Brevet FR2843792A1 — publié le 20040227

BOITE A LUMIERE A HAUTE LUMINANCE POUR VISUALISATIONS Le domaine de l'invention est celui des boîtes à lumière utilisées pour l'éclairage des écrans de visualisation à valve optique, notamment pour les écrans matriciels à cristaux liquides. Le domaine d'application est plus 5 particulièrement celui des visualisations collimatées dits Tête Haute ou Tête Moyenne utilisées sur aéronefs. Dans le domaine aéronautique, une partie des informations concernant le pilotage ou la navigation est présentée sur des dispositifs de 10 visualisation électronique collimatés. Ces informations sont présentées, soit en superposition sur le paysage extérieur, le système est appelé alors Viseur Tête Haute (en terminologie anglaise: HUD pour Head-Up Display); soit sans superposition sur l'extérieur, on parle, dans ce cas, de Visualisation Tête Moyenne ou de Visualisation Tête Moyenne Collimatée (TMC). La 15 Visualisation Tête Moyenne peut être intégrée sous un Viseur Tête Haute de façon à obtenir une continuité dans les images collimatées. Grâce à la présentation d'images collimatées, le pilote passe ainsi de la vision du paysage extérieur à la vision des informations sans temps d'accommodation visuelle. Une Visualisation Tête Moyenne ou un Viseur Tête Haute comprend essentiellement un écran électronique de présentation des informations, une optique de collimation comprenant en général plusieurs groupes optiques et des miroirs permettant de disposer les différents groupes optiques dans l'encombrement du cockpit. A titre d'exemple, la 25 figure 1 représente le schéma de principe d'une Visualisation Tête Moyenne 2 avec son écran de visualisation 1, son optique de collimation 3, ses miroirs de repli 4. L'image collimatée est renvoyée vers l'oeil 5 du pilote. La forme coudée de l'optique de collimation permet de disposer la Visualisation Tête Moyenne 2 sous un Viseur Tête Haute, non représenté sur la figure 1. L'écran de visualisation doit posséder, entre autres, 4 caractéristiques principales qui sont: Une luminance maximale élevée pour les utilisations de jour, de l'ordre de 600 cdm2; * Une luminance minimale très faible pour les utilisations de nuit, de l'ordre de 0.1 cdm'2, notamment en cas d'utilisation de la visualisation avec des jumelles à intensificateur de lumière; À Une uniformité de luminance excellente. En général, I'uniformité U est définie de la façon suivante: U = (Lmax- L min) / (Lmax + L min) Avec Lmax, L min: Luminances maximales et minimales 10 mesurées sur l'écran pour une luminance donnée. On tolère, en général, des valeurs d'uniformité inférieures à 50%, cette valeur pouvant être réduite à 20% pour certaines applications. * Un cône d'émission lumineuse bien défini. Le cône d'émission correspond à l'angle solide dans lequel la luminance reste supérieure à la moitié de sa valeur maximale. L'angle solide d'émission idéal se situe autour de 30 degrés. En dessous de 20 cette valeur, le pilote n'aura plus une image suffisamment lumineuse dans toute la zone de déplacement possible de sa tête; au-delà de cette valeur, une partie de l'énergie lumineuse émise est perdue. Actuellement, les écrans de visualisation utilisés pour les Visualisations Tête Moyenne sont des dispositifs à valve optique, et plus particulièrement à écrans matriciels à cristaux liquides. Comme il est indiqué sur la figure 2, ces dispositifs comprennent essentiellement une valve optique 6 fonctionnant en transmission et une boîte à lumière 7. La boîte à 30 lumière comporte une structure mécanique 8, un dispositif d'éclairage 9, généralement composé de tubes fluorescents cylindriques et des dispositifs optiques 10 permettant d'homogénéiser le flux lumineux provenant du dispositif d'éclairage 9. L'image est formée par modulation de la lumière provenant du dispositif d'éclairage 9 par l'écran de visualisation 6. Les sources d'éclairage sont généralement disposées en une seule couche. Ce sont, par exemple, des tubes fluorescents cylindriques de grande longueur (typiquement: 100 mm) et de faible diamètre (typiquement: 3 mm), généralement à cathode froide (en anglais: Cold Cathode 5 Fluorescent Lamp: CCFL). Les tubes fluorescents présentent les avantages d'avoir un rendement de conversion de l'énergie électrique en énergie lumineuse