Brevet FR3042311A1 — publié le 20170414

Dispositif optique d'affichage améliorant la visualisation d'une image associée à un capteur solaire Domaine technique de l'invention La présente invention se rapporte à des dispositifs optiques qui permettent de visualiser une image associée à un capteur solaire sans changer l'aspect visuel de l'image sur une large plage de vision, et tout en minimisant les pertes de performances énergétiques du capteur. Etat de la technique L'intégration visuelle discrète des capteurs solaires est particulièrement utile dans des objets qui ont pour fonction principale de faire écran, au moins partiellement, aux rayons solaires, comme par exemple dans des stores, des pare-soleils, des parasols, des ombrières et autres. Mais une bonne intégration visuelle et fonctionnelle des capteurs solaires peut aussi être utile dans une gamme plus vaste de supports, comme les bâtiments, les toitures, les murs, les tuiles, les vitrages, les véhicules de transport, y compris les bateaux et les avions, les panneaux et écrans publicitaires, les écrans électroniques, les vêtements, et d'une manière générale sur tout support plan ou non plan. Les capteurs solaires ont en général une apparence sombre, ou contrastée par rapport à la couleur de leur environnement. Il est donc nécessaire de les intégrer visuellement dans cet environnement d'une façon aussi discrète que possible. Ce besoin d'intégration visuelle nécessite de recouvrir les capteurs solaires d'une couleur ou d'une image semi-transparente de bonne qualité, tout en diminuant le moins possible les performances des capteurs solaires. On connaît déjà plus particulièrement du brevet US8264775 un dispositif optique composé d'une plaque lenticulaire (réseau de lentilles) et d'un réseau de zones image placées en regard des lentilles qui permet à un observateur de visualiser soit l'image reconstituée par les lentilles soit le panneau solaire qui est placé derrière le dispositif. La visualisation de l'image ou du panneau solaire dépend alors de l'angle d'observation par rapport à la surface optique. Lorsque les lentilles sont demi- cylindriques, cette alternance se réitère environs tous les 25°, ce qui limite les applications notamment lorsque celles-ci nécessitent de pouvoir observer l'image en continu sur une plage angulaire de 90°. Une première solution à ce problème a déjà été donnée dans les publications US/2014/0299175 et US/2014/0290723, qui décrivent des dispositifs optiques destinés à 3042311 2 augmenter à la fois la plage angulaire totale de visualisation d'une image située à la surface d'un capteur solaire et la capture des rayons solaires par ledit capteur. Ces dispositifs optiques comprennent une plaque lenticulaire comportant un réseau de fentes (lames d'air). Les faces de chaque fente doivent être suffisamment polies pour que 5 ces surfaces aient la propriété de réfléchir certains rayons lumineux qui traversent le lenticulaire. Cette réflexion optique a lieu grâce à la différence d'indices de réfraction entre la matière transparente de la plaque et l'air contenu dans les fentes. Certains des rayons issus d'une source lumineuse, en particulier du soleil, sont ainsi réfléchis sur les parois des fentes et traversent les zones de transparence, alors que d'autres 10 rayons solaires traversent directement les zones de transparence sans être réfléchis à la surface des fentes. La quantité de lumière qui traverse les zones de transparence et qui atteint le capteur solaire est alors supérieure à la quantité de lumière qui aurait traversé les zones de transparence si les fentes n'existaient pas, ce qui a pour effet d'augmenter le rendement de 15 production énergétique du dispositif. La réflexion optique sur les parois des fentes agit aussi pour les rayons sortants issus des zones pixélisées, ce qui permet à un observateur de visualiser toutes les zones pixélisées, donc une image entière, sous des angles bien plus importants qu'avec un système optique sans fentes. Il en résulte que l'intégration visuelle du dispositif sur un 20 support est effective sur une plage angulaire plus large qu'en l'absence des fentes. Une amélioration de ce dispositif a été proposée dans la demande de brevet WO/2015/040288 pour pallier aux problèmes liés à l'encrassement des lames d'air et à la mauvaise tenue mécanique du lenticulaire. La solution consiste à remplacer ces lames d'air 25 par des lames réfléchissantes pour renforcer mécaniquement le système optique et prévenir sa dégradation dans le temps. Cette solution permet en outre d'accroître encore la performance des capteurs solaires et d'améliorer la continuité des plages angulaires de visualisation de l'image par un observateur. 