Brevet FR3038392A1 — publié le 20170106

LENTILLE ASPHÉRIQUE DE BLOC OPTIQUE, À FACE DE SORTIE DE FORME CALCULÉE POUR RÉDUIRE LES ABERRATIONS CHROMATIQUES L'invention concerne les lentilles asphériques destinées à équiper certains blocs optiques, éventuellement de véhicule. Certains bocs optiques, qui équipent généralement des véhicules, éventuellement de type automobile, comprennent une lentille asphérique destinée à délivrer sur une face de sortie un faisceau de lumière qui est sensiblement parallèle à une direction d'éclairage. Le caractère asphérique de cette lentille permet de projeter un faisceau d'éclairage en conservant sa forme et en réduisant des aberrations chromatiques. Hélas, comme le sait l'homme de l'art, en raison de leur architecture certains bocs optiques produisent en interne des photons ayant des longueurs d'onde qui sont séparées spatialement suivant une première direction (par exemple la direction verticale) lorsqu'ils atteignent la face d'entrée de leur lentille asphérique. Par exemple, on peut avoir les photons ayant une longueur d'onde d'environ 550 nm (couleur verte) qui arrivent sensiblement au niveau de l'axe optique de la lentille asphérique, les photons ayant une longueur d'onde d'environ 700 nm (couleur rouge) qui arrivent dans la partie haute de la lentille asphérique, et les photons ayant une longueur d'onde d'environ 450 nm (couleur bleue) qui arrivent dans la partie basse de la lentille asphérique. Dans ce cas, le contour du faisceau de lumière apparaît rouge irisé dans sa partie supérieure et bleu irisé dans sa partie inférieure du fait des réfractions différentes selon les longueurs d'onde des photons. Ce phénomène, qui est amplifié lorsque la source produisant les photons comprend des diodes électroluminescentes (ou LEDs), peut s'avérer gênant, notamment lorsque le faisceau de lumière atteint un rétroviseur ou bien est observé directement par une personne. En outre, cela peut nuire à la qualité perçue du véhicule qui comprend le bloc optique. L'invention a notamment pour but d'améliorer la situation. 3038392 2 Elle propose notamment à cet effet une lentille asphérique, destinée à équiper un bloc optique propre à produire en interne des photons ayant des longueurs d'onde séparées spatialement suivant une première direction, et comprenant un axe optique perpendiculaire à cette première direction, une face 5 d'entrée propre à recevoir ces photons, et une face de sortie convexe et propre à délivrer les photons. Cette lentille se caractérise par le fait que sa face de sortie présente une forme convexe calculée en chaque cote, suivant la première direction et comprise entre deux cotes d'extrémité, en utilisant un indice de réfraction io variant selon une loi choisie en fonction de la séparation spatiale des longueurs d'onde entre les deux cotes d'extrémité. Ainsi, le contour du faisceau de lumière délivré par la lentille asphérique n'est désormais plus coloré et irisé. La lentille asphérique selon l'invention peut comporter d'autres 15 caractéristiques qui peuvent être prises séparément ou en combinaison, et notamment : - la loi choisie peut être un polynôme ; > ce polynôme peut, par exemple, être d'ordre un, deux ou trois ; - sa face d'entrée peut être plane ; 20 - en variante, sa face d'entrée peut être semi-cylindrique ; > sa face d'entrée peut comprendre un axe de symétrie parallèle à la première direction ; - au moins la face de sortie peut présenter une forme dont le calcul est réalisé en deux sous-parties associées respectivement à deux sous-parties de la loi 25 choisie. L'invention propose également un bloc optique propre à produire en interne des photons ayant des longueurs d'onde séparées spatialement suivant une première direction et comprenant une lentille asphérique du type de celle présentée ci-avant. 30 L'invention propose également un véhicule, éventuellement de type automobile, et comprenant au moins un bloc optique du type de celui présenté ci-avant. 3038392 3 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée ci-après, et des dessins annexés, sur lesquels : la figure 1 illustre de façon schématique, dans une vue en coupe dans un 5 plan vertical XZ, un exemple de bloc optique comprenant un exemple de réalisation d'une lentille asphérique selon l'invention, la figure 2 illustre de façon schématique, dans une vue en perspective du côté de la face arrière, un premier exemple de réalisation de surface d'entrée et de surface de sortie d'une lentille asphérique de type plan- 'o convexe selon l'invention, et la figure 3 illustre de façon schématique, dans une vue en perspective du côté de la face arrière, un second exemple de réalisation de surface d'entrée et de surface de sortie d'une lentille asphérique de type semi-cylindriqueconvexe selon l'invention. 