Brevet FR2564982A1 — publié le 19851129

La présente invention concerne un embout de guide de lumière, utilisable notamment pour un éclairage de ville intégré à un ensemble projecteur pour automobile; elle concerne également un tel ensemble projecteur. Par "guide de lumière", on comprendra un barreau homogq-ne de matériau réfringent (par exemple de verre ou de matière plastique) de forme allongée, généralement cylindrique. A l'une de ses extrémités (l'embout considéré ici, et désigné "embout de couplage"), le guide recueille la lumière produite par une source lumineuse adjacente, et les rayons lumi- neux ainsi captés sont transmis le long du guide par réflexions multiples à l'interface du milieu réfrin- gent avec l'air. On montre:ue, dans le cas d'un guide cylin- drique, tout rayon ayant subi une première réflexion sur l'intérieur de la surface cylindrique frappera à nouveau cette surface selon un angle d'incidence toujours supérieur à l'angle minimal nécessaire pour la réflexion. Ce rayon continuera donc à être réfléchi le long du guide, qui va ainsi le "pidger'" jusqu'à l'autre extrémité, désignée par la suite "embout d'émission". Cette condition reste pratiquement vérifiée si le guide, au lieu d'être constitué d'un barreau entièrement cylindrique, est légèrement courbé, ce qui permet de guider les rayons lumineux selon un trajet curviligne. On ne considérera cependant dans la suite de la description que le cas d'un guide cylindrique - ce qui est toujours le cas au moins au voisinage de l'embout de couplage -, bien que l'invention s'applique à des guides curvilignes, à condition bien entendu que le rayon de courbure du guide reste grand devant son diamètre. Le but généralement recherché dans la conception des embouts de couplage est de capter le maximum de flux lumineux à l'entrée du guide. En effet, la propriété de "piégeage" des rayons lumineux ne vaut que pour les rayons ayant pénétré dans le milieu réfringent et ayant subi une première réflexion sur l'intérieur de la surface cylindrique du guide, tous les autres rayons lumineux étant émis par la source en pure perte. Dans le cas d'un guide de lumière, tout rayon frappant la surface de l'embout pénètre à l'inté- rieur du guide et on montre en outre que, si la surface de l'embout est plane ou convexe, ce rayon sera tou- jours réfléchi par la surface cylindrique intérieure du guide. Donc, dans ce cas, tout rayon frappant la surface de l'embout sera nécessairement "piégé" à l'in- térieur du guide, quelle que soit son incidence initiale. Le flux lumineux capté par le guide, par rapport au flux total émis par la source, sera donc déterminé par l'angle solide ayant son sommet centré sur la source (supposée ponctuelle, ou rendue équiva- lente à une source ponctuelle) et interceptant l'aire de l'embout. Pour capter un maximum de rayons lumineux, il est ainsi nécessaire soit de rapprocher la source de l'embout, soit d'augmenter la surface de celuici, ce qui amène à une augmentation du diamètre du guide. Dans le premier cas, des limitations physiques inter- viennent en raison de l'encombrement du ballon conte- nant la source lumineuse; dans le second cas, on se heurte à des problèmes de taille excessive du barreau, de difficulté pour courber le guide, et de quantité de matière à utiliser. Pour accroître ce flux capté, on peut être également tenté de donner à la surface de l'embout une forme non plus plane ou convexe, mais au contraire concave, de manière à augmenter la valeur de l'angle solide précité et, par voie de conséquence, la propor- tion de rayons lumineux pénétrant dans le guide. Mais dans le cas d'une surface d'embout concave, on démontre que certains rayons lumineux émis par la source, bien qu'ayant pénétré le milieu ré- fringent, traversent la surface cylindrique du guide car leur angle de réflexion sur cette surface est inférieur à l'angle limite de réflexion totale dans le milieu réfringent. Ces rayons qui ressortent du guide ne sont donc pas collectés, et c'est pourquoi le flux lumineux capté est généralement plus faible que dans le cas d'une surface d'embout plane ou convexe. On constate donc que la solution consistant