Brevet FR3018363A1 — publié le 20150911

Guide de lumière pour source de lumière ponctuelle et dispositif d'éclairage associé Le domaine de l'invention est celui des boîtes à lumière pour dispositif de visualisation comportant un afficheur passif fonctionnant par transmission. Plus précisément, le domaine de l'invention est celui des afficheurs pour les dispositifs de visualisation dits « Tête Haute » utilisés en aéronautique et plus récemment dans le domaine automobile. Un dispositif de visualisation Tête Haute est représenté en figure 1. Il comprend principalement un afficheur 1 matriciel transparent à cristaux liquides, une boîte à lumière 2 éclairant cet afficheur, une optique de 10 collimation 3 et un mélangeur optique 4. Le miroir 5 est un simple miroir de renvoi. L'optique de collimation 3 donne de l'image affichée une image à grande distance devant l'oeil Y d'un utilisateur. Elle est schématiquement représentée par une lentille simple sur la figure 1. Le mélangeur optique 4 assure la superposition de l'image affichée sur l'extérieur. Il est représenté 15 par une lame mince sur la figure 1. Le paysage extérieur est symboliquement représenté par des chevrons blancs. Il peut éventuellement être intégré au pare-brise du véhicule. L'image affichée doit être visible de jour comme de nuit. Par conséquent, la boîte à lumière doit être particulièrement lumineuse pour 20 assurer une bonne luminosité de l'image sous ensoleillement élevé. La boîte à lumière comprend généralement des sources de lumière disposées dans une enceinte diffusante et fermée par une surface diffusante. Cette surface diffusante permet à la fois de répartir uniformément la lumière sur la surface de l'afficheur et d'assurer un éclairage correct de la pupille du dispositif de 25 visualisation. Les sources de lurnière utilisées peuvent être des tubes fluorescents ou « CCFL », acronyme de « Cold Cathod Fluorescent Light ». Plus récemment, ces sources sont des diodes électroluminescentes à haute luminosité. Ces diodes présentent l'avantage d'avoir un excellent rendement, une dynamique élevée, une grande fiabilité et d'assurer une parfaite 30 colorimétrie. 2 3018363 Cependant, les diodes sont, par nature, des sources ponctuelles. Leur géométrie n'est donc pas très bien adaptée à l'éclairage d'imageurs plans et, le plus souvent, afin d'obtenir un éclairage homogène, une part non négligeable de l'énergie lumineuse émise par les diodes est perdue. L'objet de l'invention est de réduire ces pertes de lumière de façon importante. A cette fin, la boîte à lumière est segmentée en une pluralité de zones. Chaque zone est alors éclairée par une source de lumière collimatée dédiée à ladite zone. Plus précisément, l'invention a pour objet un guide de lumière pour source de lumière ponctuelle ou quasi-ponctuelle comportant une calotte transparente sensiblement sphérique, ledit guide étant réalisé dans un matériau transparent à la longueur d'onde d'émission de ladite source de lumière, caractérisé en ce que la surface externe dudit guide de lumière comporte quatre parties : - Une première partie, fonctionnant en transmission, correspondant à la face d'entrée du guide de lumière, en forme de calotte torique concave dont au moins un rayon de courbure est sensiblement égal au rayon de courbure de la calotte de ladite source de lumière ; - Une seconde partie, fonctionnant en réflexion, en forme de paraboloïde elliptique, comportant un premier pourtour bas et un premier pourtour haut de plus grande circonférence, rattachée sur son pourtour bas à la première partie ; - Une troisième partie, fonctionnant en réflexion, en forme de prisme constitué de faces planes, comportant un second pourtour bas et un second pourtour haut, rattachée sur son second pourtour bas au premier pourtour haut de la seconde partie ; - Une quatrième partie fonctionnant en transmission, correspondant à la face de sortie du guide de lumière et délimitée par le second pourtour haut de la troisième partie. Avantageusement, un des deux foyers du paraboloïde elliptique est confondu avec au moins un des deux centres de la calotte torique. Avantageusement, un des deux foyers du paraboloïde elliptique est à une distance prédéterrninée d'au moins un des deux centres de la calotte torique, de façon à adapter l'ouverture angulaire du faisceau de lumière issue de la source de lumière et transmis par la quatrième partie. Avantageusement, le premier rayon de courbure de la calotte torique concave est sensiblement égal au rayon de courbure de la calotte de la source de lumière et le second rayon de courbure de la calotte torique concave est sensiblement égal à l'infini. Avantageusement, la troisième partie est à base rectangulaire ou 10 carrée ou hexagonale. Avantageusement, la quatrième partie est une surface plane perpendiculaire ou inclinée par rapport à la génératrice du prisme. L'invention concerne également une boîte à lumière comprenant 15 une pluralité de sources de lumière ponctuelles ou quasi-ponctuelles, caractérisé en ce que chaque source de lumière comporte un guide de lumière comme défini ci-dessus, les différents guides de lumière étant jointifs. Elle concerne enfin un dispositif de visualisation comportant au 20 moins un afficheur matriciel fonctionnant par transmission et une boîte à lumière comme définie ci-dessus. Avantageusement, le dispositif comporte une optique de collimation et un mélangeur optique permettant de superposer l'image de l'afficheur matriciel sur un paysage extérieur. 