Brevet FR2503832A1 — publié le 19821015

La présente invention concerne les projecteurs de véhicules automobiles. Les projecteurs de véhicules automobiles connus jusqu'à présent, qu'il s'agisse de projecteurs de route, de croisement, de projecteurs de longue portée, ou bien de projecteurs anti-brouillard, sont le plus souvent constitués par une source lumineuse, un-réflecteur, dont le foyer est proche de ladite source lumineuse, et une glace de fermeture, munie si l'on veut de reliefs 1o optiques assurant la diffusion du flux lumineux émis par la source et renvoyé par le réflecteur. Le réflecteur comporte en général une surface réfléchissante parabolique, réalisée en un ou plusieurs secteurs de parabololde. Il est essentiel que le réflecteur soit frappé par un maximum du flux lumineux émis par la source lumi- neuse, et qu'il le renvoie vers la glace avec la direc- tivité convenable. Par exemple, pour un projecteur de route, le réflecteur doit renvoyer un faisceau de rayons lumineux très directif, c'est-à-dire un faisceau constitué de rayons qui sont tous sensiblement parallèles à la direc- tion d'émission. Pour un faisceau de croisement, la directivité doit être moindre, les rayons lumineux devant constituer un faisceau légèrement convergent. Au cours des dernières années, il est apparu extrêmement souhaitable de réaliser des projecteurs de véhicules automobiles dont la fenêtre de sortie (corres- pondant sensiblement au contour de la glace de fermeture), soit très étroite, c'est-à-dire de hauteur faible par rapport à sa dimension transversale ou largeur. De tels projecteurs, du type "bande de lumière" sont très demandés 2503 832 par les constructeurs automobiles, du fait que les fenêtres de sortie étroites donnent au styliste de nouvelles possibilités, en s'intégrant particulièrement bien à la ligne de certaines voitures modernes. Pour réaliser des projecteurs de ce genre, la transposition pure et simple des dispositions tra- ditionnelles n'est pas satisfaisante, notamment sur le plan du rendement optique. En effet, si l'on réalise un projecteur à fenêtre étroite avec un réflecteur classique du type parabolique, de faible hauteur et de grande largeur, on ne récupère qu'une très faible partie du flux émis par la source lumineuse. D'autre part, les études conduites par la Demanderesse ont montré que cette situation n'est guère améliorée lorsque le réflecteur est constitué d'une pluralité de secteurs paraboliques, ou, plus généralement, lorsqu'on lui donne une forme relativement aplatie s'écartant de la forme parabolique traditionnelle. On peut dire, très brièvement, que les deux conditions d'une bonne récupération du flux, d'une part, et d'une bonne directivité, d'autre part, sont difficilement compatibles, lorsque l'on utilise un ré- flecteur unique pour coopérer avec la source. La présente invention propose une solution générale à ce problème, intéressant tous les types de projecteurs, ainsi que des solutions particulières, plus spécifiquement propres à la réalisation de tel ou tel type de projecteur. L'idée-mère de l'invention réside dans la dissociation des deux fonctions de récupération du flux lumineux issu de la source lumineuse, et de redressement des images, pour rendre le faisceau convenablement directif (c'est-à-dire parallèle à la direction d'é- 2503 832 mission, dans le cas du faisceau de route, et légèrement convergent, dans le cas du faisceau de croisement). Pour ce faire, selon l'invention, on utilise, en combinaison, deux systèmes optiques qui traitent successivement les rayons lumineux émis par la source, chacun des deux systèmes comportant un segment focal rectiligne, les segments focaux des deux systèmes étant sensiblement confondus. Plus précisément, le projecteur selon l'in- vention comporte, en combinaison: a) un système optique récupérateur de flux générant une ligne de foyers réelle ou virtuelle. Cette ligne de foyers - que l'on désignera dans la suite du texte sous le nom de "segment focal" - est transversale à l'axe optique du récupérateur de flux. Dans le cas o ce segment focal est horizontal, sa longueur est égale à la largeur de la fenêtre de sortie du projecteur; dans le cas o ce segment focal est vertical, sa longueur est égale à la hauteur de la fenêtre de sortie du projecteur. Un