15 L'invention a notamment pour but de proposer une lentille asphérique LA destinée à équiper un bloc optique BO. Dans ce qui suit, on considère, à titre d'exemple non limitatif, que le bloc optique BO est destiné à équiper un véhicule automobile, comme par exemple une voiture. Mais l'invention n'est pas limitée à cette application. En 20 effet, un bloc optique BO, selon l'invention, peut équiper tout type de système ou installation pouvant être équipé d'un dispositif d'éclairage. Ainsi, elle concerne tout type de véhicule, terrestre, maritime (ou fluvial), ou aérien, et les bâtiments, notamment. Par ailleurs, on considère dans ce qui suit, à titre d'exemple non 25 limitatif, que le bloc optique BO est un phare (ou projecteur avant). Mais l'invention n'est pas limitée à ce type de bloc optique. Sur les figures, la direction X est la direction longitudinale du véhicule, laquelle est sensiblement parallèle aux côtés latéraux qui comportent respectivement les portes latérales (ou portières), la direction Y est la direction 30 transversale du véhicule, laquelle est perpendiculaire aux côtés latéraux, et la direction Z est la direction verticale du véhicule, laquelle est perpendiculaire aux directions longitudinale X et transversale Y. On a schématiquement illustré sur la figure 1 un exemple de bloc 3038392 4 optique BO comprenant une lentille asphérique LA selon l'invention. Dans l'exemple illustré non limitativement sur la figure 1, le bloc optique BO comprend une source de photons SP, un réflecteur RP, une lentille asphérique LA selon l'invention, et au moins un cache CB. 5 On notera que dans l'exemple illustré non limitativement sur la figure 1 le bloc optique BO n'assure qu'une unique fonction d'éclairage. Mais il pourrait également assurer une fonction de signalisation du véhicule ou d'un événement relatif au véhicule ou encore une fonction lumineuse esthétique (comme par exemple une signature lumineuse), en complément de sa fonction la d'éclairage. On notera également que dans l'exemple illustré non limitativement sur la figure 1 le bloc optique BO ne comprend pas de glace de protection sur sa face de sortie qui délivre le faisceau d'éclairage. C'est donc ici la lentille asphérique LA qui assure la fonction de glace de protection par sa face de 15 sortie FS. Mais cela n'est pas obligatoire. En effet, le bloc optique BO pourrait comprendre une glace de protection en aval de sa lentille asphérique LA (par rapport au trajet des photons d'éclairage). La source de photons SP est, par exemple, installée au premier foyer d'un réflecteur RP essentiellement ellipsoïdal, et un cache transversal selon la 20 direction transversale Y est installé au niveau d'un deuxième foyer du bloc optique BO. Par exemple, la source de photons SP peut comporter au moins une diode électroluminescente (ou LED). En variante, elle peut comporter au moins une diode laser ou une lampe (ou ampoule). 25 Le réflecteur RP est par exemple de forme elliptique. Il est chargé de faire converger les photons produits par la source de photons SP sensiblement vers le foyer FL de la lentille asphérique LA. Il est important de noter que la combinaison source de photons SP / réflecteur RP produit en interne des photons ayant des longueurs d'onde qui sont séparées spatialement suivant 30 une première direction dl, en amont de la face d'entrée FE de la lentille asphérique LA. Dans l'exemple illustré non limitativement sur la figure 1, la première direction dl est parallèle à la direction verticale Z. Mais cela n'est pas 3038392 5 obligatoire. Ainsi, elle pourrait notamment être parallèle à la direction transversale Y, par exemple. La lentille asphérique LA comprend un axe optique qui est perpendiculaire à la première direction dl. Dans l'exemple illustré non 5 limitativement sur la figure 1, l'axe optique est confondu avec la direction d'éclairage de qui est parallèle à la direction longitudinale X. Comme évoqué précédemment, la lentille asphérique LA comprend également une face d'entrée FE propre à recevoir les photons ayant des longueurs d'onde séparées spatialement suivant la première direction dl, et 1 o une face de sortie FS convexe et propre à délivrer les photons sensiblement suivant la direction d'éclairage de. Dans l'exemple illustré non limitativement sur les figures 1 et 2, la face d'entrée FE est plane. Mais cela n'est pas obligatoire. Ainsi, dans l'exemple illustré non limitativement sur la figure 3, la face d'entrée FE est semi- 15 cylindrique, de manière à permettre un étalement du faisceau d'éclairage suivant (ici) la direction transversale Y. La face de sortie FS de la lentille (asphérique) LA présente une forme convexe qui est calculée en chaque cote, suivant la première direction dl et comprise entre deux cotes