EP2693112A2 - Lentille optique pour dispositif d'éclairage notamment de véhicule automobile - Google Patents

Lentille optique pour dispositif d'éclairage notamment de véhicule automobile Download PDF

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EP2693112A2
EP2693112A2 EP13178366.4A EP13178366A EP2693112A2 EP 2693112 A2 EP2693112 A2 EP 2693112A2 EP 13178366 A EP13178366 A EP 13178366A EP 2693112 A2 EP2693112 A2 EP 2693112A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
lens
ellipse
pseudo
axis
diopter
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP13178366.4A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP2693112A3 (fr
Inventor
Jean-Luc Meyrenaud
Maxime Hugol
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Valeo Vision SAS
Original Assignee
Valeo Vision SAS
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Filing date
Publication date
Application filed by Valeo Vision SAS filed Critical Valeo Vision SAS
Publication of EP2693112A2 publication Critical patent/EP2693112A2/fr
Publication of EP2693112A3 publication Critical patent/EP2693112A3/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21S—NON-PORTABLE LIGHTING DEVICES; SYSTEMS THEREOF; VEHICLE LIGHTING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR VEHICLE EXTERIORS
    • F21S41/00—Illuminating devices specially adapted for vehicle exteriors, e.g. headlamps
    • F21S41/20—Illuminating devices specially adapted for vehicle exteriors, e.g. headlamps characterised by refractors, transparent cover plates, light guides or filters
    • F21S41/25—Projection lenses
    • F21S41/27—Thick lenses
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21S—NON-PORTABLE LIGHTING DEVICES; SYSTEMS THEREOF; VEHICLE LIGHTING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR VEHICLE EXTERIORS
    • F21S41/00—Illuminating devices specially adapted for vehicle exteriors, e.g. headlamps
    • F21S41/20—Illuminating devices specially adapted for vehicle exteriors, e.g. headlamps characterised by refractors, transparent cover plates, light guides or filters
    • F21S41/25—Projection lenses
    • F21S41/26—Elongated lenses

Definitions

  • the present invention relates in particular to an optical lens.
  • a preferred application relates to the automotive industry for the production of lighting devices which may include signaling devices, including vehicle headlamps.
  • the invention also relates to a method of manufacturing lenses.
  • These lights involves having suitable lenses and in particular lenses through which an output beam can be emitted towards the area of the space to be illuminated, in a preferred direction constituting the optical axis of the device.
  • Various lenses such as lenses having a "convex plane" exit face are often used for this purpose. Nevertheless, their performance is currently not optimal.
  • the invention solves at least in part the disadvantages of current techniques.
  • One aspect of the invention relates to an optical lens for a lighting device, in particular a motor vehicle, comprising an input diopter and an output diopter and configured to allow the emission of an output light beam along an axis. optical through the output diopter on receipt of an input light flux by the input diopter, the output diopter having a convex profile in a first plane parallel to the optical axis, characterized in that the convex profile is a portion of a pseudo-ellipse having a major axis parallel to the optical axis and a small intersecting axis with the major axis, the pseudo ellipse differing by at least one ellipse in that said major axis intersects said minor axis at a different point from the middle of the minor axis.
  • the shape of the lens proposed here therefore departs from a strict elliptical shape to which the person skilled in the art would normally give preference because it is deemed to allow the generation of an optimal output beam from a light source advantageously placed at the first focus of the ellipse.
  • the optical efficiency can be greatly increased.
  • simulations have shown that one can go from a yield of the order of 67% for a lens with a purely elliptical output diopter, at a yield of about 77% with the invention.
  • the major axis of the pseudo-ellipse comprises an upper segment situated above the optical axis in a direction perpendicular to the optical axis and of greater length than that of a lower segment of the pseudo-ellipse located below the optical axis along this perpendicular direction.
  • the length of the minor axis of the pseudo-ellipse is equal to ⁇ * (a 2 - (af) 2 ) where a is the half length of the major axis of the ellipse and the pseudo-ellipse.
  • ellipse, f is the focal length of the ellipse and the pseudo-ellipse and ⁇ is a coefficient between 1 and 1.03.
  • a first focus of the pseudo-ellipse is located on the input diopter.
  • the first plane is vertical.
  • the output diopter may for example be cylindrical, the first profile being a generator whose evolution along a rectilinear director defines the shape of the output diopter.
  • the output dioptre may have a shape defined by the evolution of the first profile along the second profile.
  • the invention also relates to an optical lighting module, especially for a motor vehicle, comprising at least one lens above and a light source.
  • the light source is located in the vicinity of a first focus of the pseudo-ellipse.