tel système est susceptible ainsi de créer à partir d'une source lumineuse sensiblement ponctuelle un fais- ceau de rayons lumineux passant tous par le segment focal en étant tous sensiblement parallèles à la direc- tion de plan normale au segment focal. b) un système optique redresseur d'images ayant un segment focal coïncidant avec le premier, et susceptible de transformer le faisceau sortant du système récupérateur de flux en un faisceau à directivité contrôlée. Il importe ici de remarquer que l'on a déjà proposé, notamment dans la construction de projecteurs automobiles, des systèmes optiques comportant des segments focaux. Mais ces segments focaux sont le plus 2503 832 souvent axiaux et non pas transversaux. Et dans le cas o ils sont transversaux, ils n'utilisent jamais la propriété fondamentale du miroir récupérateur de flux qui est de créer une ligne de foyers et d'utiliser cette "ligne de lumière" comme source particulière d'un deuxième système optique capable de redresser parfaitement tous les rayons lumineux. Ainsi, on n'a jamais, à la connais- sance de la Demanderesse, proposé d'utiliser la conju- gaison de systèmes dont les segments focaux sont en coïncidence avec la séparation des fonctions ci-dessus indiquée. Comme on le verra par la suite, la constitution des deux systèmes optiques peut être réalisée de diverses manières. Pour l'exposé général de l'invention, il est suffisant d'indiquer que le segment focal qui est commun aux deux systèmes peut être vertical, ou bien horizontal; de même, il peut être réel ou bien virtuel pour l'un et/ou l'autre des systèmes. Outre, les caractéristiques et avantages ci- dessus, qui sont de principe, la nouvelle structure de projecteur selon l'invention, du fait qu'elle comporte deux systèmes optiques, se prête à différentes dispo- sitions topologiques. En effet, comme on le verra plus complètement par la suite, alors que le système redresseur d'images a son axe optique dans la direction d'émission, colnci- dant avec l'axe du véhicule automobile, le système récu- pérateur de fluxç peut avoir diverses dispositions: il peut être lui-même disposé dans l'axe d'émission; il peut être disposé latéralement sur le côté de la carrosse- rie du véhicule avec son axe optique transversal; il peut être disposé à la partie inférieure de la carrosserie 2503 832 du véhicule avec son axe optique vertical. Cela donne lieu à diverses possibilités d'implantation sur la carrosserie d'un véhicule automobile. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre, en se référant aux dessins annexés, la struc- ture de l'invention y étant donnée dans un certain nombre d'exemples non limitatifs. Sur les dessins annexés: la figure la est une perspective axonométrique d'un parabololde elliptique du premier type, représenté dans un trièdre trirectangle OXYZ, les figures lb, lc et ld sont des sections de cette même surface respectivement par les plans YOZ, XOZ et XOY, 15. la figure 2a est une perspective axonométrique d'un paraboloide hyperbolique, représenté dans un trièdre trirectangle OXYZ, les figures 2b, 2c et 2d sont des sections de cette même surface respectivement par les plans YOZ, XOZ et XOY, la figure 3 représente la structure de base selon l'invention, la figure 4 est une perspective cavalière d'un cône convergent utilisé dans cette structure, 25. la figure 5 représente un premier équivalent optique de la structure de la figure 3, la figure 6 représente un second équivalent optique de la structure de la figure 3, les figures 7 à 16 et 7a à 16a illustrent deux sériesde variantes de la structure de base, la figure 17 est relative à un second type de construction de la structure selon l'invention, les figures 18 à 20 et 18a à 20a définissent 2503 83'^ deux sériesde variantes d'une telle structure, les figures 21 à 23 et 21a à 23a représentent deux autressériesde variantes, relatives à un troisième mode de construction, 5. la figure 24 est une coupe axiale d'un exemple de réalisation de l'invention, la figure 25 est une vue perspective de ce même exemple, les figures 26a à 26c se réfèrent à un qua- trième type de construction d'une structure selon l'in- vention, les figures 27 à 30 et 27a a 30a illustrent deux sériesde variantes de ce quatrième. type. Avant d'entreprendre