L'invention est relative à un module de projecteur lumineux pour véhicule
automobile comportant une source lumineuse présentant une surface plane,
immergée dans un volume de matière transparente ayant un indice de
réfraction supérieur à 1, et un réflecteur comportant un foyer situé en un point
de la source.
L'invention concerne plus particulièrement, mais non exclusivement, un
tel module dont la source lumineuse est constituée par une diode
électroluminescente, ci-après désignée par l'abréviation « led », dont la surface
émettrice est protégée par un volume hémisphérique, généralement en un
polymère transparent.
L'invention a pour but, surtout, de fournir un module de projecteur
lumineux qui permet d'obtenir un faisceau lumineux à coupure, ou présentant
un maximum d'éclairement décalé verticalement, avec un nombre réduit de
composants tout en conservant un bon rendement lumineux.
En particulier, on souhaite obtenir un faisceau à coupure, ou à pseudo-coupure
basse, pour une fonction route ou pour un complément DRL (feu
diurne), notamment avec des leds dites « luxeon », de type lambertiennes.
Dans de telles leds, la matière luminescente formant la source lumineuse est
située dans un plan.
Il est souhaitable également que le module présente un encombrement
longitudinal aussi réduit que possible, en particulier inférieur à celui de
projecteurs comportant des réflecteurs elliptiques et des lentilles.
Selon un premier aspect de l'invention, un module de projecteur
lumineux du genre défini précédemment est tel que le point de la source
lumineuse situé au foyer du réflecteur est choisi de telle manière que les rayons
lumineux émis par ce point sont déviés par réfraction en sortant du volume
transparent pour passer dans l'air, et que le réflecteur est construit de telle sorte
que ces rayons lumineux déviés, après réflexion sur le réflecteur, deviennent
substantiellement parallèles à une direction prédéterminée.
Selon un autre aspect, le module de projecteur lumineux du genre défini
précédemment comporte une source lumineuse immergée dans un volume
hémisphérique de matière transparente et est tel que le point de la source
lumineuse situé au foyer du réflecteur est écarté du centre du volume
hémisphérique, et le réflecteur comporte/ est constitué par une surface
stigmatique entre le point de la source et un segment de droite situé en avant
ou en arrière de la surface du réflecteur.
Selon encore un autre aspect, la source lumineuse est immergée dans
un volume hémisphérique de matière transparente et le module est tel que le
point de la source lumineuse situé au foyer du réflecteur est écarté du centre du
volume hémisphérique, le réflecteur étant construit de telle sorte qu'en
substituant au point de la source lumineuse un point dépoli de la base plane du
volume hémisphérique et en éclairant ce point dépoli par un faisceau laser, on
obtient avec le système optique constitué par / comprenant le volume
hémisphérique et le réflecteur un faisceau à l'infini constitué par un segment
horizontal, ou par un point.
De préférence, la source lumineuse est une led (abréviation anglaise
pour désigner une diode électroluminescente) immergée dans un volume
hémisphérique de matière transparente ayant une base plane tournée du côté
opposé au réflecteur.
Le foyer du réflecteur peut être situé en un point voisin d'un bord de la
source lumineuse de sorte qu'un faisceau lumineux à coupure est obtenu.
Avec le foyer situé en un point voisin du bord supérieur (ou avant) de la source
lumineuse on obtient un faisceau à coupure au-dessus d'une ligne horizontale,
notamment pour une fonction route ou DRL (c'est-à-dire que la lumière se
trouve au dessus de la coupure dans ces cas-là). Avec le foyer situé en un
point voisin du bord inférieur (ou arrière) de la source lumineuse on obtient un
faisceau à coupure au-dessous d'une ligne horizontale (c'est-à-dire que dans
ce cas-là, la lumière se trouve sous la coupure, comme dans le cas d'un feu de
croisement).
La surface d'onde des rayons lumineux après réflexion sur le réflecteur
est avantageusement une surface cylindrique admettant un axe sur lequel
s'appuient les rayons lumineux réfléchis.
L'invention est également relative à un réflecteur pour un tel module
caractérisé en ce que sa surface est telle que des rayons lumineux issus d'un
point situé au foyer, et réfractés en sortant d'un volume de matière transparente
entourant le foyer, deviennent après réflexion parallèles à une direction
prédéterminée.