  • the light source is located above the optical axis in a vertical direction.
  • the entire lighting module otic is preferably integrable in a motor vehicle headlight, also called a motor vehicle headlight.
  • the invention also relates to a motor vehicle headlight comprising an optical lighting module according to the invention.
  • Another aspect of advantageous embodiments of the invention relates to a method of manufacturing an optical lens for a lighting device, in particular a motor vehicle, comprising an input diopter and an output diopter and configured to enable emission of an output light beam along an optical axis by the output diopter upon reception of an input light flux by the input diopter, the output diopter having a convex profile in a first plane parallel to the input diopter optical axis, said method comprising forming a mold whose inner wall is configured to define the shape of the lens, injecting a polymeric material into the mold through an injection point and demolding the lens after injection, characterized in that it comprises a step of defining the geometry of the surface of the lens in which the convex profile is formed by a portion of a pseudo-ellipse having a large axis parallel to the optical axis and a minor axis intersecting with the major axis, the pseudo ellipse differing from at least one ellipse in that said major axis intersects said minor axi
  • This method may be such that the coefficient is chosen greater than or equal to the sum of 1 and a predetermined post-injection shrinkage percentage.
  • the injection point is located at one end of the minor axis of the pseudo-ellipse.
  • This method is advantageously but not only configured to allow the production of a lens according to the invention.
  • Another object of the invention is a vehicle equipped with at least one device of the invention and / or at least one lens as indicated above.
  • vertical and horizontal are used in the present description to designate directions, including beam directions, in an orientation perpendicular to the horizon plane for the term “vertical”, and in an orientation parallel to the plane. of the horizon for the term “horizontal”. They are to be considered in the operating conditions of the device in a vehicle. The use of these words does not mean that slight variations around the vertical and horizontal directions are excluded from the invention. For example, an inclination relative to these directions of the order of + or - 10 ° is here considered as a minor variation around the two preferred directions.
  • thick lens refers to its current meaning namely a lens whose thickness is not negligible in front of the radius of curvature of its faces, unlike a thin lens.
  • the case shown in the various figures is particularly suitable for installation in a projector at the front of a motor vehicle.
  • Devices may also be implanted in a vehicle so as to produce a left front portion and a right front beam projection portion toward the front of the vehicle.
  • All types of beams can be formed thanks to the invention, including the various standardized lights indicated at the beginning of the present description.
  • the figure 1 gives an example of implantation of a lens in a lighting device.
  • the lens 1 and cooperates with a light source 6 which emits towards an input diopter 2 here constituted by the rear face of the lens 1. After propagation in the lens, the light rays are organized in an output beam substantially along the optical axis 7 of the device.
  • the output of the lens is effected by an output diopter 3 here constituted by the front face of the lens.
  • the figure 1 reveals that the outgoing light rays are not entirely in the desired output beam. Part of the rays form an effective flow 13 effectively directed along the optical axis, but another part is a lost stream 14, essentially produced by a reflection on the exit diopter 3 instead of a refraction.
  • the lost flux 14 penalizes the optical performance of the device and the invention, according to advantageous aspects, provides a solution to this problem thanks to the lens shape 1 which will be described later in detail.
  • the invention is not limited to a choice of materials to form the lens 1. It may be polymers such as polycarbonate, polymethyl methacrylate, polypropylene, polybutylene terephthalate or other polymers of the thermosetting type.
  • the shape of the lens 1 is determined from the shape of a reference lens 17, a section of which according to its thickness is provided by figure 2 .
  • the section illustrated here is more precisely directed in a plane, said foreground (advantageously vertical), parallel to the optical axis 7 (advantageously containing said optical axis 7).
  • the reference lens 17 has an input diopter 2, here rectilinear profile for this example, and an output diopter 3 in the form of an ellipse portion.
  • the surfaces of the dioptres 2, 3 meet substantially, with a small portion of connection to the rectilinear profile. But this case is only indicative and an intermediate side surface zero or larger could be formed without departing from the scope of the invention and its shape is not limited.
  • the portion of ellipse constituting the output diode 3 may extend over a more or less large angular sector but advantageously covers at least two quadrants, respectively quadrant 1 and quadrant 4 in a counterclockwise direction, opposite the diopter of FIG. input 2 along the optical axis 7.
  • a first focus 4, a second focus 5 and a center 11 characterize the major axis 15 of the ellipse, as well as an exit point 12 on said major axis 15. It has been referred to as "a” the half length of the major axis 15 and “f” the focal length. Accordingly, the points 11 and 12 are separated from the distance "a” and each focus 4, 5 is separated from the distance "a-f" from the center 11.
