Brevet FR2583499A1 — publié le 19861219

La présente invention concerne les projecteurs d'automobiles susceptibles d'émettre un faisceau lumineux variable, et notamment les projec- teurs susceptibles d'émettre soit un faisceau lumi- neux de longue portée, par exemple un faisceau de route, soit un faisceau coupé, par exemple un fais- ceau de croisement. On a déjà proposé des projecteurs d'auto- mobile route/croisement comportant une simple source lumineuse (filament) coopérant avec des volets occul- tateurs mobiles. Un tel système est par exemple décrit au brevet français 1.296.036. Il est peu fiable, trop sensible aux vibrations, trop lent à la commutation, et n'a pas donné lieu à réalisations industrielles. Dans la technique automobile la plus courante, les projecteurs route/croisement comportent un réflecteur parabolique et une double source lumi- neuse constituée par deux filaments de tungstène. Pour l'éclairage de route, l'un des filaments coopère avec l'intégralité du réflecteur. Pour l'éclairage de croisement, un écran d'occultation ou une coupelle d'occultation réalise la coupure des rayons lumineux émis par le second filament et arrivant sur le réflec- teur, qui les renvoie sous forme d'un faisceau coupé de croisement. Dans une telle solution, connue et uti- lisée depuis longtemps, le passage de l'état d'éclai- rage croisement à l'état d'éclairage route, se fait par une commutation de l'alimentation électrique des filaments. L'évolution de la technique automobile laisse prévoir que de telles lampes à deux filaments de tungstène vont probablement être remplacées par des lampes à décharge gazeuse ou des lampes à arc, la source lumineuse ainsi réalisée étant beaucoup plus brillante que celle obtenue par des filaments de tungstène. Cette grande brillance est intéressante, car elle permettra l'utilisation de projecteurs de plus petites dimensions, et notamment de plus fai- ble hauteur qui s'intégreront beaucoup plus faci- lement aux lignes aérodynamiques d'un véhicule. Cependant, de telles sources lumineuses nouvelles nécessitent pour chacune d'entre elles une alimentation électrique à haute tension mettant en série avec la source un ballast d'un coût relative- ment élevé. De plus, le passage d'un état d'éclaire- ment à un autre doit se faire le plus rapidement possible, et les sources lumineuses à décharge ga- zeuse ou à arc ont des temps d'allumage trop élevés pour permettre une commutation suffisamment rapide. La présente invention se propose généra- lement de réaliser un projecteur à faisceau variable éliminant les inconvénients des projecteurs anté- rieurs, et permettant d'atteindre, par des moyens statiques, insensibles aux vibrations, des variations de faisceau extrêmement rapides, sous l'action d'une commande électrique. Plus particulièrement, l'inven- tion se propose une mise en oeuvre particulièrement avantageuse des nouvelles sources lumineuses précitées. Pour ce faire, le projecteur selon l'in- vention,du type comportant au moins un réflecteur coopérant avec une unique source lumineuse, est carac- térisé en ce qu'il comporte un écran d'occultation interposé sur le trajet des rayons lumineux et com- portant au moins une zone d'occultation constituée de cristaux liquides susceptibles de conférer à cette zone d'occultation, soit un état de transparence, soit un état de non-transparence, et, plus généralement, divers états de transparence. On comprend facilement que, dans l'état de transparence, tout se passe sensiblement comme si aucun obstacle n'était interposé sur le trajet des rayons lumineux, alors que, dans l'état de non- transparence, la zone d'occultation réalise la cou- pure voulue du faisceau lumineux. La commutation de la zone à cristaux liquides est obtenue de préférence par une variation de tension électrique, cette zone étant réalisée de la façon connue en elle-même pour réaliser des écrans passifs dans le domaine de l'affichage numérique. Dans le mode de réalisation le plus sim- ple, l'écran comporte une seule zone d'occultation réalisée en cristaux liquides. Il est constitué, dans un exemple préférentiel, de deux lames de verre