EP0206908B1

EP0206908B1 - Projecteur de véhicule automobile à coupure de faisceau

Info

Publication number: EP0206908B1
Application number: EP86401279A
Authority: EP
Inventors: François Bailly
Original assignee: Valeo Vision SAS
Current assignee: Valeo Vision SAS
Priority date: 1985-06-14
Filing date: 1986-06-12
Publication date: 1989-11-15
Also published as: DE3666972D1; FR2583499B1; FR2583499A1; EP0206908A1

Description

La présente invention concerne les projecteurs d'automobiles, les projecteurs susceptibles d'émettre soit un faisceau lumineux de longue portée, par exemple un faisceau de route, soit un faisceau coupé, par exemple un faisceau de croisement.
On a déjà proposé des projecteurs d'automobile route/croisement comportant une simple source lumineuse (filament) coopérant avec des volets occultateurs mobiles. Un tel système est par exemple décrit dans le brevet français FR-A-1 296 036. Il est peu fiable, trop sensible aux vibrations, trop lent à la commutation, et n'a pas donné lieu à réalisations industrielles.
Dans la technique automobile la plus courante, les projecteurs route/croisement comportent un réflecteur parabolique et une double source lumineuse constituée par deux filaments de tungstène. Pour l'éclairage de route, l'un des filaments coopère avec l'intégralité du réflecteur. Pour l'éclairage de croisement, un écran d'occultation ou une coupelle d'occultation réalise la coupure des rayons lumineux émis par le second filament et arrivant sur le réflecteur, qui les renvoie sous forme d'un faisceau coupé de croisement. Dans une telle solution, connue et utilisée depuis longtemps, le passage de l'état d'éclairage croisement à l'état d'éclairage route, se fait par une commutation de l'alimentation électrique des filaments.
L'évolution de la technique automobile laisse prévoir que de telles lampes à deux filaments de tungstène vont probablement être remplacées par des lampes à décharge gazeuse ou des lampes à arc, la source lumineuse ainsi réalisée étant beaucoup plus brillante que celle obtenue par des filaments de tungstène. Cette grande brillance est intéressante, car elle permettra l'utilisation de projecteurs de plus petites dimensions, et notamment de plus faible hauteur qui s'intégreront beaucoup plus facilement aux lignes aérodynamiques d'un véhicule.
Cependant, de telles sources lumineuses nouvelles nécessitent pour chacune d'entre elles une alimentation électrique à haute tension mettant en série avec la source un ballast d'un coût relativement élevé. De plus, le passage d'un état d'éclairement à un autre doit se faire le plus rapidement possible, et les sources lumineuses à décharge gazeuse ou à arc ont des temps d'allumage trop élevés pour permettre une commutation suffisamment rapide.
La réalisation d'écrans passifs à cristaux liquides de tous types est connue de la technique dans le domaine de l'affichage numérique. On se reportera par exemple à la revue LA RECHERCHE, Volume 12, n° 125, Septembre 1981, pages 936 - 939.
On a par ailleurs proposé d'utiliser de tels écrans pour réaliser des modulations d'intensité lumineuse dans les projecteurs automobiles (brevet GB-A-1 451 066).
La présente invention se propose généralement de réaliser un projecteur à faisceau coupé éliminant les inconvénients des projecteurs antérieurs, et permettant d'atteindre, par des moyens statiques, insensibles aux vibrations, des variations de faisceau extrêmement rapides, sous l'action d'une commande électrique. Par voie de conséquence, l'invention permet une mise en oeuvre particulièrement avantageuse des nouvelles sources lumineuses précitées.
Plus précisément, l'invention a pour objet un projecteur d'automobile du type comportant au moins un réflecteur coopérant avec une unique source lumineuse, un écran comportant des cristaux liquides à transparence variable, interposé sur le trajet des rayons lumineux, caractérisé en ce que l'écran comporte au moins une zone d'occultation à laquelle les cristaux liquides confèrent soit un état de transparence, soit un état de non-transparence, et en ce que cette zone comporte une limite qui définit une limite de coupure pour le faisceau lumineux émis par le projecteur.
On comprend facilement que, dans l'état de transparence, tout se passe sensiblement comme si aucun obstacle n'était interposé sur le trajet des rayons lumineux, alors que, dans l'état de non-transparence, la zone d'occultation réalise la coupure voulue du faisceau lumineux.
La commutation de la zone à cristaux liquides est obtenue de préférence par une variation de tension électrique, cette zone étant réalisée de la façon connue en elle-même pour réaliser des écrans passifs dans le domaine de l'affichage numérique.
Dans le mode de réalisation le plus simple, l'écran comporte une seule zone d'occultation réalisée en cristaux liquides. Il est constitué, dans un exemple préférentiel, de deux lames de verre transparentes entre lesquelles sont disposés des cristaux liquides nématiques en hélice en correspondance avec la zone d'occultation. A l'extérieur des lames de verre sont disposées deux polariseurs de lumière croisés. A l'intérieur de chaque lame, du côté des cristaux, sont disposées des couches ou bandes métallisées ultra minces transparentes formant électrodes. De façon bien connue du spécialiste des cristaux liquides, l'application ou la non-application d'une tension électrique aux électrodes se traduit par une variation de torsion des cristaux liquides, de telle sorte que l'ensemble peut être ou non traversé par la lumière. Le facteur de transmission d'un tel système n'est pas de 100 % mais il reste suffisant pour un éclairage automobile surtout lorsque l'on emploie des sources lumineuses comme les lampes à décharge gazeuse ou les lampes à arc.
Selon une autre caractéristique de l'invention, on réalise, en répartissant convenablement diverses électrodes d'excitation selon diverses régions à occulter, une modulation de la limite de la zone d'occultation, constituant la limite de coupure du faisceau. Par exemple, en utilisant une pluralité d'électrodes en bandes horizontales juxtaposées, on peut régler la hauteur de la zone d'occultation, selon les électrodes finalement excitées sur chacune des deux plaques précitées.
On peut également, selon une autre caractéristique de l'invention, réaliser un écran d'occultation comportant des discontinuités, si on veut obtenir, sur le faisceau coupé, un apport de lumière au-dessus de la coupure. On peut ainsi moduler par des moyens électriques à la fois la limite de coupure et l'intensité de la coupure.
L'invention est susceptible d'application dans de nombreuses structures optiques de projecteurs, et notamment, mais non exclusivement:

