Brevet FR3054021A1 — publié le 20180119

DISPOSITIF LUMINEUX DE PROJECTION D'IMAGE VARIABLE L'invention a trait au domaine de l'optique, plus particulièrement de l'éclairage et/ou de la signalisation lumineuse, notamment pour les véhicules automobiles. Le document de brevet US 2015/0285457 Al divulgue un dispositif lumineux pour véhicule automobile. Le dispositif assure une projection d'une image produite par un scanner à deux dimensions. Ce dernier comprend un miroir mobile en rotation suivant deux directions perpendiculaires. Une source lumineuse émet des rayons lumineux en direction du miroir en question, de sorte que les mouvements de rotation dudit miroir permettent aux rayons ainsi réfléchis de balayer la zone à éclairer. Un cache est disposé entre le scanner et une lentille de projection de manière à former une zone sombre dans l'image lumineuse produite. L'intérêt de ce cache est de faciliter la formation d'un gradient important d'intensité lumineuse. En effet, en l'absence de ce cache, la formation de tels gradients impose une fréquence de balayage importante du scanner qui peut conduire notamment à des effets stroboscopiques potentiellement gênants et dangereux à haute vitesse. Le document de brevet US 2015/0156448 Al divulgue également un dispositif lumineux, pour véhicule automobile, assurant la projection d'une image produite par balayage au moyen d'un scanner à deux dimensions. Ce dernier comprend un miroir mobile en rotation suivant deux directions perpendiculaires. Le miroir mobile d'un scanner présente des débattements angulaires limités, ce qui impose un long trajet au faisceau et donc un encombrement important au dispositif pour balayer une surface significative. L'invention a pour objectif de proposer un dispositif lumineux apte à produire des images lumineuses complexes et variables, et ce notamment avec un 25 encombrement réduit. L'invention a pour objet un dispositif lumineux d'affichage et/ou de signalisation, comprenant : une source lumineuse apte à émettre des rayons lumineux ; un imageur apte à recevoir les rayons de la source lumineuse et à les dévier en vue de former une image variable en fonction d'un signal électrique de commande ; 30 remarquable en ce que l'imageur comprend une pluralité de zones optiques commandables indépendamment l'une de l'autre en fonction du signal de 3054021 2 commande ; et en ce que le dispositif comprend, en outre, un premier système optique configuré pour collecter les rayons lumineux de la source lumineuse et les faire converger vers et au-delà de l'imageur ; et un deuxième système optique configuré pour collecter les rayons lumineux de l'imageur et former une image 5 agrandie de l'imageur. Préférentiellement, l'image agrandie de l'imageur est formée à une distance finie, à moins de 100 cm du système optique, avantageusement moins de 50 cm, préférentiellement moins de 30 cm. Selon un mode avantageux de l'invention, l'imageur est du type à cristaux liquides. 10 Selon un mode avantageux de l'invention, l'imageur est du type matrice de micro- miroirs, chacun desdits micro-miroirs étant mobile, préférentiellement en pivotement, entre une position active et une position inactive. Dans la position active, les micro-miroirs réfléchissent les rayons vers le deuxième système optique. Dans la position inactive, les micro-miroirs ne réfléchissent pas les rayons vers le deuxième système 15 optique. Selon un mode avantageux de l'invention, le dispositif comprend des moyens d'absorption de la lumière configurés pour recevoir et absorber les rayons déviés par les micro-miroirs en position inactive. Il peut s'agir de surface absorbante et/ou de piège à lumière. 20 Selon un mode avantageux de l'invention, les rayons lumineux provenant du premier système optique sont réfléchis par l'imageur. Selon un mode avantageux de l'invention, la source lumineuse et le premier système optique forment un premier axe optique, l'imageur et le deuxième système optique forment un deuxième axe optique, lesdits premier et deuxième axes optiques formant un angle compris entre 10° et 60°, préférentiellement entre 20° et 50°. Selon un mode avantageux de l'invention, les rayons lumineux provenant du premier système optique sont transmis par l'imageur. Selon un mode avantageux de l'invention, la source lumineuse, le premier système optique, l'imageur et le deuxième système optique sont alignés suivant un axe optique du dispositif. 