Brevet FR2950953A1 — publié le 20110408

Application d'un dispositif d'éclairage frontal et mise en oeuvre On a proposé dans le domaine de l'éclairage d'écrans à cristaux liquides des dispositifs d `éclairage frontal, qui permettent d'illuminer un écran en face avant et non en face arrière. L'écran est vu clairement par transparence au travers du dispositif émetteur Ces dispositifs d'éclairage frontal comportent généralement un guide optique plan alimenté en lumière par au moins une de ses tranches , guide comportant au moins une face principale substantiellement perpendiculaire à la tranche d'introduction de la lumière, sur laquelle ou sous laquelle sont disposés des motifs extracteurs de lumière permettant le découplage principalement vers l'un des cotés de la face principale du faisceau lumineux parcourant le guide, motifs extracteurs de lumière suffisamment nombreux et répartis de façon suffisamment homogène sur cette face du guide pour assurer un éclairage sur une surface étendue. /1 C2 Ces dispositifs sont généralement, mais pas uniquement, basés sur la conduction de la lumière dans un guide optique plan transparent comportant des facettes réfléchissant la lumière vers l'écran à éclairer et disposé en avant de celui ci, c'est à dire intercalé entre l'écran et l'observateur Il se trouve que ces dispositifs n'ont pas reçu d'application significative. On connaît d'autre part dans une autre industrie des dispositifs de rétroéclairage permettant l'illumination d'une '1 S affiche ou d'un signe, comprenant un caisson de forte épaisseur contenant des tubes fluorescents et portant sur sa surface une publicité à illuminer. Ce motif est traversé par la lumière dégagée dans le caisson et est ainsi mis en valeur et rendu visible de nuit. Ces dispositifs présentent l'inconvénient de ne pouvoir illuminer des images réalisées sur un support opaque, et occasionnent une forte déperdition d `énergie lumineuse à la traversée d'un support translucide et d'une image 2v papier. Il apparaît du plus haut intérêt d'utiliser ces dispositifs d'éclairage frontal dans une industrie, celle de la publicité, ou leurs caractéristiques, qui y sont aujourd'hui inconnues de l'homme de l'art, peuvent y apporter de grands progrès. L'industrie de la publicité présente ses exigences propres. Le dispositif doit être simple, peu coûteux, facile à 2- S' entretenir et permettre un changement fréquent d'une image. Un dispositif d'éclairage frontal n'y a jusqu'ici jamais été employé, car les concepteurs n'ont pas eu l'intuition de son impact et de son intérêt pour ce marché. La présente invention est donc l'application d'un dispositif d'éclairage frontal à l'industrie de la publicité commerciale sur support solide. On entend par support solide, en opposition à tout autre, une image diffusante sur support solide, papier ' O polymère, bois ou métal. En opposition, on considèrera par exemple une image créée par imposition variable à haute fréquence.d'un champ électrique sur une couche de cristal liquide. Dans le présent mémoire on convient de nommer « l'application revendiquée » l'industrie de la publicité commerciale sur support solide, et «objet» entre crochets l'objet à éclairer. En particulier et suivant un mode de réalisation privilégié de l'invention cet « objet» peut être aisément ' S interchangeable et ne fait pas corps avec le dispositif du fait de la présence d'un film d'air entre eux. Suivant une caractéristique essentielle de l'invention le coeur optique du dispositif , ou dispositif d'éclairage frontal proprement dit sera réalisé de façon très simple de façon à rester de faible coût et à être utilisable sur de grandes surfaces. De préférence il ne comprend que le guide optique, le motif réémetteur de lumière et des films de protection statiques sur ses faces. 4 e La présente invention consiste également dans le choix et l'adaptation de technologies particulières pour adapter l'éclairage frontal aux contraintes particulières de l'application revendiquée. Ceci peut se compléter par des organes supplémentaires qui seront décrits dans ce mémoire. Suivant une voie de réalisation, le dispositif décrit faisant appel à des facettes portées par une face avant du guide, facettes réfléchissant la lumière vers l'autre coté présente au moins deux effets parasites inévitables pour S une application en tant que dispositif pour l'éclairage frontal d« 1. La lumière traversant la face opposée du guide est partiellement renvoyée par réflexion spéculaire vers l'observateur, créant un parasite visuel très gênant particulièrement dans les parties sombres de l'objet à illuminer 2. Les parties inclinées par rapport au plan du guide définissant les facettes provoquent une distorsion optique SJ qui déforme l'image qui les traverse. On peut ainsi créer une voire deux images supplémentaires décalées par rapport à l'image principale qui constituent des parasites. Il est à remarquer que ces défauts peuvent être considérablement réduit dans le cas d'un éclairage d'écran à cristaux liquides, en assurant une continuité de matériaux d'indice de réfraction élevés, proches de celui du guide, entre le guide et l'écran à de façon à éliminer au maximum cette réflexion spéculaire. 