Brevet FR2615310A1 — publié le 19881118

DISPOSITIF D'ECLAIRAGE FLUORESCENT UTILISABLE POUR UN SYSTEME DE VISUALISATION A CRISTAUX LIQUIDES La présente invention -concerne des dispositifs d'éclairage fluorescent envisagés notamment pour l'arrière des visualisations à écran plat à cristaux liquides, plus particulièrement pour des visualisations couleur équipant des planches de bord d'avion et des visualisations tête haute pour lesquelles la source d'éclairage doit être très puissante et avec un minimum d'énergie dissipée. Le but de l'invention est d'améiiorer considérablement les sources d'éclairage à base de tubes fluorescents utilisées actuellement dans ces domaines. L'invention permet d'obtenir une luminance plus forte et une meilleure homogénéité tout en réduisant la puissance électrique nécessaire. Dans une version améliorée destinée à une visualisation couleur, l'invention permet de gagner encore sur le rendement lumineux et d'obtenir une colorimétrie proche de celle d'un tube n shadow-mask", tout en utilisant un écran cristal liquide monochrome. Les écrans à cristaux liquides, en particulier ceux en couleur, sont éclairés par l'arrière afin d'avoir une forte luminance pour être lisibles avec un niveau de confort suffisant en forte ambiance lumineuse. Le dispositif d'éclairage comporte un réflecteur, des tubes fluorescents et un diffuseur. La source lumineuse est à base de tubes fluorescents car ils présentent le meilleure rendement énergétique avec une colorimétrie bien adaptée à l'utilisation. I1 existe différent modèles de tubes fluorescents qui peuvent être utilisés. On peut les séparer en trois groupes principaux : tubes à haute tension à cathode froide, tubes à haute tension à cathode chaude et tubes à basse tension à cathode chaude. Les solutions connues consistent généralement å disposer un ensemble de tubes fluorescents droits ou repliés plusieurs fois sur eux-mêmes. pour produire des bandes lumineuses parallèles. Ces dispositifs d'éclairage sont réalisables avec les différents types de tubes fluorescents précités. Ils présentent un mauvais rendement lumineux dû à l'éclairement non uniforme procuré qui oblige à avoir un diffuseur entre les tubes et l'écran cristal liquide. Ce diffuseur introduit une perte d'intensité lumineuse de 30 à 50 %. En outre, la lumière envoyée vers l'arrière est récupérée par un réflecteur mais les tubes font obstacle ensuite à une grande partie de la lumière réfléchie. Une amélioration consiste à disposer un réflecteur sur le tube lui-même pour obtenir des tubes fluorescents à effet directif. L'intensité lumineuse est ainsi presque doublée mais la non-uniformité de l'éclairement est plus délicate à corriger. Une autre solution connue consiste à utiliser deux tubes émetteurs de rayonnement ultraviolet cylindriques, disposés parallèlement et latéralement par rapport au volume délimité entre une face arrière réfléchissante et la face avant formée d'une plaque transparente revêtue intérieurement d'un dépôt fluorescent pour la rendre éclairante sous l'influence du rayonnement émis par les tubes. Les tubes émetteurs latéraux sont recouverts sur la partie extérieure d'un dépôt réfléchissant pour les rendre directif dans le volume compris entre les deux plaques. La couche de phosphore transforme le rayonnement ultraviolet émis par les tubes en radiations visibles et fournit donc le flux lumineux nécessaire à l'éclairage d'un écran à cristal liquide. Cette dernière solution présente les inconvénients suivants : les dimensions du système sont supérieures à celles de l'écran à éclairer à cause des tubes latéraux qui sont placés en bout de la surface utile ; un faible rendement lumineux dû à la faible longueur des tubes et aux pertes dans le guide de lumière constitué par les deux plaques ; une homogénéité d'éclairage difficile à obtenir. Suivant l'invention il est réalisé un dispositif d'éclairage fluorescent du type précité comportant une source lumineuse émettrice d'un rayonnement ultraviolet dans un volume délimité par des surfaces latérales réfléchissantes, une face arrière réfléchissante et une face avant formée d'une plaque transparente revêtue intérieurement d'un dépôt fluorescent pour la rendre éclairante sous l'influence dudit rayonnement, le dispositif d'éclairage étant caractérisé en ce que la source est constituée par au moins un tube en quartz ou toute autre matière transparente audit rayonnement, coudé plusieurs fois pour remplir ledit volume et procurer un éclairage intense et homogène a travers la plaque transparente. Suivant une autre caractéristique de l'invention le volume est délimité par un boitier