optimal, de posséder une répartition spectrale de la lumière émise bien adaptée à ce type d'afficheur et d'avoir une durée de vie élevée. Bien que les sources aient une luminance intrinsèque élevée, de 10 I'ordre de 40 000 cdm-2 pour les tubes fluorescents; la luminance maximale reste difficile à atteindre. En effet, d'une part, une partie de la lumière est perdue à l'intérieur de la boîte par diffusion et absorption et, d'autre part, l'écran a une transmission intrinsèque très faible, de l'ordre de quelques pour cent. En finale, moins de un pour cent de la lumière émise par les sources contribue à la luminance de l'image. Une première solution possible consiste à augmenter la luminance des sources en augmentant leur courant d'alimentation; quelques milliAmpères pour un tube fluorescent. Malheureusement, la durée de vie des sources chute dans ce cas de façon importante lorsque l'on augmente le 20 courant et, au-delà d'une certaine valeur d'intensité, le rendement des sources se stabilise puis décroît. Une autre solution consiste à multiplier les sources de la couche d'éclairage. Cependant, I'inévitable resserrement des sources a plusieurs inconvénients majeurs. Par exemple, des couplages électromagnétiques se 25 créent entre les tubes lorsqu'ils sont trop voisins. Classiquement, I'espace inter-tubes doit être supérieur ou égal au diamètre d'un tube élémentaire. Ces couplages peuvent entraîner des claquages entre électrodes dans certaines conditions d'environnement aéronautiques comme de faibles pressions et de fort taux d'humidité. D'autre part, bien que les sources de 30 lumière soient à rendement élevé, près de 80% de l'énergie électrique consommée par les sources est perdue en chaleur; cette énergie thermique devient très difficile à évacuer dès lors que les sources sont confinées dans un espace étroit. Or, toute élévation de température des sources audelà d'une certaine température provoque généralement une chute de leur 35 rendement de conversion. L'invention propose de pallier ces différents inconvénients. Le coeur de l'invention est de disposer les sources d'éclairage non plus dans une couche unique mais dans plusieurs couches superposées. On multiplie 5 ainsi le nombre de sources présentes dans la boîte à lumière tout en conservant des espacements suffisants entre les différentes sources. On augmente alors les performances photométriques de la boîte à lumière, et en particulier la luminance maximale possible, tout en conservant une durée de vie correcte des sources. L'invention s'applique avantageusement lorsque 10 les sources d'éclairage sont des tubes fluorescents. Plus précisément, I'invention a pour objet une boîte à lumière pour écran de visualisation à valve optique comprenant un éclairage comportant plusieurs sources de lumière, ladite boîte comprenant au moins une structure mécanique, ladite structure comportant un logement supérieur, des parois 15 latérales et un fond, la valve optique étant positionnée dans ledit logement supérieur, caractérisée en ce que lesdites sources de lumière sont réparties en plusieurs couches superposées, lesdits plans des couches étant parallèles entre eux et parallèle au plan de la valve optique. Il existe différents types de sources de lumière possibles, comme, 20 par exemple, les diodes électroluminescentes. Ce principe s'applique néanmoins avantageusement aux sources de lumière de type tubes fluorescents de forme cylindrique, les axes des tubes fluorescents de chaque couche sont alors parallèles entre eux, équidistants d'une première distance et situés dans un même plan de couche. Avantageusement, les axes des tubes fluorescents d'une première couche sont parallèles aux axes des tubes fluorescents d'une seconde couche successive à la première couche, lesdits axes de ladite première couche étant décalés dans une direction perpendiculaire à celle des axes des tubes d'une seconde distance égale à la moitié de la première distance. 