Brevet FR3039665A1 — publié le 20170203

SYSTÈME DE PROJECTION POUR AFFICHEUR ET AFFICHEUR TÊTE HAUTE 1. Domaine technique de l'invention L'invention concerne les systèmes de projection, notamment pour afficheurs tête haute. En particulier, l'invention concerne un système de projection d'image virtuelle et un afficheur tête haute destinés à un véhicule automobile. 2. Arrière-plan technologique Un afficheur tête haute permet la formation d'une image virtuelle grâce à une optique de projection. L'image virtuelle est formée par un système de projection, qui comprend notamment un écran qui forme sur sa surface une image réelle qui est projetée de sorte à former l'image virtuelle visible par l'utilisateur de l'afficheur, se superposant à l'environnement, par exemple la route dans le cas d'une utilisation automobile. Dans le cadre de l'utilisation de l'afficheur comme afficheur tête haute dans un véhicule automobile, le conducteur du véhicule, à qui se destinent les informations apparaissant sur l'afficheur tête haute, a une position quasi fixe quand il se trouve sur le siège conducteur pendant la conduite du véhicule. Ainsi, l'image virtuelle est visible uniquement dans une zone appelée boîte à oeil, qui représente la zone dans laquelle les yeux du conducteur peuvent se trouver en conditions normales de conduite. Pour optimiser les performances énergétiques du système de projection, l'écran émet la lumière avec une forte directivité, afin que l'essentiel de la puissance lumineuse soit émise de façon à être dirigée vers la boîte à oeil. Les afficheurs existants sont généralement équipés de systèmes de projection émettant de la lumière permettant l'éclairage au minimum de la boite à oeil, mais ces systèmes de projection émettent aussi de la lumière dans une zone autour et en dehors de la boite à oeil. Ainsi, la lumière émise en dehors de la boite à oeil n'est pas perçue par le conducteur et la puissance lumineuse dans cette zone est perdue, ce qui diminue le rendement optique du système de projection. 3. Objectifs de l'invention L'invention vise à pallier au moins certains des inconvénients des systèmes de 3039665 2 projection connus. En particulier, l'invention vise aussi à fournir, dans au moins un mode de réalisation de l'invention, un système de projection permettant un meilleur éclairage de la boite à oeil. 5 L'invention vise aussi à fournir, dans au moins un mode de réalisation, un système de projection dont le rendement optique est amélioré. L'invention vise aussi à fournir, dans au moins un mode de réalisation de l'invention, un système de projection permettant la réduction de la consommation énergétique. 10 L'invention vise aussi à fournir, dans au moins un mode de réalisation, un système de projection permettant la réduction de lumière parasite. L'invention vise aussi à fournir, dans au moins un mode de réalisation, un système de projection permettant l'augmentation du contraste de l'éclairage. 4. Exposé de l'invention 15 Pour ce faire, l'invention concerne un système de projection pour afficheur, notamment afficheur tête haute, comprenant : un écran, un dispositif de rétro-éclairage dudit écran, ledit dispositif de rétro-éclairage comprenant une pluralité de diodes 20 électroluminescentes émettant de la lumière en direction de l'écran, caractérisé en ce que le dispositif de rétro-éclairage comprend en outre : un support, une pluralité de diodes électroluminescentes disposées sur le support et émettant de la lumière en direction de l'écran, 25 le support comportant une première pluralité de facettes inclinées par rapport au plan de l'écran selon une seconde pluralité d'inclinaisons. Un système de projection selon l'invention permet donc l'inclinaison des diodes électroluminescentes pour permettre l'éclairage de l'écran par les diodes électroluminescentes selon des directions différentes. 