  • the first focus 4 of the profile of the output diopter 3 is placed at the input diopter 2.
  • the maximum thickness of the lens along the major axis 15 is in this case equal to f ".
  • dashed lines show an extended profile 9 forming a lens 1 whose exit diopter 3 has a larger section than that of a pure elliptical type lens.
  • the lens 1 has, in a second plane perpendicular to the first plane (that is to say preferably a horizontal plane), an intersection in an arc of a circle between the diopter of output 3 and said second plane.
  • the input diopter 2 may be plane or may also have a profile comprising a circular arc along this second plane.
  • the circular arc is arranged in such a way that it receives all of the rays emitted by the light source 6.
  • the figure 4 compares more precisely the convex profile in pseudo-ellipse of the exit diopter and the convex profile of the pure reference ellipse previously described.
  • an elliptical shape is presented with an elliptical profile 8.
  • this profile 8 still appears partially in strong mixed lines but two other profiles are visible.
  • a profile 9 corresponds to the widened pseudo-ellipse geometry.
  • the output diopter 3 has a major axis substantially identical in length to that of the reference ellipse but its minor axis is larger than that of the ellipse so that the exit diopter 3 has a flared shape vertically.
  • the profile 10 corresponds to a profile similar to the profile 9 but shifted in height (or more generally in the foreground) to recenter the source 6 with respect to the optical axis 7. These two variants, differing only in the relative position of the source 6 and lens 1, is within the scope of the invention. Simply, the positioning of the profile 10 with respect to the source 6 gives a better balanced beam around the optical axis.
  • the small axis of the pseudo ellipse is larger than that of the ellipse having a large axis of the same length so as to flare up the output dioptre. Nevertheless, it is preferred that this expansion in the vertical direction is not identical above and below the major axis.
  • the size of the segment greater than 1 is advantageously greater than the dimension of the lower segment of 2 , the sum of these dimensions being moreover greater than the length of the minor axis d 3 of the reference ellipse.
  • the length of the minor axis of the pseudo ellipse is greater than that of the ellipse, a multiplier coefficient greater than 1 and preferably between 1 and 1.03.
  • the pseudo-elliptic profile of the output diopter 3 can also be extended in dimension along the direction of the optical axis 7, relative to an elliptical profile.
  • this dimensional extension is operated with a multiplying coefficient, preferably less than the previous one.
  • the light source 6 may consist of one or more sources and more particularly one or more light-emitting diodes (LEDs) (sometimes referred to in English as “monochip” or “multichip” depending on their electronic medium). In the case of a plurality of LEDs, it is advantageous to position them in the same plane. In the case of the example shown, the light source 6 consists of a single LED, positioned at a first focus.
  • LEDs light-emitting diodes
  • the Figures 5 and 6 illustrate an example of isolux curves of the projection on a screen, for example at 25 m, of light beams that can be obtained respectively with a pure elliptical profile and with the invention, for the same light source, arranged at the same distance of the input diopter of the lens, and with an identical orientation of the major axis of the lens relative to the light source and relative to the horizontal.
  • the figure 5 presents the result of a beam projection of a thickness h, with a lens whose exit diopter is purely elliptical.
  • the isolux curves are those of a beam produced by the invention and with a thickness h '. It is noted that the top of the beam of the lens according to the invention is raised much more than the bottom of the beam. It is the same for each isolux curve of the same intensity in figure 5 and in figure 6 .
  • the covered surface with a given light intensity is therefore greater with the lens according to the invention.
  • a greater luminous flux is thus observed with the lens according to the invention, a sign that fewer rays have been reflected by the exit diopter 3, in its upper part. The optical efficiency is therefore significantly improved.
  • the beams have an upper cut.
  • the lens according to the invention has retained the cut, although it is shifted upwards in these examples.
  • the lens in operating mode in the vehicle can be positioned so that this cut line is below the horizon.
  • a lens is formed whose thickness is along the optical axis and in which the ratio of the thickness to the height is constant for a given refractive index.
  • a ratio of 1.003 is satisfactory for a refractive index of 1.586 (polycarbonate) and a ratio of 0.938 is favorable for a refractive index of 1.49 (acrylic polymer type PMMA).
  • this ratio is applicable for a wide range of ellipse profile focal length.
  • Another aspect of the invention relates to a method of manufacturing a lens. It may be a lens 1 as previously presented but not necessarily.
  • this method employs a shaped mold as the lens to be made.
  • An injection point makes it possible to inject the material of the lens under pressure. This point is preferably at one end of the minor axis, in the vertical plane passing through the optical axis.