l'exposé systématique de l'invention, on définira d'abord les divers éléments optiques susceptibles d'être utilisés pour la constitu- tion du système optique récupérateur de flux et du système optique redresseur d'images selon l'invention. On entend par parabololde de révolution - symbole A - un miroir dont la surface réfléchissante est obtenue par la rotation d'une parabole autour de son axe focal. Une telle surface réfléchissante comporte un foyer réel, les rayons lumineux issus du foyer étant renvoyés parallèlement à l'axe du parabololde. On entend par parabololde elliptique du premier type - symbole B - une surface réfléchissante comportant un segment focal horizontal réel (les figures la à ld illustrent une telle surface). Autrement dit, les rayons lumineux, issus d'une source sensiblement ponc- tuelle,sont réfléchis selon un faisceau de rayons qui convergent tous vers le segment focal SF, tout en étant parallèles à la direction de plans perpendiculaires au segment focal. Si l'on veut définir mathématiquement une 2503 832 telle surface dans un trièdre trirectangle XYZ, dans lequel l'axe Z est vertical, l'axe Y transversal et l'axe X longitudinal, une telle surface se trouve définie par l'équation suivante Ex2 + 2cy + k 2 _ c2] 2 = 4 k2 (x2 + y2 + z2), o o k0 et c étant des constantes caractéristiques du miroir. On montre facilement que la méridienne verticale Bx d'une telle surface est une ellipse,alors que la méri- dienne horizontale Bz est une parabole. On entend par parabololde elliptique du second type - symbole B' - une surface réfléchissante identique à la précédente, mais dont le segment focal réel est, cette fois, vertical (on a fait tourner d'un quart de tour la surface précédente). On entend par paraboloide hyperbolique - symbole C - une surface réfléchissante ayant un segment focal vertical et virtuel (figures 2a à 2d). Cela signifie que les rayons lumineux émis par une source sensiblement ponctuelle et renvoyés par une telle surface constituent un faisceau dont tous les rayons semblent provenir du segment focal SF, en étant parallèles à la direction de plan normale au segment focal, c'est-à- dire au plan horizontal. Si l'on se repère, comme pré- cédemment, dans un trièdre trirectangle XYZ, une telle surface est généralement d'équation: (z2 _-2cy +k - c2)2 = 4 k2 (x2 + y2 + z2) o o k0 et c étant des constantes caractéristiques du miroir. On montre facilement que la méridienne horizon- tale Dz d'une telle surface est une hyperbole, alors que la méridienne verticale D est une parabole. On entend par cône divergent - symbole D - une surface réfléchissante ayant la forme géométrique 2503 832 d'un cône de révolution et qui est frappée de l'extérieur par les rayons lumineux. On entend par cône convergent - symbole E - une surface réfléchissante ayant la forme géométrique d'un cône de révolution et qui est frappée de l'inté- rieur par les rayons lumineux. On entend par miroir cylindrique à profil parabolique divergent - symbole F - une surface réflé- chissante définie géométriquement comme un cylindre dont la directrice est parabolique, et dont la convexité est tournée vers la source lumineuse. On entend par miroir cylindrique à profil parabolique convergent - symbole G - une surface réflé- chissante définie géométriquement comme un cylindre dont la directrice est-une parabole, et qui tourne sa concavité vers la source lumineuse. On sait par ailleurs qu'un miroir-plan,incliné a 45 - symbole H - par rapport à des rayons lumineux incidents,les dévie d'un angle droit. L'homme de l'art sait d'autre part, sans hésiter, ce qu'est une lentille cylindrique convergente - I -, une lentille cylindrique divergente - J -, et une lentille de Fresnel, convergente - référencée également I - ou divergente - J -. On désigne- ra enfin par K la glace de fermeture de projecteur, d'un type connu, précitée. Les éléments optiques de base qui vont être utilisés dans les systèmes de l'invention ayant ainsi été définis et désignés par des symboles, on va décrire successivement différents modes de réalisation de l'in- vention. La figure 3 représente la structure de base selon l'invention. 