parallèlépipédique qui reçoit le tube surmonté de la plaque éclairante ; les faces du boîtier peuvent être traitées réfléchissantes, ou bien ce sont les surfaces du tube juxtaposées avec les faces latérales et le fond du boîtier qui sont traitées réfléchissantes. Les particularités et avantages de l'invention apparaîtront dans la description qui suit donnée à titre d'exemple, à l'aide des figures annexées qui représentent - Fig. l, un dispositif d'éclairage fluorescent conforme à l'invention; - Fig. 2, un mode préférentiel de réallsation d'un dispositif d'éclairage conforme à l'invention; - Fig. 3, la version la plus simple de réalisation d'un tube à -quartz utilisé comme source d'éclairage;; - Fig.4, un deuxième exemple de réalisation du tube à. quartz utilisé comme souce d'éclairage - Fig.5, un schéma relatif au procédé d'exécution du dispositif d'éclairage selon la figure 2 - Fig. 6, un dispositif d'éclairage fluorescent selon l'invention comportant une pluralité de tubes à quartz - Fig. 7, un mode de réalisation amélioré du dispositif d'éclairage selon l'invention permettant une visualisation polychrome en association avec un écran cristal liquide. å matrice active monochrome - Fig.8, une représentation en coupe du montage selon la figure 7. En se reportant à la figure 1, le dispositif d'éclairage comporte une source lumineuse 1 constituée par un tube (ou plusieurs tubes) en quartz ou toute autre matière transparente aux UV, de section carrée ou ronde, repllé plusieurs fois sur lui-même. Ce tube équipé d'électrodes 11 et 12 fonctionne comme un tube fluorescent classique mais, n'ayant pas de revêtement fluorescent, le rayonnement ultraviolet émis sort du tube compte tenu de la transparence présentée au rayonnement UV, en particulier par le quartz pour la longueur d'onde 253,7mm. Le tube remplit un volume parallélépipédique, ce volume étant délimité par des faces latérales et un fond qui sont réfléchissants. Des métallisations réfléchissantes peuvent être produites sur les faces intérieures (latérales et fond) d'un .boîtier parallêlépipédique 2 destiné à recevoir le tube, ou bien directement sur les faces correspondantes du tube 1 par un dépôt réfléchissant correspondant. Les réflecteurs récupèrent le rayonnement non dirigé vers la face de sortie, ou face avant, et contribuent à uniformiser le rayonnement ultraviolet au niveau de cette face avant. Une plaque transparente 3 revêtue intérieurement d'un dépôt de phosphore fluorescent 30 constitue cette face avant et vient surmonter le tube à quartz 1. Le rayonnement qui parvient sur le phosphore est traduit en rayonnement visible et procure un panneau lumineux uniforme. Un tel dispositif d'éclairage améliore considérablement le rendement lumineux par rapport aux systèmes cités antérieurs. La transparence des parois en quartz du tube et la métallisation des faces extérieures procure un très fort niveau de rayonnement UV parvenant au revêtement fluorescent ; la bonne homogénéité des rayonnements UV permet de se passer d'un diffuseur. La réalisation d'un tel dispositif d'éclairage fluorescent peut s'opérer selon les opérations suivantes - découpage des différentes sections du tube a quartz 1 dans un profilé creux en quartz de section carrée, ou circulaire, (la section carrée ou rectangulaire est préférentielle pour bien remplir le volume entre le boîtier 2 et la plaque avant 3), - l'assemblage par soudure des différentes sections et installations d'électrodes terminales - dépôt éventuel d'une métallisation sur les côtés de la lampe si l'on n'utilise pas un boîtier à parois réfléchissantes, et installation de la lampe dans la boîte 2 - nettoyage, dégazage et remplissage du tube avec les gaz prévus - scellement de la face avant 3. La figure 2 montre un mode de réalisation préférentiel suivant lequel le tube à quartz est réalisé par un montage de plaquettes en quartz. Cet ensemble est visible dans le détail sur la figure 5. Les plaquettes comportent quatre éléments 13A, 13B, 13C et 13D formant les faces latérales du volume parallélépipédique, une plaquette de fond 14, une plaquette de dessus 15 et des cloisons internes également en quartz 16 et 17, de manière à produire l'équivalent du tube en quartz coudé (analogue dans cette représentation à celui schématisé sur la figure 4 qui est replié deux fois sur lui-même). La figure 3 represente le mode de réalisation le plus simple du tube avec un seul repli sur lui-même. Les éléments du tube formés par des plaquettes et des cloisons selon la figure 5 sont soudés les uns aux autres et le montage est facilité par rapport à celui de regroupement de plusieurs sections de