30 En effet, si les tubes fluorescents d'une première couche sont situés juste sous les tubes d'une seconde couche de tubes fluorescents, une partie du rayonnement desdits tubes de ladite première couche sera perdue par absorption par les tubes de la seconde couche. Pour minimiser cet effet, la position optimale des tubes fluorescents est de décaler les tubes d'une couche par rapport aux tubes de la couche successive. On obtient ainsi à la fois le meilleur rendement et la meilleure homogénéité de luminance. Avantageusement, deux couches successives sont séparées d'une troisième distance environ égale à la première distance. Cette 5 disposition permet de remplir au mieux l'espace occupé par les tubes fluorescents tout en conservant pour tous les tubes fluorescents une distance inter-tube constante et suffisante pour éviter les effets de claquage. Si la première distance est environ égale au diamètre maximal des tubes fluorescents, I'espace de la boîte à lumière est occupée de façon optimale. 10 En se plaçant au-dessus de la boîte, on ne voit plus alors qu'une zone uniformément éclairée, les espaces situés entre les tubes de la couche supérieure de tubes étant exactement éclairés par les tubes de la couche immédiatement inférieure. Avantageusement, le nombre de sources de lumière décroît de 15 façon arithmétique entre deux couches successives, le nombre maximal de sources étant placé du côté du fond de la boîte à lumière. A titre d'exemple, la couche située au fond de la boîte peut comporter sept tubes fluorescents, la couche suivante six tubes, la suivante cinq,... Cette disposition permet d'obtenir des angles solides d'émission plus étroits et mieux adaptés à 20 I'angle solide de visualisation du pilote. En effet, les tubes fluorescents ont un diagramme d'émission quasi-lambertien mal adapté aux applications de visualisations collimatées. Cette disposition permet de créer des lobes angulaires d'émission plus étroits. Avantageusement, les axes des tubes fluorescents d'une première 25 couche et les axes des tubes fluorescents d'une seconde couche successive à la première couche sont perpendiculaires entre eux. Cette disposition particulière permet d'obtenir une surface d'éclairage homogène quel que soit l'angle sous lequel est vu l'écran de visualisation. Avantageusement, au moins deux alimentations électriques 30 différentes et indépendantes alimentent les différentes couches de sources de lumière. Dans un mode particulier de réalisation, une alimentation électrique alimente au plus trois sources de lumière. Dans un second mode de réalisation, au moins une couche de sources de lumière est alimentée par deux alimentations électriques différentes et indépendantes. Ces 35 dispositions ont plusieurs avantages. D'une part, la panne d'une des alimentations des sources de lumière n'entraîne pas la perte totale de l'éclairage, on sécurise ainsi le dispositif de visualisation. D'autre part, la dynamique de l'éclairage est très importante, voisine de 6000. Pour obtenir une variation de l'éclairage des sources de lumière, les sources sont, en 5 général, alimentées par une intensité modulée temporellement (principe dit de Pulse Width Modulation: PWM). Ainsi, pendant une première période de temps donnée, I'alimentation est activée, puis coupée pendant une seconde période. L'ensemble des deux périodes consécutives constitue un cycle d'alimentation. Le cycle se reproduit à une fréquence donnée. Le rapport de 10 la durée de la première période sur le temps total de cycle donne le pourcentage du flux lumineux émis par la source. Lorsque l'on cherche à atteindre de grande dynamique de luminance, la durée de la période d'activation devient trop faible pour les luminances basses. En effet, d'une part, il devient difficile de contrôler l'allumage des sources si les durées 15 d'allumage sont trop courtes et d'autre part, des phénomènes de scintillation (Flicker) apparaissent. Pour réduire l'amplitude de modulation, une solution consiste, dans un premier temps, à couper complètement l'alimentation de certaines couches de sources de lumière et/ou à couper l'alimentation de certaines sources de lumière d'une même couche pour réduire la dynamique 20 de luminance. Sur les sources encore activées, on conserve alors la modulation temporelle pour atteindre les très faibles niveaux de luminance. Pour obtenir une solution optimisée, la luminance de l'écran obtenue par les sources de lumière encore alimentées est au plus égale à environ 10% de la luminance maximale possible sur ledit écran. Avantageusement, la structure de la boîte à lumière comporte deux sousensembles mécaniques, le premier sous-ensemble