3054021 3 Selon un mode avantageux de l'invention, le deuxième système optique comprend une lentille de projection, les rayons déviés par l'imageur convergeant vers ladite lentille. Selon un mode avantageux de l'invention, les rayons déviés par l'imageur 5 convergent au sein de la lentille de projection. Selon un mode avantageux de l'invention, la lentille de projection est une lentille sphérique biconvexe. Selon un mode avantageux de l'invention, la lentille de projection est parallèle à l'imageur. 10 Selon un mode avantageux de l'invention, le deuxième système optique comprend un cache configuré pour ne laisser passer que les rayons déviés par l'imageur vers une zone centrale dudit système optique, en l'occurrence de la lentille de projection. Selon un mode avantageux de l'invention, le cache est situé à l'arrière de la lentille de projection suivant la direction de propagation des rayons, ledit cache étant 15 préférentiellement disposé sur la face arrière de ladite lentille. Le cache forme une zone centrale circulaire laissant passer les rayons, ladite zone étant centrée sur la lentille. La limite extérieure de la zone en question peut correspondre au parcours des rayons extrêmes. Selon un mode avantageux de l'invention, le deuxième système optique comprend 20 une lame de correction d'aberrations. La lame est avantageusement disposée après le deuxième système optique suivant la direction de propagation des rayons. Selon un mode avantageux de l'invention, le premier système optique comprend une lentille convergente ou un ensemble de lentilles convergentes. Selon un mode avantageux de l'invention, le dispositif comprend un écran diffusant 25 recevant les rayons lumineux du deuxième système optique. L'écran diffusant est avantageusement parallèle à l'imageur. Selon un mode avantageux de l'invention, le deuxième système optique présente un rapport de grossissement entre l'image sur l'écran et l'image sur l'imageur qui est supérieur à 3, préférentiellement 4. 3054021 4 Selon un mode avantageux de l'invention, la source lumineuse est du type monochromatique, préférentiellement non-cohérente. Les mesures de l'invention sont intéressantes en ce qu'elles permettent de réaliser une image lumineuse potentiellement variable de haute qualité et avec un dispositif 5 de construction compacte. De plus, les composants optiques nécessaires sont simples et bon marchés. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention seront mieux compris à l'aide de la description et des dessins parmi lesquels : - La figure 1 est une représentation schématique d'un dispositif lumineux selon 10 un premier mode de réalisation de l'invention ; - La figure 2 est une représentation schématique d'un dispositif lumineux selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. Dans la description qui va suivre, deux modes de réalisation de l'invention sont décrits de manière schématique et volontairement simplifiée à des fins de clarté. 15 L'homme de métier comprendra que divers aménagement pratiques peuvent s'avérer nécessaires pour la mise en oeuvre de l'invention, ces aménagements étant en soi des mesures de pratique courante. La figure 1 illustre l'architecture d'un premier mode de réalisation d'un dispositif lumineux selon l'invention. 20 Le dispositif 2 comprend au moins une source lumineuse 4, préférentiellement du type monochromatique ou du moins majoritairement monochromatique. Elle peut comprendre un ou plusieurs lasers. Dans la suite de la description, il sera fait référence à la source lumineuse en question, étant entendu qu'il peut y en avoir plusieurs. 25 Le dispositif 2 comprend également un premier dispositif optique 6 configuré pour collecter les rayons lumineux émis par la source lumineuse 4 et les faire converger suivant un premier axe optique 8 vers un imageur 10. La source lumineuse 4 et le premier système optique 6 sont alignés suivant le premier axe optique 8 qui rencontre l'imageur 10. Le premier système optique 6 peut comprendre une 3054021 5 première lentille 61 du type plan-convexe et une deuxième lentille 62 du type convexe-plan, comme cela est illustré à la figure 1. L'imageur 10 est un dispositif électronique avec une série de zones optiques aptes à être commandées électriquement de manière indépendante, en fonction d'un signal 5 de commande dudit imageur. Les zones optiques peuvent être des surfaces réfléchissantes, auquel cas l'imageur peut être une matrice de micro-miroirs, ou DMD (Digital