- celles comportant un réflecteur de type parabolique, la source lumineuse étant voisine de son foyer,
- celles comportant un réflecteur elliptique, la source lumineuse étant au voisinage de l'un des foyers de ce réflecteur elliptique, les rayons lumineux émis par la source étant renvoyés par le réflecteur elliptique à son second foyer, et repris soit par une lentillé, soit par un réflecteur parabolique.

Le domaine des projecteurs à faisceau coupé mettant en oeuvre des sources très brillantes et des flux lumineux élevés, est très spécifique; dans de tels projecteurs, des échauffements importants sont inévitables. Cependant, les essais conduits par la Demanderesse ont montré la "faisabilité" des nouveaux projecteurs selon l'invention. Pour éviter les problèmes d'échauffement, on peut disposer judicieusement les écrans selon l'invention dans le projecteur en l'éloignant de la source lumineuse. Ainsi, à l'extrême, l'écran à cristaux liquides vient se confondre avec la glace de sortie du projecteur. Selon une autre disposition évitant l'échauffement, on surdimen- sionne les plaques de verre de l'écran; notamment en épaisseur (par rapport aux écrans habituels), pour en augmenter les capacités de dissipation de chaleur.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre en se référant aux dessins annexés en donnant plusieurs exemples de réalisation de l'invention. Plus précisément, sur les dessins annexés:

