Brevet FR2823554A1 — publié le 20021018

la forme de pergages taraudés. / - Appareil d'éclairage à diodes et guides optiques minces La présente invention est relative à un appareil d'éclairage. Le domaine technique de l'invention est celui des appareils s d'éclairages d'objets. La présente invention est plus particulièrement relative aux appareils d'éclairage comportant un guide de lumière en forme de plaque mince, généralement plane, constituée d'un matériau translucide ou transparent, en particulier du verre, du polycarbonate ou du polyméthacrylate de méthyle. De tels guides sont notamment utilisés pour des enseignes, des terminaux d'affichage d'ordinateurs et d'appareils électroniques similaires, en particulier pour le rétro-éclairage d'écrans à cristaux liquides; dans ces applications notamment, de la lumière produite par une source est introduite dans le guide par une (ou plusieurs) de ses faces latérales (tranches), la lumière sortant du guide par une (ou deux) de ses deux faces principales généralement parallèles entre elles. La demande de brevet EP 945G74 propose un dispositif lumineux à éclairage par la tranche qui comporte une pluralité de diodes luminescentes disposces en regard et/ou le long de la tranche d'un guide de lumière comportant sur au moins une de ses faces, un réscau de rainures diffusantes d'espacement variable qui sont obtenues par usinage du guide par un faisceau laser. La demande de brevet EP 495273 propose notamment un panneau d'éclairage qui comporte: i) une première couche prismatique ayant une 2s surface prismatique sur un côté et un réflecteur sur l'autre côté; ii) une seconde couche prismatique disposce à proximité de la première pour décaler l'émission angulaire de lumière; et iii) un moyen de transition pour recevoir la lumière focalisée d'une source lumineuse et la transmettre à la tranche de la première couche. Les dispositifs à injection de lumière dans la tranche d'un guide optique mince qui sont proposés dans ces documents ne sont pas adaptés aux applications d'éclairage d'un objet, notamment pour la vision de l'objet par une caméra en vue du contrôle automatisé des propriétés de l'objet, qui nocessitent un éclairage intense et homogène de l'objet; c'est pourquoi on utilise généralement, dans de telles applications o en outre la compacité, la fiabilité et la durée de vie de l'appareil d'éclairage sont primordiaux, un appareil essentiellement constitué d'une pluralité de diodes électroluminescentes disposces selon deux directions d'un plan pour former un matrice de diodes, et d'un écran diffuseur disposé en regard de la matrice de diodes et parallèlement audit plan pour homogénciser, dans des plans parallèles audit plan, le flux lumineux de diodes transmis au travers de l'écran diffuseur. Un inconvénient important de ces appareils est la forte quantité de chaleur qu'ils dégagent à cause du grand nombre de diodes qu'ils comportent; un autre inconvénient réside dans l'hétérogénéité spatiale du flux lumineux résultant de l'utilisation de sources lumineuses discrètes, malgré l'existence du diffuseur qui atténue celle-ci. La présente invention a pour objet de proposer un appareil d'éclairage amélioré; un objectif de l'invention est de proposer un tel appareil dont l'intensité lumineuse soit suffisante pour éclairer un objet observé par une caméra; un autre objectif est de proposer un appareil dont l'émission lumineuse soit uniformément répartie à la surface de sa face émettrice; un autre objectif est de proposer un appareil d'éclairage présentant un lobe d'émission étroit afin de produire un éclairage directif; un objectif de l'invention est de proposer un appareil d'éclairage de structure simple, de durce de vie et de rendement élevés; un autre objectif est de proposer un tel appareil qui provoque un faible dogagement de chaleur; un objectif de l'invention est de remédier, en partie au moins, aux inconvénients des appareils d'éclairage connus. Conformément à un aspect de l'invention, l'appareil d'éclairage comporte: - un premier guide de lumière, généralement en forme de plaque mince, doté d'une face -dite émettrice- pourvue d'une pluralité de motifs diffusants de forme irrégulière, en