Brevet FR2862140A1 — publié le 20050513

I BOITE A LUMIERE A DIODES ELECTROLUMINESCENTES 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. Les domaines d'application sont ceux nécessitant une image très lumineuse. Le domaine d'application privilégié est celui des visualisations utilisées notamment en aéronautique. Dans le domaine aéronautique, une partie des informations concernant le pilotage ou la navigation est présentée sur des dispositifs de visualisation électronique collimatés. Ces informations sont présentées généralement en superposition sur le paysage extérieur au moyen d'une lame optique semi-réfléchissante, le dispositif est appelé alors Viseur Tête Haute (en terminologie anglaise: HUD pour Head-Up Display). Elles peuvent également être présentées sans superposition sur l'extérieur, on parle, dans ce cas, de Visualisation Tête Moyenne ou de Visualisation Tête Moyenne Collimatée (TMC). La 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. Dans le cas des viseurs Tête Haute, l'élément optique assurant la superposition des informations collimatées sur le paysage extérieur est appelé combineur. Actuellement, les écrans de visualisation utilisés pour les visualisations collimatées ou non collimatées sont soit des tubes à rayons cathodiques permettant d'atteindre des luminances élevées (notamment dans le cas des viseurs Tête Haute), soit des écrans à afficheurs matriciels à haute résolution. Ces écrans de visualisation comprennent alors essentiellement une valve optique fonctionnant en transmission et une boîte à lumière comportant une ou plusieurs sources d'éclairage. La valve optique est le plus souvent un écran matriciel à cristaux liquides. La boîte à lumière doit posséder, entre autres, 5 caractéristiques principales qui sont: É Une luminance maximale élevée pour les utilisations de jour compte-tenu de la faible transmission des écrans à cristaux liquides, cette luminance maximale est de l'ordre de 80 000 cdm-2 à 100 000 cdm-2, selon la transmission de la valve optique et de l'optique de collimation lorsque la visualisation en comporte une; É Une luminance minimale très faible pour les utilisations de nuit, 15 de l'ordre de quelques cdm-2, notamment en cas d'utilisation de la visualisation avec des jumelles à intensificateur de lumière; É Une uniformité de luminance excellente. En général, l'uniformité U est définie de la façon suivante: U = (Lmax L min) / (Lmax + L min) Avec Lmax, L min Luminances maximales et minimales mesurées sur l'écran pour une luminance donnée. On tolère, en général, des valeurs d'uniformité inférieures à 30%, cette valeur pouvant être réduite à 15% pour 25 certaines applications. É 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 cette valeur, le pilote n'aura plus une image suffisamment lumineuse dans toute la zone de déplacement possible de sa pupille d'oeil; au-delà de cette valeur, une partie de l'énergie lumineuse émise est perdue. É Une répartition spectrale spécifique. Généralement, les 35 combineurs des viseurs Tête Haute sont des éléments optiques holographiques dont le rendement est optimal avec une lumière à spectre étroit. Les sources d'éclairage sont généralement des tubes fluorescents cylindriques de faible diamètre (typiquement: 3 mm), généralement à cathode froide (en anglais: Cold Cathode 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. L'emploi des tubes dits CCFL présentent cependant de nombreux inconvénients: É Ils nécessitent une haute tension d'alimentation comprise entre 400 volts et 1500 volts selon la longueur des tubes en courant 15 alternatif et qui a pour principales conséquences: É L'utilisation de composants bobinés peu fiables, volumineux, lourds, spécifiques et chers. É L'utilisation de circuits imprimés et de technique de câblage spécifiques qui augmentent les coûts et les 20 délais de réalisation. É L'utilisation de technologies d'assemblage et de finition complexes, nécessaires pour assurer un fonctionnement correct même en cas de dépressurisation, d'humidité élevée ou de chocs thermiques. É Le risque d'arcs électriques (avec dégagements de fumées) en cas de panne des composants. É L'émission de rayonnements électromagnétiques importants et difficiles à maîtriser dans la mesure où par nature ils sont émis en face avant des visualisations. É Ils possèdent une dynamique de luminance encore appelé dimming limitée. En effet, le dimming est obtenu classiquement par une modulation temporelle de la luminance émise. En deçà d'un certain temps d'allumage, le tube fluorescent a un comportement erratique. On perçoit alors les périodes d'extinction du tube sous forme de papillotement (en terminologie anglo-saxonne: flicker ). É Leurs caractéristiques optiques varient dans le temps. La 5 dégradation des performances des lampes fluorescentes est due aux phénomènes suivants: É Appauvrissement en gaz vaporisé (mercure). É Dégradation du pouvoir émissif des électrodes. É Opacification du verre du tube fluorescent. É Perte de rendement des phosphores tapissant l'intérieur du tube qui évoluent de façon différente et changent la couleur de la lumière émise. É Leur rendement photométrique à basse température est mauvais et les démarrages à froid réduisent leur durée de vie. É Les démarrages des tubes fluorescents après un temps d'arrêt important sont peu performants (première apparition de lumière retardée suivi d'un fonctionnement chaotique) É Les extrémités des tubes fluorescents n'émettant pas de lumière ont une longueur importante, souvent supérieure au centimètre. É Leur relative fragilité due à leur matière (tube en verre) associée à un faible diamètre (de l'ordre de 2 millimètres). É Leur fixation délicate qui doit assurer maintien mécanique et isolation électrique. É Leur mauvais contrôle thermique dû à une dissipation thermique très peu drainée par conduction vers la structure, l'évacuation thermique se faisant uniquement par convexion naturelle. É Le risque d'obsolescence de ces composants très spécifiques 30 et difficilement remplaçables. Aussi, depuis quelques années, il est envisagé de remplacer ces sources de lumière par des diodes électroluminescentes encore appelées LEDS (acronyme anglo-saxon de Light Electroluminescent Diode). Les diodes électroluminescentes présentent de nombreux avantages: É Ce sont des composants semi-conducteurs facilement intégrables sur des circuits imprimés. É Ils nécessitent de basses tensions d'alimentation pour fonctionner. É Les spectres d'émission permettent de couvrir tout le spectre visible. É Ils ont une très grande bande passante qui autorise une grande dynamique de luminance en utilisant la modulation temporelle de leur tension de commande. É Ils ont une grande fiabilité et une durée de vie importante. Généralement, les boîtes à lumière à LEDs comprennent un tapis de LEDs montées sur un circuit électronique unique disposé sous des dispositifs optiques permettant d'homogénéiser la répartition géométrique et angulaire du rayonnement lumineux qui sont généralement soit des diffuseurs soit des films à microprismes. Cette solution présente trois inconvénients principaux: É Elle nécessite un grand nombre de LEDs, de l'ordre de quelques dizaines pour assurer un éclairage homogène de 20 l'afficheur. É Il est techniquement assez complexe de réaliser dans une même boîte plusieurs éclairages différents comme un éclairage de jour à haute luminance et un éclairage de nuit à faible luminance. É La mort d'une LED peut entraîner une baisse significative de la luminance de la partie de l'afficheur qu'elle éclaire. Les dernières générations de LEDs de puissance rayonnant plusieurs watts de puissance lumineuse permettent de réaliser une boîte à lumière avec seulement quelques LEDs. L'objet de l'invention est de proposer une boîte à lumière utilisant ces LEDs de puissance et ne présentant pas les inconvénients précédents. Plus précisément, l'invention a pour objet une boîte à lumière 35 pour écran de visualisation comprenant: É un dispositif d'éclairage comportant un support mécanique et au moins une source de lumière à diodes électroluminescentes disposée dans ledit support mécanique, É une structure mécanique comportant un logement supérieur, 5 des parois latérales et un fond, le dispositif d'éclairage étant disposé dans ledit fond, l'écran de visualisation étant destiné à être positionné dans ledit logement supérieur, caractérisée en ce que la disposition des sources est telle que le rayonnement lumineux de chaque source de lumière éclaire la totalité d'une même surface utile de l'écran de visualisation. Avantageusement, chaque source de lumière possédant une zone d'émission de faible dimension émettant une intensité lumineuse essentiellement dans un cône d'émission d'angle au sommet a, l'écran de visualisation étant de forme rectangulaire ayant une diagonale D, alors la distance moyenne L séparant chaque source de lumière du centre du logement supérieur vaut sensiblement D/[2.tg(a/2)]. En d'autre terme, les différentes sources de lumière sont situées sur une portion de sphère ayant pour centre le centre du logement supérieur et pour rayon la distance 20 moyenne L. 