tube déjà profilé. La plaque de verre 3 est disposée par dessus la face supérieure 15 du tube. Il y a lieu de noter dans cette structure que le dépôt de phosphore photoémlsslf 30 peut être envisagé réalisé aussi bien sur le dessus 15 du tube, la glace 3 jouant alors un rôle protecteur. La réalisation selon la figure 5 peut s'effectuer selon la technique précitée, découpage et soudure des différentes plaquettes, ou directement par moulage dans un moule en graphite. La figure 6 représente un mode de réalisation suivant lequel plusieurs lampes quartz sont utilisées emplilées les unes sur les autres, par exemple trois lampes lA, 13 et 1C de manière à produire une source lumineuse de très forte luminance. Une lampe panneau de ce genre permet de produire une visualisation tête haute en avionique et d'utiliser un écran cristal liquide au lieu d'un tube cathodique. La boîte 2 de plus grande capacité est prévue pour recueillir l'empilage des tubes à quartz successifs. Chaque lampe lA, 13, 1C contribue au rayonnement UV au niveau de la face avant 3. Les dimensions de face avant des lampes sont au moins égales à celles de l'écran cristal liquide à éclairer. On peut utiliser un revêtement phosphorescent dont la raie d'émission, généralement dans le vert est adaptée à une optique holographique. La superposition de plusieurs lampes plates lA, 13, 1C, donne un grand niveau de sécurité par la redondance apportée à constituer à la source 1 du dispositif d'éclairage. La figure 7 est relative à une version améliorée permettant d'obtenir une visualisation couleur à partir d'un écran à cristal liquide monochrome. Cet écran 4 est représenté à la partie supérieure. Il comporte le cristal liquide 40 inséré entre deux plaques de verre 41 et 42 maintenues rigoureusement équidistantes par des cales épaisseur. Ces plaques comportent des dépôts 41P et 42P jouant le rôle de polariseurs. L'une des plaques portent une contre-électrode 43 constituée d'une couche uniforme de matériau conducteur transparent. L'autre plaque porte la matrice active proprement dite,. elle se présente sous la forme d'une mosaïque de petits carrés 44, également en matériau conducteur transparent, appelés- électrodes de commande.Chaque carré, est relié å un réseau d'électrodes de ligne et de colonne 45 par l'intermédiaire d'un transistor en couches minces 46 (TFT), et constitue un élément ponctuel d'image de l'écran monochrome. A la -partie inférieure se trouve représentée la face avant 3 du dispositif d'éclairage, constituée d'une plaque transparente 31 sur laquelle on a formé un réseau de carrés fluorescents 33 au pas des électrodes de commande 44, séparés par des intervalles 34 opaques au rayonnement UV. Dans un écran cristal liquide trichrome chaque électrode 44 de commande est associée à un filtre correspondant à la couleur rouge, vert ou bleu désiré pour cet élément. Dans la réalisation proposée, ces filtres se trouvent remplacés au niveau de la plaque avant 3, par les carrés 33 en matériau fluorescent, tel 33R pour le rouge, 33V pour le vert et 33B pour le bleu. Les séparations opaques 34 sont déterminés de dimensions un peu plus larges que les espaces entre les carrés 44 en sorte que le rayonnement visible émis par un carré 33 parvienne bien au seul élément 44 auquel il est destlné. Ainsi par des dépôts fluorescents sur la face avant 3 on produit une mosaïque de points 33 de phosphore répondant successivement aux trois couleurs primaires et avec un pas identique au pas des points images 44 de l'écran cristal liquide 4. L'écran cristal liquide utilisé monochrome est plaqué contre la face avant 3 du dispositif d'éclairage, les points images 44 étant centrés sur les points de phosphore 33. Tous les points de phosphore 33 sont excités par le rayonnement UV transmis par la lampe à quartz 2 à travers la plaque transparente 31. L'écran cristal liquide ne laisse passer que la lumière visible rouge, verte ou bleue selon les points images commandés en correspondance avec les phosphores 33R,33V et 33B. Dans la version de base (figures 1 à 6) chaque élément image de l'écran cristal liquide est éclairé par la lumière blanche émise par les phosphores du revêtement fluorescent interne 30. Dans la nouvelle version l'énergie est répartie entre les trois couleurs primaires par les phosphores distincts 33R,33V et 33B. Ces phosphores remplacent l'ancienne couche 30. Ils se trouvent, de préférence, disposés comme représentés du côté extérieur de la face avant de manière à diminuer la distance qui les sépare des éléments électrodes de commande 44. On évite ainsi des effets de parallaxes et un éclairement au-delé de l'électrode