2 2950953 On note que la nécessité d'assurer une continuité de matériau d'indice élevé entre le guide et l'objet à éclairer rendrait difficile de changer ce dernier, ce qui n'est pas un inconvénient dans le cas d'un écran à cristaux liquide mais l'est pour l'application revendiquée. Ces dispositifs sont donc bien adaptés à éclairer un écran plat et mal adaptés à éclairer d«( objet » selon S l'application revendiquée dans l'état de la technique . De préférence pour la réalisation de l'invention, les facettes réflectives seront inclinées de telle sorte que la lumière émise par le guide le soit sous un angle compris entre 0 et 45 degrés par rapport au plan du guide optique. La réflexion spéculaire se fait dans ces conditions avec un angle proche ou identique vers la face du guide ou se trouve l'observateur. Elle est donc dirigée vers le haut , le bas ou de coté mais ne gène pas la vision de l'image pour un observateur situé face au guide. 4 Ù Pour améliorer le second inconvénient précité, on disposera ces facettes sur la surface du guide de façon à assurer un faible taux de couverture. De préférence pour la réalisation de l'invention, les facettes seront réalisées dans un matériau transparent dont l'indice de réfraction est supérieur à celui du guide. Par exemple on pourra les réaliser en polyéthylène téréphtalate, en polycarbonate, ou en PVC. 1S On convient d'appeler taux de couverture des motifs extracteurs de lumière le rapport entre la surface du guide couverte par ces motifs et la surface totale de la face du guide qui les porte. De façon plus précise ces facettes comportent une partie amont et une partie aval généralement toutes deux inclinées de façon à assurer, la première le passage de la lumière guidée vers la facette réflectrice et la seconde la réflexion subséquente de cette lumière et son découplage hors du guide. 2 ° De préférence ce taux de couverture sera tel que la fraction de surface occupée par les facettes sur le guide représente entre 5 et 50 fois l'épaisseur de la tranche d'introduction de la lumière. Par surface occupée par la facette, on entend la surface de la facette elle-même et celle de sa partie amont, projetée sur le plan du guide. Pour ces structures, il va de soit que toutes les surfaces décrites et commentées doivent recevoir un poli optique. Z. S Sans sortir du cadre de l'invention la réflexion de la lumière pourra s'effectuer sur une facette dont la face réflectrice 3 est métallisée. Suivant une autre caractéristique souhaitable de l'invention, l'illumination doit être effectuée de façon régulière et homogène sur toute la surface de l'image. On rencontre là un problème général indissociable de ce type d'éclairage : la lumière est consommée lors de sa o propagation dans le guide du fait de son découplage progressif, et les parties aval doivent utiliser un flux continuellement affaibli. Il en résulte une difficulté inhérente à réaliser un éclairage homogène. On a proposé généralement d'utiliser pour remédier à ce défaut un gradient de couverture du motif extracteur de lumière entre la tranche d'alimentation du guide et un autre point du guide plus en aval, de manière à prélever une fraction de plus en plus élevée par unité de surface du flux lumineux circulant dans le guide au fur et à 3 S mesure qu'il y progresse et qu'il s'affaiblit. Cette méthode est cependant d'application industrielle difficile car chaque dimension de guide nécessite un gradient efficace différent, de dimension spécifique et pratiquement sur mesure. Il faut donc trouver un moyen industriellement simple, de bas coût et facile à fabriquer pour résoudre ce problème. ~d Une solution pour la mise en oeuvre de l'invention consiste à supprimer ce gradient et à travailler avec des taux de couverture du motif extracteur de lumière sur le guide constants . On tolère dans ce cas une certaine inhomogénéïté de l'éclairage, mais celle ci peut ne pas excéder un rapport de luminance de 25 % dans tous les cas entre différents points du dispositif, ce qui constitue une différence à peine perceptible par l'oeil. i S D'autre part, il faut réaliser de la façon la plus simple possible un éclairage de dispositifs de tailles très différentes, entre quelques cm2 et plus d'un mètre carré. De plus il faut disposer d'un moyen permettant une mise en oeuvre simple pour l'utilisateur final et facile à présenter sous forme d'une gamme commerciale. Ce problème pourra être abordé par au moins trois voies : rd 1. En utilisant un taux de couverture en motifs extracteurs de lumière constant sur toute l'étendue du guide associé à des épaisseurs de guide variables, une épaisseur plus élevée étant associée à un dispositif plus grand. 