Brevet FR2731502A1 — publié le 19960913

DISPOSITIF D'ECLRIRRGE OIRECTIONEL PAR MICROSTRUCTURES OE RENUOI OE LUIRE La présente invention est un dispositif d'éclairage directionnel- utilisant le principe des guides optiques plans. Suivant cette invention, on dispose à la surface d'un guide optique plan eclairé par sa tranche une couche à bas indice de refraction microperforée permettant une fuite controllée de la lumiére conduite sur une série de prismes ou de micromiroirs de renvoi situés sur le dos de ladite couche à bas indice de refraction microperforée et en contact optique avec elle. Auantageusement, ces micromiroirs définissent une optique blazée vis à vis de la lumiére refractée du guide optique. Rvantageusement, ces prismes ou miroirs sont constitués de microimpressions réalisées dans un matériau support comme une feuille de polymére thermoplastique, microimpressions avantageusement aiuminisées puis contrecollées à l'aide d'une colle optique transparente d'indice de refraction supérieur ou égal à celui du guide sur le dos de la couche répartitrice de lumiére. Avantageusement suivant une premiére voie de mise en oeuvre de l'inuention, on réalisera les microperforations ou microouvertures de la couche à bas indice de refraction sous la forme de lignes parailéles rapprochées et de trés faibleargeur, 10 microns ou moins, s'étendant parallélement au sens de propagation de la lumiére dans le guide.Avantageusement pour obtenir une illumination controllée en intensité de ladite structure microimprimée de renvoi de lumiére, on fera varier en nombre ou en largeur lesdites mîcroouvertures en formes de lignes paralléles. Suivant un perfectionnement de ladite invention, on disposera frontalement à la lumiére refléchie par les microprismes ou micromiroirs de renvoi des lentilles de correction ou une série de microlentilles de correction avantageusement contrecollées sur la face opposée du guide à ce le portant les microprismes par une colle transparente dont l'indice de refraction est inférieur à celui du guide. Suiuant l'inuention, ladite structure de renvoi de lumiére constituée de microprismes ou de micromiroirs pourra être constituée de façon à orienter ou collimateur le faisceau lumineux refléchit et extrait du guide sous forme d'un faisceau de rayons parailéles, ou sous forme d'un faisceau de rayons conuergeants ou divergents.Avantageusement pour ce faire les micromiroirs de renvoi de lumiére pourront être constitués de facettes thermoformées s'étendant perpendiculairement au sens de propagation de la lumiére dans le guide et ménageant sur le trajet de ladite lumiére refractée dans le milieu constitutif desdites facettes une série de surfaces inclinées et reflechissantes sous un angle permettant la refraction des rayons reflechis par lesdites facettes hors du milieu du guide. Avantageusement lorsque l'on désirera réaliser un faisceau émergeant conuergeant lesdites facettes constitueront un miroir sphérique conuergeant blazé, vis à vis du faisceau lumineux incident. Avantageusement lorsque l'on désirera réaliser un faisceau émergeant divergeant lesdites facettes constitueront un miroir sphérique diuergeant blazé vis à vis du faisceau lumineux incident. Suivant une seconde variante de réalisation de l'inuention, on utilisera la couche à bas indice de refraction discontinue (9) pour créer des sources secondaires de lumiére vis à vis d'optiques de renvois individualisées permettant de modifier le front d'onde de la lumiére refléchie dans deux directions spatiales orthogonales à la normale au guide, permettant ainsi de créer des sources de lumiére à répartition de luminance parfaitement control lée. Les discontinuités sont auantageusement formées non de lignes mais d'orifices (10) répartis suivant un maillage régulier de façon à couvrir une fraction déterminée de la surface de la couche (9), discontinuités (10) de la couche (9), constituées de perforations circulaires,de sections de fentes à bords droits, ou à bords arrondis.Avantageusement ces perforations ou discontinuités (10) seront centrées par rapport a l'optique de renvoi (12) et de faible largeur devant celle-ci. Avantageusement afin de maintenir une illumination constante desdites facettes d'une zone A de la couche à une zone B, on fera croitre en longueur lesdites discontinuités parallélement à la direction de propagation des