Brevet FR2914070A1 — publié le 20080926

FL2 DISPOSITIF DE VISUALISATION TETE HAUTE La présente invention se rapporte au domaine des systèmes de visualisation projetés sur des écrans du type transparents, en particulier les pare-brises automobile ou les vitrages pour bâtiment. Tout particulièrement, même si elle n'y est pas limitée, la présente invention se rapporte au domaine des systèmes de visualisation tête haute, appelé HUD ou Head Up Display dans la technique. De tels systèmes sont utiles notamment dans les cockpits d'avion, les trains mais également aujourd'hui dans les véhicules automobiles des particuliers (voitures, camions, etc.). Dans de tels systèmes, le vitrage est en général constitué d'une structure en sandwich, comprenant le plus simplement deux feuillets de matière résistante tels que des feuillets de verre ou encore de matière plastique dure, par exemple du type polycarbonate PC. Les feuillets de matière résistante sont reliés entre elles par un feuillet intercalaire thermoformable comprenant ou constitué le plus souvent de polyvinylbutyral (PVB). De tels systèmes de visualisation tête haute, affichant des informations projetées sur un vitrage qui se réfléchissent vers le conducteur ou l'observateur, sont déjà connus. Ces systèmes permettent notamment d'informer le conducteur du véhicule sans que le conducteur éloigne son regard du champ de vision en avant du véhicule, ce qui par conséquent accroît la sécurité. Le conducteur perçoit une image virtuelle qui se situe à une certaine distance derrière le pare-brise. De la manière la plus classique, on obtient une telle image supplémentaire sur un pare-brise en projetant une information sur un pare-brise ayant une structure feuilletée, c'est à dire formée de deux feuilles de verre et d'un intercalaire en matière plastique. Cependant le conducteur observe alors une image double: une première image réfléchie par la surface du pare-brise orientée vers l'intérieur de l'habitable et une seconde image par réflexion de la surface extérieure du pare-brise, ces deux images étant légèrement décalées l'une par rapport à l'autre. Ce décalage peut perturber la vision de l'information. Pour pallier ce problème, on peut citer comme une solution proposée le brevet US 5,013,134 qui décrit un système de visualisation tête haute utilisant un pare-brise feuilleté formé de deux feuilles de verre et d'un intercalaire en polyvinylbutyral (PVB) dont les deux faces extérieures ne sont pas parallèles mais en forme de coin, de sorte que l'image projetée par une source d'affichage et réfléchie par la face du pare-brise orientée vers l'habitacle soit pratiquement superposée à la même image provenant de la même source réfléchie par la face du pare-brise orientée vers l'extérieur. Pour réaliser ce vitrage feuilleté en forme de coin on utilise une feuille intercalaire dont l'épaisseur décroît du bord supérieur du vitrage au bord inférieur. Cependant cette solution, si elle est satisfaisante en terme de suppression de la double image, présente néanmoins des inconvénients. En particulier l'assemblage du vitrage feuilleté nécessite de plus grandes précautions, notamment lors du passage dans une calandreuse, du fait des faces des deux feuilles de verre non parallèles. En outre, l'angle du PVB en coin doit être parfaitement ajusté à la configuration spécifique. Il est important aussi que le profil du PVB soit très régulier et ne présente pas de variations d'épaisseur, car ceux-ci se transmettent au cours de l'assemblage sur le pare-brise et conduisent à des variations locales d'angle. De plus, avec une structure feuilletée comportant deux feuilles de verre il n'est pas possible de réaliser des vitrages en forme de coin sur une partie seulement de leur hauteur, à moins d'usiner la face de la feuille de verre orientée vers l'habitacle, ce qui est très difficile à mettre en oeuvre et quasi impossible s'il s'agit d'une feuille de verre bombée. La présente solution propose une solution alternative dans laquelle l'image d'un objet est formée directement sur le pare-brise ou le vitrage. Pour cela on utilise un vitrage feuilleté tel que précédemment décrit mais dans sa version classique avec un feuillet intercalaire du type polyvinylbutyral (PVB) dont les deux faces extérieures sont parallèles mais dans lequel une couche de luminophores, choisis pour répondre