de commande 44 associée au filtre 33. Ainsi, le phosphore 33R par exemple émét un flux lumineux dans le spectre du rouge, ce flux ne parvenant pratiquement qu'à l'élément 44 situé au-dessus du phosphore 33R. Dans les solutions à écran cristal liquide polychrome, pour un point image une seule couleur primaire est utile, l'énergie des deux autres est perdue. De plus, la couleur primaire utile est atténuée par le filtre coloré (60 à 70 % de transmission). Dans la version couleur proposée conforme å l'invention chaque point image reçoit en théorie trois fois plus d'énergie car la lumière est émise en totalité selon une seule couleur primaire, I1 n'y a pas de perte de transmission due au passage à travers des filtres colorés. Cependant, cette valeur théorique d'amélioration du rendement lumineux n'est pas atteinte intégralement car la surface de chaque point de phosphore doit être inférieure à la surface du point image de l'écran ; l'épaisseur de la lame de verre de l'écran cristal liquide introduit un effet de parallaxe avec risque d'émission d'un point de phosphore vers des points images voisins et modification de la colorimétrie suivant l'angle de vue d'observation. Les points de phosphore sont entourés du dépôt non émissif opaque au rayonnement ultraviolet et de dimensions assez larges. Le mode de réalisation de la mosaïque de phosphores est donc très proche de celui d'un écran de tube cathodique couleur "shadow mask". REVENDICATIONS 1. Dispositif d'éclairage fluorescent comportant une source lumineuse émettrice d'un rayonnement ultraviolet dans un volume délimité par des surfaces latérales réfléchissantes, une face arrière réfléchissante et une face avant formée d'une plaque transparente comportant un dépôt fluorescent pour. la rendre éclairante sous l'influence dudit rayonnement, le dispositif d'éclairage étant caractérisé en ce que la source est constitué par au moins un tube en un matériau transparent sudit rayonnement (1) coudé plusieurs fois pour remplir ledit volume et procurer un éclairage intense et homogène à travers ladite face avant (3). 2. Dispositif d'éclairage selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit tube (1) est en quartz. 3. Dispositif d'éclairage selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit volume est parallélépipédique, délimité au moyen d'un boîtier (2) pour constituer lesdites surfaces latérales et ladite face arrière, ledit boîtier recevant ledit tube. (1) surmonte de ladite plaque éclairante (3). 4. Dispositif d'éclairage selon la revendication 3, caractérisé en ce que les faces internes du boîtier (2) sont traitées pour être réfléchissantes. 5. Dispositif d'éclairage selon la revendlcation 3, caractérisé en ce que les surfaces (13A,B,C,D et 14) du tube (1) juxtaposées avec les faces du boîtier sont traitées réfléchissantes. 6. Dispositif d'éclairage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le tube (1) est constitué par des éléments de tube de section rectangulaire ou circulaire soudés bout à bout pour former un tube replié au moins une fois sur lui-même et terminé en ses extrémités par des électrodes d'alimentation (11,12). 7. Dispositif d'éclairage selon l'une quelconque des revendicstions 1 à 5, caractérisé en ce que le tube (1) est formé par un assemblage de plaquettes (13,14,15) pour réallser un tube replié au moins une fois sur lui-même et dont les extrémités comportent des électrodes d'alimentation (11,12). 8. Dispositif d'éclairage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs tubes (lA,lB,lC) empilés les uns sur les autres. 9. Dispositif d'éclairage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite plaque transparente (31) comporte le dépôt fluorescent (30) à base de phosphores du côté intérieur de la plaque. 10. Dispositif d'éclairage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite plaque transparente (31) comporte le dépôt fluorescent (30) à base de phosphores du côté extérieur de la plaque vers l'utilisation. 11. Dispositif d'éclairage selon la revendication 10, caractérisé en ce que le dépôt fluorescent est formé par un réseau en lignes et colonnes de points de phosphore (33) destiné à être associé aux électrodes de commande (44) d'une matrice cristal liquide monochrome (4) pour obtenir un dispositif de visualisation couleur, lesdits points de phosphores ayant une composition destinée à émettre le rouge, le vert ou le bleu, selon le cas. 12. Système de visualisation à cristaux liquides comportant un écran plat de visualisation å cristaux liquides (4) éclairé par l'arrière par un dispositif d'éclairage selon l'une quelconque des revendications 1 å 11.