comprend la partie supérieure des parois latérales et le logement supérieur, le second sousensemble comprend la partie inférieure des parois latérales et le fond, 30 les sources de lumière étant positionnes dans le second sous-ensemble, le premier sous-ensemble étant réalisé dans un matériau isolant thermique et le second sous-ensemble étant réalisé en matériau bon conducteur de la chaleur. Cette disposition permet d'isoler au mieux l'écran de visualisation de la chaleur dégagée par les sources de lumière. Pour améliorer encore cet 35 isolement, une plaque de matériau transparent et revêtue d'au moins un traitement conducteur de la chaleur sépare les deux sous-ensembles mécaniques et isole les sources de lumière de l'écran de visualisation. En effet, un échauffement de la valve optique d aux sources d'éclairage est préjudiciable au bon fonctionnement de celle-ci, il diminue en particulier la 5 transmission de la valve optique lorsque celle-ci est une matrice à cristaux liquides. Par exemple, sans précautions particulières, I'échauffement d aux tubes d'éclairage peut atteindre 60 degrés pour une boîte à lumière classique. Une barrière thermique disposée dans la boîte à lumière entre les sources de lumière et l'écran de visualisation permet de diminuer fortement 10 l'échauffement. Une plaque de matériau transparent recouvert d'un matériau conducteur complète cette fonction. Dans l'exemple précédent, on obtient ainsi une élévation de température réduite à 20 degrés au prix d'une perte de lumière réduite. Le traitement conducteur est, par exemple, de type ITO (Oxyde d'lndium et de Titane). Pour améliorer soit la répartition spectrale, 15 soit la répartition spatiale du rayonnement lumineux émis, la boîte à lumière comporte des éléments optiques de type filtre optique spectral ou diffuseur optique ou déviateur optique. Avantageusement, les sources d'éclairage sont des tubes fluorescents, les extrémités des tubes fluorescents étant enrobées dans un 20 matériau isolant électrique et conducteur de la chaleur, lesdites extrémités étant insérées dans le fond de la boîte, ledit fond étant réalisé dans un matériau également conducteur de la chaleur. Pour éviter un échauffement trop important des tubes fluorescents, il est nécessaire d'évacuer au mieux l'énergie calorique émise. On optimise la conductibilité thermique des tubes 25 en enrobant les extrémités des tubes fluorescents dans un matériau isolant électrique et conducteur de la chaleur, le fond de la boîte à lumière étant réalisé dans un matériau également conducteur de la chaleur, comme par exemple l'aluminium. La partie externe du fond de la boîte comporte des ailettes de ventilation associée à un système de ventilation forcée. Avantageusement, l'écran de visualisation à valve optique est une matrice active à cristaux liquides utilisée pour des dispositifs de visualisation collimatée de type Viseur Tête Haute ou Visualisation Tête Moyenne. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles: - la figure 1 représente le schéma classique d'une visualisation de type Tête Moyenne. la figure 2 représente une vue éclatée d'un écran de visualisation à valve optique et de sa boîte à lumière associée selon l'art antérieur. - la figure 3 représente une vue générale du principe de la disposition des tubes d'éclairage selon l'invention. - la figure 4 représente une première variante de réalisation de ladite disposition selon l'invention. - la figure 5 représente une seconde variante de réalisation de ladite disposition. - la figure 6 représente une troisième variante de réalisation de 15 ladite disposition. - la figure 7 représente une première vue en coupe de la boîte à lumière selon l'invention. - la figure 8 représente une seconde vue en coupe de la boîte à lumière selon l'invention. La figure 3 représente la disposition générale des sources de lumière dans le cas de tubes fluorescents 92 selon l'invention. Ils sont organisés en couches 91 superposées. Chaque couche est composée de plusieurs tubes cylindriques fluorescents. Les axes 93 desdits tubes de 25 chaque couche sont situés dans un plan commun, sont parallèles entre eux et équidistants. Les plans de couche 91 sont parallèles entre eux et parallèles au plan de la valve optique 6. La figure 4 montre une première variante de la