à une onde incidente lumineuse excitatrice dans le domaine de l'ultraviolet et réémettre un rayonnement dans le domaine du visible, permet de restituer directement sur le pare brise ou le vitrage l'image de l'objet. Par application de la présente invention, il est donc par exemple possible d'obtenir un pare brise ou d'un vitrage pour bâtiment à propriétés HUD, dont le procédé de fabrication est simple et économique à mettre en oeuvre, sans avoir à modifier substantiellement les différents composants (en particulier le ou les feuillets de PVB ou équivalents) utilisés dans un procédé classique de fabrication dudit pare-brise automobile ou dudit vitrage, ni les étapes de ce procédé. Plus précisément, la présente invention se rapporte à un vitrage feuilleté du type pare-brise pour automobile ou vitrage pour bâtiment à composante HUD, comprenant un assemblage d'au moins deux feuilles transparentes de verre inorganique ou d'une matière organique résistante du type PC, reliées entre elles par un intercalaire d'une matière thermoformable ou par des feuillets multicouches intégrant un tel intercalaire. Le vitrage selon l'invention se caractérise en ce qu'il comprend en outre, sur au moins une partie de sa structure, une couche mince d'épaisseur inférieure à 50 microns, comprenant au moins un matériau luminophore sous la forme de particules dont la taille est ajustée pour que la transmission lumineuse dudit vitrage reste supérieure à 70%, ledit matériau luminophore réémettant un rayonnement dans le domaine du visible lorsqu'il est soumis à une onde incidente lumineuse excitatrice dans le domaine de l'ultraviolet. De préférence, ladite couche mince présente une épaisseur inférieure à 30 m, voire inférieure à 20 m ou même inférieure à 10 m. Le vitrage selon l'invention se caractérise en outre en ce que, dans l'assemblage, ladite couche est positionnée entre l'intercalaire thermoformable et l'habitacle du véhicule ou l'intérieur du bâtiment. Par exemple, ladite couche mince est placée sur la face de l'intercalaire ou du feuillet thermoplastique tournée vers l'habitacle du véhicule ou l'intérieur du bâtiment. Selon d'autres réalisations, ladite couche mince peut également être disposée sur la face externe ou interne de la feuille transparente positionnée dans l'assemblage du coté de l'habitacle du véhicule ou de l'intérieur du bâtiment. Il a été trouvé par le demandeur que le positionnement de la couche de luminophore dans une telle position dans l'empilement permettait d'améliorer sensiblement les performances du système et plus particulièrement la qualité de l'image restituée et matérialisée sur le vitrage, notamment au niveau de l'intensité, du contraste et de la netteté de ladite image. Selon l'invention, la matière thermoformable constituant ledit intercalaire peut être choisie dans le groupe des PVB, des PVC plastifiés, du polyuréthane PU ou des éthylène 30 vinyle acétate EVA. De préférence, la matière thermoformable est le PVB. FL2 2007025 FR 4 En variante, les feuilles transparentes sont reliées entre elles par un feuillet multicouche intégrant un intercalaire PVB, par exemple un feuillet comprenant une succession de couches PVB/PET/PVB, dans lequel PET est le polyéthylène téréphtalate. Selon l'invention, les particules de luminophore sont de taille nanométrique. Selon un mode avantageux de l'invention et pour une couche mince donnée, les particules de luminophore sont sélectionnées en fonction de leur section efficace de diffusion. La section efficace de diffusion d'une particule correspond à la surface équivalente d'interaction de ladite particule avec un rayonnement incident pour une longueur d'ondes donnée, dans le cas présent située dans le domaine du visible. Elle dépend du rapport entre l'indice de réfraction de la particule et celui de la couche mince ainsi que du rapport entre le diamètre des particules et la longueur d'ondes du rayonnement incident. Une méthode de détermination de cette grandeur se trouve dans l'ouvrage Light Scattering by Small Particles , (H.C. Van de Hulst, John Wiley and Sons, New York, 1957), au chapitre 9, pages 114 à 130. Selon un mode possible de réalisation, la couche mince incorporée dans le vitrage feuilleté comprend au moins un matériau luminophore émettant dans le rouge, un matériau luminophore émettant dans le bleu et un matériau luminophore