particulier des rainures diffusantes non prismatiques d'espacement variable; - un deuxième guide de lumière, généralement en forme de plaque mince, doté d'une face pourvue d'une pluralité de facettes planes inclinées, en particulier de rainures prismatiques, d'espacement constant, le deuxième guide étant disposé en regard de la face émettrice du premier guide et s s'étendant parallèlement à celui-ci; et - une pluralité de diodes électroluminescentes sensiblement régulièrement espacces le long d'au moins un bord -ou tranche- du premier guide. Chacune des diodes provoque l'émission de lumière qui pénètre dans le premier guide par la tranche de celui-ci; les motifs irréguliers prévos dans sa face émettrice -dite face principale ou face avant- provoquent (par diffusion et réfraction) l'extraction par ladite face émettrice de la lumière reçue des diodes et se propageant dans le premier guide, et provoquent une émission de lumière présentant un lobe d'émission large; la lumière ainsi émise traverse le deuxième guide en subissant des réflexions et déviations par les facettes planes, qui se traduisent (en sortie du deuxième guide) par un rétrécissement du lobe d'émission. L'invention permet d'obtenir un flux lumineux en sortie très homogène grâce notamment à la présence des motifs diffusants et réfractants de forme irrégulière et non prismatique qui sont prévus à la surface du premier guide, et ceci malgré l'utilisation de sources lumineuses discrètes (LED) produisant un flux lumineux incident hétérogène le long de la tranche du premier guide. Selon un mode préféré de réalisation, les motifs diffusants du 2s premier guide sont essentiellement constitués par un réscau de rainures parallèles creusces dans le guide par un faisccau laser suffisamment intense, tandis que les facettes planes inclinces du deuxième guide sont es sentiellement cons tituée s par un réscau de rainures pri smatique s parallèles entre elles et de profil transversal en forme de "V" renversé; dans ce cas, l'appareil comporte de préférence un troisième guide lumineux identique au deuxième guide, superposé à celui-ci et dont les facettes inclinces (et les rainures prismatiques) s'étendent perpendiculairement aux facettes inclinces (et aux rainures) du deuxième guide. Pour réaliser les motifs diffusants de fotme et de dimensions irrégulières, on soumet de préférence la face principale du premier guide à un rayonnement laser dont l'intensité est situce dans une plage allant de 104 à 107 W/cm2, en particulier allant de 3.104 à 3.106 W/cm2; pour obtenir un s faisccau laser concentré à partir du faisccau émis par une source disponible dans le commerce, on peut intercaler sur le traj et du faisccau un concentrateur constitué de préférence par un miroir paraboloïde; ceci permet d'obtenir en sortie du concentrateur un faisccau laser comportant une tache focale de petites dimensions; de préférence le diamètre de cette tache focale est situé dans une plage allant de 10 à 200 microns, en particulier allant de 25 à 100 microns. Il est en outre préférable de maintenir le plan focal contenant cette tache au voisinage immédiat de la surface à usiner, en particulier à une distance de celle-ci de l'ordre de 10 microns à 100 microns. lS La présence des déformations et irrégularités creusées par le laser, tant à la surface de la face principale du premier guide qu'à l'intérieur de celui-ci, est à l'origine d'une diffusion améliorce et régulièrement répartie de la lumière sortant par cette face principale du guide. Lesdits deuxième et troisième guides peuvent être obtenus par extrusion ou co-extrusion d'une ou plusieurs matières plastiques, en particulier d'acrylique, de polyester ou de polycarbonate, tandis que le premier guide est de préférence obtenu à partir d'une plaque de polyméthacrylate de méthyle, de polycarbonate ou de verre. Chacune des rainures formées dans le premier guide présente de 2s préférence une profondeur allant de 5 à 100 microns, une largeur allant de à 300 microns, en particulier voisine de 50 à 150 microns; l'espacement de ces rainores irrégulières varie de préLérence sensiblement (par exemple à % près) selon une progression géométrique, tandis que l'espacement