trans- parentes entre lesquelles sont disposés des cristaux liquides nématiques en hélice en correspondance avec la zone d'occultation. A l'extérieur des lames de verre sont disposées deux polariseurs de lumière croisés. A l'intérieur de chaque lame, du côté des cristaux, sont disposées des couches ou bandes métal- lisées ultra minces transparentes formant électrodes. De façon bien connue du spécialiste des cristaux liquides, l'application ou la non-application d'une tension électrique aux électrodes se traduit par une variation de torsion des cristaux liquides, de telle sorte que l'ensemble peut être ou non traversé par la lumière. Le facteur de transmission d'un tel sys- tème n'est pas de 100 % mais il reste suffisant pour un éclairage automobile surtout lorsque l'onemploie des sources lumineuses comme les lampes à décharge gazeuse ou les lampes à arc. Selon une autre caractéristique de l'invention, on réalise, en répartissant convenable- ment diverses électrodes d'excitation selon diverses régions à occulter, une modulation de la limite de la zone d'occultation, constituant la limite de cou- pure du faisceau. Par exemple, en utilisant une plu- ralité d'électrodes en bandes horizontales juxtaposées, on peut régler la hauteur de la zone d'occultation, selon les électrodes finalement excitées sur chacune des deux plaques précitées. On peut également, selon une autre carac- téristique de l'invention, réaliser un écran d'occul- tation comportant des discontinuités, si on veut ob- tenir, sur le faisceau coupé, un apport de lumière au-dessus de la coupure. On peut ainsi moduler par des moyens électriques à la fois la limite de coupure et l'intensité de la coupure. L'invention est susceptible d'application dans de nombreuses structures optiques de projecteurs, et notamment, mais non exclusivement: - celles comportant un réflecteur de type parabolique, la source lumineuse étant voisine de son foyer, - celles comportant un réflecteur ellip- tique, la source lumineuse étant au voisinage de l'un des foyers de ce réflecteur elliptique, les rayons lumineux émis par la source étant renvoyés par le réflecteur elliptique à son second foyer, et repris soit par une lentille, soit par un réflecteur parabo- lique. La réalisation d'écrans passifs à cris- taux liquides de tous types est connue de la technique dans le domaine de l'affichage numérique. On se repor- tera par exemple à la revue LA RECHERCHE, Volume 12, N 125, Septembre 1981, pages 936-939. Le domaine de l'éclairage automobile, mettant en oeuvre des sources très brillantes et des flux lumineux élevés, est très différent de celui de l'affichage numérique; dans les projecteurs automobi- les des échauffements importants sont inévitables. Cependant les essais conduits par la Demanderesse ont montré la "faisabilité" du nouveau projecteur selon l'invention. Pour éviter les problèmes d'échauffement, on peut disposer judicieusement les écrans selon l'invention dans le projecteur, notamment au voisinage de sa fenêtre de sortie de lumière, en l'éloignant de la source lumineuse. Ainsi, à l'extrême, l'écran à cristaux liquides vient se confondre avec la glace de sortie du projecteur. Selon une autre disposition évi- tant l'échauffement,on surdimensionne les plaques de verre de l'écran, notamment en épaisseur (par rapport aux écrans d'affichage),pour en augmenter les capaci- tés de dissipation de chaleur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre en se référant aux dessins annexes en don- nant plusieurs exemples de réalisation de l'invention. Plus précisément, sur les dessins annexés: - les figures 1 et 2 représentent sché- matiquement en perspective et en coupe verticale la réalisation d'un projecteur route/croisement selon l'invention dans un premier mode de réalisation uti- lisant un réflecteur elliptique et une lentille, la figure 2a montrant le détail de l'écran utilisé; - les figures 3 et 4 représentent en perspective et en coupe verticale schématique un projecteur route/croisement dans un second mode de réalisation de l'invention comportant un réflecteur parabolique; - les figures 5 et 6 représentent en perspective