émettant dans le vert, sous une excitation UV. Ladite couche mince comprend différents luminophores répartis aléatoirement au sein de ladite couche, disposés en bandes successives dans ladite couche ou encore séparés dans différentes régions de ladite couche sous la forme de pixels de couleur. La concentration des particules de luminophore dans la couche mince et/ou leur section efficace de diffusion sont avantageusement choisies afin de limiter le flou (haie) et de garantir une transmission lumineuse adéquate. Le paramètre défini par le produit de la section efficace de diffusion par la concentration des particules s'est révélé particulièrement pertinent à cet effet. Selon des modes avantageux de l'invention, la couche mince est déposée sur le feuillet thermoplastique ou sur la feuille transparente par un technique choisie parmi les techniques de sérigraphie, les techniques du type jet d'encre ou encore les techniques du type offset, flexogravure ou encore héliogravure. L'invention se rapporte en outre à un dispositif de visualisation d'une image sur un vitrage transparent comprenant un vitrage feuilleté tel que précédemment décrit et une FL2 2007025 FR source génératrice de rayonnement UV, le faisceau d'ultraviolet étant dirigé vers la ou les zones du vitrage comprenant la couche de luminophores. La source génératrice de rayonnement UV peut être choisie parmi les sources du type LED, lampe à Xénon, lampe à Mercure, lampe à arc aux halogénures. 5 La source génératrice de rayonnement UV peut également selon l'invention être choisie parmi les sources UV laser, par exemple du type laser à solide, diode laser à semi-conducteurs, lasers à gaz, lasers à colorant, laser à excimère. Selon un mode possible, le dispositif de visualisation peut comprendre en outre des moyens de modulation de l'onde excitatrice, lesdits moyens permettant de moduler le 10 rayonnement UV pour une excitation sélective des luminophores présents dans ladite couche. L'invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture du mode de réalisation de l'invention qui suit, en relation avec la figure unique jointe. 15 La figure jointe permet d'illustrer l'invention et ses avantages : Sur cette figure, on a schématisé un pare-brise et un dispositif selon l'invention : Le pare-brise 1 se compose de deux feuilles 2 et 9 typiquement en verre mais qui pourraient également être constitués de feuillets de matière plastique résistante du type 20 polycarbonate. Entre les deux feuillets, est présent un feuillet intercalaire plastique 3 tel que du PVB (polyvinylbutyral), du PVC plastifié, PU ou EVA ou bien encore un feuillet thermoplastique multicouche incorporant par exemple du PET (polyéthylène téréphtalate), dont la succession des couches est par exemple PVB/PET/PVB. 25 Sur au moins une partie de la face interne 3' du feuillet thermoplastique intercalaire 3 a été déposée avant feuilletage, c'est-à-dire avant l'assemblage des différents feuillets une couche de particules de luminophores de taille nanométrique, dont les caractéristiques sont ajustées pour que la transmission lumineuse reste supérieure à 70% et de préférence supérieure à 75% et de telle façon que le flou (haze), mesuré selon la norme Anspi Z26.1 30 1996, reste inférieur à 2% et de préférence inférieur à 1%. En particulier, ces particules sont de taille nanométrique c'est-à-dire que leur taille est de l'ordre de quelques centaines de nanomètres, et de préférence quelques dizaines de nanomètres voire quelques nanomètres. Leur taille est choisie très inférieure à la longueur d'onde du rayonnement visible, de telle façon que la diffusion de la lumière par les particules soit minimisée et que le vitrage reste transparent. Une source d'un rayonnement électromagnétique 4 est utilisée pour envoyer un rayonnement incident 7 de longueur d'onde appropriée, en particulier dans le domaine des ultraviolets. Les luminophores sont choisis pour présenter un fort coefficient d'absorption du rayonnement incident. Ils sont également choisis pour réémettre ensuite un rayonnement dans le domaine visible, c'est-à-dire un rayonnement situé dans le domaine 380-700 m, de préférence avec un fort rendement. Le rayonnement visible est alors directement observable par l'oeil 5 du conducteur, qui visualise ainsi l'objet sur le pare- brise sans avoir à quitter la route des yeux. De