à "creuser" l'embout selon une surface concave pour y former un logement pour la source n'est pas en elle- même suffisante pour espérer accroître le flux capté par le guide. Au contraire, on constate que cette solution entraîne une diminution du flux capté par rapport à une surface d'embout plane ou convexe. Pour résoudre ces difficultés et accroître notablement le flux capté à l'entrée du guide, l'inven- tion propose de réaliser un embout comprenant deux surfaces, à savoir: une surface de traversée, concave et sphérique, entourant partiellement la source, sur laquelle elle est centrée, de manière que tout rayon émis par la source qui frappe-cette surface la traverse sans déviation et pénètre à l'intérieur du guide, 5. une surface récupératrice de flux, convexe et de révolution, cette surface étant telle que l'angle d'incidence d'un rayon issu de la source et ayant pénétré à l'intérieur du guide reste toujours supé- rieur à l'angle limite de réflexion totale corres- pondant à l'indice de réfraction du matériau cons- tituant le guide. De la sorte, tout rayon ayant passé la surface de traversée sera réfléchi totalement par la surface récupératrice et capté par le guide. Si la surface de traversée est par exemple une surface hémisphérique, tout rayon situé dans le demi-plan comprenant la source et perpendiculaire à l'axe du guide sera capté, ce qui correspond à un cône d'acceptance de demi-angle au sommet 90 , valeur très supérieure à celles rencontrées jusqu'à présent. (On assimilera au cas d'une source ponctuelle les sources quasiponctuelles de très faibles dimensions physiques, en ramenant à un point source unique - par exemple par un calcul de barycentration - l'ensemble des points d'émission lumineuse, par exemple l'ensemble des points du filament dans le cas d'une lampe à incan- descence). De préférence, la surface récupératrice de flux est engendrée par une méridienne au moins partielle- ment formée d'un arc de spirale logarithmique centrée sur la source et d'angle caractéristique supérieur à l'angle limite de réflexion totale. On démontre notamment que ce profil particulier de surface récupé- ratrice correspond à un minimum de diamètre de guide, ce qui permet de prévoir pour ce dernier des dimensions très réduites, compatibles avec cet optimum théorique sans perte de flux. Dans ce cas, à l'endroit du raccordement de la surface récupératrice de flux avec le guide cylin- drique, la tangente à la spirale logarithmique est de préférence confondue avec la génératrice du cylindre. La surface est ainsi parfaitement continue, sans aucune singularité, ce qui en facilite la réalisation maté- rielle, notamment en ce qui concerne le moulage du barreau. En variante, la surface récupératrice de flux est engendrée par une méridienne au moins par- tiellement formée d'un arc de parabole ayant son foyer à l'emplacement de la source. Il est également possible de combiner ensemble les deux variantes précédentes. Dans ce cas, l'arc de parabole relie l'arc de spirale logarithmique à la génératrice du cylindre, les tangentes à la spirale logarithmique et à la parabole étant confondues à l'endroit du raccordement des deux arcs de courbe correspondants. Cette dernière configuration permet notamment de réaliser une adaptation de l'embout à un diamètre de guide imposé, de valeur quelconque supérieure à la valeur minimale théorique correspondant au profil en spirale logarithmique. L'invention concerne également un ensemble projecteur pour automobile comprenant un éclairage de ville intégré. Cet ensemble comprend alors, logés dans un bottier commun: au moins un projecteur de route ou de croisement, À une source lumineuse pour l'éclairage de ville, disposée à distance de la partie avant de l'ensemble, un guide de lumière s'étendant entre: - un embout de couplage tel que celui exposé pré- cédemment et - un embout d'émission lumineuse, disposé en partie avant de l'ensemble. De préférence, l'embout d'émission débouche à l'intérieur de l'ensemble projecteur, au voisinage d'une glace frontale de fermeture de celui-ci. Dans ce cas, la région de la glace frontale de fermeture recevant les rayons en provenance