rayons lumineux dans le guide (1) à partir du bord (20) du milieu (19) opposé à celui portant l'optique de renvoi (12). Ladite optique (12) pourra être constituée d'une section de sphére. Suivant une autre vo i e de réalisation de l'inuention, on positionnera sur la tranche opposée (22) du guide faisant face à ia tranche d'introduction de la lumiére (5) un reflecteur de renvoi. On peut ainsi assurer une illumination homogéne des optiques (12) sans nécessité de création d'un gradient d'ouverture de la couche (9), et donc obtenir un faisceau refléchi de caractéristiques constantes en toutes zones du guide. Nécessairement dans ce cas on doublera l'optique de renvoi, I'une d'elle fonctionnant vis à vis de la lumiére injectée, ou montante, la seconde fonctionnant vis à vis de la lumiére retroréfléchie, ou descendante. Suivant une troisiéme uoie de réalisation de l'invention, les discontinuités de la couche (9) seront constituées de lignes paralléles entre elles et perpendiculaires au sens de propagation de la lumiére dans la couche, lignes de largeurs variables suivant leur position sur la couche (9) en zone A ou en zone 5. Avantageusement on positionnera ces lignes de façon à prendre naissance au bord d'une arête (20) des microstructures de renvoi de lumiére. Suivant une variante de réalisation de l'invention les facettes de renvoi de lumiére seront situées et imprimées sur le dos d'une feuille de polymére (11) collée sur le guide (1) par une colle (4) et aluminisées (16) en face arriére. Les Figures 1 à 27 représentent schématiquement l'invention et plusieurs de ses variantes. La figure 1 représente schématiquement vue en plan et partiellement éclatée une uue de face générale du dispositif. La figure 2 représente schématiquement une vue en coupe du guide représenté Figure 1. La figure 3 représente schématiquement un détail de la figure 2 référencé C sur cel le-ci La figure 4 représente le chemin de la lumiére refractée du guide (1) dans le milieu des facettes (4) La figure 5 représente schématiquement vue en plan la structure de la couche répartitrice de lumiére suivant l'invention. Les figures 6 à 3 représentent schématiquement des uues de détail de ladite couche répartitrice, zones référencées A et 5 sur ia figure 5 La figure 9 représente schématiquement vue en plan la structure de facettes uues en coupe figure 3 La figure 10 représente schématiquement vue en plan la structure de facettes du type de celles vues en coupe figure 3 définissant une section de miroir sphérique blazé Les figures 11 à 15 représentent des structures de couche à bas indice de refraction (9) suivant i'inuention dont les discontinuités sont formées d'orifices Figures 16 à 26, on a représenté des optiques de renvoi Figure 27 on a représenté une structure du type de celle représentée figures 2 et 3 pour laquelle le faisceau lumineux extrait du guide est corrigé par une série de lentilles micro imprimées Figure 1 on à représenté schématiquement et partiellement éclatée une vue en pian d'un dispositif suivant l'inuention, comprenant:: -un guide plan (1) constitué par une feuille ou plaque d'épaisseur constante d'un matériau transparent présentant un premier indice de refraction -une couche (9) de matériau transparent présentant des discontinuités dont Indice de refraction est inférieur à celui du matériau de coeur (1) -une couche tQi d'une colle transparente ou matériau de jonction d'indice de refraction supérieur ou égal à celui du matériau de coeur (1) permettant d'assurer un contact optique entre ledit coeur et la structure (il) par les discontinuités de la couche (9) -la structure (11) portant les microfacettes, microprismes ou micromiroirs de renvoi de lumiére. Eventuel lement suivant certaines uariantes de l'inuention, on déposera sur la tranche (21) du guide opposée à la tranche d'injection de la lumiére dans le guide un reflecteur de renvoi. La figure 2 est une vue en coupe du même dispositif représenté figure 1. Sur cette variante de l'inuention, on a représenté les micromiroirs de renvoi de lumiére (12) portés par une feuille de polymére (11) et mis en contact optique auec le guide (1) par une colle transparente d'indice de refraction éleué remplissant l'espace (4) laissé libre par le moulage desdits miroirs dans le matériau (11). Suivant la figure 2, la structure (11) est fortement pressée et positionnée