cette façon, une image peut être directement matérialisée sur un pare-brise feuilleté sans nécessité d'adapter la structure de celui-ci, par exemple l'épaisseur du feuillet intercalaire, ce qui permet une fabrication économique des systèmes HUD. En outre, il a été trouvé par le demandeur que le positionnement de la couche de luminophore en face interne du feuillet PVB, tel que représenté sur la figure, permettait de façon surprenante d'améliorer sensiblement l'intensité, le contraste et la netteté de l'image. Plus particulièrement, on a effectué des tests de visualisation d'une image obtenue sur deux pare-brises, l'un conforme à l'invention, l'autre non conforme à l'invention. Selon une première réalisation d'un pare-brise selon l'invention, une couche de luminophore est positionnée dans l'assemblage sur la face interne 3' d'un feuillet intercalaire 3 en PVB, tel que représenté sur la figure 1. Selon une deuxième réalisation d'un parebrise non conforme à l'invention, une couche de luminophore identique à la précédente est cette fois positionnée dans un assemblage de même nature sur la face interne 3" du feuillet intercalaire 3 en PVB. Conformément à la description qui précède, on a ensuite fait visualiser à un échantillon d'observateurs, positionnés dans la position théorique du conducteur, différentes images au niveau de la couche 6, grâce à une source d'excitation laser projetant sur celle-ci le rayonnement UV d'excitation caractéristique des luminophores de la couche, le pare brise étant autrement éclairé sur son autre face par un rayonnement représentatif de conditions d'insolation moyenne en journée. Tous les observateurs ont sélectionné le vitrage selon l'invention comme celui offrant les meilleures images aussi bien en termes de contraste, de netteté que d'intensité de l'image. FL2 Une explication possible serait que le feuillet intercalaire permet d'empêcher ou au moins de limiter les effets d'excitation parasite des luminophores par le rayonnement UV solaire, plus particulièrement lorsque le pare-brise ou le vitrage est soumis à une moyenne ou à une forte insolation. Des résultats similaires d'amélioration de l'image visualisée ont été observés si la couche de luminophore était placée cette fois sur la face interne ou sur la face externe de la feuille de verre 2. Les luminophores utilisables peuvent être de tout type connu pour répondre à une excitation UV et une émission dans le domaine du visible. De tels matériaux peuvent être par exemple choisis dans le domaine des luminophores inorganiques, par exemple du type oxyde, halogénure, chalcogénure, silicate, phosphate, borates, aluminates le plus souvent métalliques. Le plus souvent, pour l'obtention de la fluorescence, ces matériaux constituent des matrices dopées par un élément choisi dans le groupe des terres rares, par exemple dans le groupe Eu, Ce, Er, Pr, Tb, Tm, Dy) ou dans le groupe des métaux de transition, par exemple dans le groupe Mn, Cr, Ti, Ag, Cu, Zn. De tels produits sont déjà bien connus dans le domaine des lampes fluorescentes. Les luminophores du type colorant laser peuvent être également utilisés selon l'invention ainsi que les polymères organiques. Selon l'invention, il est également possible de sélectionner les luminophores dans le groupe des semi-conducteurs nanométriques du type II-VI ou encore III-V, couramment appelés boîtes quantiques (quantum dots) dans la technique. Les molécules organométalliques peuvent également être utilisées comme luminophores selon l'invention. Ces molécules sont par exemple constituées d'un centre de la fluorescence constitué par au moins un atome métallique ou un atome de terre rare, entourés par et liés à des groupements organiques. Des exemples de luminophores utilisables selon l'invention sont par exemple décrits dans le brevet US 7,090,355, en particulier de la colonne 5 ligne 29 à la colonne 6 ligne 65 ou 30 encore dans la demande de brevet US 2004/232826, paragraphes [0025] à [0033]. La source utilisée est par exemple une source UV classique telle que par exemple mais non limitativement du type LED, lampe à Xénon, lampe à Mercure, lampe à arc aux halogénures ou une source UV laser, par exemple mais non limitativement du type laser à solide, diode laser à semi-conducteurs, lasers à gaz, lasers à colorant, laser à excimère. De manière générale toute source connue