Brevet FR3047794A1 — publié le 20170818

« Système de lentilles de projection d'au moins une source lumineuse » La présente invention se rapporte à un système de lentilles de projection d'au moins une source lumineuse, tel qu'un laser scan ou une diode électroluminescente dite LED, dite immergée dans une première lentille dite primaire. L'invention trouvera de nombreuses applications dans le domaine de l'éclairage et plus particulièrement dans le domaine des systèmes d'éclairage et/ou de signalisation pour véhicule automobile Dans le domaine de l'éclairage, et notamment dans le domaine de l'automobile, différents types d'ampoules ont été utilisés comme source lumineuse mais, récemment, les diodes électroluminescente (LED) sont de plus en plus largement utilisées. En effet, les diodes électroluminescentes (LED) ont une excellente efficacité de conversion de l'électricité en lumière, émettent une faible quantité de chaleur, présentent une taille et un poids réduits et ont une longue durée de vie. Compte-tenu de ces avantages, de nombreux systèmes d'éclairage ont été conçus en utilisant des réseaux de LEDs positionnés au droit d'une lentille, généralement une lentille asphérique qui permet de corriger des aberrations. Par ailleurs, il est usuel de calculer la forme des surfaces des dioptres des systèmes d'éclairage afin, d'une part, de limiter les aberrations induites par lesdits dioptres que la lumière traverse et, d'autre part, d'obtenir le faisceau de lumière souhaité en sortie. Bien qu'il soit possible d'obtenir une bonne imagerie pour une LED située sur l'axe optique du système d'éclairage, les systèmes d'éclairage comprennent un grand nombre de LEDs, et par conséquent des LEDs éloignées de l'axe optique, qui sont à l'origine d'aberrations de champ gênantes. L'invention se propose d'améliorer la situation et concerne à cet effet un système de lentilles de projection d'au moins une source lumineuse 3047794 2 comprenant, depuis ladite source et dans la direction de propagation de la lumière, au moins un premier groupe d'éléments optiques constitué d'au moins une première lentille convergente dite primaire de forme hémisphérique, en contact avec ladite source lumineuse, obtenue dans un 5 matériau présentant une constringence forte et présentant un ratio entre son épaisseur suivant l'axe optique et sa largeur supérieur à 0,5, un second groupe d'éléments optiques constitué d'au moins une lentille divergente obtenue dans un matériau présentant une constringence faible, une pupille et un troisième groupe d'éléments optiques constitué d'au moins un réflecteur 10 convergent ou d'au moins une lentille convergente obtenue dans un matériau présentant une constringence forte. L'optique primaire de forme hémisphérique permet de capter un maximum de lumière issue de la source lumineuse et les lentilles des trois 15 systèmes optiques, successivement convergente, divergente et convergente, permettent de corriger les aberrations et de mettre en forme le faisceau lumineux. Afin que la lumière captée par l'optique primaire soit la plus 20 importante possible, la première lentille convergente primaire hémisphérique présente un écart à une sphère inférieur à 10% de l'épaisseur et, de préférence, un écart à une sphère inférieur à 3% de l'épaisseur. De préférence, le premier groupe d'éléments optiques comporte une 25 seconde lentille comprenant au moins une face asphérique, la face asphérique de la seconde lentille du premier groupe d'éléments optiques s'étendant du côté opposé à la lentille primaire. Par ailleurs, la lentille divergente du second groupe d'éléments optiques consiste, de préférence, en une lentille biconcave. 3047794 3 Alternativement, la lentille divergente du second groupe d'éléments optiques consiste en une lentille plan-concave. De préférence, la lentille convergente du troisième groupe 5 d'éléments optiques comporte au moins une face asphérique, la face asphérique de la lentille convergente du troisième groupe d'éléments optiques s'étendant du côté opposé à la pupille positionnée entre le second groupe d'éléments optiques et le troisième groupe d'éléments optiques. 