30 L'éclairage de l'écran par les diodes électroluminescentes permet la formation de cônes ou de lobes d'éclairement, ayant chacun comme sommet un point de l'écran 3039665 3 et ayant comme axe une droite dite indicatrice. Pour éclairer la boîte à oeil, les systèmes de projection de l'art antérieur ont des cônes d'éclairement dont toutes les indicatrices ont la même direction, généralement orthogonale à l'écran. L'invention permet donc d'obtenir des indicatrices orientées dans plusieurs directions différentes, ce qui permet 5 un éclairage dont les directions sont plus optimisées pour l'application de viseur tête haute et optimisé de la boîte à oeil. Cette orientation des indicatrices est par ailleurs effectuée sans nécessiter d'ajouter une pièce supplémentaire formant un système optique, telle une lentille de champs, entre les diodes électroluminescentes et l'écran : cela permet d'obtenir un système de projection plus léger, moins cher, n'induisant pas 10 de réflexion parasite et n'étant pas sensible aux variations de positionnement comme l'est un système optique par rapport aux diodes électroluminescentes. Avantageusement et selon l'invention, les facettes sont planes. Selon cet aspect de l'invention, les facettes permettent un meilleur soutien des 15 diodes électroluminescentes. Avantageusement et selon l'invention, certaines au moins des facettes ont une inclinaison différente des autres facettes. Selon cet aspect de l'invention, les diodes électroluminescentes disposées sur 20 les facettes permettent la formation de cônes d'éclairements ayant des indicatrices d'inclinaisons différentes, notamment en fonction de la distance du sommet de chaque cône avec le centre de l'écran. Avantageusement et selon l'invention, le support comprenant un centre, l'angle 25 d'inclinaison de chaque facette augmente à mesure que la distance de chaque facette avec le centre du support augmente. Avantageusement et selon l'invention, chacune des facettes est configurée pour supporter une seule diode électroluminescente. 30 Avantageusement et selon l'invention, le support est formé d'une pièce de 3039665 4 dissipation thermique sur laquelle sont disposées les diodes électroluminescentes. Selon cet aspect de l'invention, la pièce de dissipation thermique permet une amélioration de la dissipation thermique des composants du système de projection, notamment des diodes électroluminescentes placées directement sur la pièce de 5 dissipation thermique. Avantageusement et selon l'invention, la pièce de dissipation thermique est une pièce d' aluminium. L'aluminium a une conductivité thermique élevée et un masse volumique faible, 10 ce qui permet de bonnes performances de dissipation thermique sans trop impacter la masse totale du système de projection. L'invention concerne également un afficheur, notamment afficheur tête haute, comprenant une lame semi-réfléchissante, et comprenant un système de projection 15 selon l'invention, adapté pour projeter une image virtuelle. L'invention concerne également un système de projection et un afficheur caractérisés en combinaison par tout ou partie des caractéristiques mentionnées ci-dessus ou ci-après. 20 5. Liste des figures D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante donnée à titre uniquement non limitatif et qui se réfère aux figures annexées dans lesquelles : la figure 1 est une vue schématique d'un afficheur selon un mode de réalisation 25 de l'invention, la figure 2 est une vue schématique d'une plaque de support et d'une pluralité de diodes électroluminescentes selon l'art antérieur, la figure 3 est une vue schématique d'un système de projection selon un premier mode de réalisation de l'invention, 30 la figure 4a est une vue schématique de l'éclairement de la boite à oeil par un élément optique semi-réfléchissant d'un système de projection selon l'art 3039665 5 antérieur, la figure 4b est une vue schématique de l'éclairement de la boite à oeil par un élément optique semi-réfléchissant d'un système de projection selon un mode de réalisation de l'invention, 5 la figure 5 est une vue schématique d'un système de projection selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, la figure 6 est une vue schématique d'un système de projection selon un troisième mode de réalisation de l'invention, 6. Description détaillée d'un mode de réalisation de l'invention 10 Les réalisations suivantes sont des exemples. Bien que la description se réfère à un ou plusieurs modes de réalisation, ceci ne signifie pas nécessairement que chaque référence concerne le même mode de réalisation, ou que les caractéristiques s'appliquent seulement à un seul mode de réalisation. De simples caractéristiques de différents modes de réalisation peuvent également être combinées pour fournir 15 d'autres réalisations. La figure 1 représente