de l'embout d'émission est avantageusement pourvue de stries de diffusion. Cette configuration d'ensemble projecteur est particulièrement avantageuse dans le cas des ensembles de très faibles dimensions, notamment ceux mettant en oeuvre une structure de projecteur de croise- ment à réflecteur elliptique. Dans ce cas, les solutions classiques sont difficilement applicables: d'une part, en raison des faibles dimensions, l'ampoule pour éclairage de ville ne peut déboucher dans le réflecteur sans dégrader sensiblement la qualité du faisceau résultant (tout particulièrement dans le cas des projecteurs à réflecteur elliptique, qui sont très compacts). D'autre part, en plaçant l'ampoule pour éclairage de ville juste derrière la glace de fermeture, on se heurte à des problèmes d'accessibilité de cette am- poule lorsqu'un remplacement est nécessaire. L'invention résout ces difficultés, en permettant de ramener l'ampoule de l'éclairage de ville à distance de la partie avant de l'ensemble projecteur (par exemple à l'arrière de celui-ci), assurant ainsi une accessibilité parfaite pour celle-ci. Seul le type particulier d'embout de guide de lumière selon l'invention permet d'assurer cette fonction de façon satisfaisante, grâce au flux de lumière récupéré très supérieur à celui récupéré par les embouts de la technique antérieure. 1O En outre, la diminution importante du diamrètre du guide permet de loger sans difficulté celui-ci dans le bottier de l'ensemble projecteurs avec en outre une économie de'matière importante. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la descrip- tion détaillée ci-dessous, faite en référence aux dessins annexes, sur lesquels: la figure 1 est une vue schématique, en coupe longitudinale, d'un guide de lumière selon l'invention couplé à une source lunineuse, la figure 2 est une variante de la figure 1, pour un profil de surface rêcupératrice comprenant deux courbes de naturesdifférentes, i la figure 3 est une -rue de dessus, en coupe selon la ligne III-iII de la figure 4, d'un ensemble projecteur comprenant un éclairage de ville intégré avec un guide de lwnière terminé par un embout selon l'invention, la figure 4 est une vue de face de l'ensemble projecteur de la figure 3, montrant notamment les stries de diffusion formées sur la glace frontale de fermeture. Sur la figure 1, la référence 10 désigne la lampe de ville, qui est d'un modèle normalisé (dimensions, tension d'alimentation). L'émission lumineuse est produite par un filament 11 que l'on ramènera à une source lumineuse ponctuelle placée au point O, qui est par exemple le barycentre des différents points du filament 11. Cette source lumineuse est placée sur l'axe x'x d'un guide de lumière 40 en forme de cylindre de révolution, de diamètre D, engendré par une génératrice droite G (le guide peut être courbe dans sa partie centrale, mais il est au moins cylindrique au voisinage de la source lumineuse 10). Cette partie cylindrique, repérée II, se termine par un embout, repéré I, comprenant une surface de traversée, 20, concave, et une surface récupératrice de flux 30, convexe. La surface de traversée 20 est sensiblement sphérique, par exemple hémisphérique et centrée en O, c'est-à-dire à l'emplacement de la source. De la sorte, tout rayon émis par la source frappe cette surface avec un angle d'incidence nul (pour une sphère, la normale à la surface et le rayon vecteur sont confondus), de sorte que la traversée se fait sans déviation, et a fortiori sans réflexion. Parmi les rayons ayant passé la surface de traversée, ceux qui ont une faible inclinaison par rapport à l'axe x'x viennent subir leur première réflexion dans la zone II, c'est-à-dire la zone cylindrique du guide de lumière et restent piégés à l'intérieur de ce dernier. Par contre, les rayons fortement inclinés par rapport à l'axe x'x viendront subir leur première réflexion sur la surface récupératrice 30. Pour qu'il y ait bien réflexion du rayon et non traversée de la surface, on donne à celle-ci une forme telle que l'angle d'incidence 9/2 reste toujours supérieur à l'angle limite de réflexion totale correspondant à l'indice de réfraction du matériau