Micromirror Device). Il s'agit d'un microsystème électromécanique développé par Texas Instruments() permettant la projection d'une image numérique par réflexion d'un faisceau de lumière incident 10 sur des micro-miroirs pivotants suivant un axe et qui peuvent basculer entre deux positions différentes, l'une étant active ou plus couramment désignée « on » et l'autre étant inactive ou plus couramment désignée « off ». Dans la position « on » les micro-miroirs participent à la formation de l'image lumineuse alors que dans la position « off », ils renvoient la lumière vers une zone non visible et ne participent 15 pas à la formation de l'image lumineuse. Ils peuvent s'incliner de 10 à 15° suivant le même axe de façon à réfléchir la lumière soit vers une lentille de projection soit vers une surface absorbante. Afin de générer plusieurs niveaux de gris différents les miroirs vont commuter de la position « on » à la position « off » plus ou moins longtemps dans une période bien définie et ceci à une fréquence élevée. Ils utilisent 20 le principe de modulation de largeur d'impulsion. Les structures mécaniques de l'imageur qui permettent la mise en mouvement des miroirs peuvent être placées sur une mémoire de type SRAM munie d'électrodes. Pendant que les miroirs réfléchissent la lumière cette mémoire se charge et lorsque toutes les informations sont chargées, tous les miroirs commutent en même temps. Pour cela il y a d'abord 25 une étape de sélection des miroirs qui permet d'isoler les miroirs qui devront changer de position de ceux qui resteront fixes. Ensuite vient une étape de mise en place des charges puis l'étape où les miroirs changent de position. La dernière étape consiste à figer les miroirs pour les sécuriser. L'imageur peut également être du type à cristaux liquides (LCD), c'est-à-dire où les 30 zones optiques présentent une orientation de polarisation variable. L'application d'une différence de potentiel plus ou moins élevée entre les deux électrodes d'une zone optique, ou pixel, entraîne un changement d'orientation des molécules, une 3054021 6 variation du plan de polarisation, et donc une variation de la transparence de l'ensemble du dispositif grâce à un ou deux polariseurs externes. Cette variation de transparence peut être exploitée par un rétro-éclairage, par réflexion de la lumière incidente ou par projection. Dans le cadre de ce mode de réalisation de l'invention, 5 c'est par phénomène de réflexion que l'imageur du type LCD dévie les rayons pour former l'image lumineuse recherchée. En référence à la figure 1, les rayons provenant du premier dispositif optique 6 convergent vers l'imageur 10, plus précisément vers un point 12 située au-delà de l'imageur 10. Le faisceau lumineux rencontrant l'imageur 10 forme ainsi une tache 10 lumineuse éclairant l'imageur 10. Les zones optiques activées de l'imageur 10 réfléchissent alors les rayons vers le point de convergence 14. Pour les zones optiques désactivées, dans le cas d'un afficheur 10 du type DMD (matrice de micro-miroirs), les rayons sont déviés vers une surface absorbante 16 ou tout autre moyen d'absorption de la lumière. 15 Un deuxième système optique 18 est disposé au niveau du point de convergence 14. Plus précisément, le deuxième système optique 18 peut comprendre une lentille 181 de projection, telle qu'une lentille sphérique. Le deuxième système optique 18 peut aussi comprendre une lame de correction d'aberrations 182. Aussi, un cache 183 configuré pour bloquer les rayons extérieurs aux rayons extrêmes représentés à 20 la figure, de manière à former une image nette et précise. Un tel cache peut alors présenter une forme de diaphragme avec un orifice de passage généralement circulaire et centré avec la lentille 181. Plus précisément, l'imageur 10 et le deuxième système optique 18 sont alignés suivant un deuxième axe optique 20, le cache 183 étant alors également centré sur ledit axe 20. 