un afficheur 100 comprenant un système 10 de projection et un élément optique semi-réfléchissant 12, selon un mode de réalisation de l'invention. Le système 10 de projection comprend un écran 14, par exemple un écran à cristaux liquides (ou écran LCD pour Liquid Crystal Display en anglais), permettant 20 l'émission de lumière en direction de l'élément optique semi-réfléchissant 12. Plus précisément, la lumière émise par l'écran 14 sur l'élément optique semi-réfléchissant 12 permet la formation d'une image 16 virtuelle dans le champ de vision d'un utilisateur de l'élément optique semi-réfléchissant 12, par exemple le conducteur d'un véhicule équipé de l'élément optique semi-réfléchissant 12. Pour permettre la formation de 25 l'image virtuelle, l'écran 14 éclaire l'élément optique semi-réfléchissant 12 selon une pluralité de cônes d'éclairement dont les sommets sont des points situés sur l'écran, chaque cône d'éclairement étant notamment défini par son axe, appelé indicatrice du cône. L'élément optique semi-réfléchissant 12 permet la formation de l'image 16 30 virtuelle. Dans le cadre d'une utilisation dans un véhicule automobile, cet élément est par exemple une lame semi-réfléchissante placée entre le conducteur et le pare-brise du 3039665 6 véhicule, ou directement le pare-brise du véhicule. Le conducteur 18 du véhicule est ici représenté par un des ses yeux. L'objectif de l'écran 14 est de permettre l'éclairage de l'élément optique semi-réfléchissant 12 et ainsi l'affichage de l'image 16 virtuelle de façon à ce qu'elle soit visible par le conducteur 5 18 dans une zone limitée correspondant aux deux yeux et ajustée pour tenir compte d'éventuels déplacements des yeux qui adviennent dans des conditions normales de conduite. Cette zone dans laquelle l'image 16 virtuelle doit être visible est appelée boite à oeil. L'objectif de l'invention est d'éclairer au mieux cette boite à oeil, pour que 10 l'image 16 virtuelle soit bien visible au conducteur 18 et pour éviter les pertes de rendement optique dues à un éclairage d'une zone trop large dépassant la boite à oeil. Le rendement optique est le rapport entre la puissance lumineuse de l'éclairage reçue sur la puissance lumineuse de l'éclairage émise. 15 La figure 2 représente une pluralité de diodes 20 électroluminescentes, ici huit diodes électroluminescentes disposées sur une plaque 22 de support selon l'art antérieur. La plaque 22 de support est une plaque rigide plane sur laquelle sont disposées les diodes 20 électroluminescentes pour permettre leur maintien en place et leur alimentation en énergie électrique. Les diodes 20 électroluminescentes sont 20 composées d'une partie optique 20a et d'une embase 20b, et sont disposées sur la plaque 22 de support sur des zones 21 prédéfinies de la plaque de support. Généralement, la plaque 22 de support est un circuit imprimé permettant de connecter les diodes 20 électroluminescentes à une alimentation électrique et à d'éventuels autres composants électroniques (non représentés). L'utilisation d'une plaque 22 de support 25 plane est encouragée dans les systèmes de projection selon l'art antérieur pour des raisons de coût de fabrication et de praticité d'utilisation. Néanmoins, l'utilisation d'une plaque 22 de support plane entraine que les diodes 20 électroluminescentes sont toutes situées dans le même plan, et orientées dans la même direction, ne permettant pas un réglage de la direction des indicatrices d'éclairement et donc entraine généralement un 30 éclairement imparfait de la boite à oeil comme illustré plus loin en référence aux figures 4a et 4b, et une baisse des performances énergétiques. 3039665 7 La figure 3 représente un système 124 de projection selon un premier mode de réalisation de l'invention. Le système 124 de projection présenté comprend un dispositif 125 de rétro-éclairage comprenant deux diodes 126a, 126b électroluminescentes, 5 disposé sur deux facettes 128a, 128b d'un support 130, chacune inclinée par rapport au plan de l'écran 14. Le système 124 de projection comprend en outre un réseau de lentilles composé de deux lentilles 134a, 134b, représentées chacune schématiquement par un arc de cercle, une devant chaque diode 126a, 126b, permettant la collimation des faisceaux lumineux provenant des diodes 126a, 126b. Les facettes 128a, 128b sont 10 inclinées