30 Néanmoins, tous ces dispositifs connus présentent plusieurs inconvénients. Un premier problème tient au phénomène de réflexion totale de la lumière en face arrière du lenticulaire (surface de sortie). Pour des angles d'incidence élevés, la lumière, après avoir traversé en face avant le premier réseau de dioptres, se propage dans la plaque lenticulaire avec des angles élevés par rapport à la normale à la surface de sortie. En 35 l'absence de couplage optique à l'aide d'un matériau adhésif transparent en face arrière du lenticulaire, une grande partie de la lumière est rétro-réfléchie et ne peut atteindre le capteur 3042311 3 photovoltaïque. Bien que bénéfique pour la production énergétique, le collage d'une plaque lenticulaire sur un panneau photovoltaïque pose un problème économique : le procédé est coûteux, difficile à mettre en oeuvre sur de grandes surfaces et ne permet pas le renouvellement fréquent des images pour des applications publicitaires. De plus, dans le cas 5 d'une image rétro-éclairée pour la rendre visible de nuit, le collage n'est pas possible car cela nuirait au bon fonctionnement du système de rétro-éclairage. Par ailleurs, la fabrication d'un lenticulaire avec lames d'air ou lames réfléchissantes demande un alignement précis, la tolérance étant typiquement inférieure à un dixième du pas des lentilles. Il existe peu d'outils de production pour réaliser cette tâche sur de grandes 10 surfaces, ce qui engendre des coûts de production élevés. De plus, la fabrication de deux moules est nécessaire et l'investissement est d'autant plus important. Un autre problème tient au fait qu'en journée et en extérieur, un phénomène de bande verticale perturbe le visuel de l'image. Ce phénomène est dû à la forme demi-cylindrique des lentilles de la plaque lenticulaire. En effet, chaque motif optique possède une 15 facette qui réfléchit certains rayons du soleil vers l'observateur, qui perçoit donc une bande lumineuse sur toute la hauteur de l'image. Enfin, pour améliorer l'efficacité énergétique de ces systèmes, il a été proposé dans la demande de brevet WO/2014/167194 d'ajouter un système d'éclairage en face avant du 20 lenticulaire. Puisqu'une image imprimée a généralement une réflectance deux fois supérieure à sa transmittance, il est possible de diviser par deux la puissance de l'éclairage pour une luminosité équivalente. Un gain supplémentaire en consommation est possible si la conception du guide de lumière permet d'émettre la lumière préférentiellement dans des angles qui permettent d'atteindre les bandes images. 25 Mais pour le bon fonctionnement du guide de lumière, il est nécessaire pour cette configuration d'avoir une interface d'air entre le guide de lumière et la plaque lenticulaire. Un premier impact négatif est une perte de production d'énergie en journée à cause de pertes en réflexion supplémentaires. Le deuxième impact, plus gênant, est un aspect blanchâtre de l'image lorsqu'elle est éclairée. En effet, une partie de la lumière envoyée vers l'image est 30 réfléchie à l'interface entre le guide de lumière et l'air qui le sépare de la plaque lenticulaire. Bien que de l'ordre de 4%, cette lumière parasite suffit à dégrader le contraste de l'image. La résolution simultanée de l'ensemble des problèmes mentionnés précédemment permettrait donc d'accroître la performance des capteurs solaires et d'améliorer la continuité 35 des plages angulaires de visualisation de l'image par un observateur, tout en envisageant une efficacité d'éclairage de ladite image accrue, et des procédés de fabrication plus aisés à 3042311 4 mettre en oeuvre. La présente invention vise donc à remédier à ces inconvénients, en proposant une nouvelle conception du système optique. 5 Objets de l'invention L'invention a pour objet un dispositif optique d'affichage comportant au moins : (a) un capteur de l'énergie lumineuse provenant d'une source de lumière extérieure ; (b) une plaque transparente disposée entre ladite source de lumière extérieure et 10 ledit capteur, comprenant une face avant orientée vers ladite source de lumière extérieure, et une face arrière orientée vers ledit capteur; (c) une image composée de zones de pixels ; ledit dispositif étant caractérisé en ce que ladite face arrière de la plaque transparente comprend une pluralité de concentrateurs de lumière transparents agencés de 15 manière à ce que ladite lumière extérieure, pour certains angles d'incidence, soit concentrée par réflexion à la surface desdits concentrateurs sur ledit capteur ou sur ladite image, alors que pour des angles d'incidence complémentaires, ladite lumière est réfractée à travers la surface desdits concentrateurs sur ladite image ou ledit capteur. 20 Selon un mode de réalisation avantageux du dispositif, lesdits concentrateurs de lumière sont constitués d'une ou plusieurs surfaces planes, concaves ou convexes, paraboliques, demi-cylindriques ou cylindro-paraboliques. Selon une première variante de réalisation, lesdits concentrateurs de lumière sont 25 séparés les uns des autres par une matrice constituée d'air. Selon une autre variante de réalisation, lesdits concentrateurs de lumière sont séparés les uns des autres par une matrice composée d'un matériau transparent solide organique ou inorganique. De préférence, lesdits concentrateurs de lumière et ladite matrice sont constitués de 30 deux matériaux transparents différents dont la différence d'indice de réfraction est supérieure à 0.1. Selon un mode de réalisation avantageux, ledit capteur ou lesdites zones de pixels sont positionnés au voisinage des sommets desdits concentrateurs de lumière. 