Brevet FR3013853A1 — publié le 20150529

La présente invention est relative aux systèmes de projection d'indications lumineuses, en particulier à bord d'un véhicule automobile. Plus particulièrement, l'invention concerne un système permettant de projeter des images ou des indications lumineuses sur une surface intérieure du véhicule, notamment vitrée, ces images ou indications venant compléter les informations mises à disposition du conducteur sur des dispositifs d'affichage conventionnels de type combiné d'instruments ou afficheur central du tableau de bord. Il est connu d'utiliser des dispositifs nommés « afficheur tête haute » ou HUD (de l'anglais « Head Up Display »), formés essentiellement à partir d'un appareil vidéo projecteur avec une source lumineuse principale et des filtres commandés, pour afficher des informations sur le pare-brise dans le champ de vision principal du conducteur. Ce genre d'appareils nécessite toutefois des précautions de refroidissement importantes et son coût reste élevé. Il est connu par ailleurs, par exemple du document EP 1 992 979, des 15 afficheurs utilisant de grands circuits imprimés portant des LEDs (acronyme anglais pour des diodes électroluminescentes), ceci en vue d'obtenir une image réfléchie sur une surface vitrée. Toutefois, les LEDs en question sont généralement montées sur une carte électronique de type PCB, le plus souvent plane, avec l'axe optique des LEDs étant disposé perpendiculairement au plan de la carte électronique, parallèlement à la direction 20 appelée « normale au plan » de ladite carte électronique. On notera que l'axe optique de la LED est la direction selon laquelle est émise la majorité de la puissance lumineuse. Cependant, il s'avère que le trajet optique, qui part de la LED et va jusqu'à l'oeil de l'utilisateur après réflexion sur la surface du pare-brise, n'est généralement pas confondu avec l'axe optique de la LED, et par conséquent le rendement optique n'est pas 25 optimal. Si on essayait de placer le PCB de manière à ce que les trajets optiques soient au plus proche des axes optiques de ses LEDs, alors un tel PCB ne serait pas parallèle à la paroi supérieure de la planche de bord et occuperait un volume important dans la planche de bord. 30 La solution qui consisterait à séparer le PCB en petits modules nécessite de positionner chacun de ces modules spécifiquement, ce qui peut s'avérer complexe à réaliser. Il est donc apparu un besoin de proposer une solution améliorée pour un système de projection d'indications lumineuses sur le pare-brise ou sur une autre surface 35 vitrée du véhicule. A cet effet, l'invention propose un système de projection d'indications lumineuses sur une surface intérieure vitrée de véhicule, en particulier une surface de type pare-brise, le système comprenant au moins un module à LEDs comprenant une pluralité de diodes électroluminescentes dites LEDs, montées sur une carte électronique sensiblement plane, pour laquelle il est défini une direction normale N à la carte électronique, chacune desdites LEDs ayant un axe optique libre A parallèle à cette direction normale, le module à LEDs étant disposé de façon parallèle à la surface supérieure de la planche de bord du véhicule, dans lequel il est défini pour chaque diode un trajet optique, qui part de la LED et va jusqu'à l'oeil de l'utilisateur en se réfléchissant sur la surface interne du pare-brise à l'endroit d'un point de réflexion, ledit trajet optique comprenant une première portion qui relie en ligne droite la LED au point de réflexion. L'invention est remarquable en ce qu'on dispose un élément optique au voisinage de la LED pour dévier la lumière émise par la LED et en particulier pour créer un axe optique dévié de manière à ce que l'écart angulaire entre la première portion du trajet optique et l'axe optique dévié soit petit, de préférence inférieur à 10°, de sorte que l'on évite des pertes optiques trop importantes et que l'on optimise le rendement optique du système pour l'utilisateur. Grâce à ces dispositions, on peut faire coïncider substantiellement l'axe optique dévié de chaque LED avec le trajet optique qui conduit jusqu'à l'oeil de l'utilisateur. Ceci permet d'optimiser le rendement optique du système de projection vu de l'utilisateur et par conséquent cela permet de choisir les composants électroniques notamment les LEDs juste nécessaires en termes de puissance. Ceci permet aussi par ailleurs de diminuer la puissance thermique dissipée en zone supérieure interne de la planche de bord, ce qui abaisse les températures pic. Dans des modes de réalisation du système selon l'invention, on peut éventuellement avoir recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes : - Les éléments optiques peuvent être en forme de prisme plan. Ce sont des composants simples à fabriquer et bon marché ; - Les éléments optiques peuvent être en forme de dioptre sphérique. On peut ainsi, par focalisation, augmenter encore le rendement optique du montage ; - On peut former de préférence les éléments optiques de plusieurs LEDs dans une seule et même pièce optique. On peut par conséquent prévoir une pièce optique commune positionnée de façon simple par rapport au PCB ou à la planche de bord ; - On dispose un élément optique distinct pour chacune des LEDs. On peut ainsi optimiser le montage précisément, LED par LED ; - Avantageusement, les éléments optiques sont des éléments transmissifs et non réflectifs. On évite ainsi les pertes potentielles liées à des réflexions du faisceau optique ; - On prévoit, sur les éléments optiques, des traitements anti-réfléchissants sur la face optique dirigée vers la LED, de manière à diminuer la fraction des rayons de lumière perdue par réflexion ; - L'écart angulaire entre la première portion du trajet optique et l'axe optique dévié peut être choisi inférieur à 5°, de sorte que l'opimisation est particulièrement efficace dans le cas d'utilisation de LED à faisceau resserré. - De préférence, on choisit comme position de référence de l'oeil utilisateur la position médiane des yeux de l'utilisateur médian (« 50 percentile »). - La projection d'indications lumineuses est réalisée au travers d'orifices de la planche de bord. On obtient alors un système dissimulé des yeux du conducteur et qui passe au travers de la partie supérieure de la planche de bord sans pertes. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description suivante d'une de ses formes de réalisation, donnée à titre d'exemple non limitatif, en regard des dessins joints, sur lesquels : - la figure 1 est une vue générale en coupe du système de projection selon l'invention, - la figure 2 représente une vue de dessus d'un véhicule équipé du système de projection sur le pare-brise, - la figure 3 montre plus en détail une construction géométrique du trajet optique, - la figure 4 représente une vue en coupe du module à LEDs avec des éléments optiques selon l'invention, - la figure 5 représente une vue en coupe d'une variante d'un module à LEDs avec des éléments optiques selon l'invention, - la figure 6 représente des caractéristiques optiques de différentes LEDs utilisées, - la figure 7 représente une vue en coupe d'une autre variante d'un module à LEDs avec des éléments optiques selon l'invention. Sur les différentes figures, les mêmes références désignent des éléments identiques ou similaires. La figure 1 représente un système de projection d'indications lumineuses sur 35 le pare-brise 11 d'un véhicule 50. Toutefois, un tel système peut être utilisé pour projeter des indications lumineuses sur n'importe quelle surface intérieure brillante du véhicule, ou toute surface vitrée. Les indications lumineuses 17 sont destinées en particulier à être perçues par un utilisateur conducteur 90. On définit un point de référence de perception repéré 9 ; on choisit pour cela la position médiane des yeux de l'utilisateur médian (« 50 percentile »). Bien sûr, cette position de référence est une position moyenne et le système pourra fonctionner avec un point de référence de perception 9 différent dans le volume des positions possibles des yeux, selon les mensurations possibles de la population des conducteurs. Le système comprend, dans la planche de bord 8, un module à LEDs 2, lequel module à LEDs 2 comprend une pluralité de diodes électroluminescentes 4 (dénommées « LEDs » ci-après). La pluralité de LEDs 4 peut être disposée selon une seule rangée, ou encore deux rangées parallèles, voire plus de deux rangées parallèles, pour former une disposition de type matriciel. Toutefois d'autres dispositions pour les LEDs 4 ne sont pas exclues. Il faut remarquer qu'il peut y avoir plus d'un module à LEDs 2, agencés dans 15 la planche de bord 8 pour couvrir une surface importante d'affichage sur le pare-brise 11. Les LEDs 4 sont disposées sur une carte électronique 20, habituellement plane ; les LEDs 4 sont de préférence des composants de type CMS à montage en surface. Avantageusement, ces composants sont posés en mode automatique et soudés selon un processus automatique, ce qui permet d'abaisser le coût de revient des modules 20 à LEDs 2. Les LEDs 4 peuvent être des LEDs simples ou des LEDs à plusieurs couleurs pilotables sélectivement. On définit comme la direction normale N la direction perpendiculaire au plan de la carte électronique 