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: É La figure 1 représente un schéma général de la boîte à lumière selon l'invention. É La figure 2 représente un agencement particulier des sources de lumière selon l'invention. É La figure 3 représente une vue en coupe d'une source de 30 lumière selon l'invention. É La figure 4 représente une vue en perspective d'un mode de réalisation possible des sources d'éclairage. É La figure 5 représente un viseur Tête Haute comportant un écran de visualisation comportant la boîte à lumière selon 35 l'invention. La figure 1 représente un schéma général de la boîte à lumière 1 selon l'invention. Elle comprend essentiellement: É un dispositif d'éclairage 2 comportant un support mécanique 22 5 et au moins une source de lumière à diodes électroluminescentes 21 disposée dans ledit support, É une structure mécanique 3 comportant un logement supérieur 33, des parois latérales 31 et un fond 32. La matrice à cristaux liquides 6 est disposée sur le logement supérieur qui a des dimensions voisines. Généralement, les afficheurs sont de forme rectangulaire. On note D la diagonale de la surface utile de l'afficheur. D correspond également à la diagonale du logement supérieur. Un radiateur thermique 7 peut également être placé contre le dispositif d'éclairage 2 pour évacuer les calories émises par les sources d'éclairage de façon à diminuer la température interne des diodes de la boîte à lumière. Chaque source de lumière possède une zone d'émission de petite dimension émettant dans un cône d'émission d'angle au sommet a symbolisé par les flèches et I' ellipse en pointillés de la figure 1. Classiquement, à l'intérieur du cône d'émission d'angle a, l'intensité lumineuse vaut au moins la moitié de l'intensité maximale émise. On note également L la distance moyenne séparant les zones d'émission de chaque source de lumière 21 du logement supérieur 33. Les sources de lumière sont disposées de telle sorte que l'intégralité du rayonnement émis dans le cône d'émission éclaire la totalité de la surface utile de l'afficheur lorsque celui-ci est situé dans son logement. Cette disposition est réalisée lorsque la distance moyenne L séparant la zone d'émission du logement supérieur 33 vaut sensiblement D/[2.tg(a/2)]. Cette disposition est optimale. En effet, si le cône d'émission ne couvre pas la totalité de la surface, alors chaque diode éclaire une partie seulement de la surface de l'afficheur et le mauvais fonctionnement d'une diode entraînera une inhomogénéité d'éclairement. Si, au contraire, le cône d'émission couvre une surface plus grande que la surface utile de l'afficheur, alors une partie de l'énergie lumineuse émise rencontre la surface interne des parois latérales 31. Dans ce cas, cette énergie est en partie perdue par réflexion, absorption ou diffusion. On peut diminuer ce phénomène soit en recouvrant les parois internes d'un revêtement réfléchissant ou parfaitement diffusant. Pour obtenir un bon compromis entre la distance moyenne L qui conditionne en grande partie l'encombrement de la boîte à lumière et l'incidence maximale sur l'afficheur qui conditionne la bonne transmission de l'énergie lumineuse à l'observateur, l'angle d'émission a doit être compris entre 40 degrés et 60 degrés. Des dépolis optiques 4 ou des films à microstructures dites de Fresnel 5 peuvent être intercalés entre le logement supérieur 33 et ladite matrice 6 comme indiqué sur la figure 1 pour améliorer les rendements photométriques. Les dépolis peuvent être soit surfacique (diffuseurs holographiques) soit volumique (diffuseurs de type opalins, par exemple commercialisés par les sociétés SCHOTT ou SAINT-GOBAIN sous la marque de commerce SMOOTHLITE). Leur fonction est d'homogénéiser le rayonnement optique venant des sources de lumière. Les films de Fresnel peuvent être des microprismes à pas constant. Le profil des microprismes définit la fonction optique souhaitée. La société 3M commercialise des diffuseurs de ce type sous les noms BEF (acronyme anglo-saxon de Brightness Enhancement Film) ou DBEF (acronyme anglo-saxon de Dual Brightness Enhancement Film). Le film BEF assure la diffusion de la lumière dans une plage angulaire déterminée dans un plan perpendiculaire à l'axe des prismes. La plage angulaire vaut classiquement +1- 30 degrés. Les matrices à cristaux liquides fonctionnent généralement avec de la lumière polarisée. Or les diodes émettent une lumière naturelle non polarisée. Le film DBEF assure le recyclage de la lumière non polarisée en transmettant la lumière selon un premier état de polarisation adapté à la matrice et en réfléchissant la lumière selon les autres états de polarisation. Les films de Fresnel peuvent également être des lentilles de Fresnel. Dans ce cas, leur fonction est d'adapter l'angle de diffusion a de façon à n'envoyer de la lumière que dans la pupille de l'optique de collimation lorsque