- les figures 1 et 2 représentent schématiquement en perspective et en coupe verticale la réalisation d'un projecteur route/croisement selon l'invention dans un premier mode de réalisation utilisant un réflecteur elliptique et une lentille, la figure 2a montrant le détail de l'écran utilisé;
- les figures 3 et 4 représentent en perspective et en coupe verticale schématique un projecteur route/croisement dans un second mode de réalisation de l'invention comportant un réflecteur parabolique;
- les figures 5 et 6 représentent en perspective et en coupe horizontale la constitution d'un projecteur route/croisement selon un troisième mode de réalisation de l'invention comportant des réflecteurs elliptiques et des réflecteurs paraboliques; la figure 6a montre un détail de réalisation d'un organe des figures 5 et 6; les figures 7 et 8 représentent les éclairages obtenus sur la route dans les deux régimes d'éclairement de ce projecteur;
- les figures 9 et 10 représentent schématiquement en perspective et en coupe verticale un projecteur route/croisement, selon un quatrième mode de réalisation de l'invention, la figure 11 représentant une vue de face schématique de ce projecteur et la figure 12 représentant l'éclairement obtenu sur un écran.

On va décrire à propos des figures 1 et 2 le premier mode de réalisation de l'invention.
Au point de vue de sa structure optique, le projecteur de ce premier mode de réalisation comporte un réflecteur elliptique 10, une source lumineuse 11 disposée au voisinage de son foyer interne 12, les rayons lumineux émis par la source renvoyés par le réflecteur elliptique 10 convergeant au voisinage du foyer externe 13. Les rayons réfléchis convergents-divergents sont repris par une lentille 14 pour constituer finalement un faisceau émis utile.
Selon l'invention, pour réaliser la coupure, on dispose au voisinage du foyer externe 13 du réflecteur elliptique 10 un écran à cristaux liquides 15 du type précité définissant une zone d'occultation Z définie entre deux plaques de verre comportant des cristaux liquides.
Dans un exemple typique, l'écran 15 comporte deux lames de verre parallèles assemblées de façon étanche et entre lesquelles sont disposés des cristaux liquides "nématiques en hélice". La Figure 2a montre une telle lame de verre 15a. Sur les deux faces internes des deux plaques de verre parallèles 15a sont disposées des électrodes 15b en couches transparentes très minces (oxyde d'indium ou d'étain). Par décapage chimique, on donne à la couche électrode située en avant la configuration correspondant à l'occultation de la zone Z. Par exemple, les électrodes sont disposées en bandes 15c. Entre les plaques distantes de quelques dizaines de microns, les molécules de cristaux liquides sont orientées en quart d'hélice (structure twistée). Sur les deux faces extérieures des plaques de verre sont disposés des polariseurs croisés 15d. Lorsqu'on éclaire un tel écran 15, la lumière polarisée par le premier polariseur de la première plaque de verre subit une rotation de 90° entre les deux plaques due à la configuration en hélice des cristaux liquides et sort à l'arrière polarisée perpendiculairement à sa direction d'entrée, le second polariseur de la seconde plaque la laissant sortir. Il y a transparence.
Si on applique un champ électrique entre les électrodes 15c de l'écran 15 par l'intermédiaire des bornes 15e, on provoque une déformation des cristaux liquides, les molécules s'orientent parallèlement à la direction du champ. Elles deviennent donc perpendiculaires aux deux plaques de verre 15a. La lumière polarisée à l'entrée n'est plus tournée de 90° par les cristaux liquides. Elle est arrêtée par le polariseur 15d de sortie. Il y a opacité.
On voit sur la Figure 1 que la zone Z est munie d'une limite correspondant simplement aux nécessités de l'éclairage croisement (occultation de la zone 17 sur un écran de protection 18). Selon l'état d'excitation des bornes électriques 15e, les rayons lumineux sont ou non occultés par l'écran 15. Le projecteur peut émettre soit un faisceau de route, soit un faisceau de croisement.
On peut disposer les électrodes d'entrée selon des bandes horizontales parallèles telles que 15c que l'on peut exciter de façon variable. Ainsi, on peut régler la hauteur, et plus généralement la configuration de la zone de coupure Z en faisant varier la limite de coupure.
De même, on peut ménager entre des électrodes 15c, des zones complètement transparentes et toujours transparentes, si on veut disposer de lumière au-dessus de la coupure.
On va maintenant décrire le second mode de réalisation de l'invention en référence aux figures 3 et 4.