2. En associant une épaisseur de guide constante à des taux de couverture en motifs extracteurs de lumière constants sur toute l'étendue du guide mais variables d'un dispositif à l'autre, un taux de couverture plus s S faible étant associé à un dispositif plus grand. 3. En utilisant une seule épaisseur de guide et un seul taux de couverture, c'est à dire un seul produit, associé à un dispositif d'introduction de lumière dans le guide spécifique : On incline et on collimate le rayon lumineux parcourant le guide suivant un certain angle ajustable à son introduction dans la tranche 3 2950953 d'illumination de façon à provoquer des réflexions répétées de nombre variable de ce rayon sur les faces du guide. Un angle d'introduction moins élevé est associé à un dispositif plus grand. 4. Généralement, par l'un des moyens décrits ci dessus, et en créant une seconde source de lumière à l'extrémité opposée du guide à la tranche d'illumination soit en rétroréfléchissant la lumière arrivant en fin S de guide soit en ajoutant une seconde source lumineuse symétrique de la première. Enfin on pourra utiliser une combinaison de ces stratégies. Suivant un mode de réalisation du dispositif suivant l'invention, on protégera pour leur transport les motifs extracteurs de lumière par une feuille de protection couvrant la surface du guide qui les porte. De façon connue dans l'état de l'art, on peut réaliser ces dispositifs par moulage d'un substrat sur le guide. On ? J peut par exemple déposer ce substrat directement sur le guide sous forme d'une résine, le mouler par pressage à l'aide d'une matrice comportant en creux la forme des excroissances souhaitées en relief et polymériser la résine, soit par polymérisation thermique soit par polymérisation sous Ultra Violet. On peut également déposer à chaud et mouler une résine fondue qui se solidifie par refroidissement. Alternativement, au lieu de réaliser les excroissances sur le guide on peut les réaliser sur un film transparent que Ç l'on dépose ultérieurement sur le guide et en contact optique avec lui à l'aide d'une colle transparente d'indice de réfraction suffisement élevé et de préférence supérieur à celui du guide. Cette colle peut être un adhésif sensible à la pression ou PSA. La présente invention est de plus un dispositif autonome pouvant fonctionner sans liaison électrique filaire raccordée au réseau, comportant plusieurs organes distincts : premièrement le dispositif d'éclairage frontal 1- ' éclairé par des LED blanches ou colorées, deuxièmement un générateur d'énergie autonome comme des piles des accumulateurs ou des cellules solaires photovoltaïques et des accumulateurs, troisièmement une électronique de commande, et quatrièmement des capteurs .Ces capteurs peuvent être, seuls ou en combinaison, des cellules photoélectriques permettant de mesurer l'éclairement ambiant, des capteurs de présence, de mouvement ou de volume permettant de détecter le voisinage d'un observateur, et une horloge. r(,. 5 L'utilité et la coordination de ces différents organes va maintenant être décrite. L'énergie d'éclairage peut être stockée de jour dans les accumulateurs par le courant généré par les cellules photovoltaïques. D'une façon générale le dispositif suivant l'invention est extrêmement économique en énergie. En effet on pourra obtenir un éclairement significatif de plus de 150 lux de 1« L'invention sera rendue plus claire à la lecture des dessins qui vont suivre. La figure 1 représente une vue en coupe d'un dispositif suivant la voie de réalisation ici décrite. Un guide de lumière plan 1 conduit des rayons lumineux 8 par une suite de réflexions totales sur ses parois jusqu'à ce que le rayon lumineux atteigne le plan incliné 3 d'une facette 2 portée par une face du guide sous un angle tel qu'il est réfléchi par réflexion totale à l'interface entre le matériau de la facette et l'air et se trouve découplé hors du guide et illumine un objet ou image à éclairer 4 en traversant la face opposée du guide 1" à S celle 1' portant la facette . L'image 4 est rendue lumineuse et visible pour un observateur O situé de l'autre coté du guide 1 transparent. La lumière est alimentée dans le guide par la tranche 5. Dans ces conditions, il est inévitable qu'une partie 9 du flux lumineux 8 dévié vers l'objet 4 soit réfléchie par réflexion spéculaire sur la face 1", et provoque une gêne pour l'observateur O dans un certain angle de vision ou dans une certaine ouverture angulaire de vision. Cette ouverture angulaire de