L'invention est également relative à un projecteur lumineux pour véhicule
automobile comportant au moins un module tel que défini précédemment. Le
projecteur peut comporter plusieurs modules donnant individuellement des
faisceaux de caractéristiques différentes pour produire un faisceau global
satisfaisant.
L'invention consiste, mises à part les dispositions exposées ci-dessus,
en un certain nombre d'autres dispositions dont il sera plus explicitement
question ci-après à propos d'exemples de réalisation décrits avec référence aux
dessins annexés, mais qui ne sont nullement limitatifs. Sur ces dessins :
Fig.1 est un schéma explicatif, en coupe verticale d'un réflecteur en
forme de paraboloïde avec une source plane orthogonale à l'axe optique. Fig.2 est un schéma en coupe par un plan vertical d'un module de
projecteur lumineux selon l'invention. Fig.3 est une vue schématique partielle, avec parties coupées, suivant la
flèche III de Fig.2. Fig.4 est une coupe verticale schématique d'un projecteur pour fonction
route selon l'invention. Fig.5 est une vue schématique en perspective d'un module selon Fig.4. Fig.6 illustre un réseau de courbes isolux obtenues sur un écran
orthogonal à l'axe optique du module de Fig.4. Fig.7 est un réseau des courbes isolux obtenues avec un module
donnant un faisceau code large et Fig.8 montre, semblablement à Fig.7, les isolux d'un faisceau code
focalisé.
Fig.1 est un schéma destiné à faciliter la compréhension de la
description qui suit. Sur Fig.1 un réflecteur 1, constitué par un paraboloïde,
admet un foyer 2 situé sur l'axe optique 3. Une source lumineuse plane 4 est
disposée dans un plan orthogonal à l'axe 3 et passant par le foyer 2. Le bord
inférieur de la source 4 est situé au foyer 2. Les rayons lumineux tels que 5a
émis par le bord inférieur de la source 4 proviennent du foyer et sont réfléchis
en 5b parallèlement à l'axe optique. Par contre, des rayons tels que 6a
provenant du bord supérieur 7 de la source 4 sont réfléchis en 6b suivant une
direction inclinée vers le bas par rapport à l'horizontale. Il en est de même pour
tous les points de la source 4 situés au-dessus du foyer 2.
Le faisceau lumineux ainsi obtenu présente une ligne de coupure
horizontale et la zone éclairée par les rayons réfléchis tels que 6b se trouve au-dessous
de cette ligne de coupure.
La surface du paraboloïde 1 est caractérisée optiquement par le fait
qu'elle transforme une surface d'onde sphérique en une surface d'onde plane.
La source 4 de Fig.1 est une source lumineuse théorique plane émettant
directement dans l'air qui baigne l'ensemble du réflecteur 1 et de la source.
Fig.2 illustre une réalisation concrète d'une source lumineuse plane
constituée par une led 8 à luminance élevée qui se compose d'une mince
couche plane de matière luminescente 9, constituant la source lumineuse
proprement dite et d'un volume 10 de matière transparente recouvrant et
protégeant la couche 9. Généralement, le volume 10 est hémisphérique centré
sur le centre O de la couche émettrice 9, qui peut être carrée ou rectangulaire.
La base du volume 10 est plane, constituée par un grand cercle et la couche 9
est immergée dans le volume 10 au niveau de sa base plane. L'indice de
réfraction de la matière du volume 10 est supérieur à 1, c'est-à-dire supérieur à
l'indice de réfraction de l'air dans lequel baigne l'ensemble des éléments.
Le foyer d'un réflecteur 12, dont la surface est différente de celle d'un
paraboloïde, est situé sur un point 11 de la source écarté du centre O. Ce point
11 peut être situé sur le bord inférieur de la couche 9 qui, selon la
représentation de Fig.2, se trouve dans un plan vertical. Un rayon lumineux tel
que 13i émis par le point 11, rencontre la surface hémisphérique du volume 10
sous un angle d'incidence qui n'est pas nul et le rayon 13i sort du volume 10
dans l'air en étant dévié par réfraction pour donner le rayon 13r. Un autre rayon
14i, 14r issu du point 11 a été représenté.
Dans le cas où le foyer du réflecteur est situé au centre O de la surface
9, les rayons lumineux provenant de ce point O sont orthogonaux à la surface
hémisphérique du volume 10 (angle d'incidence nul) et sortent sans être déviés.
Mais une telle disposition ne permet pas d'obtenir un faisceau lumineux avec
coupure.