de sorte à permettre l'orientation de l'éclairement provenant des diodes 126a, 126b et collimaté par les lentilles 134a, 134b. Cette orientation de l'éclairement permet l'orientation de cônes 136a, 136b d'éclairement (ou lobes d'éclairement), dont les sommets sont des points de l'écran 14 et permettant l'éclairement de l'élément optique semi-réfléchissant, et dont les axes sont appelés indicatrices 138a, 138b. L'objectif de 15 l'invention est l'orientation de ces indicatrices 138a, 138b pour permettre un éclairage adapté de la boite à oeil, par une inclinaison des facettes 128a, 128b sur lesquelles sont disposées les diodes 126a, 126b. L'effet de l'orientation de ces indicatrices 138a, 138b par rapport à l'art antérieur est décrit par la suite en référence aux figures 4a et 4b. Les deux facettes sont ici planes, orientées selon des angles opposés, et sont 20 symétriques par rapport au centre 140 du support 130. Un axe 142 central partant du centre 140 du support et perpendiculaire à l'écran 14 permet de représenter l'orientation d'une indicatrice de l'art antérieur perpendiculaire à l'écran 14. Pour permettre l'amélioration de la dissipation thermique au niveau des diodes 126a, 126b électroluminescentes, le support 130 est formé d'une pièce 144 de 25 dissipation sur laquelle sont disposées les diodes 126a, 126b. La pièce 144 de dissipation comprend en outre un radiateur 146 permettant une meilleure dissipation thermique de la chaleur émise par les diodes 126a, 126b. La pièce 144 de dissipation est formée d'un matériau possédant une bonne conductivité thermique, notamment un métal et par exemple l'aluminium, qui a en outre une masse volumique faible permettant de réduire 30 la masse du système 124 de projection. En tant que besoin, des moyens d'isolation électrique (non représentés) sont disposés entre les diodes et la pièce de dissipation 3039665 8 144. Les figures 4a et 4b montrent les effets de cette orientation sur l'éclairage d'une boite à oeil et sur le rendement optique du système de projection. 5 La figure 4a représente l'éclairement d'une boite à oeil par un système 35 de projection selon l'art antérieur, par le biais d'un élément optique semi-réfléchissant 36. Une indicatrice 37 d'un cône d'éclairement est représentée, et est perpendiculaire à l'écran du système 35 de projection. Le cône d'éclairement permet l'éclairement d'une zone 38 de l'élément optique semi-réfléchissant délimitée par les points référencés 40a 10 et 40b. Un conducteur d'un véhicule équipé du système de projection et de l'élément optique semi-réfléchissant peut voir l'image virtuelle affichée par l'élément optique semi-réfléchissant depuis la boite à oeil 42, c'est-à-dire une zone dans laquelle les yeux du conducteur sont susceptibles de se situer, dans le cadre d'une situation normale de conduite. L'image virtuelle est visible dans une zone délimitée par deux droites, une 15 droite 44 d'affichage supérieure, en traits continus, et une droite 46 d'affichage inférieure, en traits pointillés. La droite 44 d'affichage supérieure indique que l'éclairement atteint exactement la partie supérieure de la boite à oeil 42, et la droite 46 d'affichage inférieure indique que l'éclairement atteint la partie inférieure de la boite à oeil 42 ainsi qu'un intervalle 48 supplémentaire extérieur à la boite à oeil 42. 20 La figure 4b représente l'éclairement de la boite à oeil 42 par un système 10 de projection selon un mode de réalisation de l'invention, par le biais de l'élément optique semi-réfléchissant 12. Contrairement au système 35 de projection selon l'art antérieur décrit en référence à la figure 4a, l'indicatrice 50 représentée est orientée par rapport à une direction perpendiculaire à l'écran 14 du système de projection selon un angle 25 horizontal non nul. L'image virtuelle formée par l'élément optique semi-réfléchissant est visible dans une zone délimitée par deux droites, une droite 52 de réflexion supérieure, en traits continus, et une droite 54 de réflexion inférieure, en traits pointillés. La droite 52 de réflexion supérieure indique que l'éclairement atteint exactement la partie supérieure de la boite à oeil 42, et la droite 54 de réflexion inférieure indique que 30 l'éclairement atteint exactement la partie inférieure de la boite à oeil 42. Contrairement au système 35 de projection