et en coupe horizontale la constitution d'un projecteur route/croisement selon un troisième mode de réalisation de l'invention comportant des réflecteurs elliptiques et des réflecteurs paraboli- ques; la figure 6a montre un détail de réalisation d'un organe des figures 5 et 6; les figures 7 et 8 représentent les éclairages obtenus sur la route dans les deux régimes d'éclairement de ce projecteur; - les figures 9 et 10 représentent schématiquement en perspective et en coupe verticale un projecteur route/croisement, selon un quatrième mode de réalisation de l'invention, la figure 11 repré- sentant une vue de face schématique de ce projecteur et la figure 12 représentant l'éclairement obtenu sur un écran. On va décrire à propos des figures 1 et 2 le premier mode de réalisation de l'invention. Au point de vue de sa structure optique, le projecteur de ce premier mode de réalisation com- porte un réflecteur elliptique 10, une source lumi- neuse 11 disposée au voisinage de son foyer interne 12, les rayons lumineux émis par la source renvoyés par le réflecteur elliptique 10 convergeant au voi- sinage du foyer externe 13. Les rayons réfléchis convergents-divergents sont repris par une lentille 14 pour constituer finalement un faisceau émis utile. Selon l'invention, pour réaliser la coupure, on dispose au voisinage du foyer externe 13 du réflecteur elliptique 10 un écran à cristaux liquides 15 du type précité définissant une zone d'occultation Z définie entre deux plaques de verre comportant des cristaux liquides. Dans un exemple typique, l'écran 15 com- porte deux lames de verre parallèles assemblées de façon étanche et entre lesquelles sont disposés des cristaux liquides "nématiques en hélice". La Figure 2a montre une telle lame de verre 15a. Sur les deux faces internes des deux plaques de verre parallèles a sont disposées des électrodes 15b en couches transparentes très minces (oxyde d'indium ou d'étain). Par décapage chimique, on donne à la couche électrode avant la configuration correspondant à l'occultation de la zone Z. Par exemple, les électrodes sont dispo- sées en bandes 15c. Entre les plaques distantes de quelques dizaines de microns, les molécules de cris- taux liquides sont orientées en quart d'hélice (structure twistée). Sur les deux faces extérieures des plaques de verre sont disposés des polariseurs croisés 15d. Lorsqu'on éclaire un tel écran 15, la lumière polarisée par le premier polariseur de la première plaque de verre subit une rotation de 90 entre les deux plaques due à la configuration en héli- ce des cristaux liquides et sort à l'arrière pola- risée perpendiculairement à sa direction d'entrée, le second polariseur de la seconde plaque la laissant sortir. Il y a transparence. Si on applique un champ électrique entre les électrodes 15c de l'écran 15 par l'intermédiaire des bornes 15e, on provoque une déformation des cris- taux liquides, les molécules s'orientent parallèlement à la direction du champ. Elles deviennent donc per- pendiculaires aux deux plaques de verre 15a. La lumière polarisée à l'entrée n'est plus tournée de 900 par les cristaux liquides. Elle est arrêtée par le polariseur 15d de sortie. Il y a opacité. On voit sur la Figure 1 que la zone Z est munie d'une limite correspondant simplement aux nécessités de l'éclairage croisement (occultation de la zone 17 sur un écran de projection 18). Selon l'état d'excitation des bornes électriques 15e, les rayons lumineux sont ou non occultés par l'écran 15. Le projecteur peut émettre soit un faisceau de route, soit un faisceau de croisement. On peut disposer les électrodes d'entrée selon des bandes horizontales parallèles telles que c que l'on peut exciter de façon variable. Ainsi, on peut régler la hauteur, et plus généralement la configuration de la zone de coupure Z en faisant varier la limitede coupure. De même, on peut ménager entre des élec- trodes 15c, des zones complètement transparentes et toujours transparentes, si on veut disposer de lumière au-dessus de la coupure. On peut enfin réaliser toute modulation de l'intensité de coupure en réalisant une zone d'oc- cultation Z de type