Selon l'invention, le réflecteur 12 est construit de telle sorte que les
rayons réfractés 13r,14r deviennent des rayons 13e, 14e parallèles à une
direction déterminée Δ après réflexion sur le réflecteur 12. La direction Δ
correspond à l'axe optique.
La surface du réflecteur 12 est ainsi construite pour transformer la source
ponctuelle 11, immergée dans le volume hémisphérique 10 transparent,en une
source à surface d'onde cylindrique admettant comme axe de la surface d'onde
une droite A (Fig.2) orthogonale à l'axe optique Δ.
La droite A est située à une distance D du centre O de la source. Cette
distance D est une caractéristique du système optique, de même que l'angle α
entre l'axe optique Δ et la direction horizontale OZ.
Le point où est situé le foyer du réflecteur peut être défini par trois
coordonnées xf, yf, zf dans un repère orthonormé dont deux axes sont OY, OZ
selon Fig.2. Le troisième axe OX non représenté passe le point O et est
perpendiculaire au plan OYZ.
La famille des surfaces de réflecteurs tels que 12 est ainsi caractérisée
optiquement, et mathématiquement.
Le vecteur normal à la source plane 9 peut être incliné sur l'horizontale.
Comme visible sur Fig.3, des rayons déviés par réfraction tels que 15r,
16r provenant du point 11 et situés dans un plan différent de celui de Fig.2, sont
réfléchis suivant des rayons 15e,16e qui coupent à angle droit l'axe A de la
surface d'onde cylindrique.
La surface du réflecteur 12 est stigmatique entre le point 11 immergé
dans une portion de sphère transparente, d'indice de réfraction supérieur à 1,
non centrée sur ce point 11, et un segment de la droite A située en avant de la
surface 12 suivant le sens de propagation de la lumière.
En variante, la droite A pourrait se trouver en arrière de la surface du
réflecteur 12 auquel cas le segment serait virtuel ; la section du réflecteur 12
par un plan orthogonal à la droite A serait plus« ouvert » que dans le cas
précédent, sans aller jusqu'à une hyperbole (ce ne serait une hyperbole qu'en
l'absence de la portion de sphère 10.).
En plaçant le foyer du réflecteur 12 sur le bord inférieur 11 de la source
9, on réalise un faisceau lumineux à coupure supérieure, du type code ou
antibrouillard.
Pour réaliser un faisceau avec coupure inférieure, notamment pour une
fonction route ou une fonction DRL, la source 9 est disposée(voir Fig.4) de telle
sorte que le foyer du réflecteur soit situé sur le bord supérieur 17 de la source
ou au voisinage de ce bord. Selon Fig. 4, qui correspond à une coupe verticale
d'un module pour une fonction route, le plan de la source 9 est basculé vers
l'avant par rapport à la direction verticale. Il en est de même pour le réflecteur
12. Un rayon 18r provenant du point 17 est réfléchi suivant un rayon 18e
parallèle à l'axe optique horizontal. Un rayon tel que 19r provenant d'un point
de la source 9 situé plus bas que le point 17 est réfléchi suivant un rayon 19e
dirigé vers le haut et éclairant au-dessus du rayon 18e. La coupure est ainsi
réalisée en bas de faisceau.
Fig.5. montre en perspective le module de projecteur de Fig.4 avec le
réflecteur 12 dont la partie haute est inclinée vers l'avant.
Fig.6 est un exemple de réseau de courbes isolux (c'est-à-dire à
éclairement constant) obtenues, avec un projecteur route selon Fig.4, sur un
écran à distance déterminée, ici de 25 mètres, du projecteur, orthogonal à l'axe
optique. Les courbes correspondent à des éclairements de moins en moins
forts du centre vers l'extérieur. La droite H correspond à l'intersection de l'écran
avec le plan horizontal passant par l'axe optique, et la droite V correspond à
l'intersection de l'écran avec le plan vertical passant par l'axe optique. Les
limites droite et gauche ± 40% correspondent aux intersections avec l'écran de
rayons lumineux provenant de la source et formant avec l'axe optique, dans le
plan horizontal, un angle dont la tangente est ± 0.4. La même explication
concerne les limites indiquées 20% et - 40% dans le plan vertical.