2503 832 Il s'agit d'obtenir, à partir d'une source lumineuse sensiblement ponctuelle, 10, qui est par exemple le filament d'une lampe, un faisceau à directi- vité contrôlée, et ce, à travers une fenêtre de sortie 300 de forme rectangulaire allongée, comme représenté. Selon l'invention, on utilise, en coopération avec la source lumineuse 10 un système récupérateur de flux 100 corrportant un segment focal horizontal SF. Ce système récupérateur de flux est un paraboloide ellip- tique du premier type (B) précité. Sa surface enveloppe sur un grand angle solide la source lumineuse 10, de telle sorte que l'essentiel du flux issu de la source est récupéré par le miroir parabolique elliptique B. Le faisceau qu'il renvoie est constitué de rayons qui con- vergent tous sur le segment focal-SF, en étant tous parallèles à la direction de plan perpendiculaire à SF. Les rayons lumineux sont ensuite repris par un système optique redresseur d'images, 200, qui leur donne la directivlté désirée, en les renvoyant vers l'infini si l'on veut un faisceau de route, et en les renvoyant avec une légère convergence si l'on veut un faisceau moins directif. Le système redresseur d'images a également un segment focal coïncidant avec SF. Lorsque l'on veut obtenir un faisceau exacte- ment directif, par exemple un faisceau de route, le système 300 est avantageusement un cône convergent (E) dont l'axe de révolution coïncide avec le segment focal - SF, le demi-angle au sommet du cône étant de 45 . L'équation d'un tel cône, représenté en figure 4, est du type: 2 2 2 y + Z (x + k) =0 k0 étant une constante dépendant de la géométrie du dis- 2503 832 positif. On peut remarquer que, du point de vue optique, un tel cône est l'équivalent de l'association d'un miroir- plan incliné de 450 par rapport à l'axe des X et perpen- diculaire au plan XY, avec une lentille cylindrique. Si maintenant on veut obtenir un faisceau de croisement, c'est-à-dire un faisceau légèrement conver- gent, on peut conserver les éléments précédents, tout en déplaçant légèrement la source lumineuse 10 dans l'axe du paraboloide elliptique 100. Un tel déplacement va pro- voquer une convergence verticale du faisceau renvoyé par le parabololde elliptique, et un étalement vertical du faisceau renvoyé par le cône. Il suffit alors de munir la fenêtre 300 d'une glace de fermeture K provoquant un étalement latéral du faisceau, pour obtenir dans toutes les directions l'étalement souhaité. Une autre solution, plus rigoureuse, consiste à réaliser le système 200 sous la forme d'un parabololde elliptique du premier type (B), possédant bien entendu des paramètres différents de ceux du système 100. Il importe de remarquer que le faisceau qui vient d'être défini a son contour géométriquement déter- miné par les paramètres du premier paraboloide elliptique 100. Il s'agit en fait d'une pseudo-ellipse (représentée en pointillé sur la figure 3), qui s'inscrit dans la fenêtre 300. Dans tous les cas qui viennent d'être pré- cédemment décrits, le système récupérateur de flux, 200, est limité par deux plans parallèles horizontaux et deux plans parallèles verticaux. Il faut remarquer ici qu'il existe des équi- valents optiques, et qu'on peut accomplir les fonctions précitées à l'aide d'autres éléments. C'est ainsi qu'un parabololde elliptique du premier type (B) est équivalent 2503 83? à l'association d'un miroir parabolique (A) et d'une lentille cylindrique convergente (I). De même, le cône précédemment défini (respectivement D ou E) est équiva- lent à l'association d'un miroir-plan incliné à 450 (H) et d'une lentille cylindrique (respectivement divergente (J) ou convergente (I)) focalisée sur le segment focal SF. Grace à ces équivalences, on peut définir d'autres formes de réalisation, comportant toujours un système récupérateur de flux et un système redresseur d'images, ayant tous les deux un segment focal SF. Sur la figure 5 représentant une telle solu- tion équivalente, tous les éléments optiques ont le même axe optique, qui est l'axe du projecteur. Le système récupérateur de flux 100 est constitué par l'association d'un miroir parabolique A et d'une lentille cylindrique convergente I, alors que le système redresseur d'images est constitué par une lentille cylindrique conver- gente I. Il faut remarquer à cet égard qu'un déplacement de cette lentille convergente I dans la direction 6 perpendiculaire à l'axe optique XX' permet un réglage