10 De préférence, la source lumineuse consiste dans au moins une source LED ou un laser. Selon un aspect de l'invention, la source lumineuse consiste dans un dispositif de conversion de longueur d'onde en contact avec la lentille 15 convergente primaire et recevant le rayonnement d'une source primaire constituée d'une pluralité de sources LED. De préférence, le dispositif de conversion de longueur d'onde est constitué d'un substrat comportant au moins deux matériaux formant 20 respectivement un filtre interférentiel et répartis en au moins deux zones différentes. L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description 25 suivante qui n'est donnée qu'à titre indicatif et qui n'a pas pour but de la limiter, accompagnée des dessins joints parmi lesquels : La figure 1 est une représentation schématique du système de lentilles de projection d'au moins une source lumineuse conforme à l'invention ; 30 La figure 2 est une représentation d'une variante d'exécution du système de lentilles de projection conforme à l'invention, ladite 3047794 4 variante d'exécution comportant un dispositif de conversion de longueur d'onde. Sur les figures, les éléments identiques ou analogues portent les 5 mêmes références. Comme illustré sur la figure 1, l'invention concerne un système de lentilles de projection d'au moins une source lumineuse 1. Ledit système de lentilles comprend, depuis ladite source lumineuse 1 et dans la direction de 10 propagation de la lumière, un premier groupe d'éléments optiques 2 constitué d'une première lentille convergente 3 dite primaire de forme hémisphérique, en contact avec ladite source lumineuse 1, obtenue dans un matériau présentant une constringence forte et présentant un ratio entre son épaisseur suivant l'axe optique et sa hauteur supérieur à 0,5, et d'une 15 seconde lentille 4 comprenant une face asphérique 5, le dioptre asphérique 5 de la seconde lentille 4 du premier groupe d'éléments optiques 2 correspondant au dioptre d'entrée de la lentille, i.e. s'étendant du côté de la lentille primaire 4, un second groupe d'éléments optiques 6 constitué d'une lentille divergente 7 obtenue dans un matériau présentant une constringence 20 faible, une pupille 8 et un troisième groupe d'éléments optiques 9 constitué d'une lentille convergente 10 obtenue dans un matériau présentant une constringence forte. Dans la suite de la description, on entend par « constringence forte » une constringence supérieure à 40 et une « constringence faible » une constringence inférieure à 40. 25 On observera que la source lumineuse 1 pourra consister dans toute source lumineuse primaire ou dans toute source lumineuse secondaire telle qu'une zone de sortie, ou de découplage, de guides de lumière, une zone de sortie, ou de découplage, d'une matrice de dioptres convergents, ou une 30 image virtuelle (dans la matière) générée par une matrice de dioptres convergents sans pour autant sortir du cadre de l'invention. 3047794 5 Par exemple, la lentille primaire 3 du premier groupe d'éléments optiques 2 et la lentille convergente 10 du troisième groupe d'éléments optiques 9 pourront être obtenues dans du verre optique commercialisé sous la référence N-LAK33A par la société SCHOTT et dont la constringence est 5 égale à 52, dans du polyméthacrylate de méthyle communément désigné par PMMA selon l'acronyme anglo-saxon « PolyMethyl MethAcrylate » et dont la constringence est égale à 58 ou dans tout autre polymère thermoplastique transparent ayant la même constringence. La lentille divergente 6 du second groupe d'éléments optiques 6 pourra être obtenue dans tout matériau 10 présentant une constringence inférieure à 40 tel que du polycarbonate (PC) dont la constringence est de 30 ou du verre N-SF2 dont la constringence est de 339 par exemple. La lentille primaire 3 de forme hémisphérique permet d'extraire un 15 maximum de lumière issue de la source lumineuse 1 et les lentilles 3, 4, 7 et 10 des trois systèmes optiques 2, 6 et 9, successivement convergente, divergente et convergente, permettent de corriger les aberrations et de mettre en forme le faisceau lumineux. On notera que l'on entend par constringence l'indice représentatif de la dispersion chromatique des lentilles. 20 Ainsi, la constringence est équivalente au nombre d'Abbe et au coefficient de dispersion et correspond à la variation d'indice de réfraction de la matière en fonction de la longueur d'onde de la lumière. Plus la constringence est élevée moins la lentille présente de dispersion chromatique. 