D'après Fig.6 il apparaít que le faisceau « route » est essentiellement
situé au-dessus de la ligne H et est pratiquement réparti également de part et
d'autre de la ligne V. L'isolux correspondant à l'éclairement maximum est située
à l'intérieur du réseau et est sensiblement tangente à la ligne H, mais en étant
située au-dessus de cette ligne.
Le réseau d'isolux de Fig.6 est obtenu avec un réflecteur 12 dont le foyer
est situé pratiquement sur le bord supérieur de la source lumineuse, avec les
paramètres xf = 0, yf = + 0.5 mm, α = π/4 et D = + 1000 mm.
Pour décaler le maximum d'éclairement vers le bas, il suffit de déplacer
le foyer du réflecteur 12 en un point de la source 9 situé plus bas que le bord
supérieur 17. Si le foyer du réflecteur 12 est situé au centre de la source, le
réseau d'isolux présente un maximum centré sur le point de croisement des
lignes H et V. En outre, la surface 12 devient celle d'un paraboloïde de
révolution et le faisceau de sortie est un faisceau parallèle, la distance D
devenant infinie.
On peut ainsi doser l'étendue vers le bas du faisceau du projecteur route.
Fig.7 montre les courbes isolux d'un faisceau code « large » avec
coupure au-dessus de la ligne H, obtenue lorsque le foyer du réflecteur 12 est
situé sur le bord inférieur de la source 9. Le faisceau de Fig.7 est obtenu avec
xf = 0, yf = -0.5 mm, α = - π/4 et D = + 75 mm. La distance D est relativement
faible, ce qui permet d'étaler horizontalement le faisceau code.
Fig.8 montre les isolux d'un faisceau code focalisé moins étalé
horizontalement que le faisceau de Fig.7, mais toujours situé essentiellement
au-dessous de la ligne horizontale H. Le faisceau de Fig. 8 est obtenu avec
xf = 0, yf = -0.5 mm, α = - π/4 et D = - 1000 mm. L'image d'un point de la
source est pratiquement située à l'infini.
Les faisceaux des Fig. 7 et 8 peuvent aussi convenir à des feux
antibrouillard à coupure horizontale.
Un projecteur code doit donner un faisceau comportant une coupure
horizontale d'un côté de la ligne verticale V et une coupure suivant une ligne
inclinée partant du point de croisement des lignes V et H et montant du côté où
s'effectue la circulation (à droite pour la plupart des pays européens). L'angle
d'inclinaison est de 15°.
Pour réaliser un tel faisceau, on peut utiliser plusieurs modules
conformes à l'invention dont certains auront des réflecteurs tournés à 15° sur
l'horizontale pour assurer la ligne de coupure montante.
Une fonction complète code, route ou antibrouillard nécessitera ainsi
plusieurs modules, chaque module comportant une led. Il est possible et
souhaitable de faire varier les paramètres tels que D entre les différents
modules pour une même fonction.
Les propriétés d'un réflecteur 12 selon l'invention peuvent être vérifiées
de la manière suivante. A partir de la connaissance de la led utilisée, on peut
récupérer le volume hémisphérique correspondant de cette led ou le
reconstruire en une matière transparente ayant le même indice de réfraction.
On dépolit la face inférieure, ou base plane du volume hémisphérique, en
un point correspondant à un sommet de la source émettrice, ou au foyer du
réflecteur si celui-ci est décalé.
On installe ensuite ce volume hémisphérique dans le système optique
avec le point dépoli placé au foyer, la base du volume hémisphérique étant
correctement orientée. On éclaire le point dépoli avec un faisceau laser et on
observe le faisceau à l'infini donné par le réflecteur.
Avec un réflecteur conforme à l'invention, on observera un segment
horizontal, pouvant se ramener à un point.
La recherche des paramètres notamment D et yf peut se faire par
identification à partir d'un nombre restreint de points palpés sur la surface de la
base.
Le module de projecteur lumineux selon l'invention est particulièrement
simple puisqu'il se compose essentiellement d'un réflecteur et d'une led. Il
permet d'obtenir un faisceau à coupure, sans perte lumineuse liée à la
présence d'un cache. Par rapport à un simple paraboloïde centré ou défocalisé,
on obtient une minimisation de la distance maxi/bas (ou haut) du faisceau.
Il est à noter que le volume de matière transparente qui recouvre la led a
été décrit essentiellement comme hémisphérique.
D'autres volumes pourraient recouvrir cette led, par exemple un volume
conique de révolution.