de l'inclinaison en hauteur des rayons lumineux, c'est-à- dire un réglage de la "coupure". Sur la figure 6 le système récupérateur de flux est comme il vient d'être dit, mais le système redresseur d'images est, cette fois, constitué d'une lentille de Fresnel divergente J ayant SF pour foyer virtuel. Là aussi, cette lentille peut servir au réglage de la coupure. Les différentes solutions réalisables avec un système récupérateur de flux constitué par un para- boloide elliptique du premier type sont représentées aux figures 7 à 16 avec le symbolisme précédemment indi- qué. Outre les dispositions en ligne (figures 7, 8), on peut utiliser des dispositions dans lesquelles l'axe 2503 832 du système récupérateur de flux est perpendiculaire à l'axe d'émission, soit par en dessous (récupérateur de flux en bas de la carrosserie, voir figures 13 à 16), soit par le côté (récupérateur de flux disposé latéralement, voir figures 9 à 12). Les figures 7a à 16a sont des solutions équivalentes à celles des figures 7 à 16, o le paraboloide elliptique (B) est remplacé par la com- binaison d'un parabololde de révolution (A) et d'une lentille convergente (I). On a décrit jusqu'à présent des formes de réalisation faisant intervenir un segment focal réel pour un système récupérateur de flux constitué par un parabololde elliptique du premier type (B), c'est-à-dire à axe horizontal. Un second type de construction, qui va maintenant être décrit, fait intervenir un parabololde elliptique de second type (B'), c'est-àdire de segment focal vertical. La figure 17 illustre une telle dispo- sition. Dans ce cas, le segment focal SF, défini comme précédemment, étant vertical, le système redresseur d'images est constitué, comme représenté, par une lentille cylindrique convergente (I) d'axe vertical, 250. Cette lentille a une ligne focale en coïncidence avec SF. Une glace de répartition peut être utilisée pour donner au faisceau toutes diffusions voulues. En mettant en oeuvre des équivalences optiques à la portée de l'homme de l'art, d'autres constructions équivalentespeuvent être mises en oeuvre. Les figures 18 à 20 illustrent différentes variantes de réalisation, les lettres étant utilisées avec le symbolisme indiqué au début de cette description. Les figures 18a à 20a sont les homologues des figures 18 à 20, le parabololde elliptique (B') récupérateur de flux étant remplacé par la combinaison d'un parabololde de révolution (A) et 2503 832 d'une lentille convergente (I). On a jusqu'à présent exposé la coopération d'un système récupérateur de flux et d'un système redresseur d'images ayant le même segment focal, ce segment focal étant réel pour le système récupérateur de flux. Dans un troisième grand type de construction, on peut utiliser un système récupérateur de flux ayant un segment focal virtuel, en étant réalisé sous la forme d'un paraboloide hyperbolique (C), ou de tous ces équivalents optiques. Les figures 21 à 23 et 21a à 23a illustrent ces dispositions, avec le symbolisme de lettres précédemment exposé. On va maintenant décrire,à propos des figures 24 (coupe axiale) et 25 (perspective), un exemple de réalisation de l'invention. Dans ce cas, comme représenté, le système récupérateur de flux est un miroir paraboloide hyperbolique (C) à foyer virtuel vertical, qui a les caractéristiques suivantes ouverture 1, = 310 mm hauteur hi = 95 mm profondeur 12 = 150 mm diamètre du trou de fond d 1 40 mm focale: 18 mm constante k 151 mm2 constante c 187 mm De son côté, le système redresseur d'images est une lentille de Fresnel cylindrique (I) placée devant le miroir paraboloide hyperbolique et ayant les carac- téristiques suivantes ouverture 13 11= 310 mm hauteur h3 hl 95 mm focale 319 mm pas des prismes e1= 3 mm 2503 83? Si on veut réduire les pertes dues aux dépouilles? on peut orienter les prismes vers l'extérieur du miroir, et non pas vers l'intérieur comme représenté sur le dessin Figure 25. La figure 24 montre le trajet des pinceaux lumineux issus des filaments d'une lampe constituant la source lumineuse 10. La figure 25 illustre les paramètres numériques employés. Un prototype,réalisé conformément aux figures 24 et 25, a donné entière satisfaction, avec une très bonne récupération du flux émis par la lampe, et une excellente directivité, alors