25 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 déjà commentée représente un dispositif de 30 visualisation tête haute ; La figure 2 représente une vue en coupe d'un guide de lumière selon l'invention ; La figure 3 représente un dispositif de visualisation comportant un ensemble de guides de lumière selon l'invention. 35 A titre d'exemple de réalisation, la figure 2 représente une vue en coupe d'un guide de lumière 20 selon l'invention. Il est destiné à fonctionner avec une source de lumière 10 ponctuelle ou quasi-ponctuelle comportant une calotte transparente sensiblement sphérique 11. Cette source est généralement une diode électroluminescente ou une diode laser. Les rayons lumineux sont représentés en pointillés sur cette figure 2. Le guide de lumière 20 est réalisé dans un matériau transparent à la longueur d'onde d'émission de ladite source de lumière. Ce matériau est généralement un verre organique. Sa forme générale est celle d'un prisme à 10 facettes. On appelle génératrice ou axe x-x du prisme un axe centré sur le prisme et parallèle aux différentes facettes du prisme. Généralement, la longueur du prisme ne dépasse pas 10 centimètres et sa largeur 1 à 2 centimètres. La surface externe du guide de lumière comporte quatre parties détaillées ci-dessous. 15 Une première partie 21 fonctionne en transmission. Elle correspond à la face d'entrée du guide de lumière. Elle est en forme de calotte torique concave. Un tore comporte deux rayons de courbure. Généralement, un des deux rayons de courbure du tore est sensiblement égal au rayon de courbure de la calotte 11 de la source de lumière. La valeur 20 du second rayon du tore est comprise entre le rayon de courbure de la calotte 11 et l'infini. Dans le cas de la figure 2, cette calotte torique est hémisphérique. Cette première partie est située au plus près de la calotte 11 de la source de lumière. La fonction optique de cette première partie est de faire en sorte que les rayons lumineux venant de la source de lumière 25 pénètrent dans le guide de lumière avec le minimum de pertes. Une seconde partie 22 fonctionne en réflexion. Elle est en forme de paraboloïde elliptique de révolution. Elle comporte un premier pourtour bas et un premier pourtour haut de plus grande circonférence. Elle est rattachée sur son pourtour bas à la première partie, les distances entre les 30 foyers du paraboloïde et les centres de la calotte torique sont calculées de façon à adapter l'ouverture angulaire du faisceau de lumière issue de la source de lumière et transmis par la quatrième partie. Dans certaines configurations, un des foyers du paraboloïde est sensiblement confondu avec un des centres de la calotte torique. La fonction de cette seconde partie 35 est de renvoyer les rayons lumineux issus de la source et ayant une incidente importante à l'intérieur du guide de lumière avec une incidence faible sur l'axe x-x du prisme de façon à diminuer l'incidence et à limiter les réflexions sur les parois du guide de lumière. Une troisième partie 23 fonctionne en réflexion. Cette réflexion 5 peut être soit une réflexion totale due à la différence d'indice optique entre le guide de lumière et l'extérieur, soit une réflexion due à un traitement réfléchissant des parois. Cette troisième partie est en forme de prisme constitué de faces planes. Le prisme peut être à base carrée, rectangulaire ou hexagonale. Elle comporte un second pourtour bas et un second pourtour 10 haut. Elle est rattachée sur son second pourtour bas au premier pourtour haut de la seconde partie. La fonction de cette troisième partie est de mélanger et de guider par réflexions successives sur les parois du prisme la lumière vers la face de sortie du guide de lumière. Ainsi, la lumière issue de la source de lumière comporte deux types de rayons lumineux. Les rayons 15 d'incidente importante sont réfléchis une première fois par le paraboloïde 22, puis par les parois du prisme 23. Les rayons d'incidence faible sont directement réfléchis par les parois du prisme 23. La hauteur du prisme est suffisante pour assurer un mélange correct des rayons lumineux. Une quatrième partie 24 fonctionne en transmission. Elle 20 correspond à la face de sortie du guide de lumière et est délimitée par le second pourtour haut de la troisième partie. Généralernent, cette face de sortie est une surface plane perpendiculaire ou inclinée par rapport à l'axe x-x du prisme. On peut ainsi diriger le flux de sortie dans une direction moyenne souhaitée. 