contre le guide (1) de façon a obtenir un positionnement controllé et précis des facettes (12) contre le guide (1).La couche à bas indice de refraction microperforée (9) est intercalée entre la face (3) du guide (1) et la couche de colle (4). Ruantageusement, la face opposée (2) du guide optique pourra comporter une couche de protection à bas indice de refraction, non représentée sur la figure. La figure 3 représente un détail de la structure d'une facette représentée figure 2. La structure imprimée (11) est recouuerte par métallisation d'une couche d'aluminium (16) déposée sous vide permettant la reflection des rayons lumineux qui s'y trouvent incidents. Avantageusement dans le cas ou la lumiére se propage dans le guide suivant une direction unique on réalisera lesdites facettes de façon à ce que la face (15) de celles-ci soit substantiellement paralléle à la direction des rayons lumineux refractés dans le milieu (4). La lumiére sera refléchie sur la face métallisée (12). La figure 4 représente le chemin de la lumiére refractée du guide (1) dans le milieu des facettes (4). La lumiére guidée sous une ouuerture angulaire 2 d est refractée dans le milieu (4) d'indice supérieur à celui du guide (1) sous un angle moyen ffi et une ouverture angulaire i' inférieure à . Cet angle moyen ss non nul permet de diriger un pinceau lumineux de forme et caractéristiques définies sur une optique de renvoi. Les Figures 5 à 8 représentent la structure d'une couche à bas indice de refraction (9) suivant l'invention présentant des discontinuités (10) en forme de lignes fines et paralléles. Figure 5 on a représenté une uue d'ensemble de ladite couche (9), les discontinuités en forme de lignes s'étendant parallélement au sens de propagation de la lumiére dans la couche. Avantageusement on rendra ces iignes aussi fines que possible, 20 microns ou 10 microns ou moins, et rapprochées, de façon à n'être limité que par la diffraction de la lumiére par lesdites lignes. Figures 6, 7 et 8 on a représenté des zones agrandies de ladite couche, zones respectiuement référencées A et 5 sur la figure 5. Afin de garder constant l'éclairement filtrant au travers desdites zones d'une extrémité de la plaque (5) à l'autre on modifiera en largeur (figure 7) ou en nombre (figure 8) lesdites lignes. La figure 9 représente schématiquement uu en plan la structure de facettes vues en coupe figure 3, facettes s'étendant parallélement les unes aux autres et perpendiculairement au sens de propagation de la lumiére dans la couche. La figure 10 représente schématiquement vu en plan la structure de facettes du type de celles vues en coupe figure 3 définissant une section de miroir sphérique blazé vis à vis des rayons lumineux refractés au trauers des fentes (10) (figure 6). Les dispositifs représentés figures 5 à 10 seront avantageusement utilisés pour modifier la forme du front d'onde de la lumiére réfléchie dans un plan perpendiculaire au sens principal de propagation de la lumiére dans le guide. Suivant un perfectionnement de la présente invention, on utilisera la couche à bas indice de refraction discontinue (9) pour créer des sources secondaires de lumiére vis à vis d'optiques de renuois individualisées permettant de modifier le front d'onde de la lumiére refléchie dans deux directions spatiales orthogonales à la normale au guide, permettant ainsi de créer des sources de lumiére à répartition de luminance parfaitement control lée. Les figures 11 à 15 représentent de telles structures de couche à bas indice de refraction (9) suivant l'invention dont les discontinuités sont formées non de lignes mais d'orifices (10) répartis suivant un maillage régulier de façon à couvrir une fraction déterminée de la surface de la couche (9). Avantageusement afin de réaliser un gradient d'ouverture de la couche (9) entre les zones A et B, on augmentera la taille des discontinuités dans le sens de propagation de la lumiére dans le guide (1): figures 11 et 12. Les figures 13 à 15 représentent différentes formes de discontinuités (10) de la couche (9), constituées de perforations circulaires, figure 13, de sections de fentes (selon ia figure 6) à bords droits, figure 14, ou à bords arrondis, figure 15. Les discontinuités sous forme d'orifices représentées figures 11 à 15 seront utilisées suivant l'inuention pour la création de sources de lumiére