tramé, c'est-à-dire une zone constituée de bandes successivement opaques et trans- parentes, le serré du tramé permettant de faire varier le degré d'occultation. On va maintenant décrire le second mode de réalisation de l'invention en référence aux figures 3 et 4. Le projecteur de ce second mode de réa- lisation comporte un réflecteur principal parabolique ayant un foyer 21 sur son axe optique constituant l'axe optique 22 du projecteur. Une source lumineuse 23, constituée par exemple par un filament ou un arc électrique,est situé légèrement en avant du foyer 21, sa partie arrière coïncidant avec ce foyer. Comme on le voit sur la figure, les rayons émis par la source lumineuse et renvoyés par le réflecteur sont donc légèrement convergents. En avant du réflecteur est disposée une glace de fermeture 24 munie de stries de répartition de faisceau, de manière connue en elle-même. Entre le réflecteur et la glace, est disposé un écran à cristaux liquides 25 selon l'in- vention ayant une structure analogue à celle qui vient d'être décrite, avec deux bornes électriques de comman- de 25e. Lorsqu'aucune différence de potentiel n'est appliquée à ces bornes 25e, les rayons lumineux, tels que À, qui passent au-dessus de l'horizontale, traver- sent librement l'écran et viennent se réfracter dans la glace 24 assurant ainsi un faisceau complémentaire à celui créé par les rayons tels que o versent toujours librement la partie supérieure de la glace 24. Ainsi, lorsqu'aucune tension n'est appliquée aux bornes 25e, le projecteur émet-il un faisceau correspondant à la totalité des rayons ré- fléchis par le réflecteur et réfractés par la totali- té de la glace 24. On obtient ainsi un faisceau de route. Lorsque l'on applique une différence de potentiel aux bornes des électrodes 25e, les cristaux liquides s'orientent et rendent l'écran 25 opaque. Les rayons tels que P sont maintenant arrêtés par la zone opaque Z de l'écran, et seuls les rayons conver- gents et donc non éblouissants tels que d passent librement à travers la partie supérieure de la glace 24 qui assure la répartition lumineuse. On obtient ainsi un faisceau de croisement. L'exemple des figures 3 et 4 montre ainsi, dans une configuration optique très simple, l'inter- vention d'un écran à cristaux liquides 25 selon l'in- vention pour réaliser, selon l'état d'excitation de l'écran, deux régimes d'éclairement. On remarquera qu'il s'agit d'un système statique à commande élec- trique n'utilisant qu'une seule source lumineuse, ce qui le rend évidemment très supérieur à la fois aux systèmes de la technique antérieure utilisant des écrans mobiles et aux systèmes utilisant deux sources lumineuses, et en tout cas bien moins coûteux que les systèmes utilisant deux sources à décharge. On va maintenant décrire, en se référant aux figures 5 à 8 un troisième mode de réalisation de l'invention. Le projecteur des figures 5 et 6 comporte deux réflecteurs sensiblement elliptiques 30a, 30b, disposés symétriquement par rapport à un plan vertical central. Ces deux réflecteurs 30a, 30b, ont un foyer interne commun 31 et chacun un foyer externe (32a, 32b), les deux foyers externes (32a, 32b) des deux réflecteurs elliptiques étant également symétriques par rapport à un plan central. La source lumineuse 33 qui peut par exemple être un filament de tungstène, un arc électrique, une lampe à décharge, est disposée au foyer commun 31 des deux réflecteurs (30a, 30b), de telle sorte que, comme représenté, les rayons issus de la source lumineuse et renvoyés à gauche et à droite par les deux réflecteurs ellip- 1 1 tiques viennent converger vers les foyers (32a, 32b). A l'extérieur des deux réflecteurs ellip- tiques, et toujours symétriquement par rapport à un plan vertical central, sont disposés deux réflecteurs paraboliques (34a, 34b) dont les foyers respectifs sont confondus avec les foyers externes (32a, 32b) des réflecteurs elliptiques (30a, 30b). La disposition d'ensemble est telle que les rayons lumineux issus de la source 33 renvoyés par les réflecteurs elliptiques (30a, 30b) viennent converger à leurs foyers externes (32a, 32b), rencontrent les réflecteurs