20 (cf. figure 3). Chacune des LEDs 4 présente un axe optique 25 libre A parallèle à cette direction normale N ; l'axe optique de la LED 4 étant la direction selon laquelle est émise la majorité de la puissance lumineuse, selon une distribution spatiale dont il sera question plus loin. Dans la configuration de la présente invention, le module à LEDs 2 est disposé sensiblement de façon parallèle à la surface supérieure 7 de la planche de bord 8 30 du véhicule 50, de sorte qu'il occupe un volume minimum en étant plaqué sous la peau supérieure 7 de la planche de bord 8. Pour chacune des LEDs 4, il est défini un trajet optique T, qui part de la LED 4 et va jusqu'au point de référence de perception 9 du conducteur 90 en se réfléchissant sur la surface interne du pare-brise 11 à l'endroit d'un point de réflexion 5. 35 En référence à la figure 3, le trajet optique T comprend une première portion T1 qui relie en ligne droite la LED 4 au point de réflexion 5, et une seconde portion T2 qui relie en ligne droite le point de réflexion 5 au point de référence de perception 9 du conducteur 90. À l'endroit du point de réflexion 5, chacune des première et deuxième portions T1, T2 du trajet est séparée d'un angle a par rapport à la normale W au pare-5 brise 11 en ce point de réflexion 5. La première portion T1 de trajet optique est séparée angulairement de la normale N à la carte électronique d'un angle [31. Avantageusement selon la présente invention, on dispose un élément optique 3 au voisinage de chacune des LEDs 4 pour dévier la lumière émise par la LED 4, 10 de manière à générer l'angle [31 susmentionné. Plus précisément, comme illustré à la figure 4, l'élément optique 3 permet, pour chacune des LED 4, de dévier l'axe optique libre A d'un angle déterminé et définit un axe optique dévié 6, de manière à ce que l'écart angulaire entre la première portion T1 du trajet optique et l'axe optique dévié 6 soit quasiment annulé. 15 A la figure 4 il a été représenté l'angle [32 pour une seule LED 4 à titre illustratif et dans un souci de concision. L'écart angulaire ([32 - [31) entre la première portion T1 du trajet optique et l'axe optique dévié 6 est minime. Chaque LED 4 peut ainsi profiter d'un axe optique dévié 6 présentant peu de pertes optiques. La contrainte pour la tolérance de l'écart angulaire entre la première 20 portion T1 du trajet optique et l'axe optique dévié 6 dépend de la sélectivité spatiale d'émission de la LED 4. Comme ceci est représenté à la figure 6, deux types de LED sont illustrés : une LED à faible sélectivité spatiale 41 c'est-à-dire à ouverture large, et une LED à forte sélectivité spatiale 42, c'est-à-dire à ouverture étroite. Sur la figure 6, la partie gauche du graphique montre la répartition spatiale sous forme polaire, la partie droite 25 montre la répartition sous forme cartésienne. D'une façon générale, il suffira que l'axe optique dévié 6 soit proche de la direction de la première portion T1 de trajet optique, avec un écart petit, de préférence inférieur à 10°. Cet écart de 10° toléré suffit poli des LEDs à profil d'émission large 41, pour lesquelles la puissance à 10° de l'axe optique n'est pas très significativement 30 inférieure à la puissance émise selon l'axe optique libre (cf. figure 6). Pour des LEDs à profil d'émission plus resserré 42, la puissance émise à 10° de l'axe optique est significativement réduite (cf. figure 6), et par conséquent les éléments optiques 3 seront choisis tels que l'écart angulaire entre la première portion T1 du trajet optique et l'axe optique dévié 6 soit inférieur à 5°. 35 On note que pour les LEDs classiques CMS, la surface de sortie optique est relativement petite, typiquement moins de 0,5 cm2. Dans l'exemple illustré à la figure 4, on peut choisir comme élément optique, pour chaque LED 4, un prisme plan. Comme connu en soi, l'angle du prisme est choisi de façon à dévier plus ou moins l'axe optique de LED 4. Dans l'exemple illustré à la figure 5, on peut choisir comme élément optique 5 un dioptre sphérique 30. Ceci permet d'obtenir un effet de focalisation qui augmente le rendement optique du point de vue du conducteur 90. De plus, la figure 5 illustre une solution dans laquelle on forme plusieurs éléments optiques 3, de préférence tous, dans une seule pièce optique 36 intégrale ; cette dernière peut être positionnée avantageusement par rapport à la carte électronique 20 ou 10 bien par rapport à la peau supérieure 7 de la planche de bord 8. La disposition optique ne comporte pas de miroir ou d'élément réflecteur en arrière de la LED 4 ; l'élément optique 3 est agencé en avant de la LED 4 vers la surface interne à illuminer. On note donc que l'élément optique 3 est transmissif et non pas réflectif. 