  • the dimensional ratios are thus little or not modified in the horizontal plane.
  • it is at the lower end of the minor axis that is the injection point, the latter operating from the bottom up.
  • the mold is sized so that its inner wall is oversized relative to the dimensions of the lens to be manufactured.
  • this oversizing only seeks to compensate for the shrinkage phenomenon. Oversize is then adjusted with a coefficient equivalent to 1 + "removal percentage of the injected material”.
  • the applied coefficient may be different according to the angle formed between the direction of injection (that is to say preferably the direction of the minor axis) and the line defined by the injection point and the point of the surface of the lens considered. It is thus possible to take into account the frequently anisotropic nature of post-injection withdrawal.
  • the output diopter is a portion of the ellipse in the strict sense

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Non-Portable Lighting Devices Or Systems Thereof (AREA)

Abstract

L'invention concerne une lentille optique pour dispositif d'éclairage notamment de véhicule automobile, comportant un dioptre d'entrée et un dioptre de sortie et configurée pour permettre l'émission d'un faisceau lumineux de sortie suivant un axe optique par le dioptre de sortie à réception d'un flux lumineux d'entrée par le dioptre d'entrée, le dioptre de sortie présentant un profil convexe suivant un premier plan parallèle à l'axe optique, caractérisée en ce que le profil convexe est une portion d'une pseudo-ellipse ayant un grand axe parallèle à l'axe optique (7) et un petit axe (16) sécant avec le grand axe, la pseudo ellipse différant d'une ellipse au moins en ce que ledit grand axe coupe ledit petit axe en un point différent du milieu du petit axe (16).

Description

  • La présente invention est relative notamment à une lentille optique. Une application préférée concerne l'industrie automobile pour la réalisation de dispositifs d'éclairage ce qui peut inclure des dispositifs de signalisation, notamment de projecteur de véhicule.
  • L'invention a aussi trait à un procédé de fabrication de lentilles.
  • Dans le domaine automobile, on connait des modules d'éclairage ou projecteurs, parmi lesquels on trouve traditionnellement essentiellement :
    • des feux de croisement, ou codes, d'intensité plus forte et de portée sur la route avoisinant les 70 mètres, qui sont utilisés essentiellement la nuit et dont la répartition du faisceau lumineux est telle qu'elle permet de ne pas éblouir le conducteur d'un véhicule croisé. Typiquement, ce faisceau présente une coupure en partie supérieure avec une portion horizontale, préférentiellement environ 0,57 degrés en dessous de l'horizon, afin de ne pas éclairer la zone dans laquelle devrait se trouver le conducteur d'un véhicule arrivant en sens inverse,
    • des feux de route longue portée, dont la zone de portée sur la route peut atteindre 600 mètres, et qui doivent être éteints lorsque l'on croise ou suit un autre véhicule afin de ne pas éblouir son conducteur,
    • des feux antibrouillard.
  • La mise en oeuvre de ces éclairages implique de disposer de lentilles adaptées et notamment de lentilles par lesquelles un faisceau de sortie peut être émis en direction de la zone de l'espace à illuminer, suivant une direction privilégiée constituant l'axe optique du dispositif. Diverses lentilles telles que des lentilles ayant une face de sortie « plan convexe » sont souvent utilisées à cet effet. Néanmoins leur rendement n'est actuellement pas optimal.
  • L'invention permet de résoudre au moins en partie les inconvénients des techniques actuelles.
  • Un aspect de l'invention est relatif à une lentille optique pour dispositif d'éclairage notamment de véhicule automobile, comportant un dioptre d'entrée et un dioptre de sortie et configurée pour permettre l'émission d'un faisceau lumineux de sortie suivant un axe optique par le dioptre de sortie à réception d'un flux lumineux d'entrée par le dioptre d'entrée, le dioptre de sortie présentant un profil convexe suivant un premier plan parallèle à l'axe optique, caractérisée en ce que le profil convexe est une portion d'une pseudo-ellipse ayant un grand axe parallèle à l'axe optique et un petit axe sécant avec le grand axe, la pseudo ellipse différant d'une ellipse au moins en ce que ledit grand axe coupe ledit petit axe en un point différent du milieu du petit axe.