vis à vis d'optiques de renvoi individualisées. On a représenté de telles optiques figures 16 à 26. Figures 16 à 26, on a représenté des optiques de renvoi constituées de faces ou facettes (12) situées face au sens de propagation de la lumiére dans le guide (1) et portées sur un support elle mis en contact optique auec le guide (1) par une colle (4). Les discontinuités (10) de la couche (9) seront avantageusement constituées de sections de lignes (figure 17) positionnées en aval des facettes (12).Avantageusement ces perforations ou discontinuités (10) seront centrées par rapport a l'optique de renvoi (12) et de faible largeur deuant celle-ci. Avantageusement afin de maintenir une illumination constante desdites facettes d'une zone A de la couche à une zone B, on fera croitre en longueur lesdites discontinuités parallélement à la direction de propagation des rayons lumineux dans le guide (1) à partir du bord (20) du milieu (19) opposé à celui portant l'optique de renvoi (12): figures 18 et 17. Ceci afin de permettre à la discontinuité (10) de constituer une source la plus ponctuelle possible, ou de dimension angulaire faible, vis à vis de ladite optique (12). Suivant l'exemple représenté figure 17 ladite optique (12) est constituée d'un miroir cylindrique concaue incliné.Sans sortir du cadre de l'inuention, ladite optique (12) pourra être constituée d'une section de sphére telle que celle représentée figures 20 et 21, ou de toute autre forme. Avantageusement pour une configuration telle que celle décrite figures 16 à 19, on réalisera la structure décrite figure 16 de la façon suivante: -On réalisera par microimpression ou moulage les formes des optiques de renvoi dans une feuille de matériau (11). La face portant les optiques (12) étant aluminisée par exemple par évaporation sous vide, on surmoule dans les éuidements ménagés dans la couche (11) une couche d'un polymére transparent d'indice de refraction avantageusement supérieur à celui du guide t1) et affleurant au niveau des arêtes desdits évidement de façon à ménager une surface supérieure (21) parfaitement plane et lisse. -Pour un positionnement optique parfait de la source de lumiére constituée par la discontinuité de la couche (9) vis à vis de l'optique (12), on pourra avantageusement, mais de façon non exclusive, déposer ladite couche à bas indice de refraction sur le dos (21) de la couche (19), de maniére à pouuoir créer et positionner directement les discontinuités (10) vis à vis de l'optique (12) de façon simple et reproductible. On éuite ainsi les difficultés éuentuelles liées a un positionnement parfait des facettes vis a vis des discontinuités portées par un support adjacent. On colle ensuite ladite face portant ladite couche (9) sur le guide (1) par une colle de jonction optique (5) a haut indice de refraction.Avantageusement dans ce cas > et pour une haute qualité optique de la face reflechissante de la couche (9) faisant face au guide, on pourra déposer celle-ci par un processus de trempage précisément contre lé suiui d'une photogravure. Suivant une autre uoie de réalisation de l'inuention, on déposera comme précédemment décrit figures 2 et 3 la couche (9) sur la face (3) du guide (1) et l'on réalisera un contre collage précisément positionné de la structure microimprimée (11) sur ladite couche porteuse des discontinuités (10). Figure 19 on a représenté uue en coupe une optique de renvoi pour laquelle la structure reflechissante (12) est constituée par un arc de cylindre. Pour un positionnement plus simple de la discontinuité vis à vis de l'optique, mais au dépend de la précision du faisceau refléchi, on pourra constituer la discontinuité (10) par une ligne centrée sur ladite optique (12): Figure 20. Figure 21 on a représenté uue en plan et partiellement éclatée une structure du type de celle représentée figure 19 pour laquelle les discontinuités de la couche (9) sont constituées de lignes parallèles entre elles et perpendiculaires au sens de propagation de la lumiére dans la couche, lignes de largeurs variables suivant leur position sur la couche (9) en zone A ou en zone 5 et positionnées de façon à prendre naissance au bord d'une arête (20) des microstructures de renvoi de lumiére. Figure 22 on a représenté une structure de renvoi de lumiére suivant l'invention pour laquelle les facettes de renvoi de lumiére sont