selon l'art antérieur représenté figure 4a, le système 10 de 3039665 9 projection selon ce mode de réalisation permet un éclairage plus adapté de la boite à oeil 42, en éclairant seulement la boite à oeil 42 sans pertes d'éclairage, améliorant ainsi le rendement optique, et ce grâce au réglage de l'orientation des indicatrices et de l'angle d'ouverture des cônes d'éclairement provenant de l'écran. Éclairer uniquement 5 la boite à oeil 42 permet en outre la réduction de la lumière parasite et l'augmentation du contraste effectif de l'image virtuelle. En outre l'amélioration du rendement optique se fait aussi grâce à la réduction de l'angle au sommet du cône. Sur la figure 4a, l'angle 56 au sommet est divisé en deux angles 56a et 56b entre l'indicatrice et le cône, appelés demi-angles au sommet, de 10 valeurs égales puisque l'indicatrice est l'axe du cône. De la même façon, sur la figure 4b, l'angle 58 au sommet est divisé en deux demi-angles au sommet 58a et 58b. L'angle 58 au sommet du cône nécessaire pour couvrir l'intégralité de la boite à oeil 42 et rendu possible par le système 10 de projection selon un mode de réalisation de l'invention, est inférieur à l'angle 56 au sommet du cône obtenu par le système 35 de projection selon 15 l'art antérieur. Ainsi, le cône obtenu par le système 10 de projection selon un mode de réalisation de l'invention est plus étroit et donc permet une réduction de la puissance lumineuse à émettre pour obtenir une même puissance lumineuse reçue dans la boite à oeil 42. Avantageusement, l'orientation des indicatrices est variable en fonction de la position du sommet des cônes et l'angle d'ouverture du cône d'éclairement est 20 constant. En pratique, si la valeur des demi-angles 56a, 56b au sommet du cône obtenus par le système de projection selon l'art antérieur est égale à 20° et si la valeur des demi-angles 58a, 58b au sommet du cône obtenus par le système de projection selon un mode de réalisation de l'invention est égale à 15°, l'amélioration du rendement optique 25 est égal à : 47r(1 - cos 20°)(2n2 47/"(1 - cos 15°) - 15°) - 1.77 En général, la différence d'angle entre le demi-angle 56a, par exemple, dans le système 35 selon l'art antérieur et le demi-angle 58a correspondant dans le système 10 selon l'invention est égale à l'angle selon lequel est orienté l'indicatrice 50 du système 10 par rapport à la direction perpendiculaire à l'écran, c'est-à-dire la différence 30 angulaire entre les deux indicatrices. Dans le cas présenté ci-dessus, l'indicatrice est 3039665 10 orientée de 20-15=5° par rapport à la direction perpendiculaire à l'écran. Pour une orientation de 3°, l'amélioration du rendement optique selon la formule précédente est de 1,44, soit sensiblement 40% de puissance lumineuse perçue supplémentaire dans la boite à oeil 42. 5 Les figures 5 et 6 représentent des systèmes de projection selon un deuxième et un troisième mode de réalisation d'un système de projection selon l'invention, comprenant respectivement quatre et huit diodes électroluminescentes, chacune des diodes étant disposée sur une facette. Ces modes de réalisation sont dérivés du premier 10 mode de réalisation décrit en référence à la figure 3, et les éléments déjà décrits en référence à la figure 3 sont désignés par les mêmes références. L'éclairement à partir de l'écran 14 est représenté sur ces figures par des lobes 144 d'éclairement ayant comme axe les indicatrices d'éclairement. L'ensemble des facettes permet d'obtenir un support équivalent à une 15 approximation d'une portion de sphère, sur la surface de laquelle sont disposées les diodes électroluminescentes. La précision de l'approximation de portion de sphère par rapport à une portion de sphère réelle augmente avec l'augmentation du nombre de facettes. L'utilisation de facettes planes permet un meilleur soutien des diodes électroluminescentes, qui ont généralement une base plane. 