35 Selon l'invention, les angles d'incidence continus pour lesquels la lumière extérieure 3042311 5 atteint les zones de pixel de l'image forment une plage angulaire de vision élargie, cette plage est supérieure à 35°, et préférentiellement supérieure à 60°, alors que les réseaux de lentilles connus dans l'état de la technique ne permettent d'atteindre au maximum que des plages angulaires de vision continues de 35°. Le dispositif optique objet de l'invention permet 5 donc d'élargir considérablement la plage angulaire de vision continue. Le capteur d'énergie lumineuse du dispositif selon l'invention est un capteur solaire de type thermique, photovoltaïque, chimique ou mixte, plan ou courbe, rigide ou flexible. Ce capteur est composé de zones actives opaques ou semi-transparentes, jointives ou 10 séparées les unes des autres par des zones de transparence. L'image utilisée dans le dispositif est fixe ou animée et constituée d'une multitude de zones de pixels opaques ou semi-transparentes qui peuvent être séparées les unes des autres par des zones de transparence, et lesdites zones de pixels contiennent des pixels 15 imprimés ou des pixels électroniques générés par des composants rétro-éclairés, électroluminescents, ou réfléchissants. Selon un mode de réalisation, ladite image est positionnée entre ledit capteur et les concentrateurs de lumière, ou en aval dudit capteur, le terme aval faisant référence à la 20 direction de propagation de la lumière depuis la source de lumière extérieure vers le dispositif. La plaque transparente du dispositif est constituée d'un matériau transparent solide inorganique ou organique, et elle peut être plane ou courbe, rigide ou flexible. Ce matériau 25 transparent solide inorganique est par exemple du verre, alors que le matériau transparent organique est généralement un polymère tel que le polyméthacrylate de méthyle (PMMA), le polyéthylène téréphtalate (PET) ou encore le polycarbonate (PC). De façon optionnelle, le dispositif selon l'invention comporte en outre un traitement ou 30 un revêtement de surface fonctionnel, par exemple anti-reflet, anti-UV ou de détection tactile. L'image est éclairée par une ou plusieurs sources d'éclairage situées en périphérie de la plaque transparente et dont l'essentiel de la lumière se propage dans l'épaisseur de la plaque transparente qui joue le rôle de guide d'ondes, ou dans une plaque transparente 35 additionnelle placée en amont de ladite plaque transparente, le terme amont faisant référence à la direction de propagation de la lumière depuis la source de lumière extérieure 3042311 6 vers le dispositif. De préférence, la face avant et/ou la périphérie de ladite plaque transparente comporte des moyens optiques agencés pour rediriger vers les zones de pixel l'essentiel de 5 la lumière injectée par ladite source d'éclairage. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication du dispositif décrit plus haut, comportant les étapes suivantes : - on approvisionne une plaque transparente ; 10 - à l'aide d'un procédé de moulage UV on réalise une couche optique structurée sur une première face de ladite plaque transparente ; on recouvre cette couche optique structurée avec une couche transparente protectrice ; - on applique sur la face opposée de la plaque transparente une couche 15 transparente présentant un indice de réfraction inférieur à la plaque si l'indice de réfraction de la matrice des concentrateurs de lumière n'est pas suffisamment bas ; on réalise par un procédé de moulage UV les concentrateurs de lumière. 20 Figures L'invention sera mieux comprise à l'aide de sa description détaillée, en relation avec les figures, dans lesquelles : la figure 1 montre schématiquement en coupe transversale la structure d'une première variante d'un dispositif selon l'invention ; 25 la figure 2 montre schématiquement en coupe transversale la structure d'une deuxième variante d'un dispositif selon l'invention ; la figure 3 montre schématiquement en coupe transversale la structure d'un dispositif selon l'invention intégrant un système d'éclairage en face avant. 