vision gênée dépend de l'ouverture angulaire du '1 d faisceau parcourant le guide et des indices de réfraction du guide et du matériau transparent constituant la facette 2. Plus cette ouverture angulaire sera grande, plus la vision de l'objet 4 sera gênée. Afin de résoudre ce probléme, les facettes 3 sont inclinées de telle sorte que les rayons lumineux découplés émis hors du guide par réflexion le soient essentiellement dans un angle avec le plan du guide compris entre 0 et 45 °. Dans le cas d'un guide de PMMA et de facettes réalisées en un matériau transparent d'indice de réfraction de 1.57 comme du 1 S PolyEthyléne Téréphtalate, l'angle de ces facettes 3 avec la face principale du guide optique sera optimalement compris entre 18.8 et 13.8 degrés d'angle. Figure 2 on a représenté vue en plan une disposition permettant d'assurer un éclairage homogène d'une surface par un guide plan suivant l'invention . La surface du guide 1 est couverte par une proportion constante de facettes 2 sur toutes les zones du guide 1. Dans cette voie de réalisation, les facettes 2 s'étendent latéralement et 2 v perpendiculairement à la direction moyenne de propagation des rayons lumineux dans le guide sur toute la largeur du guide de façon continue. De façon générale, on obtiendra à l'aide de cette disposition un éclairage substantiellement homogène avec un bon rendement lumineux si la fraction de surface couverte par les excroissances 2 sur la totalité de l'étendue du dispositif représente cinq à cinquante fois la surface de la tranche d'alimentation 5. rL , On notera cependant que sans sortir du cadre de l'invention, on pourra réaliser un dispositif dont le taux de couverture varie d'un point à l'autre du guide et augmente lorsque l'on s'éloigne de la tranche d'introduction de la lumière de façon à obtenir un éclairage homogéne sur toute l'étendue du guide. La figure 3 représente vu en plan un dispositif du même type que celui illustré figure 1 pour lequel les motifs 2 sont sous forme de segments discontinus s'étendant sur une fraction de largeur du guide. Comme précédemment, 3 d on obtiendra à l'aide de cette disposition un éclairage substantiellement homogène avec un bon rendement lumineux si la fraction de surface couverte par les excroissances 2 sur la totalité de l'étendue du dispositif représente cinq à cinquante fois la surface de la tranche d'alimentation en lumiére. Si l'on suppose le faisceau lumineux parcourant le guide suffisamment collimaté, et incliné par rapport au plan du guide et orthogonalement à celui ci d'un angle 1, la lumière se propage par une suite de réflexions totales sur les faces 1' et 1". Si l'on S suppose que le taux de couverture du guide par les excroissances 2 « i » est constant, la fraction de lumière extraite lors de chaque réflexion est constante et égale à ce taux de couverture. Ainsi si ce taux est de 10%, 10% de la lumière incidente sera extraite lors de chaque réflexion du faisceau sur la face 1'. On conçoit qu'ainsi le faisceau s'atténue lors de son parcours, la rapidité de cette décroissance étant liée au taux de couverture du guide par les motifs 2 et à l'angle 1. Plus ce taux de couverture sera grand et plus X sera élevé, plus rapide sera 3 0 l'atténuation. Si maintenant on ajuste 1 pour un i donné de façon à extraire une fraction donnée de la lumière sur la totalité de la longueur du guide, par exemple 50%, et que l'on renvoie ce faisceau lumineux dans le guide par un miroir situé sur la tranche du guide opposée à la tanche illuminée, on poursuit le découplage du rayon lumineux de façon symétrique si l'on réalise les facettes de façon symétriques et l'on améliore l'homogénéité de l'éclairement 3S de l'image 4 de façon substantielle. Ainsi, dans ce cas d'exemple, la surface à éclairer 4 était éclairée par un flux deux fois plus lumineux à proximité de l'entrée que proche de la sortie du flux lumineux sans rétroéclairage, et par un flux seulement 1,25 fois plus lumineux proche de l'entrée que proche de la sortie avec rétroéclairage. Une telle différence d'éclairement entre 1 et 1,25 est à peine perceptible à l'oeil nu. D'autre part le rendement lumineux passe de 50 % à 75 %, ce qui est une augmentation considérable. Il va de soit que cet exemple n'est 4 B pas limitatif et que d'autres compromis peuvent être réalisés sans sortir du cadre de l'invention. La figure 4 représente vue en coupe une manière de moduler l'ouverture angulaire y du faisceau lumineux se propageant dans le guide 1. La source 15 émettant suivant une ouverture angulaire S est collimatée par une lentille 16 de façon à redresser le faisceau et à le collimater suivant une ouverture angulaire plus faible y. Ce faisceau peut être incliné d'un angle moyen 1 par rapport au plan du guide. La figure 5 et la figure 6 représentent