Le projecteur de ce second mode de réalisation comporte un réflecteur principal parabolique 20 ayant un foyer 21 sur son axe optique constituant l'axe optique 22 du protecteur. Une source lumineuse 23, constituée par exemple par un filament ou un arc électrique, est situé légèrement en avant du foyer 21, sa partie arrière coïncidant avec ce foyer. Comme on le voit sur la figure, les rayons émis par la source lumineuse et renvoyés par le réflecteur sont donc légèrement convergents. En avant du réflecteur est disposée une glace de fermeture 24 munie de stries de répartition de faisceau, de manière connue en elle-même.
Entre le réflecteur et la glace, est disposé un écran à cristaux liquides 25 selon l'invention ayant une structure analogue à celle qui vient d'être décrite, avec deux bornes électriques de commande 25e. Lorsqu'aucune différence de potentiel n'est appliquée à ces bornes 25e, les rayons lumineux, tels que β, qui passent au-dessus de l'horizontale, traversent librement l'écran et viennent se réfracter dans la glace 24 assurant ainsi un faisceau complémentaire à celui créé par les rayons tels que a qui, eux, traversent toujours librement la partie supérieure de la glace 24.
Ainsi, lorsqu'aucune tension n'est appliquée aux bornes 25e, le projecteur émet-il un faisceau correspondant à la totalité des rayons réfléchis par le réflecteur et réfractés par la totalité de la glace 24. On obtient ainsi un faisceau de route.
Lorsque l'on applique une différence de potentiel aux bornes des électrodes 25e, les cristaux liquides s'orientent et rendent l'écran 25 opaque. Les rayons tels que sont maintenant arrêtés par la zone opaque Z de l'écran, et seuls les rayons convergents et donc non éblouissants tels que a passent librement à travers la partie supérieure de la glace 24 qui assure la répartition lumineuse. On obtient ainsi un faisceau de croisement.
L'exemple des figures 3 et 4 montre ainsi, dans une configuration optique très simple, l'intervention d'un écran à cristaux liquides 25 selon l'invention pour réaliser, selon l'état d'excitation de l'écran, deux régimes d'éclairement. On remarquera qu'il s'agit d'un système statique à commande électrique n'utilisant qu'une seule source lumineuse, ce qui le rend évidemment très supérieur à la fois aux systèmes de la technique antérieure utilisant des écrans mobiles et aux systèmes utilisant deux sources lumineuses, et en tout cas bien moins coûteux que les systèmes utilisant deux sources à décharge.
On va maintenant décrire, en se référant aux figures 5 à 8 un troisième mode de réalisation de l'invention.
Le projecteur des figures 5 et 6 comporte deux réflecteurs sensiblement elliptiques 30a, 30b, disposés symétriquement par rapport à un plan vertical central. Ces deux réflecteurs 30a, 30b, ont un foyer interne commun 31 et chacun un foyer externe (32a, 32b), les deux foyers externes (32a, 32b) des deux réflecteurs elliptiques étant également symétriques par rapport à un plan central. La source lumineuse 33 qui peut par exemple être un filament de tungstène, un arc électrique, une lampe à décharge, est disposée au foyer commun 31 des deux réflecteurs (30a, 30b), de telle sorte que, comme représenté, les rayons issus de la source lumineuse et renvoyés à gauche et à droite par les deux réflecteurs elliptiques viennent converger vers les foyers (32a, 32b).
A l'extérieur des deux réflecteurs elliptiques, et toujours symétriquement par rapport à un plan vertical central, sont disposés deux réflecteurs paraboliques (34a, 34b) dont les foyers respectifs sont confondus avec les foyers externes (32a, 32b) des réflecteurs elliptiques (30a, 30b). La disposition d'ensemble est telle que les rayons lumineux issus de la source 33 renvoyés par les réflecteurs elliptiques (30a, 30b) viennent converger à leurs foyers externes (32a, 32b), rencontrent les réflecteurs paraboliques (34a, 34b) et sont finalement renvoyés selon des faisceaux de rayons sensiblement parallèles dans la direction d'émission E.
Au voisinage du foyer 32b est disposé verticalement un écran opaque de type classique 35, qui occulte les rayons montant et donne ici un faisceau coupé horizontalement du type faisceau de croisement obtenu par réflexion sur les réflecteurs 30b et 34b donnant un éclairement du type représenté sur la figure 7 (l'écran opaque 35 est montré de face fig. 6b).
Au contraire, les réflecteurs associés 30a et 34a n'ont pas de dispositif de coupure. Ils donnent donc un faisceau complet éclairant la totalité de la perspective de la route et qui se superposent donc à la partie inférieure du faisceau donné par les réflecteurs 30b et 34b, comme on le voit sur la figure 8.