paraboliques (34a, 34b) et sont finalement renvoyés selon des faisceaux de rayons sensiblement parallèles dans la direction d'émission E. Au voisinage du foyer 32b est disposé verticalement un écran opaque de type classique 35, qui occulte les rayons montant et donne ici un fais- ceau coupé horizontalement du type faisceau de croi- sement obtenu par réflexion sur les réflecteurs 30b et 34b donnant un éclairement du type représenté sur la figure 7 (l'écran opaque 35 est montré de face fig.6b). Au contraire, les réflecteurs associés a et 34a n'ont pas de dispositif de coupure. Ils donnent donc un faisceau complet éclairant la tota- lité de la perspective de la route et qui se super- posent donc à la partie inférieure du faisceau donné par les réflecteurs 30b et 34b, comme on le voit sur la figure 8. Avec le dispositif ci-dessus défini, on dispose ainsi de moyens d'éclairement de croisement, et de moyens d'éclairement de route. Selon l'invention, on associe aux réflec- teurs 30a et 34a et sur toute la fenêtre de lumière de sortie un écran 36 contenant des cristaux liquides constitué comme on l'a indiqué précédemment. Lorsque cet écran 36 n'est pas soumis à une tension d'acti- vation des cristaux à ses bornes 36e, les rayons tels que Ra traversent librement ledit écran et la totali- té de la perspective routière est éclairée comme à la figure 8. On réalise ainsi la fonction route. Lorsque l'on applique une tension électrique à l'écran 36, il devient opaque et occulte les rayons Ra. Seuls les rayons Rb émis par le sousensemble (30b, 34b), c'est-à-dire des rayons d'éclairage croi- sement se trouvent émis (Fig. 7). Là encore, comme précédemment, on réalise avec une seule source lumineuse une commutation sta- tique par des moyens électriques. En variante, on peut équiper le sousensemble (30a, 34a) d'un écran permanent pour occulter les rayons de type croisement de façon permanente puisque l'autre sous-ensemble (30b, 34b) en émet toujours suffisamment. Dans un quatrième mode de réalisation, correspondant aux figures 9 à 12, on réalise un pro- jecteur comportant un demi-réflecteur supérieur para- bolique 40 de foyer 41. La source lumineuse 42 cons- tituée par un filament axial est légèrement en avant de ce foyer 41. Ce demi-réflecteur 40 donne des rayons descendant tels que Poet donne sur un écran (figure 12) une projection 43 dont la partie supérieure est sen- siblement horizontale, donc non éblouissante. Au demi-réflecteur supérieur 40 est associé un demi- réflecteur parabolique inférieur 50 dont le foyer 51 est situé au milieu de la source 42. Ce demi-réflec- teur inférieur donne donc un faisceau de rayons tels que cdont la projection sur un écran (figure 12) donne une image telle que 53. L'association de ces deux faisceaux donnée par la même source 42 peut donner, après correction optique par une glace de fermeture (non représentée) un bon faisceau de route. Pour réaliser l'occultation nécessaire pour obtenir un faisceau de croisement, on dispose (figures 9 et 11) autour de la source de deux écrans à cristaux liquides 45 comme définis précédemment, disposés en V en dessous de la source 41. Lorsque ces écrans 45 sont dans leur état de transparence, les rayons tels que oémis o par la source 41 peuvent les traverser facilement pour venir se réfléchir sur le réflecteur 50 et remonter au-dessus du plan horizontal pour former la zone hachurée 53 (figure 12). Dans le cas o l'on veut passer en faisceau croisement, il suffit d'appliquer la ten- sion d'excitation convenable aux écrans à cristaux liquides 45 pour les rendre opaques. A ce moment, tous les rayons tels que csont arrêtés, la zone hachurée sur l'écran n'est donc plus éclairée. Seule subsiste la zone 43 et la partie inférieure de la zone 53 située au-dessus de l'horizontale. Le fais- ceau coupé constitue alors un faisceau de croisement. On remarquera que ce quatrième mode de réalisation, qui vient d'être décrit, représente la transposition, dans un système d'écrans à cristaux liquides du système à volets mobiles décrit dans le vieux brevet français 1 296 036 donné ici à titre de référence et de complément