25 Afin d'obtenir conjointement la meilleure extraction de la lumière et la meilleure correction des aberrations optiques, la première lentille convergente primaire 3 hémisphérique présente un écart à une sphère inférieur à 10% de l'épaisseur de la lentille et, de préférence, un écart à une sphère inférieur à 3% de l'épaisseur. 30 Par ailleurs, la lentille divergente 6 du second groupe d'éléments optiques consiste en une lentille biconcave dans laquelle le dioptre d'entrée 3047794 6 de la lentille présente un rayon de courbure supérieur au rayon de courbure du dioptre de sortie. De plus, la lentille convergente 10 du troisième groupe d'éléments optiques comporte un dioptre asphérique 11, ledit dioptre asphérique 11 de la lentille convergente 10 du troisième groupe d'éléments 5 optiques 9 s'étendant du côté opposé à la pupille 8 positionnée entre le second groupe d'éléments optiques 6 et le troisième groupe d'éléments optiques 9, i.e. correspondant au dioptre de sortie de ladite lentille convergente 10. On notera également que les axes optiques des lentilles 3, 4, 6 et 10 sont coaxiaux. 10 Dans cet exemple de réalisation, la source lumineuse 1 consiste en des diodes électroluminescentes, dites LEDs, dont le phosphore est dit immergé dans la lentille primaire 3. On entend par « immergé » le fait que le phosphore des LEDs est au contact de la lentille primaire 3. De cette manière, 15 la lumière émise par le phosphore sort directement « immergée dans l'optique primaire. Toutefois, il est bien évident que la source lumineuse pourra consister dans toute source lumineuse bien connue de l'homme du métier sans pour autant sortir du cadre de l'invention. 20 Selon une première variante d'exécution, non représentée sur les figures, le premier groupe d'éléments optiques 2 pourra ne comporter qu'une seule lentille convergente primaire 3 hémisphérique. Selon une autre variante d'exécution, non représentée sur les figures, 25 la lentille convergente 10 du troisième groupe d'éléments optiques 9 pourra être substituée par un ou plusieurs réflecteurs convergent(s). Par ailleurs, il va de soi que chacune des lentilles 3, 5, 7 et 10 pourront être substituées par au moins deux lentilles sans pour autant sortir 30 du cadre de l'invention. 3047794 7 Selon une autre variante d'exécution en référence à la figure 2, ledit système de lentilles comprend de la même manière que précédemment, depuis ladite source lumineuse 1 et dans la direction de propagation de la lumière, un premier groupe d'éléments optiques 2 constitué d'une première 5 lentille convergente 3 dite primaire de forme hémisphérique, en contact avec ladite source lumineuse 1, obtenue dans un matériau présentant une constringence forte et présentant un ratio entre son épaisseur suivant l'axe optique et sa largeur supérieur à 0,5, et d'une seconde lentille 4 comprenant une face asphérique 5, le dioptre asphérique 5 de la seconde lentille 4 du 10 premier groupe d'éléments optiques 2 correspondant au dioptre d'entrée de la lentille, i.e. s'étendant du côté de la lentille primaire 4, un second groupe d'éléments optiques 6 constitué d'une lentille divergente 7 obtenue dans un matériau présentant une constringence faible, une pupille 8 et un troisième groupe d'éléments optiques 9 constitué d'une lentille convergente 10 15 obtenue dans un matériau présentant une constringence forte. Ledit système de lentilles diffère de celui précédemment décrit par le fait qu'il comporte un dispositif de conversion de longueur d'onde 12 en contact avec la lentille convergente primaire 3 et recevant le rayonnement 20 d'une source lumineuse primaire 1 constituée d'une pluralité de diodes électroluminescentes dites LED. Ainsi, le dispositif de conversion de longueur se comporte comme une source lumineuse secondaire immergée, i.e. en contact avec la lentille convergente primaire 3. 25 On observera que la pluralité de diodes électroluminescentes pourra être substituée par une unique LED constituée de zones adressables individuellement ou par une zone de formation d'une image par balayage d'un faisceau laser, ladite zone comportant une surface diffusante et/ou réfléchissante, sans pour autant sortir du cadre de l'invention. 