  • La forme de la lentille ici proposée s'éloigne donc d'une forme elliptique stricte à laquelle l'homme du métier donnerait normalement sa préférence du fait qu'elle est réputée permettre la génération d'un faisceau de sortie optimal à partir d'une source de lumière avantageusement placée au niveau du premier foyer de l'ellipse. Cependant, on a constaté avec surprise que le rendement optique pouvait être fortement accru. En particulier, des simulations ont montrées que l'on peut passer d'un rendement de l'ordre de 67% pour une lentille dotée d'un dioptre de sortie purement elliptique, à un rendement de l'ordre de 77% avec l'invention. Une explication de cet effet inattendu est que la forme pseudo-elliptique est plus évasée vers le haut (suivant une direction verticale qui est l'orientation privilégiée de la lentille en fonctionnement) si bien que les rayons perdus en sortie-ceux qui ne suivent pas l'axe optique- sont fortement réduits car la réflexion est moindre dans le quadrant supérieur du profil du dioptre de sortie.
  • Suivant un mode de réalisation préféré, le grand axe de la pseudo-ellipse comprend un segment supérieur situé au-dessus de l'axe optique suivant une direction perpendiculaire à l'axe optique et de longueur supérieure à celle d'un segment inférieur de la pseudo-ellipse situé en-dessous de l'axe optique suivant cette direction perpendiculaire.
  • Selon une réalisation de l'invention, la longueur du petit axe de la pseudo-ellipse est égale à α*(a2-(a-f)2) où a est la demi longueur du grand axe de l'ellipse et de la pseudo-ellipse, f est la distance focale de l'ellipse et de la pseudo-ellipse et α est un coefficient compris entre 1 et 1.03.
  • Suivant une possibilité, un premier foyer de la pseudo-ellipse est situé sur le dioptre d'entrée.
  • Selon une réalisation de l'invention, le premier plan est vertical.
  • On donne ci-après d'autres options, toutes les options de l'invention pouvant être mises en oeuvre indépendamment ou en se combinant :
    • le dioptre de sortie présente un deuxième profil convexe suivant un deuxième plan perpendiculaire au premier plan.
    • le deuxième profil convexe est en arc de cercle.
    • elle est constituée par une lentille épaisse
  • Notamment, le dioptre de sortie peut par exemple être cylindrique, le premier profil étant une génératrice dont l'évolution le long d'une directrice rectiligne définie la forme du dioptre de sortie.
  • Egalement, le dioptre de sortie peut avoir une forme définie par l'évolution du premier profil le long du deuxième profil.
  • L'invention est aussi relative à un module optique d'éclairage, notamment pour véhicule automobile, comportant au moins une lentille ci-dessus et une source de lumière.
  • Dans un cas préféré de réalisation de ce module optique, la source lumineuse est située au voisinage d'un premier foyer de la pseudo-ellipse.
  • Optionnellement, la source lumineuse est située au dessus de l'axe optique suivant une direction verticale.
  • L'ensemble du module otique d'éclairage est préférentiellement intégrable dans un projecteur de véhicule automobile, encore appelé phare de véhicule automobile.
  • L'invention est aussi relative à un projecteur de véhicule automobile comprenant un module optique d'éclairage selon l'invention.
  • Un autre aspect de modes de réalisation avantageux de l'invention est relatif à un procédé de fabrication d'une lentille optique pour dispositif d'éclairage notamment de véhicule automobile, comportant un dioptre d'entrée et un dioptre de sortie et configuré pour permettre l'émission d'un faisceau lumineux de sortie suivant un axe optique par le dioptre de sortie à réception d'un flux lumineux d'entrée par le dioptre d'entrée, le dioptre de sortie présentant un profil convexe suivant un premier plan parallèle à l'axe optique, ledit procédé comprenant une formation d'un moule dont la paroi interne est configuré pour définir la forme de la lentille, une injection d'un matériau polymère dans le moule par un point d'injection et un démoulage de la lentille après injection, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de définition de la géométrie de la surface de la lentille dans laquelle le profil convexe est formé par une portion d'une pseudo-ellipse ayant un grand axe parallèle à l'axe optique et un petit axe sécant avec le grand axe, la pseudo ellipse différant d'une ellipse au moins en ce que ledit grand axe coupe ledit petit axe en un point différent du milieu du petit axe; une étape de définition des dimensions de la paroi interne du moule dans laquelle la distance de chaque point de la paroi du moule au point d'injection est égale au produit d'un coefficient et de la distance entre le point de la lentille correspondant audit point de la paroi du moule et un point de la surface de la lentille correspondant au point d'injection, ledit coefficient étant supérieur à 1.