d'information. Cette référence fait d'ailleurs comprendre tous les avantages du système statique à commande électrique selon l'invention qui présente l'avantage d'être plus rapide, plus fiable et insensible aux vibrations. Les quatre exemples de réalisation qu'on a donnés ci-dessus ne sont pas limitatifs. Ils pré- sentent tous l'avantage de permettre la réalisation d'un projecteur à deux régimes d'éclairement compor- tant des systèmes statiques à commande électrique. Ils montrent que l'invention s'applique aux structures optiques les plus diverses, quant à la nature des éléments optiques utilisés, notamment des réflecteurs. La réalisation d'un écran à cristaux liquides a été donnée dans un mode de réalisation technologique connu de la Demanderesse. Bien entendu, ce mode de réalisation n'est qu'un exemple, et d'autres écrans à cristaux liquides peuvent être utilisés sans sortir du cadre de l'invention. Les modes de réalisation de projecteurs, dans leurs particularités nouvelles, en sus de la présence d'écrans d'occultation à cristaux liquides, font également partie de la présente invention. Enfin, il doit être entendu que l'inven- tion s'applique à tout projecteur à faisceau variable ou commutable. On peut réaliser par exemple un pro- jecteur de croisement dont l'éclairement passe du régime "circulation à droite" au régime "circulation à gauche". On peut moduler et rendre progressive se- lon tout programme de changement la variation d'éclai- rement, en agençant de façon correspondante les commandes de l'écran qui peuvent être en grand nombre (pluralité d'électrodes). On peut ainsi asservir la limite de cou- pure à tout phénomène menant, par exemple l'assiette du véhicule. REVENDICATIONS 1.- Un projecteur d'automobile du type comportant au moins un réflecteur (10; 20; 30a - 30b - 34a - 34b; 40 - 50) coopérant avec une unique source lumineuse (11; 23; 33; 42), caractérisé en ce qu'il comporte un écran d'occultation (15; 25; 36; 45) interposé sur le trajet des rayons lumineux et comportant au moins une zone d'occultation consti- tuée de cristaux liquides susceptibles de conférer à cette zone d'occultation plusieurs états de trans- parence. 2.- Un projecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite zone dudit écran (15; 25; 36; 45) peut prendre soit un état de transparence, soit un état de non-transparence. 3.- Un projecteur selon l'une des revendi- cations 1 et 2, caractérisé en ce que l'écran (15; 25; 36; 45) est du type comprenant de l'extérieur à l'in- térieur deux polariseurs, deux lames de verre, deux électrodes en couche mince transparentes dont l'une au moins a une surface définissant la configuration de la zone d'occultation, un remplissage central de cris- taux liquides en hélice. 4.- Un projecteur selon l'une des revendica- tions 1 à 3, caractérisé par une répartition en bandes (15c) horizontales de l'électrode et de la zone d'oc- cultation (Z) de l'écran (15). 5.- Un projecteur selon l'une des revendica- tions 1 à 4, caractérisé par un réflecteur paraboli- que (20) coopérant avec une source lumineuse (11) légè- rement en avant de son foyer, et un écran (25) inter- posé sur le trajet des rayons réfléchis par le réflec- teur (20). 6.- Un projecteur selon l'une des revendi- cations 1 à 4, caractérisé par un réflecteur (10) elliptique ayant une source lumineuse (11) au voisi- nage de son foyer interne (12) et un écran à cristaux liquides (15) au voisinage de son foyer externe (13). 7.- Un projecteur selon l'une des revendi- cations 1 à 4, caractérisé par une source lumineuse unique (33) coopérant avec deux ensembles de réflec- teurs elliptiques (30a, 30b) associés à deux réflec- teurs paraboliques (34a, 34b), l'un des ensembles (30b, 34b) comportant un moyen de coupure de faisceau (35) et l'autre (30a, 34a) un écran à cristaux liquides (36) disposé sur sa fenêtre de sortie de lumière. 8.- Un projecteur selon l'une des revendi- cations 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte une source lumineuse (42) coopérant avec au moins un réflecteur (40, 50), et au moins un écran à cris- taux liquides (45) interposé entre la source et le réflecteur.