30 Les figures ne sont pas à l'échelle, les épaisseurs relatives des composants du dispositif étant volontairement exagérées pour mieux faire apparaître sa structure. Description détaillée La figure 1 représente schématiquement une coupe transversale d'une première 35 variante du dispositif selon l'invention. Le système optique se compose d'une plaque transparente 1 et d'une pluralité de concentrateurs de lumière 2 agencés sur la face arrière 3042311 7 1b de ladite plaque transparente 1. La lumière arrivant sur la face avant la de la plaque transparente 1, et qui traverse la face arrière 1 b de ladite plaque transparente 1, est ensuite guidée par les concentrateurs 2, en fonction de son angle d'incidence, soit vers une zone de pixel de l'image 3, soit vers une zone de transparence de l'image 9 pour atteindre le capteur 5 d'énergie lumineuse 5. En effet, selon l'angle d'incidence de la lumière à la surface 4 des concentrateurs 2, qui constituent autant de dioptres entre les concentrateurs 2 et la matrice d'air 6, la lumière est guidée par réflexion totale ou réfraction. La figure 2 illustre une variante du dispositif selon l'invention pour laquelle la matrice 10 d'air 6 de la figure 1 est remplacée par une matrice 7 en un matériau transparent. Afin d'assurer le guidage de la lumière, l'indice de réfraction de la matrice transparente 7 est inférieur à l'indice de réfraction des concentrateurs de lumière 2. La différence d'indice est de préférence supérieure à 0.1 pour permettre un guidage efficace de la lumière vers un capteur d'énergie lumineuse 5 ou vers l'image 3 à travers les zones de transparence 8 du 15 capteur. On se réfère à la figure 3, qui montre comment un système d'éclairage en face avant peut être avantageusement combiné avec le dispositif selon l'invention précédemment décrit dans la figure 1. La plaque transparente 1 est utilisée comme un guide optique pour la 20 lumière issue de la source d'éclairage 10. Avant d'être injectée dans la plaque transparente 1, la lumière est mise en forme par une optique de collimation 11', qui sert à contrôler la répartition angulaire du faisceau de lumière injecté en périphérie de la plaque transparente 1. La couche transparente 12 en face arrière 1 b de la plaque transparente 1 permet alors d'assurer le guidage par réflexion totale de la lumière collimatée dans ladite plaque 25 transparente 1. Cette couche transparente 12 n'est pas nécessaire si l'indice de réfraction des concentrateurs de lumière 2 est suffisamment inférieur à celui de la plaque transparente 1. Dans ce cas, ce sont les concentrateurs de lumière qui assurent le guidage de la lumière par réflexion totale. La différence d'indice de réfraction entre le matériau de la couche optique texturée 11" et la couche optique de planarisation 13 permet quant à elle d'éjecter la 30 lumière, par réflexion totale, vers les concentrateurs de lumière 2. La forme des textures est optimisée pour que la lumière issue de la couche optique 11" et réfléchie à l'interface entre les couches 11" et 13, ait préférentiellement des angles qui permettent ensuite le guidage de la lumière vers des zones de pixel image 3. La couche optique de planarisation 13 a également pour rôle de protéger les textures de la couche 11". 35 Le procédé de fabrication du dispositif consiste à approvisionner une plaque 3042311 8 transparente 1, et à l'aide d'un procédé de moulage UV, on réalise une couche optique structurée 11" sur la première face de ladite plaque. Cette couche optique structurée est alors recouverte d'une couche transparente protectrice 13. Optionnellement, une couche transparente 12 présentant un indice réfraction inférieur à celui de la plaque 1 est appliquée 5 sur la face opposée si l'indice de réfraction de la matrice des concentrateurs de lumière 2 n'est pas suffisamment bas. On vient ensuite réaliser par un procédé de moulage UV les concentrateurs de lumière 2. 10 Liste des repères utilisés sur les figures : 1 Plaque transparente 7 Matrice solide transparente 1a Face avant de la plaque transparente 8 Zones de transparence du capteur 1 b Face arrière de la plaque transparente 9 Zones de transparence de l'image 2 Concentrateurs de lumière 10 Source d'éclairage 3 Zones de pixels de l'image 11 Moyens optiques 4 Surfaces des concentrateurs 12 Couche transparente en face arrière 5 Capteur d'énergie lumineuse 13 Couche transparente en face avant 6 Matrice d'air 15 Avantages de l'invention Le dispositif selon l'invention atteint les buts fixés. Il permet de résoudre les problèmes des dispositifs connus, d'accroître la performance des capteurs solaires et d'améliorer la continuité des plages angulaires de visualisation d'une image par un 20 observateur, tout en envisageant une efficacité d'éclairage de ladite image accrue. En outre le procédé de fabrication est plus aisé à mettre en oeuvre. REVENDICATIONS1 - Dispositif optique d'affichage comportant au moins : (a) un capteur (5) de l'énergie lumineuse provenant d'une source de lumière extérieure ; (b) une plaque transparente (1) disposée entre ladite source de lumière extérieure et ledit capteur (5), comprenant une face avant (I a) orientée vers ladite source de lumière extérieure, et une face arrière (1b) orientée vers ledit capteur (5) ; (c) une image composée de zones de pixels (3) ; ledit dispositif étant caractérisé en ce que ladite face arrière (1 b) de la plaque transparente (1) comprend une pluralité de concentrateurs de lumière transparents (2) agencés de manière à ce que ladite lumière extérieure, selon certains angles d'incidence, soit concentrée par réflexion à la surface (4) desdits concentrateurs (2) sur ledit capteur (5) ou ladite image, alors que pour des angles d'incidence complémentaires, ladite lumière est réfractée à travers la surface (4) desdits concentrateurs (2) sur ladite image ou ledit capteur (5). 