20 Les angles d'inclinaison des facettes est la combinaison de deux angles, dits angle 0 horizontal et angle (1) vertical, correspondant à l'inclinaison des indicatrices obtenues grâce aux facettes par rapport à l'axe 142 central respectivement dans le plan défini par l'axe 142 central et un axe 146 horizontal, et dans le plan défini par l'axe central et un axe 148 vertical. L'axe 146 horizontal, l'axe 148 vertical et l'axe 142 central 25 forment un repère orthogonal. L'inclinaison des facettes est donc représentée par le couple (0, (1)). Le système de projection selon le deuxième mode de réalisation de l'invention représenté figure 5 comprend un dispositif de rétro-éclairage 149 comprenant quatre diodes 150a, 150b, 150c, 150d électroluminescentes disposées respectivement sur 30 quatre facettes 152a, 152b, 152c, 152d inclinées. Dans ce mode de réalisation, les facettes 152a, 152b, 152c, 152d sont par exemple inclinées respectivement de (-1°, -1°), 3039665 11 (1°, -10), (-1°, 10), (1°, 10). Le système de projection selon le troisième mode de réalisation de l'invention représenté figure 6 comprend un dispositif de rétro-éclairage 153 comprenant huit diodes 154a, 154b, 154c, 154d, 154e, 154f, 154g, 154h électroluminescentes disposées 5 sur huit facettes 156a, 156b, 156c, 156d, 156e, 156f, 156g, 156h inclinées. Dans ce mode de réalisation, les facettes 156a, 156b, 156c, 156d, 156e, 156f, 156g, 156h sont par exemple respectivement inclinées de (-3°, -1,5°), (-1°, -1,5°), (1°, -1,5°), (1°, 3°), (-3°, 1,5°), (-1°, 1,5°), (1°, 1,5°), (3°, 1,5°). Ce troisième mode de réalisation remplace avantageusement la pluralité de diodes et la plaque de support selon l'art antérieur 10 décrit précédemment en référence à la figure 2. Dans ce mode de réalisation, l'inclinaison des facettes 156a à 156h est d'autant plus importante que la facette est éloignée du centre du support. Ainsi au niveau de l'écran, les indicatrices d'éclairement des diodes 154a à 154h électroluminescentes sont d'autant plus inclinées qu'elles sont distantes du centre de l'écran. 15 L'invention ne se limite pas aux seuls modes de réalisation décrits. En particulier, l'invention s'adapte au nombre de diodes électroluminescentes du système de projection, qui peut être impair, supérieur à huit, etc. Le nombre de diodes électroluminescentes du système de projection dépend de la complexité de l'éclairage 20 souhaitée et de la puissance lumineuse nécessaire. Les facettes peuvent être planes, bombées ou courbées, totalement ou en partie. REVENDICATIONS1. Système de projection pour afficheur, notamment afficheur tête haute, comprenant : - un écran (14), - un dispositif (125, 149, 153) de rétro-éclairage dudit écran, ledit dispositif (125, 149, 153) de rétro-éclairage comprenant une pluralité de diodes (126, 150, 154) électroluminescentes émettant de la lumière en direction de l'écran (14), caractérisé en ce que le dispositif (125, 149, 153) de rétro-éclairage comprend en outre : - un support (130), - une pluralité de diodes (126, 150, 154) électroluminescentes disposées sur le support (130) et émettant de la lumière en direction de l'écran (14), le support (130) comportant une première pluralité de facettes (128, 152, 156) inclinées par rapport au plan de l'écran (14) selon une seconde pluralité d'inclinaisons. 2. Système de projection selon la revendication 1, caractérisé en ce que les facettes (128, 152, 156) sont planes. 3. Système de projection selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que certaines au moins des facettes (128, 152, 156) ont une inclinaison différente des autres facettes (128, 152, 156). 4. Système de projection selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, le support (130) comprenant un centre (140), l'angle d'inclinaison de chaque facette (128, 152, 156) augmente à mesure que la distance de chaque facette (128, 152, 156) avec le centre (140) du support augmente. 5. Système de projection selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que chacune des facettes (128, 152, 156) est configurée pour supporter une seule diode 3039665 13 (126, 150, 154) électroluminescente. 6. Système de projection selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le support (130) est formé d'une pièce (144) de dissipation thermique sur laquelle 5 sont disposées les diodes (126, 150, 154) électroluminescentes. 7. Système de projection selon la revendication 6, caractérisé en ce que la pièce (144) de dissipation thermique est en aluminium . 10 8. Afficheur, notamment afficheur tête haute, comprenant un élément (12) optique semi-réfléchissant, caractérisé en ce qu'il comprend un système (10) de projection selon l'une des revendications 1 à 7, adapté pour permettre la formation d'une image (16) virtuelle.