disposition 30 générale de la figure 3. Les axes 93 des tubes fluorescents 92 des différentes couches 91 sont tous parallèles entre eux. Les tubes 92 d'une même couche sont séparés d'une distance A et les tubes d'une première couche sont décalés d'une distance B des tubes de la couche successive. Deux couches successives sont séparées d'une distance C. Dans un premier mode particulier de réalisation, la distance B est égale à la moitié de A. dans un second mode de réalisation, la distance C est environ égale à A. La figure 5 montre une seconde variante de la disposition 5 générale. Dans cette variante, les axes 93 des tubes de deux couches 91 successives sont perpendiculaires. la figure 6 montre une variante de la disposition décrite en figure 4. Dans cette variante, le nombre de tubes fluorescents décroît de façon 10 arithmétique entre chaque couche 91. Le plus grand nombre de tubes 92 est situé près du fond de la boîte à lumière. La figure 7 représente une vue en coupe de l'écran de visualisation 1 selon l'invention dans le cas o les sources de lumière sont 15 des tubes fluorescents. L'écran de visualisation 1 comprend principalement une valve optique 6 et une boîte à lumière 7. La boîte à lumière 7 comprend essentiellement une structure mécanique composée de deux sousensembles 81 et 82. Le sous-ensemble 81 constitue le fond et la partie inférieure des 20 parois latérales de ladite boîte. Il comporte dans sa partie interne un revêtement réflectif et diffusant 84. Plusieurs couches de tubes 92 selon l'une des dispositions décrites en figures 3, 4, 5 et 6 sont logés à l'intérieur de cette partie. Le sous-ensemble 81 comporte dans sa partie externe des ailettes de ventilation 83 associée à un système de ventilation forcée 85. Ce 25 sous-ensemble est réalisé dans un matériau bon conducteur de la chaleur comme l'aluminium. Le sous-ensemble 82 constitue la partie supérieure des parois latérales de la boîte à lumière. Ce sous-ensemble est principalement constitué d'un matériau mauvais conducteur de la chaleur. il peut être 30 notamment réalisé en matériau de type NORYL. Il comporte à sa partie supérieure un logement dans laquelle se loge la valve optique 6. Entre les tubes fluorescents 92 et la valve optique 6, des dispositifs optiques 10 et 11 sont disposés. Le dispositif 10 est destiné à améliorer la répartition d'énergie lumineuse tombant sur la valve optique. Ledit dispositif 10 est un diffuseur 35 optique qui peut être notamment de type holographique ou à micro-prismes. Le dispositif 11 est destiné à former une barrière thermique entre les tubes fluorescents et la valve optique. Il est constitué d'une plaque d'un matériau transparent recouvert d'un traitement conducteur de type ITO. Un hublot de fermeture 71, situé au-dessus de la valve optique la protège des agressions 5 extérieures, des fluides et de la poussière. Les flèches sur la figure indiquent le sens de la propagation de la lumière venant des tubes fluorescents. La figure 8 représente une variante de la figure 7. une lame 87 a été ajoutée entre les deux sous-ensembles 81 et 82. Le dispositif 87 est 10 destiné à former une barrière thermique supplémentaire entre les tubes fluorescents 92 et la valve optique 6. Il est constitué d'une plaque d'un matériau transparent recouvert d'un traitement conducteur de type ITO. Les flèches sur la figure indiquent le sens de l'évacuation de la chaleur émise par les tubes 92. REVENDICATIONS 1. Boîte à lumière (7) pour écran de visualisation (1) à valve optique (6) comprenant un éclairage (9) comportant plusieurs sources de lumière (92), ladite boîte comprenant au moins une structure mécanique (8), ladite structure comportant un logement supérieur, des parois latérales et un fond, la valve optique (6) étant positionnée dans ledit logement supérieur, 10 caractérisée en ce que lesdites sources de lumière (92) sont réparties en plusieurs couches superposées (91), lesdits plans des couches étant parallèles entre eux et parallèles à la valve optique (6). 2. Boîte à lumière (7) selon la revendication 1, caractérisée en ce 15 que les sources de lumière sont des tubes fluorescents de forme cylindrique, les axes (93) des tubes fluorescents de chaque couche étant parallèles entre eux, équidistants, séparés d'une première distance (A) et situés dans un même plan de couche. 