  • Grâce au procédé de l'invention, de manière avantageuse, on peut compenser des phénomènes liés au retrait après l'injection. En effet, selon le matériau employé pour fabriquer la lentille, un retrait plus ou moins important se produit. II est par ailleurs souvent différent dans la direction d'injection et dans une direction transversale à la direction d'injection. Les techniques habituelles limitent les effets négatifs du retrait soit par l'emploi de matériaux subissant peu ce phénomène ce qui restreint les choix de matière, soit en réalisant le moulage en plusieurs parties ce qui implique malheureusement plusieurs moules. L'invention permet, à partir d'une géométrie de lentille à atteindre, de fixer la définition géométrique du moule avec les corrections nécessaires à la prise en compte du retrait. Un seul moule est nécessaire et le choix de la matière à injecter est bien plus large.
  • Ce procédé peut être tel que le coefficient est choisi supérieur ou égal à la somme de 1 et d'un pourcentage de retrait post-injection prédéterminé.
  • Suivant un mode de réalisation, le point d'injection est situé à une extrémité du petit axe de la pseudo-ellipse.
  • Ce procédé est avantageusement mais pas uniquement configuré pour permettre la réalisation d'une lentille selon l'invention.
  • Un autre objet de l'invention est un véhicule équipé d'au moins un dispositif de l'invention et/ou d'au moins une lentille tels qu'indiqués ci-dessus.
  • D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaitront à la lecture de la description détaillée qui suit, et en regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels :
    • La figure 1 présente en coupe, suivant un plan vertical contenant l'axe optique, la section d'une lentille dont le dioptre de sortie est elliptique et la sortie de rayons issus d'une source lumineuse au niveau d'un dioptre d'entrée.
    • La figure 2 montre un exemple de profil de lentille avec des paramètres dimensionnels et des points remarquables.
    • La figure 3 schématise en perspective une modification de profil d'un dioptre de sortie relativement à un cas purement elliptique.
    • La figure 4 illustre, en coupe suivant un plan vertical contenant l'axe optique, un dioptre à profil elliptique sur la vue de droite, et un dioptre à profil modifié selon l'invention sur la vue de gauche.
    • La figure 5 est un diagramme isolux d'un faisceau lumineux produit par un dispositif d'éclairage à dioptre à profil purement elliptique.
    • La figure 6 est un diagramme isolux d'un faisceau lumineux produit par un dispositif de l'invention.
  • Les termes « vertical » et « horizontal » sont utilisés dans la présente description pour désigner des directions, notamment des directions de faisceau, suivant une orientation perpendiculaire au plan de l'horizon pour le terme « vertical », et suivant une orientation parallèle au plan de l'horizon pour le terme « horizontal ». Elles sont à considérer dans les conditions de fonctionnement du dispositif dans un véhicule. L'emploi de ces mots ne signifie pas que de légères variations autour des directions verticale et horizontale soient exclues de l'invention. Par exemple, une inclinaison relativement à ces directions de l'ordre de + ou - 10° est ici considérée comme une variation mineure autour des deux directions privilégiées.
  • Le terme « lentille épaisse » s'entend de son acception courante à savoir d'une lentille dont l'épaisseur n'est pas négligeable devant le rayon de courbure de ses faces, au contraire d'une lentille mince.
  • De plus, les positions relatives des différents éléments optiques et des points remarquables, tels que les sources lumineuses, les foyers, les dioptres et la lentille, exprimées parfois dans la présente demande pour la simplicité de compréhension avec des termes du type « en alignement » et/ou « en correspondance » et/ou « situé sur » ou « au niveau de » ne sont pas à interpréter de manière exacte dans la mesure où de légères variations sont envisageables voire souhaitables en vue, entre autres, de corriger le caractère non parfait et certaines aberrations optiques des éléments optiques ou d'obtenir certains effets supplémentaires.
  • Le cas représenté aux différentes figures est particulièrement adapté à une implantation dans un projecteur à l'avant d'un véhicule automobile. Des dispositifs peuvent par ailleurs être implantés dans un véhicule de sorte à produire une partie avant gauche et une partie avant droite de projection de faisceaux vers l'avant du véhicule.
  • Tous types de faisceaux peuvent être formés grâce à l'invention, dont les différents feux normalisés indiqués au début de la présente description.
  • La figure 1 donne un exemple d'implantation d'une lentille dans un dispositif d'éclairage. La lentille 1 y coopère avec une source lumineuse 6 qui émet en direction d'un dioptre d'entrée 2 constitué ici par la face arrière de la lentille 1. Après propagation dans la lentille, les rayons lumineux s'organisent en sortie en un faisceau suivant sensiblement l'axe optique 7 du dispositif. La sortie de la lentille s'opère par un dioptre de sortie 3 ici constitué par la face avant de la lentille.