situées et imprimées sur le dos d'une feuille de polymére (11) collée sur le guide (1) par une colle (4) et aluminisées (16) en face arriére. Figures 23 et 24 on a représenté un autre mode de réalisation des optiques de renvoi de lumiére (12). Suivant cette uoie de réalisation de l'inuention, on positionne sur la tranche opposée du guide (22) faisant face à la tranche d'introduction de la lumiére un reflecteur de renvoi . On peut ainsi assurer une illumination homogéne des optiques (12) sans nécessité de création d'un gradient d'ouverture de la couche (9), et donc obtenir un faisceau refléchi de caractéristiques constantes en toutes zones du guide. Nécessairement dans ce cas on doublera l'optique de renuoi, I'une d'elle fonctionnant vis à vis de la lumiére injectée, ou montante, la seconde fonctionnant vis à vis de la lumiére retroréfléchie, ou descendante.Figure 20 on a représenté vue en coupe une telle optique constituée de deux sections de sphéres de rayon R positionnées tête-bêche. Avantageusement dans ce cas on fera en sorte que la direction moyenne du faisceau réfléchi soit normale à la face (3) du guide. Figure 21 on à représenté la même structure vue de dessus. Dans ce cas on positionnera les discontinuités (10) au centre géométrique des optiques de renvoi (12) symétriquement disposées. Figures 25 et 26 on à représenté vus en coupe et vus de dessus partiellement eclaté un autre mode de réal-isation d'une telle structure pour laquelle la structure reflechissante est une section de sphére de fort rayon R2. Figure 27 on à représenté une structure du type de celle représentée figures 2 et 3 pour laquelle le faisceau lumineux extrait du guide est corrigé par une série de lentilles microimprimées dans une feuille de polymére ( et contrecollées sur la face (2) du guide par une colle à bas indice de refraction (13). REVENDICATIONS 1-Dispositif d'éclairage directionnel comprenant au moins un guide optique plan éclaire par la tranche par une source de lumiére, comportent sur l'une de ses faces une couche à bas indice de refraction (9) microperforee permettant une fuite controllée de la lumiére conduite por te guide caractérisé en ce qu'il comporte une série de prismes au de micromirairs de renvoi situés sur le dos de ladite couche à bas indice de refraction microperforée et en contact optique avec elle dispositif suivant la revendication ! caractérisé en ce que les micromiroirs de renvoi de lumiére (12) sont const;;tués de microimpressions réalisées dans une feuille de matériau thermoplastique (11), aluminisées (16) et callées par une calle optique transparente d'indice de refraction supérieur à celui du guide (1) contre la couche (9). 3-Dispositif selon la revendication I caractérisé en ce que les microauvertures de la couche (9) sont constituées de lignes paralléles de trés faible largeur s'étendant parallélement au sens de propagation de la lumiére dans le guide 1-Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les micromirairs de renvoi de lumiére définissent une optique blazée vis à vis de la lumiére refractée du guide (i) par les discontinuités (10) 5-Dispositif selon la revendication (1) caractérisé en ce que les discontinuités (10) de la couche (9) sont constituées de perforations centrées par rapport à des optiques de renvoi individualisées et de faible largeur devant celles-ci et positionnées à partir du bord (20) du milieu (19) opposé à celui portant l'optique de renvoi (12) 6-Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'optique de renvoi (12) est constituée d'une section de sphére 7-iiisoositif selon la revendication t caractérisé en ce que les optiques de renvoi de lumiére sont doublées de part et d'autre d'une discontinuité dans le sens de propagation de la lumiére dans le guide de façon à agir sur la lumiére retroreflechie en tranche (21) i- Dispositif selon la revendication t caractérisés en ce que les discontinuités de la couche (9) sont constituées de lignes paralléles entre elles et perpendiculaires au sens de propagation de la lumiére dans la couche lignes de largeur variable suivant leur position sur la couche (9) 9-Dispositif selon la revendication t caractérisé en ce que les facettes de renvoi de lulmiére seront situées et imorimées sur le dos d'une feuille de polymére (11) collée sur le guide (t) par une colle (4) et aluminisés (tó) en face arrière.