des rainures des deuxième et troisième guides est constant, par exemple voisin de 10 à 200 microns; de préférence l'épaisseur du premier guide est au moins égale à 1 mm, en particulier voisine de 2 à 10 mm, tandis que celle des deuxième et/ou troisième guide est inférieure à 1 mm, en particulier voisine de 100 à 200 microns. s Selon un autre aspect de l'invention, l'appateil d'éclairage comporte: un guide de lumière, généralement en forme de plaque mince, doté d'une face émettrice pourvue d'une pluralité de motifs diffusants irréguliers en creux disposés de façon non uniforme sur la face émettrice, s - une pluralité de LED CMS disposces en au moins deux rangées le long d'au moins un bord -ou tranche- du guide de lumière. L'utilisation de LED au format CMS permet de réduire le pas d'implantation des LED le long de la tranche du guide et, par conséquent, d' augmenter le nombre de LED utilisées; ce nombre est doublé en prévoyant deux rangées de LED. De préférence, on utilise des LED dont l'intensité lumineuse est au moins égale à 0,2 5 cd (en particulier de l'ordre de 0,5 cd à 5 cd) que l' on dispose en rangées selon un pas au plus égal à 10 mm, par exemple voisin de 3 à 5 mm; ceci permet d'obtenir une intensité lumineuse élevoe qui, rapportée à la surface de la face émettrice de l'appareil, est supérieure à 1000 cd/m2, en particulier de l'ordre de 2.500 à 10.000 ou 20.000 cd/m2. A cet effet, il est préLérable de disposer les LED selon au moins 4 rangées disposces deux à deux le long de deux bords opposés -et parallèles dans le cas d'un guide en forme de plaque rectangulaire- du guide de lumière. Des résultats optimaux ont été obtenus en utilisant des LED présentant deux maxima d'émission dans la plage des longueurs d'onde (400-800 nm) correspondant à la lumière visible; de préLérence, l'appareil comporte des diodes incorporant un émetteur semi-conducteur ainsi qu'un matériau phosphorescent recevant une partie du rayonnement de l'émetteur 2s et produisant en retour un rayonnement de longueur différente de celle du rayonnement de l'émetteur. Grâce à l'invention, on obtient un appareil d'éclairage homogène compact et fiable dont l'échauffement peut être limité à des valeurs de l'ordre de 5 C à 10 C ou 15 C-au-dessus de la température ambiante-; cet échauffement faible contribue à augmenter la durce de vie des LED et à maintenir dans le temps les bonnes performances optiques des matériaux constitutifs des guides de lumière. Lorsque l'appareil comporte des LED en regard de deux tranches opposées du premier guide, les motifs diffusants irréguliers s'étendent de préférence sous forme de segments de droite parallèles aux bords par lesquels la lumière est injectée, ont un profil (largeur et hauteur) transversal s s en sib lement cons tant, et un e sp acement qui varie s en siblemen t régulièrement et de façon non monotone: la distance entre deux segments adjacents diminue lorsqu'on se déplace de la tranche d'injection de lumière jusqu'à une zone du guide intermédiaire entre cette tranche d'injection et la tranche de réflexion qui s'étend sur le bord opposé du guide, puis cette distance augmente lorsqu'on se déplace de ladite zone intermédiaire jusqu'à ladite tranche de réflexion; de préférence cette diminution et cette augmentation s'effectuent sensiblement (par exemple à 10 % près) selon une progression géométrique. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaissent dans la description suivante qui se réfère aux dessins annexés, qui illustrent sans aucun caractère limitatif des modes préférentiels de réalisation de l'invention. La figure 1 illustre en vue en coupe transversale schématique, un premier mode de réalisation d'un appareil selon l'invention. La figure 2 illustre schématiquement les trois lobes d'émission respectifs d'une LED, d'un premier guide de lumière et d'un appareil selon l'invention, qui sont superposés. La figure 3 illustre schématiquement, en vue en perspective, quatre guides optiques plans empilés d'un autre appareil selon l'invention. La figure 4 illustre schématiquement, en vue en coupe transversale, les principaux composant d'un troisième appareil selon l'invention. La figure 5 illustre schématiquement, en