d'extrémité CE1 et CE2, en utilisant un indice de 20 réfraction qui varie selon une loi choisie en fonction de la séparation spatiale des longueurs d'onde entre les deux cotes d'extrémité CE1 et CE2. On comprendra que dans l'exemple illustré la cote est la position (ou altitude) considérée suivant la direction verticale Z. Par conséquent, si la première direction dl était parallèle à la direction transversale Y, la cote serait 25 la position considérée suivant la direction transversale Y. Dans l'exemple illustré, les cotes d'extrémité CE1 et CE2 sont respectivement la cote la plus petite (ou la plus basse) et la cote la plus grande (ou la plus haute) suivant la direction verticale Z. La forme de la face de sortie FS de la lentille LA peut être caractérisée 30 par ce que l'homme de l'art appelle une flèche f(r) définie par l'équation suivante, en coordonnés cylindriques : 3038392 6 où R est le rayon de courbure de la face de sortie FS, K est la conicité de la face de sortie FS, r est la distance de la flèche à l'axe optique (ici parallèle à la direction longitudinale X), et a1r2 + a2r4 + a3r6 + ... est une suite polynomiale en 5 r où al, a2, a3, ... sont les coefficients d'asphéricité qui sont utilisés pour corriger la direction des rayons lumineux réfractés et assurer une focalisation correcte de la lentille (en d'autres termes, ils sont déterminés pour modifier la flèche f(r) et donc la direction des photons émergents par la face de sortie FS). Le premier terme de l'équation de la flèche f(r) définit donc une surface 1 o sphérique, et la suite polynomiale est un coefficient de correction. Pour les faibles valeurs du paramètre r, proches de l'axe optique, la forme de la face de sortie FS de la lentille LA peut être définie par une courbe « conique » de courbure C. Lorsque r augmente, et donc que l'on s'éloigne de l'axe optique, la forme de la face de sortie FS de la lentille LA est 15 progressivement corrigée par les facteurs de correction de la suite polynomiale. En d'autres termes, lorsque r augmente, la courbure C est progressivement déformée, et cette déformation est notamment fonction en chaque cote (ici selon la direction verticale Z) de la valeur prise par l'indice de réfraction pour la longueur d'onde associée à cette cote. 20 Si, par exemple, les photons ayant une longueur d'onde d'environ 550 nm (couleur verte) arrivent sensiblement au niveau de l'axe optique, les photons ayant une longueur d'onde d'environ 700 nm (couleur rouge) arrivent dans la partie haute de la lentille LA au voisinage de la cote d'extrémité CE2, et les photons ayant une longueur d'onde d'environ 450 nm (couleur bleue) 25 arrivent dans la partie basse de la lentille LA au voisinage de la cote d'extrémité CE1. Alors, pour une cote égale à la cote d'extrémité CE1 on utilisera dans le calcul de la flèche f(r) la valeur prise par l'indice de réfraction pour la longueur d'onde associée à cette cote d'extrémité CE1 (ici dans le rouge), pour une cote centrale égale à celle par laquelle passe l'axe optique on 30 utilisera dans le calcul de la flèche f(r) la valeur prise par l'indice de réfraction 3038392 7 pour la longueur d'onde associée à cette cote centrale (ici dans le vert), et pour une cote égale à la cote d'extrémité CE2 on utilisera dans le calcul de la flèche f(r) la valeur prise par l'indice de réfraction pour la longueur d'onde associée à cette cote d'extrémité CE2 (ici dans le bleu). 5 La loi choisie, d'évolution de l'indice de réfraction en fonction de la cote (et donc de la longueur d'onde) et entre les cotes d'extrémité CE1 et CE2, peut être un polynôme. Par exemple, ce polynôme peut être d'ordre un (ce qui donne une évolution de type linéaire). En variante, ce polynôme peut être d'ordre deux ou trois. Mais d'autres ordres peuvent être choisis, selon les 10 besoins. Bien entendu, d'autres lois peuvent être utilisées dès lors qu'elles sont représentatives de l'évolution de l'indice de réfraction en fonction de la cote suivant la première direction dl, et donc de la distribution des longueurs d'onde du fait de leur séparation spatiale au niveau de la face d'entrée FE de la lentille LA. 15 On comprendra que dans la présente invention, contrairement à l'art antérieur où la forme de la face de sortie de la lentille asphérique est calculée en fonction d'un indice de réfraction constant et moyen pour un matériau donné, on calcule cette même forme de manière à ce qu'elle réduise autant que possible la séparation spatiale des longueurs d'onde, et ainsi induise une 20 réduction des aberrations chromatiques. Cette réduction est en effet obtenue en faisant varier la convergence de la lentille LA en fonction de sa cote (ici suivant Z) et donc de la longueur d'onde associée à cette cote. On notera, comme illustré non