15 On peut prévoir un revêtement anti réfléchissant sur la face inclinée du prisme, de manière à minimiser la réflexion dans le cas où l'angle d'incidence du prisme est prononcé. Le pare-brise 11 présentant une forme courbe en trois dimensions, la position des LEDs 4 et la forme des éléments optiques 3 doit tenir compte de cette courbure. 20 Ainsi, la position des sources lumineuses dépendra de la forme du pare- brise 11 et par conséquent du modèle de véhicule 50 dans lequel l'application de projection sera installée. Il faut remarquer que les trajets optiques T passent par des orifices 16 ménagés dans la planche de bord 8. Les orifices 16 sont prévus dans la planche de 25 bord 8 pour laisser passer la lumière en provenance des LEDs 4, la position de ces orifices 16 est prédéterminée en fonction de la courbure du pare-brise 11 et des positions cible des LEDs 4 par des calculs de forme appropriés. Avantageusement, ces orifices 16 sont formés dans la paroi supérieure 7 de la planche de bord 8, et sont formés par des fentes orientées transversalement par 30 rapport à la direction longitudinale X du véhicule 50 (cf. figure 2). On évite ainsi toute perception directe des sources de lumière par le conducteur 90. Dans l'exemple illustré à la figure 7, on peut choisir comme élément optique un prisme plan 3 disposé de manière à ce que le rayon incident en provenance de la LED 4 impacte orthogonalement la surface du prisme, ce qui minimise les pertes liées à la 35 réflexion possible. Dans le cas où la déviation doit être importante en sortie ((32 important) comme représenté sur le cas à droite dans la figure 7, on dispose avantageusement deux prismes 31, 32 l'un à la suite de l'autre de manière à ce que pour chacun des prismes le rayon incident arrive orthogonalement à la face entrante du prisme. Bien sûr il n'est pas exclu d'avoir plus de deux prismes disposés en série comme illustré. REVENDICATIONS1. Système de projection d'indications lumineuses sur une surface intérieure vitrée (11) de véhicule 50), en particulier une surface de type pare-brise, le système comprenant au moins un module à LEDs (2) comprenant une pluralité de diodes électroluminescentes (4) dites LEDs, montées sur une carte électronique (20) sensiblement plane, pour laquelle il est défini une direction normale (N) à la carte électronique (20), chacune desdites LEDs (4) ayant un axe optique libre (A) parallèle à cette direction normale (N), le module à LEDs (2) étant disposé de façon parallèle à la surface supérieure (7) de la planche de bord (8) du véhicule (50), dans lequel il est défini pour chaque LED (4) un trajet optique (T), qui part de la LED (4) et va jusqu'à l'oeil (9) de l'utilisateur en se réfléchissant sur la surface interne du pare-brise (11) à l'endroit d'un point de réflexion (5), ledit trajet optique (T) comprenant une première portion (T1) qui relie en ligne droite la LED (4) au point de réflexion (5), caractérisé en ce qu'on dispose un élément optique (3) au voisinage de la LED (4) pour dévier la lumière émise par la LED (4) et en particulier pour créer un axe optique dévié (6) de manière à ce que l'écart angulaire entre la première portion (T1) du trajet optique et l'axe optique dévié (6) soit petit, de préférence inférieure à 10°, de sorte que l'on optimise le rendement optique du système pour l'utilisateur. 2. Système selon la revendication 1, dans lequel les éléments optiques (3) sont en forme de prisme plan. 3. Système selon la revendication 1, dans lequel les éléments optiques (3) sont en forme de dioptre sphérique. 4. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel on forme les éléments optiques (3) de plusieurs LEDs (4) dans une seule et même pièce optique (36). 5. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel on dispose un élément optique (3) distinct pour chacune des LEDs (4). 6. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel les éléments optiques (3) sont des éléments transmissifs et non réflectifs. 7. Système selon la revendication 6, dans lequel on prévoit, sur les éléments 30 optiques (3), des traitements anti-réfléchissants sur la face optique dirigée vers la LED (4), de manière à diminuer la fraction des rayons de lumière perdue par réflexion. 8. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel l'écart angulaire entre la première portion (T1) du trajet optique et l'axe optique dévié (6) est inférieur à 5°. 9. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel la projection d'indications lumineuses est réalisée au travers d'orifices (16) de la planche de bord (8).