la visualisation en comporte une ou à n'envoyer de la lumière que dans la zone d'observation lorsque la visualisation ne comporte pas d'optique de collimation. Pour simplifier la mécanique du dispositif d'éclairage, il est avantageux d'utiliser des sources de lumière identiques. Chaque source émet dans un cône d'angle au sommet a. On oriente l'axe de symétrie du cône de chaque source de façon qu'il passe approximativement par le centre C de l'écran de visualisation pour obtenir la meilleure répartition du flux lumineux sur la surface dudit écran. La figure 2 illustre ce principe. Chaque source de forme sensiblement cylindrique émet de la lumière dans un cône dont l'axe de symétrie 23 est sensiblement dans la direction de l'axe du cylindre de la source. Ladite source est disposée dans un logement cylindrique 24 dont l'axe est orienté de façon qu'il passe par le centre C du logement supérieur 33. La figure 3 représente une vue en coupe d'une source de lumière selon l'invention. Elle comprend essentiellement une diode électroluminescente 211 et une optique d'adaptation 212 disposées dans un conduit cylindrique 210. Les diodes électroluminescentes sont avantageusement des diodes de puissance. Ces diodes sont, par exemple, réalisées à partir de semiconducteurs à base de Nitrure D'Indium-Gallium (InGaN). La puissance typique requise est de plusieurs watts permettant d'obtenir en fonction du spectre d'émission un flux lumineux émis de plusieurs dizaines de lumens par diode. Ainsi, on réalise un dispositif d'éclairage comprenant moins de 10 diodes de ce type et permettant d'atteindre la luminance maximale requise en sortie de boîte à lumière de 100 000 cdm-2. Pour réaliser des éclairages destinés à des afficheurs de viseurs Tête Haute monochromes, il est avantageux de choisir des diodes émettant sur un spectre étroit, typiquement de quelques dizaines de nanomètres et centré sur une longueur d'onde verte située autour de 550 nanomètres où la sensibilité de l'ceil humain est maximale. A titre d'exemple, les diodes de marque LUXEON de la société LUMILED, les diodes de marque DRAGON de la société OSRAM et les diodes de puissance de la société NICHIA ont les caractéristiques requises pour réaliser des sources de lumière selon l'invention. La diode émet dans un cône d'angle d'émission 13. L'angle d'émission j3 de la diode n'est pas nécessairement adapté à la boîte à lumière. En effet, si l'angle est trop faible, alors la distance L séparant les zones d'émission de chaque source de lumière 21 du logement supérieur 33 sera trop importante compte-tenu des contraintes d'encombrement de la visualisation. Si, au contraire, l'angle est trop important, alors les parties périphériques de l'afficheur seront éclairées sous des incidences trop fortes et le rayonnement optique sera en grande partie perdu. En disposant devant la diode une lentille d'adaptation 212, il est possible de modifier l'angle d'émission R pour obtenir l'angle d'émission idéal a. En utilisant une optique convergente comme indiqué sur la figure 3, on diminue l'angle d'émission 13. En utilisant une optique divergente, on augmente ledit angle d'émission. Pour des raisons de coût et de transmission, il est avantageux d'utiliser des optiques simples comprenant une seule lentille. A titre d'exemple, la lentille représentée sur la figure 3 est une lentille plan-convexe. Il est possible d'améliorer la transmission du rayonnement émis en déposant des traitements anti-reflet adaptés sur les surfaces des optiques d'adaptation. Bien entendu, si les angles a et 13 sont voisins, alors les lentilles d'adaptation ne sont pas nécessaires dans la mesure où leur transmission n'est jamais parfaite. L'avantage du dispositif selon l'invention est que chaque source 25 de lumière éclaire la totalité de la surface utile de l'afficheur. Il est donc possible de dédier une ou plusieurs sources au moyen d'alimentations séparées à des fonctions différentes qui peuvent être: É la réalisation d'éclairages à bas et haut niveau d'énergie de façon à couvrir la grande dynamique de luminance des 30 afficheurs. É La réalisation d'éclairage de répartition spectrale différente, par exemple pour les application nécessitant un éclairage compatible de l'utilisation des jumelles de vision nocturne à intensificateur de lumière. É La réalisation d'éclairage de secours qui ne sont activés qu'en cas de panne de l'éclairage principal. Il existe différents types d'arrangements géométriques des sources de lumière. On peut les disposer sous forme de matrice, par exemple. La figure 4 montre un arrangement particulier des sources d'éclairage. le dispositif d'éclairage comporte une source de lumière