d'excitation UV peut être utilisée selon l'invention. Il est possible d'utiliser un mélange de luminophores dans la couche 6, par exemple un luminophore émettant dans le rouge, un luminophore émettant dans le bleu et un luminophore émettant dans le vert, chacun de ces luminophores présentant une longueur d'onde d'absorption spécifique de manière à être sélectivement excité par un choix approprié du rayonnement incident. Au sein de la couche 6, les différents luminophores peuvent être répartis aléatoirement, disposés au sein de bandes successives ou encore séparés dans différentes régions, par exemple selon les modes de réalisation décrits dans la demande US 2005/0231652 et illustrés par les figures 6 à 8 de celle-ci. Selon un mode possible de réalisation, il est possible d'utiliser un projecteur DLP pour moduler l'onde excitatrice selon le mode décrit dans la demande US 2005/231652, paragraphe [0021]. Il est également possible selon l'invention d'utiliser comme source d'excitation UV un dispositif tel que décrit dans la demande US2004/0232826 notamment tel que décrit en connexion avec la figure 3. Le dépôt de la couche sur le feuillet thermoplastique PVB (ou autre) est effectué dans des conditions choisies pour que son épaisseur soit de préférence inférieure à 30 m. Le dépôt peut être réalisé par des techniques de sérigraphie, notamment si des couches d'épaisseur comprise entre 10 et 25 m sont recherchées, par des techniques du type jet d'encre notamment si des couches d'épaisseur comprise entre 5 et 10 m sont recherchées ou encore par des techniques du type offset, flexogravure ou encore héliogravure si des couches d'épaisseur comprise entre 1 et 5 m sont recherchées. Par exemple, le dépôt par l'une des techniques précédentes est effectué par dissolution ou dispersion des particules de luminophores dans au moins un solvant qui peut être un solvant aqueux ou organique, selon la nature chimique des luminophores et la technique employée. Il a en outre été trouvé par le demandeur que si la taille des particules jouait un rôle important pour la maintien de la transparence du vitrage, l'obtention d'une image de l'objet sur le vitrage ayant une qualité optique satisfaisante même sous forte insolation extérieure du vitrage n'était pas forcément compatible avec le choix d'un luminophore basé uniquement sur des critères de taille. Plus particulièrement, il a été trouvé par le demandeur que dans le cadre d'une application de visualisation d'une image au travers d'un vitrage transparent, répondant à l'ensemble des critères suivants : a) une netteté de l'image acceptable, b) une intensité de luminescence suffisante pour qu'elle soit observable par le conducteur, c) un flou, engendré par l'apposition de la couche sur le pare-brise, mesuré selon la norme Anspi Z26.1 1996, inférieur à 2% et de préférence inférieur à 1%, d) une transmission lumineuse supérieure à 70% et de préférence supérieure à 75%, il était impératif de disposer le luminophore de taille nanométrique sous la forme d'une couche mince d'épaisseur inférieure à 50 m notamment par l'une des techniques décrites ci-dessus, cette couche devant en outre être déposée sur la face interne de la feuille thermoplastique, par exemple de la feuille de PVB, tournée vers l'habitacle ou l'intérieur du bâtiment . Il a également été déterminé par le déposant que le meilleur compromis entre les quatre propriétés précédentes n'était pas uniquement fonction de la taille des particules de luminophore utilisé, mais de leur section efficace de diffusion. Par le contrôle de cette section, le déposant a pu démontrer une amélioration sensible de l'image obtenue, tant au niveau de sa netteté que de son intensité, sans pour autant que le flou occasionné par la couche soit supérieur à 2%, ni que la transmission lumineuse du vitrage à l'endroit de la couche soit inférieur à 70%. Il a également été déterminé par le déposant que les procédés de dépôt sélectif en surface et limité à la zone de visualisation sont seuls susceptibles de conduire à la réalisation des produits dans des conditions économiques acceptables pour le secteur automobile compte tenu du coût élevé des nanoparticules en question. REVENDICATIONS 1. Vitrage feuilleté du type pare-brise pour automobile ou vitrage pour bâtiment à composante HUD, comprenant un assemblage d'au moins deux feuilles