25 Un écran diffusant 22 est disposé à distance du deuxième dispositif optique 18, de manière à recevoir les rayons lumineux projetés par ledit système optique 18. L'écran 22 diffuse alors une image lumineuse correspondant à celle de l'imageur 10. L'écran est disposé à une distance de l'imageur 10 qui peut être sensiblement supérieure, par exemple au moins 3 fois supérieure, ou encore au moins quinze fois 30 supérieure, à la distance séparant ledit imageur de la lentille 181. L'architecture optique du dispositif lumineux qui vient d'être décrit est particulièrement intéressante car elle permet de réaliser une image lumineuse 3054021 7 variable de grande qualité et précision avec un encombrement réduit. En effet, l'imageur est en principe un élément de taille réduite, typiquement compris entre 4 et 10mm de côté. Le fait de n'exploiter que la partie centrale de la lentille 181 permet également de limiter fortement la formation de défauts dans l'image lumineuse en 5 limitant les aberrations géométriques sans nécessiter des lentilles complexes voire multiples. L'ange a entre les premier et deuxième axes optiques peut être compris entre 10° et 60°, préférentiellement entre 20° et 50°. Dans le cas d'imageur du type DMD, l'angle a peut être supérieur ou égal au double de l'angle de basculement des micro-miroirs, 10 c'est-à-dire supérieur ou égal à 24°. Il est à noter qu'il est envisageable de prévoir un ou plusieurs réflecteurs le long du parcours des rayons lumineux de manière à pouvoir optimiser l'encombrement du dispositif en fonction du volume disponible pour l'application considérée. La figure 2 illustre une architecture alternative correspondant à un deuxième mode 15 de réalisation de l'invention. Les numéros de référence du premier mode sont utilisés dans ce deuxième mode pour désigner les mêmes éléments ou éléments correspondants, ces numéros étant toutefois majorés de 100 afin de bien distinguer les deux modes de réalisation. Le dispositif 102 de la figure 2 diffère de celui de la figure 1, essentiellement en ce 20 que l'imageur 110 travaille en transmission et non plus en réflexion. En effet, l'imageur est alors du type à cristaux liquides (LCD) tel que détaillé ci-avant, l'imageur fonctionnant alors en transmission. Les rayons lumineux émis par la source lumineuse 104 sont déviés par le premier système optique 106 de manière à converger vers et au-delà de l'imageur 110, plus 25 particulièrement vers le point de convergence 114 situé sur l'axe optique 120 du dispositif. En fonction de la commande électrique des différentes zones optiques, ou pixels, de l'imageur, les rayons formant une image convergent vers le deuxième système optique 118 configuré pour projeter l'image sur l'écran diffusant 122. Le deuxième système optique peut comprendre, similaire au premier mode de 30 réalisation, une lentille de projection 1181 disposée sur le point de convergence 114. Toujours similairement au premier mode de réalisation, le deuxième système 3054021 8 optique 118 peut comprendre un cache avec un orifice avantageusement circulaire et concentrique avec l'axe optique 120, de manière à bloquer les rayons externes aux rayons d'extrémités représentés. Ainsi, une image nette et précise est agrandie et projetée sur l'écran diffusant 122. Encore similairement au premier mode de 5 réalisation, le deuxième système optique 118 peut comprendre une lame de correction d'aberrations 1182. De manière générale, le taux de grossissement du deuxième système optique est grand, c'est-à-dire avantageusement supérieur à 10, encore plus avantageusement supérieur à 15. Un tel taux de grossissement peut être atteint facilement avec une 10 lentille sphérique, tout en générant peu d'aberrations compte tenu de la proximité des rayons par rapport à l'axe optique de la lentille en question. Le dispositif de l'invention peut être utilisé dans des applications de signalisation lumineuse sous forme de pictogrammes pour véhicule automobile. Le dispositif de l'invention peut être utilisé également dans le domaine de l'éclairage notamment à 15 l'intérieur du véhicule ou encore à l'extérieur en vue de projeter une image lumineuse par exemple sur le sol à proximité du véhicule. REVENDICATIONS1. Dispositif lumineux (2 ; 102) d'affichage et/ou de signalisation, comprenant : - une source lumineuse (4 ; 104) apte à émettre des rayons lumineux ; - un imageur (10 ; 110) apte à recevoir les rayons de la source lumineuse et à les dévier en vue de former une image variable en fonction d'un signal électrique de commande ; caractérisé en ce que l'imageur (10 ; 110) comprend une pluralité de zones optiques commandables indépendamment l'une de l'autre en fonction du signal de commande ; et en ce que le dispositif comprend, en outre : - un premier système optique (6 ; 106) configuré pour collecter les rayons lumineux de la source lumineuse (4 ; 104) et les faire converger vers et au-delà de l'imageur (10 ; 110) ; et - un deuxième système optique (18 ; 118) configuré pour collecter les rayons lumineux de l'imageur (10 ; 110) et former une image agrandie de l'imageur. 