3. Boîte à lumière selon la revendication 2, caractérisée en ce que les axes (93) des tubes fluorescents (92) d'une première couche sont parallèles aux axes (93) des tubes fluorescents (92) d'une seconde couche successive à la première couche, lesdits axes de ladite première couche étant décalés dans une direction perpendiculaire à celle des axes des tubes 25 de ladite seconde couche d'une seconde distance (B) égale à la moitié de la distance (A). 4. Boîte à lumière selon la revendication 3, caractérisée en ce que la distance (C) séparant deux couches successives vaut environ la distance (A). 5. Boîte à lumière selon la revendication 3, caractérisée en ce que la première distance (A) est environ égale au diamètre maximal des tubes fluorescents. 6. Boîte à lumière selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le nombre de sources de lumière (92) décroît de façon arithmétique entre deux couches successives, le nombre maximal de sources étant placé du côté du fond de la boîte à lumière. 7. Boîte à lumière selon la revendication 2, caractérisée en ce que les axes (93) des tubes fluorescents (92) d'une première couche et les axes (93) des tubes fluorescents (92) d'une seconde couche successive à la première couche sont perpendiculaires entre eux. 8. Boîte à lumière selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'au moins une première et une seconde alimentation électrique différentes et indépendantes alimentent les différentes couches de sources de lumière (92). 9. Boîte à lumière selon la revendication 8, caractérisée en ce qu'au moins la première alimentation électrique alimentent au plus trois sources de lumière (92). 10. Boîte à lumière selon la revendication 9, caractérisée en ce que la luminance de l'écran obtenue par les sources de lumière alimentées par la première source d'alimentation est au plus égale à environ 10% de la luminance maximale possible sur ledit écran. 11. Boîte à lumière selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que, au moins une couche de sources de lumière (92) est alimentée par deux alimentations électriques différentes et indépendantes. 12. Boîte à lumière selon l'une des revendications précédentes, 30 caractérisée en ce que la structure mécanique (8) de la boîte à lumière (7) comporte deux sous-ensembles mécaniques (81, 82), le premier sousensemble (81) comprend la partie supérieure des parois latérales et le logement supérieur, le second sous-ensemble (82) comprend la partie inférieure des parois latérales et le fond, les sources de lumière (92) étant 35 positionnés dans le second sous-ensemble (82), le premier sous-ensemble (81) étant réalisé dans un matériau isolant thermique et le second sousensemble (82) étant réalisé en matériau bon conducteur de la chaleur. 13. Boîte à lumière selon la revendication 12, caractérisée en ce 5 que la structure mécanique (8) de la boîte à lumière (7) comporte des éléments optiques (10, 11) de type filtre optique spectral ou diffuseur optique ou déviateur optique. 14. Boîte à lumière selon la revendication 12, caractérisée en ce 10 qu'une plaque de matériau transparent (87) et revêtue d'au moins un traitement conducteur de la chaleur sépare le premier sous-ensemble mécanique (81) du second sous-ensemble mécanique (82). 15. Boîte à lumière selon l'une des revendications 2 à 14, 15 caractérisée en ce que les sources d'éclairage sont des tubes fluorescents, les extrémités desdits tubes fluorescents (92) étant enrobées dans un matériau isolant électrique et conducteur de la chaleur, lesdites extrémités étant insérées dans le fond de la boîte, ledit fond étant réalisé dans un matériau également conducteur de la chaleur. 20 16. Boîte à lumière selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la partie externe du fond de la boîte comporte des ailettes de ventilation (83) associée à un système de ventilation forcée (85). 17. Boîte à lumière selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la valve optique (6) est une matrice active à cristaux liquides. 18. Dispositif de visualisation collimatée de type viseur Tête Haute 30 ou Viseur Tête Moyenne caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif d'affichage (1) comprenant une boîte à lumière (7) selon l'une des revendications précédentes.