vu respectivement de face et de profil un mobilier urbain comprenant un dispositif d'éclairage par la tranche. Ce mobilier peut présenter une dimension d'image de l'ordre de 2 m2. La ou les faces du mobilier portent un dispositif d'éclairage frontal 31 derrière lequel se trouve l'image à éclairer comprise dans un bâti métallique qui peut être mince 32. Il comprend horizontalement sur sa partie 4$ supérieure, incliné ou non, un panneau de cellules solaires 30. Ce panneau peut avoir entre 0.5 et 1.5 m2 par exemple. L'énergie photovoltaïque reçue pendant le jour est stockée dans des accumulateurs et restituée le soir et le matin, et d'une façon plus générale durant les périodes à faible luminosité ambiante et forte fréquentation, à des diodes électroluminescentes à haut rendement alimentant en lumiére le dispositif d'éclairage frontal S permettant d'éclairer l'image. On pourra compléter le dispositif par un détecteur de présence 34 et un minuteur, qui provoquera l'illumination du panneau ou l'augmentation de l'illumination du panneau lorsqu'une présence sera détectée à proximité de celui-ci, pendant un temps donné. L'éclairement du panneau pourra être compris entre 150 et 600 lux ou plus, selon la zone urbaine ou campagnarde et son niveau d'éclairement nocturne. Les batteries et l'électronique de commandes peuvent être disposées dans le pied 33 de l'appareil. 1 d La figure 7 représente un autre exemple d'un dispositif d'éclairage publicitaire. Il est constitué d'une partie éclairée de 0.5 m2 environ, soit de 0.6 par 0.8 m par exemple, comme celles posées sur la devanture des commerçants. Celles-ci sont verticales et ne peuvent être assurées de recevoir de la lumière du soleil directe. On leur adjoindra 0.5 m2 de cellules photovoltaïques disposées verticalement frontalement à une vitrine ou une porte vitrée de façon à stocker une énergie diffuse pendant le jour dans des batteries, et à restituer un éclairage 1 S durant la nuit par des LED à haut rendement couplées à un dispositif d'éclairage frontal (31). Cet éclairage peut être relativement faible, 150 à 600 lux, mais suffisamment visible en ambiance urbaine, et associé comme précédemment à un détecteur de présence et à un minuteur, et à une électronique de commande. Revendications1- Dispositif d'éclairage frontal comprenant un guide optique éclairé par sa tranche, et un motif de découplage déposé sur l'une des surfaces assurant la conduction par réflexion totale ou inclus dans son épaisseur et réalisé de façon à conserver une transparence substantielle au dispositif, caractérisé en ce qu'il est appliqué à la publicité sur support solide. 2- Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le motif de découplage est constitué par des facettes disposées en face avant du guide, facettes inclinées et disposées de façon à réfléchir la lumière guidée qui y est incidente vers le coté opposé du guide à celui portant les facettes. 3- Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que les facettes 3 provoquant le découplage sont réalisées en matériau transparent dont l'indice de refraction est supérieur à celui du guide. e1 p 4- Dispositif selon la revendication 2 ou la revendication 3 caractérisé en ce que l'inclinaison des facettes est telle que la lumière est découplée hors du guide en faisant un angle compris entre 0°et 45° avec la surface assurant la conduction par réflexion totale. 5- Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que les facettes sont réalisées en polyethyléne terephtalate, en polycarbonate, ou en PVC. 6- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1,2,3,4 ou 5 caractérisé en ce qu'il est autonome en énergie en ce qu'il comporte premièrement le dispositif d'éclairage frontal éclairé par des LED blanches ou colorées, deuxièmement un générateur d'énergie électrique autonome pour l'alimentation des LED comme des piles, des accumulateurs ou des cellules solaires photovoltaïques associées à des accumulateurs, troisièmement une électronique de commande, et quatrièmement des capteurs 1-0 7- Dispositif selon la revendication 6 dont les capteurs sont soit des cellules photoélectriques, soit des capteurs de présence, soit des capteurs de mouvement, soit une horloge, soit plusieurs de ces éléments simultanément 8- Dispositif selon la revendication 7 caractérisé en ce qu'il est appliqué au mobilier urbain. 9- Dispositif selon la revendication 8 caractérisé en ce qu'il comprend 0.5 à 1.5 m2 de cellules photovoltaïques disposées de façon à recevoir un ensoleillement maximum 2 5 10- Dispositif selon la revendication 7 caractérisé en qu'il est destiné à être posé derrière la paroi vitrée d'un local commercial et caractérisé en ce qu'il est muni d'un panneau de cellules photovoltaïques substantiellement vertical faisant face à la ladite paroi .