  • La figure 1 révèle que les rayons lumineux sortant ne sont pas entièrement dans le faisceau de sortie souhaitée. Une partie des rayons forme un flux efficace 13 effectivement dirigé selon l'axe optique, mais une autre partie constitue un flux perdu 14, essentiellement produit par une réflexion sur le dioptre de sortie 3 à la place d'une réfraction. Le flux perdu 14 pénalise le rendement optique du dispositif et l'invention, suivant des aspects avantageux, apporte une solution à ce problème grâce à la forme de lentille 1 qui sera décrite ultérieurement en détail.
  • A noter que l'invention n'est pas limitée à un choix de matériaux pour former la lentille 1. II pourra s'agir de polymères tels que : polycarbonate, polyméthacrylate de méthyle, polypropylène, polybutylène térephtalate ou autre polymères du type thermodurcissable.
  • Selon l'invention, la forme de la lentille 1 est déterminée à partir de la forme d'une lentille de référence 17 dont une section selon son épaisseur est fournie en figure 2. La section ici illustrée est plus précisément dirigée suivant un plan, dit premier plan (avantageusement vertical), parallèle à l'axe optique 7 (avantageusement contenant ledit axe optique 7). Suivant un tel plan d'intersection, la lentille de référence 17 a un dioptre d'entrée 2, ici de profil rectiligne pour cet exemple, et un dioptre de sortie 3 sous forme d'une portion d'ellipse.
  • Dans le cas illustré, les surfaces des dioptres 2, 3 se rejoignent sensiblement, avec une faible partie de raccordement au profil rectiligne. Mais ce cas n'est qu'indicatif et une surface latérale intermédiaire nulle ou au contraire plus grande pourrait être formée sans sortir du cadre de l'invention et sa forme n'est pas limitée.
  • La portion d'ellipse constituant la diode de sortie 3 peut s'étendre sur un secteur angulaire plus ou moins important mais couvre avantageusement au moins deux quadrants, respectivement quadrant 1 et quadrant 4 dans un sens trigonométrique, à l'opposé du dioptre d'entrée 2 suivant l'axe optique 7.
  • Un premier foyer 4, un deuxième foyer 5 et un centre 11 caractérisent le grand axe 15 de l'ellipse, ainsi qu'un point de sortie 12 sur ledit grand axe 15. On a dénommé « a » la demi longueur du grand axe 15 et « f » la distance focale. Partant, les points 11 et 12 sont séparés de la distance « a » et chaque foyer 4, 5 est séparé de la distance « a-f » du centre 11.
  • Dans le mode de réalisation illustré, le premier foyer 4 du profil du dioptre de sortie 3 est placé au niveau du dioptre d'entrée 2. L'épaisseur maximale de la lentille suivant le grand axe 15 est dans ce cas égale à « 2a-f ».
  • Dans un profil purement en portion d'ellipse, le petit axe 16 de l'ellipse a une longueur d3 égale à la somme des demi longueurs de petit axe (d1 + d2 avec d1 = d2) et d3 = a2 - (a - f)2.
  • En se référant maintenant à la figure 3, on a schématisé une variation de forme du dioptre de sortie 3 relativement à une forme purement elliptique. Plus précisément, des pointillés montrent un profil étendu 9 réalisant une lentille 1 dont le dioptre de sortie 3 a une section plus large que celle d'une lentille du type elliptique pure.
  • Cette figure montre par ailleurs que dans un mode de réalisation préféré, la lentille 1 présente, dans un deuxième plan perpendiculaire au premier plan (c'est-à-dire préférentiellement un plan horizontal), une intersection en arc de cercle entre le dioptre de sortie 3 et ledit deuxième plan. Le dioptre d'entrée 2 peut être plan ou également présenter un profil comprenant un arc de cercle suivant ce deuxième plan. Selon une réalisation de l'invention, l'arc de cercle est agencé de manière à ce qu'il reçoive l'ensemble des rayons émis par la source lumineuse 6. Par exemple dans le cas d'une diode électroluminescente 6, les rayons limites définissant le cône de lumière émis par la diode électroluminescente 6 et se propageant dans la lentille, sortent de la lentille par cet arc de cercle, voire correspondent aux bords de cet arc de cercle.
  • La figure 4 compare plus précisément le profil convexe en pseudo ellipse du dioptre de sortie et le profil convexe de l'ellipse pure de référence précédemment décrit. En vue de droite, une forme en ellipse est présentée avec un profil elliptique 8. En vue de gauche, ce profil 8 apparaît encore partiellement en traits mixtes forts mais deux autres profils sont visibles. Plus précisément, un profil 9 correspond à la géométrie en pseudo ellipse élargie. Avec ce profil, le dioptre de sortie 3 présente un grand axe sensiblement identique en longueur à celui de l'ellipse de référence mais son petit axe est plus grand que celui de l'ellipse si bien que le dioptre de sortie 3 a une forme évasée verticalement.