limitativement sur les figures 2 et 3, que le calcul de la forme de la face de sortie FS de la lentille LA peut être 25 éventuellement réalisé en deux sous-parties SP1 et SP2 associées respectivement à deux sous-parties de la loi choisie. Dans l'exemple illustré, la première sous-partie SP1 comprend la moitié inférieure de la face de sortie FS (elle est par exemple dédiée aux longueurs d'onde comprises entre environ 450 nm et environ 550 nm), et la seconde sous-partie SP2 comprend la moitié 30 supérieure de la face de sortie FS (elle est par exemple dédiée aux longueurs d'onde comprises entre environ 550 nm et environ 700 nm). La surface (inférieure) de la première sous-partie SP1 est obtenue en appliquant une demi-révolution autour de l'axe optique à un premier profil d'évolution (ici) dans 3038392 8 le plan XZ, fonction d'une première sous-partie de la loi choisie. De même, la surface supérieure de la seconde sous-partie SP2 est obtenue en appliquant une demi-révolution autour de l'axe optique à un second profil d'évolution (ici) dans le plan XZ, fonction d'une seconde sous-partie de la loi choisie. 5 Dans la figure 2, la référence PP matérialise le plan dans lequel est définie la face d'entrée FE de la lentille LA et qui est au contact du bord périphérique de la surface définissant la face de sortie FS. Dans la figure 3, la face d'entrée FE présente une forme semicylindrique dont le calcul peut être réalisé à titre d'exemple non limitatif en deux 1 o sous-parties SP3 et SP4. Ces dernières (SP3 et SP4) matérialisent ici les parties inférieure et supérieure de la surface semi-cylindrique qui définit la face d'entrée FE de la lentille LA, lesquelles sont engendrées chacune par une demi-révolution autour d'un axe de symétrie parallèle à la première direction dl et donc parallèle, ici, à la direction verticale Z. La différence entre les sous- 15 parties SP3 et SP4 réside dans le fait que leur rayons moyens sont différents, ce qui crée une ligne de discontinuité à l'équateur de la lentille LA. Chaque sous-partie est adaptée à une partie du spectre visible, centrée sur le vert. La lentille LA est réalisée dans une matière transparente aux longueurs d'onde appartenant au spectre visible. Par exemple, elle peut être 20 réalisée en verre ou dans une matière plastique synthétique, telle que le poly- méthacrylate de méthyle (ou PMMA), le polycarbonate (PC), ou le polyacrylate. Grâce à l'invention, le contour du faisceau de lumière qui est délivré par la lentille asphérique n'est désormais plus coloré et irisé, et d'une manière générale la section de ce faisceau de lumière est blanche de façon assez 25 homogène spatialement. REVENDICATIONS1. Lentille asphérique (LA) pour un bloc optique (BO) propre à produire en interne des photons ayant des longueurs d'onde séparées spatialement suivant une première direction, ladite lentille (LA) comprenant un axe optique perpendiculaire à ladite première direction, une face d'entrée (FE) propre à recevoir lesdits photons et une face de sortie (FS) convexe et propre à délivrer lesdits photons, caractérisée en ce que ladite face de sortie (FS) présente une la forme convexe calculée en chaque cote, suivant ladite première direction et comprise entre deux cotes d'extrémité, en utilisant un indice de réfraction variant selon une loi choisie en fonction de ladite séparation spatiale des longueurs d'onde entre lesdites deux cotes d'extrémité. 2. Lentille asphérique selon la revendication 1, caractérisée en ce que 15 ladite loi choisie est un polynôme. 3. Lentille asphérique selon la revendication 2, caractérisée en ce que ledit polynôme est d'ordre un. 4. Lentille asphérique selon la revendication 2, caractérisée en ce que ledit polynôme est d'ordre trois. 20 5. Lentille asphérique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que ladite face d'entrée (FE) est plane. 6. Lentille asphérique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que ladite face d'entrée (FE) est semi-cylindrique. 7. Lentille asphérique selon la revendication 6, caractérisée en ce que 25 ladite face d'entrée (FE) comprend un axe de symétrie parallèle à ladite première direction. 8. Lentille asphérique selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'au moins ladite face de sortie (FS) présente une forme dont le calcul est réalisé en deux sous-parties associées respectivement à deux sous-parties 30 de ladite loi choisie. 9. Bloc optique (BO) propre à produire en interne des photons ayant des longueurs d'onde séparées spatialement suivant une première direction, 3038392 caractérisé en ce qu'il comprend une lentille asphérique (LA) selon l'une des revendications précédentes. 10. Véhicule, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un bloc optique (BO) selon la revendication 9.