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits concentrateurs de lumière (2) sont constitués d'une ou plusieurs surfaces (4) planes, concaves ou convexes, paraboliques, demi-cylindriques ou cylindro-paraboliques. 3 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits concentrateurs de lumière (2) sont séparés les uns des autres par une matrice (6) constituée d'air. 4 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que lesdits concentrateurs de lumière (2) sont séparés les uns des autres par une matrice (7) composée d'un matériau transparent solide organique ou inorganique. 5 - Dispositif selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que le lesdits concentrateurs de lumière (2) et ladite matrice (6,7) sont constitués de deux matériaux transparents différents dont la différence d'indice de réfraction est supérieure à 0.1. 6 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit capteur (5) ou lesdites zones de pixels (3) sont positionnés au voisinage des sommets desdits concentrateurs de lumière (2). 3042311 10 7 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les angles d'incidence continus pour lesquels la lumière extérieure atteint les zones de pixel (3) de l'image forment une plage angulaire de vision élargie, supérieure à 35°, et 5 préférentiellement supérieure à 60°. 8 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit capteur (5) d'énergie lumineuse est un capteur solaire de type thermique, photovoltaïque, chimique ou mixte, plan ou courbe, rigide ou flexible. 10 9 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit capteur (5) d'énergie lumineuse est composé de zones actives opaques ou semitransparentes, jointives ou séparées les unes des autres par des zones de transparence (8). 15 10 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite image est fixe ou animée et constituée d'une multitude de zones de pixels (3) opaques ou semi-transparentes qui peuvent être séparées les unes des autres par des zones de transparence (8), et lesdites zones de pixels (3) contiennent des pixels imprimés ou des pixels électroniques générés par des composants rétro-éclairés, électroluminescents, ou 20 réfléchissants. 11 - Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que ladite image est positionnée entre ledit capteur (5) et les concentrateurs de lumière (2), ou en aval dudit capteur (5), le terme aval faisant référence à la direction de propagation de la lumière depuis 25 la source de lumière extérieure vers le dispositif. 12 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la plaque transparente (1) est constituée d'un matériau transparent solide inorganique ou organique, et en ce qu'elle peut être plane ou courbe, rigide ou flexible. 30 13 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un traitement ou un revêtement de surface fonctionnel, par exemple anti-reflet, anti-UV ou de détection tactile. 35 14 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'image (3) est éclairée par une ou plusieurs sources d'éclairage (10) situées en périphérie 3042311 11 de la plaque transparente (1) et dont l'essentiel de la lumière se propage dans l'épaisseur de la plaque transparente (1) qui joue le rôle de guide d'ondes, ou dans une plaque transparente additionnelle placée en amont de ladite plaque transparente (1), le terme amont faisant référence à la direction de propagation de la lumière depuis la source de lumière 5 extérieure vers le dispositif. 15 - Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce que la face avant (1a) et/ou la périphérie de ladite plaque transparente (1) comporte des moyens optiques (11',11") agencés pour rediriger vers les zones de pixels (3) l'essentiel de la lumière injectée par ladite 10 source d'éclairage (10). 16 - Procédé de fabrication du dispositif selon l'une des revendications précédentes, comportant les étapes suivantes : on approvisionne une plaque transparente (1), 15 - à l'aide d'un procédé de moulage UV on réalise une couche optique structurée (11") sur une première face de ladite plaque transparente (1), - on recouvre cette couche optique structurée avec une couche transparente protectrice (13) on applique sur la face opposée de la plaque transparente (1) une couche 20 transparente (12) présentant un indice de réfraction inférieur à la plaque (1) si l'indice de réfraction de la matrice des concentrateurs de lumière (2) n'est pas suffisamment bas ; on réalise par un procédé de moulage UV les concentrateurs de lumière (2).