2. Dispositif lumineux (2 ; 102) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'imageur (10 ; 110) est du type à cristaux liquides. 3. Dispositif lumineux (2) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'imageur (10) est du type matrice de micro-miroirs, chacun desdits micro- miroirs étant mobile, préférentiellement en pivotement, entre une position active et une position inactive. 4. Dispositif lumineux (2) selon la revendication 3, caractérisé en ce que le dispositif comprend des moyens d'absorption de la lumière (16) configurés pour recevoir et absorber la lumière déviée par les micro-miroirs en position inactive. 5. Dispositif lumineux (2) selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les rayons lumineux provenant du premier système optique (6) sont réfléchis par l'imageur (10). 6. Dispositif lumineux (2) selon la revendication 5, caractérisé en ce que la source lumineuse (4) et le premier système optique (6) forment un premier 3054021 10 axe optique (8), l'imageur (10) et le deuxième système optique (18) forment un deuxième axe optique (20), lesdits premier et deuxième axes optiques (8, 20) formant un angle a compris entre 10° et 60°, préférentiellement entre 20° et 50°. 5 7. Dispositif lumineux (102) selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les rayons lumineux provenant du premier système optique (106) sont transmis par l'imageur (110) vers le deuxième système optique (118). 8. Dispositif lumineux (102) selon la revendication 7, caractérisé en ce que la source lumineuse (104), le premier système optique (106), l'imageur (110) et 10 le deuxième système optique (118) sont alignés suivant un axe optique (120) du dispositif. 9. Dispositif lumineux (2 ; 102) selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le deuxième système optique (18 ; 118) comprend une lentille de projection (181 ; 1181), les rayons déviés par l'imageur (10 ; 110) convergeant 15 vers ladite lentille (181 ; 1181). 10. Dispositif lumineux (2 ; 102) selon la revendication 9, caractérisé en ce que les rayons déviés par l'imageur (10 ; 110) convergent au sein de la lentille de projection (181 ; 1181). 11. Dispositif lumineux (2 ; 102) selon l'une des revendications 9 et 10, 20 caractérisé en ce que la lentille de projection (181 ; 1181) est une lentille sphérique convexe. 12. Dispositif lumineux (2 ; 102) selon l'une des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que la lentille de projection (181 ; 1181) est parallèle à l'imageur (10 ; 110). 25 13. Dispositif lumineux (2 ; 102) selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que le deuxième système optique (18 ; 118) comprend un cache (183 ; 1183) configuré pour ne laisser passer que les rayons déviés par l'imageur (10 ; 110) vers une zone centrale dudit système optique (18 ; 118). 14. Dispositif lumineux (2 ; 102) selon l'une des revendications 9 à 12, et selon la 30 revendication 13, caractérisé en ce que le cache (183 ; 1183) est situé à 3054021 11 l'arrière de la lentille de projection (181 ; 1181) suivant la direction de propagation des rayons, ledit cache (183 ; 1183) étant préférentiellement disposé sur la face arrière de ladite lentille (181 ; 1181). 15. Dispositif lumineux (2 ; 102) selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisé 5 en ce que le deuxième système optique (18 ; 118) comprend une lame de correction d'aberrations (182 ; 1182). 16. Dispositif lumineux (2 ; 102) selon l'une des revendications 1 à 15, caractérisé en ce que le premier système optique (6 ; 106) comprend une lentille convergente (61 ; 1061) ou un ensemble de lentilles convergentes (61, 62 ; 10 1061, 1062). 17. Dispositif lumineux (2 ; 102) selon l'une des revendications 1 à 16, caractérisé en ce que le dispositif comprend un écran diffusant (22 ; 122) recevant les rayons lumineux du deuxième système optique (18 ; 118). 18. Dispositif lumineux (2 ; 102) selon la revendication 17, caractérisé en ce que 15 le deuxième système optique (18 ; 118) présente un rapport de grandissement entre l'image sur l'écran (22 ; 122) et l'image sur l'imageur (10 ; 110) qui est supérieur à 3, préférentiellement 4. 19. Dispositif lumineux (2 ; 102) selon l'une des revendications 1 à 18, caractérisé en ce que la source lumineuse (4 ; 104) est du type monochromatique, 20 préférentiellement non-cohérente.