Avec le dispositif ci-dessus défini, on dispose ainsi de moyens d'éclairement de croisement, et de moyens d'éclairement de route.
Selon l'invention, on associe aux réflecteurs 30a et 34a et sur toute la fenêtre de lumière de sortie un écran 36 contenant des cristaux liquides constitué comme on l'a indiqué précédemment. Lorsque cet écran 36 n'est pas soumis à une tension d'activation des cristaux à ses bornes 36e, les rayons tels que Ra traversent librement ledit écran et la totalité de la perspective routière est éclairée comme à la figure 8. On réalise ainsi la fonction route. Lorsque l'on applique une tension électrique à l'écran 36, il devient opaque et occulte les rayons Ra. Seuls les rayons Rb émis par le sous-ensemble (30b, 34b), c'est-à-dire des rayons d'éclairage croisement se trouvent émis (Fig. 7).
Là encore, comme précédemment, on réalise avec une seule source lumineuse une commutation statique par des moyens électriques. En variante, on peut équiper le sous-ensemble (30a, 34a) d'un écran permanent pour occulter les rayons de type croisement de façon permanente puisque l'autre sous-ensemble (30b, 34b) en émet toujours suffisamment.
Dans un quatrième mode de réalisation, correspondant aux figures 9 à 12, on réalise un projecteur comportant un demi-réflecteur supérieur parabolique 40 de foyer 41. La source lumineuse 42 constituée par un filament axial est légèrement en avant de ce foyer 41. Ce demi-réflecteur 40 donne des rayons descendant tels que β_o. et donne sur un écran (figure 12) une projection 43 dont la partie supérieure est sensiblement horizontale, donc non éblouissante. Au demi-réflecteur supérieur 40 est associé un demi-réflecteur parabolique inférieur 50 dont le foyer 51 est situé au milieu de la source 42. Ce demi-réflecteur inférieur donne donc un faisceau de rayons tels que a_o dont la projection sur un écran (figure 12) donne une image telle que 53.
L'association de ces deux faisceaux donnée par la même source 42 peut donner, après correction optique par une glace de fermeture (non représentée) un bon faisceau de route. Pour réaliser l'occultation nécessaire pour obtenir un faisceau de croisement, on dispose (figures 9 et 11) autour de la source de deux écrans à cristaux liquides 45 comme définis précédemment, disposés en V en dessous de la source 42.
Lorsque ces écrans 45 sont dans leur état de transparence, les rayons tels que α¿.émis par la source 42 peuvent les traverser facilement pour venir se réfléchir sur le réflecteur 50 et remonter au-dessus du plan horizontal pour former la zone hachurée 53 (figure 12).
Dans le cas où l'on veut passer en faisceau croisement, il suffit d'appliquer la tension d'excitation convenable aux écrans à cristaux liquides 45 pour les rendre opaques. A ce moment, tous les rayons tels que a_o sont arrêtés, la zone hachurée sur l'écran n'est donc plus éclairée. Seule subsiste la zone 43 et la partie inférieure de la zone 53 située au-dessus de l'horizontale. Le faisceau coupé constitue alors un faisceau de croisement. On remarquera que ce quatrième mode de réalisation, qui vient d'être décrit, représente la transposition, dans un système d'écrans à cristaux liquides du système à volets mobiles décrit dans le brevet français FR-A-1 296 036 donné ici à titre de référence et de complément d'information. Cette référence fait d'ailleurs comprendre tous les avantages du système statique à commande électrique selon l'invention qui présente l'avantage d'être plus rapide, plus fiable et insensible aux vibrations.
Les quatre exemples de réalisation qu'on a donnés ci-dessus ne sont pas limitatifs. Ils présentent tous l'avantage de permettre la réalisation d'un projecteur à deux régimes d'éclairement comportant des systèmes statiques à commande électrique.
Ils montrent que l'invention s'applique aux structures optiques les plus diverses, quant à la nature des éléments optiques utilisés, notamment des réflecteurs.
La réalisation d'un écran à cristaux liquides a été donnée dans un mode de réalisation technologique connu de la Demanderesse. Bien entendu, ce mode de réalisation n'est qu'un exemple, et d'autres écrans à cristaux liquides peuvent être utilisés sans sortir du cadre de l'invention.
Enfin, il doit être entendu que l'invention s'applique à tout projecteur à faisceau coupé commutable. On peut réaliser par exemple un projecteur de croisement dont l'éclairement passe du régime "circulation à droite" au régime "circulation à gauche".
On peut aussi asservir la limite de coupure à tout phénomène menant, par exemple l'assiette du véhicule.