transparentes de verre inorganique ou d'une matière organique résistante du type PC, reliées entre elles par un intercalaire d'une matière thermoformable ou par des feuillets multicouches intégrant un tel intercalaire, ledit vitrage étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre, sur au moins une partie de sa structure, une couche mince d'épaisseur inférieure à 50 microns comprenant au moins un matériau luminophore sous la forme de particules dont la taille est ajustée pour que la transmission lumineuse dudit vitrage reste supérieure à 70%, ledit matériau luminophore réémettant un rayonnement dans le domaine du visible lorsqu'il est soumis à une onde incidente lumineuse excitatrice dans le domaine de l'ultraviolet, et en ce que, dans l'assemblage, ladite couche est positionnée entre l'intercalaire thermoformable et l'habitacle du véhicule ou l'intérieur du bâtiment. 2. Vitrage feuilleté selon la revendication 1, dans lequel dans lequel ladite couche mince est placée sur la face de l'intercalaire ou du feuillet thermoplastique tournée vers l'habitacle du véhicule ou l'intérieur du bâtiment. 3. Vitrage feuilleté selon la revendication 1, dans lequel ladite couche mince est disposée sur la face externe ou interne de la feuille transparente positionnée dans l'assemblage du coté de l'habitacle du véhicule ou de l'intérieur du bâtiment. 25 4. Vitrage feuilleté selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la matière thermoformable constituant ledit intercalaire est choisie dans le groupe des PVB, des PVC plastifiés, du polyuréthane PU ou des éthylène vinyle acétate EVA. 5. Vitrage feuilleté selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la matière 30 thermoformable est le PVB. 6. Vitrage feuilleté selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les feuilles transparentes sont reliées entre elles par un feuillet multicouche intégrant un FL2intercalaire PVB, par exemple un feuillet comprenant une succession de couches PVB/PET/PVB, dans lequel PET est le polyéthylène téréphtalate. 7. Vitrage feuilleté selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les particules de luminophore sont de taille nanométrique. 8. Vitrage feuilleté selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les particules de luminophore sont sélectionnées en fonction de leur section efficace de diffusion. 9. Vitrage feuilleté selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la couche mince comprend au moins un matériau luminophore émettant dans le rouge, un matériau luminophore émettant dans le bleu et un matériau luminophore émettant dans le vert, sous une excitation UV. 10. Vitrage feuilleté selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la couche mince comprend différents luminophores répartis aléatoirement au sein de ladite couche, disposés en bandes successives dans ladite couche ou encore séparés dans différentes régions de ladite couche sous la forme de pixels de couleur. 11. Vitrage feuilleté selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la couche mince est déposée sur le feuillet thermoplastique ou sur la feuille transparente par un technique choisie parmi les techniques de sérigraphie, les techniques du type jet d'encre ou encore les techniques du type offset, flexogravure ou encore héliogravure. 12. Dispositif de visualisation d'une image sur un vitrage transparent comprenant un vitrage feuilleté selon l'une des revendications précédentes et une source génératrice de rayonnement UV, le faisceau d'ultraviolet étant dirigé vers la ou les zones du vitrage comprenant la couche de luminophores. 13. Dispositif de visualisation selon la revendication 12, dans lequel la source génératrice de rayonnement UV classique est choisie parmi les sources du type LED, lampe à Xénon, lampe à Mercure, lampe à arc aux halogénures. 5 14. Dispositif de visualisation selon la revendication 12, dans lequel la source génératrice de rayonnement UV est choisie parmi les sources UV laser, par exemple du type laser à solide, diode laser à semi-conducteurs, lasers à gaz, lasers à colorant, laser à excimère. 15. Dispositif de visualisation selon la revendication 12 à 14 comprenant en outre des moyens de modulation de l'onde excitatrice, lesdits moyens permettant de moduler le rayonnement UV pour une excitation sélective des luminophores présents dans ladite couche.