centrale et six sources de lumière disposées en hexagone autour de cette source centrale. Chaque source comprend une diode électroluminescente 211 et une optique d'adaptation 212 convergente. Cette configuration permet de disposer les sources le plus près possible du centre du support mécanique. La figure 5 représente un viseur Tête Haute comportant un écran de visualisation comportant la boîte à lumière selon l'invention. II comprend 15 un écran de visualisation 1 comportant É un afficheur à valve optique 6 et une boîte à lumière 1 selon l'invention; É un combineur optique 12 placé devant l'oeil 13 de l'observateur; É une optique-relais 11 ayant une pupille interne 110. L'ensemble du dispositif optique comporte un axe optique 14 représenté par la ligne brisée en pointillés sur la figure 5. Généralement, pour compenser en partie les aberrations optiques, la surface de l'afficheur est inclinée d'un angle 0 sur ledit axe optique. Par conséquent, le cône d'émission de lumière de l'afficheur d 'angle au sommet y doit être également incliné du même angle 0 pour que la pupille optique 110 de l'optique-relais soit correctement éclairée comme il est indiqué sur la figure 5. Cela est obtenu en interposant entre la boîte à lumière et la valve optique un film à micro-prismes 5. La fonction de ce film est de dévier les cônes d'émission émis par chaque source de lumière de la boîte à lumière dans la direction souhaitée. II est constitué d'un réseau de prismes en dents de scie tous identiques et de faible pas réalisé dans un substrat en verre organique. La déviation du film peut atteindre 20 degrés. La société 3M commercialise ce type de film sous l'acronyme générique IDF (acronyme anglo-saxon pour Image Directing Film) et sous la marque déposée VIKUITI. REVENDICATIONS 1. Boîte à lumière (1) pour écran de visualisation (6) comprenant: É un dispositif d'éclairage (2) comportant un support mécanique (22) et au moins une source de lumière à diodes électroluminescentes (21) disposée dans le dit support mécanique (22), É une structure mécanique (3) comportant un logement supérieur 10 (33), des parois latérales (31) et un fond (32), le dispositif d'éclairage (2) étant disposé dans ledit fond (32), l'écran de visualisation (6) étant destiné à être positionné dans ledit logement supérieur (33), caractérisée en ce que la disposition des sources est telle que le rayonnement lumineux de chaque source de lumière (21) éclaire la totalité d'une même surface utile de l'écran de visualisation (6). 2. Boîte à lumière (1) selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque source de lumière (21) possédant une zone d'émission de faible dimension émettant une intensité lumineuse essentiellement dans un cône d'émission d'angle au sommet a, l'écran de visualisation étant de forme rectangulaire ayant une diagonale D, alors la distance moyenne L séparant la zone d'émission du logement supérieur (33) vaut sensiblement D/[2. tg(a/2)]. 3. Boîte à lumière (1) selon la revendication 2, caractérisée en ce que chaque source est disposée dans un logement (24) du support mécanique (22) de telle sorte que l'axe de symétrie du cône d'émission de ladite source passe approximativement par le centre de l'écran de visualisation afin d'obtenir un éclairement le plus homogène possible sur la surface utile dudit écran. 4. Boîte à lumière (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que chaque source de lumière comporte une diode électroluminescente (211) et une optique d'adaptation (212), ladite optique permettant de régler la valeur de l'angle a du cône d'émission. 5. Boîte à lumière (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que au moins deux sources de lumière ont des alimentations électriques indépendantes. 6. Boîte à lumière (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que au moins deux sources de lumière ont des spectres d'émission différents. 7. Boîte à lumière (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le dispositif d'éclairage comporte une source de lumière centrale et six sources de lumière disposées en hexagone autour de cette source centrale. 8. Boîte à lumière (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la boîte à lumière comporte des films dits de Fresnel. 9. Boîte à lumière (1) selon la revendication 8, caractérisée en ce que les films de Fresnel sont des structures à microprismes à pas constant. 10. Boîte à lumière (1) selon la revendication 8, caractérisée en ce que les films de Fresnel sont des structures de type lentille de Fresnel. 11. Viseur Tête Haute caractérisé en ce qu'il comporte un 25 afficheur comprenant une boîte à lumière selon l'une des revendications précédentes.