Claims

1. Un projecteur d'automobile du type comportant au moins un réflecteur (10; 20; 30a - 30b - 34a; 40 - 50) coopérant avec une unique source lumineuse (11; 23; 33; 42), un écran (15; 25; 36; 45) comportant des cristaux liquides à transparence variable, interposé sur le trajet des rayons lumineux, caractérisé en ce que l'écran comporte au moins une zone d'occultation (Z) à laquelle les cristaux liquides confèrent soit un état de transparence, soit un état de non-transparence, et en ce que cette zone (Z) comporte une limite qui définit une limite de coupure pour le faisceau lumineux émis par le projecteur.

2. Un projecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'écran de coupure (15; 25; 36; 45) est du type comprenant de l'extérieur à l'intérieur deux polariseurs, deux lames de verre, deux électrodes en couche mince transparentes dont l'une au moins a une surface définissant la configuration de la zone d'occultation, un remplissage central de cristaux liquides en hélice.

3. Un projecteur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par une répartition en bandes (15c) horizontales de l'électrode et de la zone d'occultation (Z) de l'écran (15).

4. Un projecteur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par un réflecteur parabolique (20) coopérant avec une source lumineuse (11) légèrement en avant de son foyer, et un écran de coupure (25) interposé sur le trajet des rayons réfléchis par le réflecteur (20).

5. Un projecteur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par un réflecteur (10) elliptique ayant une source lumineuse (11) au voisinage de son foyer interne (12) et un écran à cristaux liquides (15) au voisinage de son foyer externe (13).

6. Un projecteur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par une source lumineuse unique (33) coopérant avec deux ensembles de réflecteurs elliptiques (30a, 30b) associés à deux réflecteurs paraboliques (34a, 34b), l'un des ensembles (30b, 34b) comportant un moyen (35) de coupure de faisceau et l'autre (30a, 34a) un écran à cristaux liquides (36) disposé sur sa fenêtre de sortie de lumière.

7. Un projecteur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte une source lumineuse (42) coopérant avec au moins un réflecteur (40, 50), et au moins un écran à cristaux liquides (45) interposé entre la source et le réflecteur.