constituant le guide. En particulier, on montre que l'optimum théorique est atteint lorsque la surface de traversée présente un profil en forme de spirale logarithmique S (profil représenté en trait plein, la partie vir- tuelle de cette spirale étant figurée en pointillés sur la figure) centré sur la source et d'angle caracté- ristique légèrement supérieur à l'angle limite de réflexion totale. En effet, une propriété géométrique de la spirale logarithmique est de former un angle constant entre le rayon vecteur et la normale à la courbe (c'est cette valeur d'angle que l'on désigne par "angle caractéristique"). En termes d'optique, cet angle est l'angle d'incidence du rayon lumineux, de sorte que tout rayon ayant passé la surface de traversée sera réfléchi totalement par la surface récupératrice pour être ensuite piégé par le guide. D'autres formes de surfaces récupératrices sont envisageables, bien qu'elles ne permettent pas d'obtenir un diamètre D de guide aussi faible, à flux capté constant. En particulier, sur la figure 1, on a représenté en tireté une surface récupératrice engendrée par un arc de parabole P; l'angle d'inci- dence /2 sera alors variable, et tout rayon frappant la surface récupératrice sera réfléchi parallèlement à la direction x'x. De la même façon, on a représenté en trait mixte une surface récupératrice engendrée par un cône de révolution C; une telle forme de surface 1 0 amène cependant à un diamètre de guide nettement supérieur aux deux solutions précédentes, à flux capté constant. Sur la figure 2, on a représenté une variante dans laquelle le profil de la surface récupératrice comporte un arc de spirale logarithmique S (région I) prolongé par un arc de parabole P (région I'). Comme précédemment, la spirale logarithmique est centrée en O, et la parabole a pour foyer ce même point O. De préférence, à l'endroit du raccordement entre l'arc de spirale et l'arc de parabole, les tangentes à chacune des deux courbes sont confondues, ce qui permet d'obtenir une surface récupéiatrice d'aspect continu. Par contre, il ne sera pas possible d'assurer la continuité du raccordement entre l'arc de parabole P et la génératrice G du cylindre, à la différence de la version comprenant une spirale logarithmique unique, o une telle continuité du raccordement était possible (cas de la figure 1). La figure 3 représente un ensemble pro- jecteur pour automobile constituant une application de l'embout selon l'invention: ce projecteur comprend, dans un bottier unique 100, un projecteur de route 200 (par exemple de type parabolique classique), et un projecteur de croisement 300 (par exemple de type elliptique). En partie avant, il est prévu une glace de fermeture 400 (vue de face figure 4) sur laquelle sont gravées ou moulées des stries de diffusion pour améliorer l'étalement latéral des faisceaux lumineux des projecteurs. Cet ensemble est muni d'un éclairage de ville intégré comprenant en partie arrière une lampe , de type normalisé, montée dans une douille 12 pour permettre son démontage et son remplacement par l'arrière, ainsi que l'arrivée de l'alimentation élec- trique correspondante. En effet, la face arrière du boîtier est généralement la seule face commodément accessible lorsque l'ensemble projecteur est monté dans le véhicule. Cette ampoule 10 est montée dans l'axe x'x d'un guide de lumière 40 dont l'extrémité arrière forme un embout de couplage comprenant une surface de traversée 20 et une surface récupératrice de flux 30 du type précédemment décrit. A l'autre extrémité du guide, un embout 50 d'émission débouche, à l'intérieur du boîtier, au voisinage de la glace frontale de fermeture 400. Sur cette glace frontale, il est prévu,- outre les stries de diffusion 410 et 420 pour les rayons émis par les projecteurs de route 200 et de croisement 300, des stries 430 sur la région recevant les rayons en provenance de l'embout démission 50. Comme il a déjà été indiqué plus haut, seul l'embout de couplage particulier selon l'invention permet de capter un flux suffisant pour sonrt utilisa- tion en éclairage de ville, au moyen d'une lampe de type normalisé placée en partie arrière. En