vue en perspective, l'utilisation d'un quatrième appareil selon l'invention pour le contrôle visuel automatisé d'objets en mouvement. La figure 6 illustre à échelle agrandie en section transversale les rainures du deuxième guide de la figure 1. Par référence à la figure 1, l'appareil 1 comporte un guide 2 mince comportant une face avant 3 émettrice sensiblement plane, et une face arrière 4 plane et parallèle à la face 3. Le guide 2 est également délimité par deux faces latérales planes parallèles 5 et 6 formant deux tranches opposées du guide; le guide 2 comporte une pluralité de rainures 7 creusées dans la face 3 par un laser, dont le profil transversal est de forme irrégulière, et qui s'étendent perpendiculairement au plan de la figure et selon un espacement 51 continument variable d'un bord 5 à l'autre 6 du guide. C es rainures forment de s motifs diffusants et réfractants servant à extraire par la face 3 la lumière circulant dans le guide 2 selon les flèches 8. Cette lumière provient de LED 9 à 12 montées sur deux circuits imprimés 13 et 14 s'étendant respectivement le long des faces 5 et 6 du guide 2: le circuit 13 supporte et alimente une première rangée de LED CMS (telles que celle repérée 9) qui s'étend linéairement et perpendiculairement à la figure 1, le long et à proximité immédiate de la face 5; le circuit 13 supporte et alimente une deuxième rangée de LED (telles que celle repérée 10) identiques aux LED 9, qui s'étend parallèlement à la première rangée; de la même façon, le circuit 14 supporte et alimente deux rangées parallèles de LED 11 et 12 identiques aux LED 9 et 10 et régulièrement espacées dun pas réduit. L'appareil comporte un miroir plan mince 15 s'étendant contre la face arrière 4 du guide 2 pour réfléchir au moins 95 % (en particulier de 98 à 100 %) de la lumière sortant du guide 2 par cette face 4. L'appareil comporte en outre un guide 16 mince comportant une face avant sensiblement plane 17 et une face arrière 18 plane et parallèle à la face 17. Le guide 16 repose par sa face 18 sur la face 3 du guide 2 et est traversé par la lumière 19 sortant du premier guide 2; la face avant 17 est essentiellement constituce de rainures 24 identiques, de forme prismatique, régulièrement espacées d'un pas 50 et de profil triangulaire: chaque rainure 24 est délimitée par deux facettes planes 22, 23 inclinces par rapport au plan le long duquel s'étend la face avant 17, qui forment un V à angle droit; les facettes s'étendent symétriquement par rapport à des plans contenant l'axe 21 normal aux plans des guides 2 et 16; ces facettes provoquent par réfraction une déviation des rayons 20 sortant du guide 16, en les rapprochant de plans contenant l'axe 21; ainsi, le lobe 25 d'émission du s panneau 1 est plus étroit que le lobe 26 d'émission des diodes et que le lobe 27 d'émission du premier guide 2 (figure 2); de préférence, ce lobe 25 s'étend selon un cône de l/z angle au sommet 28 de l'ordre de 15 à 30 dogrés environ; afin de réduire ce lobe dans deux plans orthagonaux et perpendiculaires aux plans des guides 2, 16, on ajoute comme illustré figure 3 un deuxième guide 29 similaire ou identique au guide 16, qui s'appuie par sa face arrière plane 31 sur la face avant du guide 16, et dont la face avant 32 comporte une pluralité de rainures triangulaires 30 identiques et régulièrement espacées, qui s'étendent parallèlement à un axe 33 orthogonal à un axe 34 parallèle aux rainures 24 et 7 des guides 16 et 2 respectivement. Dans le mode de réalisation illustré figure 3, l'appareil comporte un deuxième premier guide plan mince 35 muni de rainures 36 irrégulières parallèles à l'axe 34, qui est intercalé entre le guide 2 et le miroir 15. Le lobe 25 (figure 2) d'émission de l'appareil 1 peut être incliné par rapport à la normale 21 en ajoutant sur le guide 16 ou 29 dont les facettes 22 sont symétriques, un guide de conception similaire mais dont les facettes planes délimitant les rainores prismatiques n'ont pas la même inclinaison par rapport au plan (33, 34) du guide et/ou par rapport à l'axe 21; cette inclinaison peut être également obtenue (ou renforcée) en ajoutant un guide 38 dont les faces avant 39 et arrière 40 sont inclinées d'un angle 41 par exemple de l'ordre de 10 à 30 (figure 4). Selon une variante de réalisation non représentée, les deux premiers guides 2 et 35 peuvent être montés tête bêche, c'est à dire accolés par leur face rainurce respective; dans les deux cas, les rainures 7 et 36 sont parallèles aux deux tranches opposées par lesquelles est introduite la lumière émise par les LED. Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 4, chaque support 13, 14 reçoit trois rangées parallèles de diodes. Par référence à la figure 5, l'appareil 1 est essentiellement constitué du premier guide 2 muni des rainures 7, d'un écran miroir 15 recouvrant la face arrière du guide 2 et de LED disposces en regard de deux bords opposés du guide 2, l'ensemble étant maintenu solidaire par deux tronçons 42 de profilé en forme de U. Le guide 2 est cintré en U renversé et éclaire de façon homogène une zone 4G d'un convoyeur 43 de transport d'objets 44, afin de faciliter le contrôle visuel automatisé des objets 44 par l'intermédiaire d'une caméra 45 dont le champ de vision correspond à ladite zone 46. REVENDICATIONS 1. Appareil (1) d'éclairage caractérisé en ce qu'il comporte: - un premier guide de lumière (2, 35) doté d'une face (3) émettrice pourvue d'une pluralité de motifs (7) diffusants de forme irrégulière et d'espacement s (51) variable, - un deuxième guide de lumière (16) doté d'une face pourvue d'une pluralité de facettes planes inclinées et d'espacement (50) constant, le deuxième guide étant disposé en regard de la face émettrice du premier guide et s'étendant parallèlement à celui-ci, et l0 - une pluralité de diodes (9 à 12) électroluminescentes sensiblement régulièrement espacées le long d'au moins un bord (5, 6) du premier guide. 2. Appareil selon la revendication 1 dans lequel les motifs diffusants du premier guide sont des rainures non prismatiques parallèles, et dans lequel les facettes inclinces du deuxième guide forment des rainures l5 (24) prismatiques parallèles. 3. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2 qui comporte un troisième guide lumineux (29) identique au deuxième guide, superposé à celui-ci et dont les facettes ou rainures s'étendent perpendiculairement aux facettes ou rainures du deuxième guide. 4. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 dans lequel le deuxième guide repose par sa face (18) arrière plane sur la face (3) avant rainurce du premier guide. 5. Appareil selon l'une quelcouque des revendications 1 à 4 qui comporte en outre un quatrième guide (38) superposé aux précédents permettant d'incliner le lobe (25) d'émission de l'appareil. 6. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 dans lequel les diodes sont des diodes CMS disposces en au moins deux rangées de long d'au moins un bord (5, 6) du premier guide. 7. Appareil selon l'une quelcouque des revendications 1 à 6 dont l'intensité lumineuse est supérieure à 1000 cd/m2, en particulier de l'ordre de 2.500 à 20.000 cd/m2. 8. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 dans lequel les diodes présentant deux maxima d'émission dans la plage des longueurs d'onde correspondant à la lumière visible. 9. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à dans lequel les diodes incorporent un émetteur semi-conducteur ainsi qu'un matériau phosphorescent recevant une partie du rayonnement de l'émetteur et produisant en retour un rayonnement de longueur d'onde différente. 10. Système de contrôle par une caméra (45) d'un objet (44) éclairé par un appareil (1) d'éclairage, caractérisé en ce que l'appareil (1) comporte: un premier guide (2, 35) de lumière, généralement en forme de plaque mince, doté d'une face (3) émettrice pourvue d'une pluralité de motifs diffusants irréguliers en creux disposés de façon non uniforme sur la face émettrice, - un deuxième guide de lumière (16) doté d'une face pourvue d'une pluralité de facettes planes inclinées et d'espacement (50) constant, le deuxième guide étant disposé en regard de la face émettrice du premier guide et s'étendant parallèlement à celui-ci, et - une pluralité de L12D CMS (9 à 12) disposces en au moins deux rangées le long d'au moins une tranche (5, G) du guide de lumière.