interne d'entrée f1 est commune à plusieurs éléments prismatiques e. 4. Un ensemble selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en oe qu'il comporte une zone centrale Z0 oonsti- tuée d'une lentille de Fresnel. 5. Un ensemble selon l'une des revendicatiOns 1 à 4, caractérisé en ce que le récupérateur de flux comporte de son centre à sa périphérie une zone centrale Z0 constituée d'une lentille de Fresnel, une première zone intermédiaire Z1 constituée d'éléments prismatiques P1 travaillant en refraction, d'une seconde zone intermédiaire Z2 constituée d'éléments prismatiques internes p2 travaillant en réflexion totale et d'une zone péri- phérique comportant des éléments prismatiques externes e travaillant en réflexion totale Z3. 6. Ensemble selon la revendication 5, caractérisé en ce que les différentes zones, vues de la source, ont les ouver- tures angulaires suivantes - Z0 : de 00 à 200 environ, - Z1 : de 200 à 450 environ, - Z2 : de 450 à 600 environ, - Z3 : de 60 à 120 environ. 7. Ensemble selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisé par une uniformisation de la luminance des diffé- rentes zones dans la direction de l'axe optique.