outre, le diamètre réduit du guide de lumière - de l'ordre de 20à 25 mm dans l'application envisagée ici - permet de le loger sans difficulté, même dans les ensembles projecteurs les plus compacts. L'application envisagée au projecteur auto- mobile n'est cependant nullement limitative, et l'embout de couplage objet de l'invention peut être utilisé dans de nombreux autres domaines de la tech- nique employant des guides de lumière. Il est en particulier applicable à des guides de très faible diamètre, tels que les fibres optiques utilisées dans les applications de télé- communications et de transmission de signaux (les sources lumineuses sont alors généralement des diodes électroluminescentes, émettant en lumière visible ou infrarouge). L'invention n'est pas non plus limitée à des guides rectilignes, mais s'applique également à des guides curvilignes. On notera à cet égard que le guide pourra être d'autant plus facilement courbé que son diamètre est réduit, comme le permet, à flux capté constant, la présente invention. 25649E2 REVENDICATIONS 1. Un embout de guide de lumière, pour assurer le couplage d'un guide cylindrique (40) avec une source lumineuse (10) sensiblement ponctuelle disposée dans l'axe (x'x) du guide, cet embout étant caractérisé par une surface de traversée (20), concave et sphérique, entourant partiel]ement la source, sur laquelle elle est centrée (O), de manière que tout rayon issu de la source qui frappe cette surface la traverse sans déviation et pénètre à l'intérieur du guide, une surface récupératrice de flux (30), convexe et de révolution, cette surface étant telle que l'angle d'incidence d'un rayon émis par la source et ayant pénétré à l'intérieur du guide reste toujours supérieur à l'angle limite de réflexion totale correspondant à l'indice de réfraction du matériau constituant le guide, de telle scrte que tout rayon ayant passé la surface de traversée soit réfléchi totalement par la surface récupératrice et capté par le guide. 2. Un embout selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface récupératrice de flux est engendrée par une méridienne au moins partielles ment formée d'un arc de spirale logarithmique (S) centrée sur la source et d'angle caractéristique (0/2) supérieur à l'angle limite de réflexion totale. 3. Un embout selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'à l'endroit du raccordement de la surface récupératrice de flux avec le guide cylindrique, la tangente à la spirale logarithmique est confondue avec la génératrice (G) du cylindre. 4. Un embout selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface récupératrice de flux est engendrée par une méridienne au moins partielle- ment formée d'un arc de parabole (P) ayant son foyer à l'emplacement de la source. 5. Un embout selon les revendications 2 et 4 en combinaison, caractérisé en ce que l'arc de parabole relie l'arc de spirale logarithmique à la génératrice du cylindre, les tangentes à la spirale logarithmique et à la parabole étant confondues à l'endroit du raccordement des deux arcs de courbe correspondants. 6. Un embout selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la surface de traversée est une surface sensiblement hémisphérique. 7. Un ensemble projecteur pour automobile comprenant un éclairage de ville intégré, caractérisé en ce qu'il comprend, logés dans un boîtier (100) commun: 20. au moins un projecteur de route (200) ou de croise- ment (300), une source lumineuse (10) pour l'éclairage de ville, disposée à distance de la partie avant de l'ensemble, un guide de lumière (40) s'étendant entre: - un embout de couplage selon l'une des revendica- tions 1 à 6, et - un embout d'émission lumineuse (50), disposé en partie avant de l'ensemble. 8. Un ensemble selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'embout d'émission débouche à l'intérieur de l'ensemble projecteur, au voisinage d'une glace frontale de fermeture (400) de celui-ci. 9. Un ensemble selon la revendication 8, 25649C2 caractérisé en ce que la région (430) de la glace frontale de fermeture recevant les rayons en provenance de l'embout d'émission est pourvue de stries de diffu- sion.