25 L'ensemble constitué d'une source de lumière ponctuelle et de son guide de lumière associée permet d'éclairer la surface 24 de façon homogène. En juxtaposant plusieurs de ces sources surmontées de leur guide, on peut ainsi éclairer une surface de grandes dimensions 30 correspondant par exemple à la surface d'un afficheur matriciel. La figure 3 représente une vue en coupe d'un dispositif de visualisation comportant un tel éclairage. Cette boîte à lumière comporte un ensemble de sources 10 d'éclairage ponctuelles qui sont généralement montées sur un circuit électronique 12 commun à toutes les sources. Chaque source est surmontée 35 d'un guide de lumière 20 selon l'invention. L'afficheur matriciel 30 est disposé devant les faces de sortie des différents guides de lumière. Une structure mécanique 40 maintient le circuit électronique, les sources de lumière, les guides et l'afficheur. Comme on le voit sur la figure 3, si l'on souhaite privilégier une direction d'incidence particulière, les guides sont inclinés par rapport à la normale y-y à l'afficheur. Ils sont donc de longueur différente selon leur position. Dans le domaine aéronautique, ce type d'éclairage est particulièrement bien adapté pour éclairer- des afficheurs de viseurs Tête Haute tels que décrits précédemment et qui nécessitent à la fois un éclairage 10 important, homogène et couvrant une pupille de dimensions données. L'augmentation de rendement photométrique d'un éclairage comportant des guides de lumière selon l'invention peut avoir diverses applications. On peut bien entendu augmenter la luminance de l'afficheur. On 15 peut également, à luminance identique, diminuer soit le nombre de sources de lumière nécessaires, soit la puissance consommée, réduisant ainsi les contraintes thermiques et/ou le coût du dispositif. REVENDICATIONS1. Guide de lumière (20) pour source de lumière (10) ponctuelle ou quasi-ponctuelle comportant une calotte transparente sensiblement sphérique, ledit guide étant réalisé dans un matériau transparent à la longueur d'onde d'émission de ladite source de lumière, caractérisé en ce que la surface externe dudit guide de lumière comporte quatre parties : - Une première partie (21), fonctionnant en transmission, correspondant à la face d'entrée du guide de lumière, en forme de calotte torique concave dont au moins un rayon de courbure est sensiblement égal au rayon de courbure de la calotte de ladite source de lumière ; - Une seconde partie (22), fonctionnant en réflexion, en forme de paraboloïde elliptique, comportant un premier pourtour bas et un premier pourtour haut de plus grande circonférence, rattachée sur son pourtour bas à la première partie ; - Une troisième partie (23), fonctionnant en réflexion, en forme de prisme constitué de faces planes, comportant un second pourtour bas et un second pourtour haut, rattachée sur son second pourtour bas au premier pourtour haut de la seconde partie ; - Une quatrième partie (24) fonctionnant en transmission, correspondant à la face de sortie du guide de lumière et délimitée par le second pourtour haut de la troisième partie. 2. Guide de lumière selon la revendication 1, caractérisé en ce 25 qu'au moins un des deux foyers du paraboloïde elliptique (22) est sensiblement confondu avec au moins un des deux centres de la calotte torique. 3. Guide de lumière selon la revendication 1, caractérisé en ce 30 qu'au moins un des deux foyers du paraboloïde elliptique (22) est à une distance prédéterminée d'au moins un des deux centres de la calotte torique,de façon à adapter l'ouverture angulaire du faisceau de lumière issue de la source de lumière et transmis par la quatrième partie. 4. Guide de lumière selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier rayon de courbure de la calotte torique concave (21) est sensiblement égal au rayon de courbure de la calotte de la source de lumière et en ce que le second rayon de courbure de la calotte torique concave est sensiblement égal à l'infini. 5. Guide de lumière selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la troisième partie (23) est à base rectangulaire ou carrée ou hexagonale. 6. Guide de lumière selon l'une des revendications 1 à 4, 15 caractérisé en ce que la quatrième partie (24) est une surface plane perpendiculaire ou inclinée par rapport à la génératrice du prisme. 7. Boîte à lumière comprenant une pluralité de sources de lumière (10) ponctuelles ou quasi-ponctuelles, caractérisé en ce que chaque source 20 de lumière comporte un guide de lumière (20) selon l'une des revendications précédentes, les différents guides de lumière étant jointifs. 8. Dispositif de visualisation comportant au moins un afficheur matriciel (30) fonctionnant par transmission et une boîte à lumière, 25 caractérisé en ce que la boîte à lumière est selon la revendication 7. 9. Dispositif de visualisation selon la revendication 8, caractérisé en ce que le dispositif comporte une optique de collimation et un mélangeur optique permettant de superposer l'image de l'afficheur matriciel sur un 30 paysage extérieur.