même que la fenêtre d'ou- verture avait une largeur plus de trois fois supérieure à sa hauteur. Les figures 26a, 26b, 26c illustrent selon trois vues schématiques un quatrième grand type de réa- lisation dans lequel le système récupérateur de flux est un paraboloide elliptique (B') du second type défini précédemment, orienté de telle sorte que son axe de symétrie soit dirigé verticalement. Ce parabololde elliptique B' formant récupé- rateur de flux génère un segment focal SF qui est dans son axe optique. Le redresseur d'images 200 est un cône convergent (E) de 1/2 angle au sommet 450 et ayant son axe selon SF. Les figures 27 à 30 et 27a à 30a illustrent huit variantes du quatrième type de réalisation. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits mais s'étend à toutes variantes conformes à son esprit, qui est l'association de deux systèmes ayant un même segment focal, l'un pour la récupération du flux, l'autre pour le redressement des images, c'est-adire d'une correction de la divergence C503 832 des rayons du premier système pour donner au faisceau finalement émis la directivité convenable. Il semble important-d'insister sur le fait qu'une telle association apparait nouvelle, bien que des miroirs à segment focal, utilisés isolément en tant qu'élément principal de pro- jecteurs ont déjà été proposés, par exemple dans le brevet français 1 039 135. Tout groupe de lettres symboliques apparaissant sur une figure est là pour définir une combinaison par- ticulière qui fait partie intégrante de l'invention. 5503 832 REVENDICATIONS 1. Un projecteur de véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comporte en combinaison: a) un système optique récupérateur de flux (100) ayant un segment focal (SF) rectiligne, et suscep- tible ainsi de créer à partir d'une source lumineuse (10) sensiblement ponctuelle un faisceau de rayons lumi- neux passant tous par le segment focal en étant tous sensiblement parallèles à la direction de plan normale au segment focal, et b) un système optique redresseur d'images (200) ayant un segment focal (SF) coïncidant avec le premier, et susceptible de transformer le faisceau sortant du système récupérateur de flux en un faisceau de rayons à directivité contrôlée passant par une étroite fenêtre de lumière (300). 2. Un projecteur de véhicule automobile selon la revendication 1, caractérisé en ce que le segment focal (SF) est horizontal avec une dimension égale a la largeur de la fenêtre de lumière (300). 3. Un projecteur de véhicule automobile selon la revendication 1, caractérisé en ce que le segment focal (SF) est vertical avec une dimension égale a la hauteur de la fenêtre de lumière (300). 4. Un projecteur de véhicule automobile selon la revendication 1, caractérisé en ce que le segment focal (SF) est axial. 5. Un projecteur de véhicule automobile selon la revendication 1, caractérisé en ce que le récupérateur de flux (100) est constitué par un paraboloide elliptique (B, B') ou ses équivalents optiques. 6. Un projecteur de véhicule automobile selon la revendication 1, caractérisé en ce que le récupérateur 2503 832 de flux (100) est constitué par un paraboloïde hyperbo- lique (C) ou ses équivalents optiques. 7. Un projecteur de véhicule automobile selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend, avec le symbolisme défini pages 6 à 8 de la description l'une des combinaisons optiques suivantes: B I K B J K A I I K A I J K BD K BE K BH I K BH J K AI D K AI E K AI H I K A I H J K AI GK A I F K A I H I K A I H J K AIIK AI GK A I H IK AJ I K AJ GK A J H IK AJ EK A J H IK A IEK A I H IK B GK BF K BH I K BH J K B' I K B' G K B' H I K C I K C GK C H I K CEK CH I K B' E K B' H I K 2503 832 8. Un projecteur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le système récupérateur de flux (100) est disposé dans l'axe des rayons lumineux sor- tant du projecteur. 9. Un projecteur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le système récupérateur de flux (100) est disposé latéralement sur le côté de la carrosserie du véhicule avec son axe optique transversal. 10. Un projecteur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le système récupérateur de flux (100) est disposé à la partie inférieure de la carrosserie du véhicule avec son axe optique vertical.