30 3047794 8 Ainsi, le système d'éclairage suivant l'invention est apte à projeter sous forme de faisceau lumineux une image de la source lumineuse placée au foyer du système optique, c'est-à-dire au contact de la lentille primaire 3 hémisphérique. Plus particulièrement, ladite source lumineuse 1 peut être 5 une matrice de LEDs, c'est-à-dire une surface lumineuse découpée en zones, telles que des carrés communément appelés « pixels » par exemple, qui peuvent être allumées ou éteintes indépendamment les unes des autres afin de réaliser un système d'éclairage dit adaptatif. Un tel système d'éclairage adaptatif d'un véhicule permet d'adapter la répartition de la lumière du 10 faisceau aux conditions de circulation. Par exemple, lorsque tous les pixels sont allumés, le système projette sur la route un faisceau lumineux puissant, communément appelé faisceau de route qui est éblouissant pour les autres conducteurs, et, lorsqu'un véhicule est détecté devant le système d'éclairage, le ou les pixels dont la lumière éblouit l'autre conducteur sont éteints dans le 15 faisceau pour former un faisceau moins puissant communément appelé faisceau de croisement. Il est bien entendu que la présente invention n'est en aucune façon limitée aux formes de réalisations décrites ci-dessus et que bien des 20 modifications peuvent y être apportées sans sortir du cadre des revendications annexées. REVENDICATIONS1. Système de lentilles de projection d'au moins une source lumineuse (1) comprenant, depuis ladite source (1) et dans la direction de propagation de la lumière, au moins un premier groupe d'éléments optiques (2) constitué d'au moins une première lentille convergente dite primaire (3), en contact avec ladite source lumineuse (1), obtenue dans un matériau présentant une constringence forte et présentant un ratio entre son épaisseur suivant l'axe optique et sa largeur supérieur à 0,5, un second groupe d'éléments optiques (6) constitué d'au moins une lentille divergente (7) obtenue dans un matériau présentant une constringence faible, une pupille (8) et un troisième groupe d'éléments optiques (9) constitué d'au moins un réflecteur convergent ou d'au moins une lentille convergente (10) obtenue dans un matériau présentant une constringence forte. 2. Système de lentilles selon la revendication 1 dans lequel la première lentille convergente primaire est de forme hémisphérique (3) et présente un écart à une sphère inférieur à 10% de l'épaisseur et, de préférence, un écart à une sphère inférieur à 3% de l'épaisseur. 3. Système de lentilles selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2 dans lequel le premier groupe d'éléments optiques (2) comporte une seconde lentille (4) comprenant au moins un dioptre asphérique (5). 4. Système de lentilles selon la revendication 3 dans lequel le dioptre asphérique (5) de la seconde lentille (4) du premier groupe d'éléments optiques (2) s'étend du côté de la lentille primaire (3). 5. Système de lentilles selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 dans lequel la lentille divergente (7) du second groupe d'éléments optiques (6) consiste en une lentille biconcave. 3047794 10 6. Système de lentilles selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 dans lequel la lentille divergente du second groupe d'éléments optiques consiste en une lentille plan-concave. 5 7. Système de lentilles selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 dans lequel la lentille convergente (10) du groupe d'éléments optiques (9) comporte au moins un dioptre asphérique (11). 10 8. Système de lentilles selon la revendication 7 dans lequel le dioptre asphérique (11) de la lentille convergente (10) du troisième groupe d'éléments optiques (9) s'étend du côté opposé à la pupille (8) positionnée entre le second groupe d'éléments optiques (6) et le troisième groupe d'éléments optiques (9). 15 9. Système de lentilles selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 dans lequel la source lumineuse (1) consiste en au moins une source LED ou un laser. 20 10. Système de lentilles selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 dans lequel la source lumineuse consiste en un dispositif de conversion de longueur d'onde (12) en contact avec la lentille convergente primaire (3) et recevant le rayonnement d'une source primaire (1) constituée d'une pluralité de sources LED. 25