  • Le profil 10 correspond à un profil semblable au profil 9 mais décalé en hauteur (ou plus généralement dans le premier plan) pour recentrer la source 6 par rapport à l'axe optique 7. Ces deux variantes, différant uniquement par la position relative de la source 6 et de la lentille 1, entre dans le cadre de l'invention. Simplement, le positionnement du profil 10 par rapport à la source 6 donne un faisceau mieux équilibré autour de l'axe optique.
  • Comme précédemment indiqué, le petit axe de la pseudo ellipse est plus grand que celui de l'ellipse ayant un grand axe de même longueur de sorte à évaser en hauteur le dioptre de sortie. Néanmoins, il est préféré que cette expansion en direction verticale ne soit pas identique au dessus et en dessous du grand axe.
  • En effet, c'est surtout un phénomène de réflexion sur la partie haute du dioptre de sortie que l'on cherche à éviter si bien que l'on privilégie avantageusement un évasement du profil du dioptre de sortie 3 dans sa partie supérieure, correspondant au premier quadrant de l'ellipse. Autrement dit, à la différence des paramètres dimensionnels de l'ellipse de référence spécifiés en figure 2, la dimension du segment supérieur d'1 est avantageusement plus grande que la dimension du segment inférieur d'2, la somme de ces dimensions étant en outre supérieure à la longueur du petit axe d3 de l'ellipse de référence.
  • A titre d'exemple, la longueur du petit axe de la pseudo ellipse est plus grande que celle de l'ellipse, d'un coefficient multiplicateur supérieur à 1 et préférentiellement compris entre 1 et 1,03.
  • Eventuellement, le profil pseudo elliptique du dioptre de sortie 3 peut être aussi étendu en dimension suivant la direction de l'axe optique 7, relativement à un profil elliptique. Préférentiellement, cette extension dimensionnelle est opérée avec un coefficient multiplicateur, préférentiellement inférieur au précédent.
  • La source lumineuse 6 peut être constituée d'une ou plusieurs sources et plus particulièrement d'une ou plusieurs diodes électroluminescentes (LED) (parfois dénommées en anglais « monochip » ou « multichip » selon leur support électronique). Dans le cas d'une pluralité de diodes (LED), il est avantageux de les positionner dans un même plan. Dans le cas de l'exemple représenté, la source lumineuse 6 est constituée d'une seule LED, positionnée au niveau d'un premier foyer.
  • Les figures 5 et 6 illustrent un exemple de courbes isolux de la projection sur un écran, par exemple à 25m, de faisceaux lumineux que l'on peut obtenir respectivement avec un profil elliptique pur et avec l'invention, pour une même source lumineuse, disposée à la même distance du dioptre d'entrée de la lentille, et avec une orientation identique du grand axe de la lentille par rapport à la source lumineuse et par rapport à l'horizontale..
  • La figure 5 présente le résultat d'une projection de faisceau d'une épaisseur h, avec une lentille dont le dioptre de sortie est purement elliptique.
  • En figure 6, les courbes isolux sont celles d'un faisceau produit grâce à l'invention et avec une l'épaisseur h'. On constate que le haut du faisceau de la lentille selon l'invention est remonté beaucoup plus que le bas du faisceau. II en est de même pour chaque courbe isolux de même intensité en figure 5 et en figure 6. La surface couverte avec une intensité lumineuse donnée est donc supérieure avec la lentille selon l'invention. On observe donc un flux lumineux plus important avec la lentille selon l'invention, signe que moins de rayons ont été réfléchis par le dioptre de sortie 3, dans sa partie supérieure. Le rendement optique est donc nettement amélioré. Sur ces figures 5 et 6, les faisceaux présentent une coupure supérieure. La lentille selon l'invention a conservé la coupure, bien que celle-ci soit décalée vers le haut dans ces exemples. La lentille en mode de fonctionnement dans le véhicule pourra être positionnée pour que cette ligne de coupure se situe en dessous de l'horizon.
  • Suivant un autre aspect de l'invention, on forme une lentille dont l'épaisseur est suivant l'axe optique et dans laquelle le rapport de l'épaisseur sur la hauteur est constant pour un indice de réfraction donné.
  • Ainsi, pour un matériau fixé, en choisissant une valeur d'épaisseur (correspondant à la dimension 2a-f de la figure 2 pour un profil en ellipse), on peut déduire aisément la hauteur (correspondant à la dimension d3 en figure 2) qui donne satisfaction en termes d'optimisation du rendement optique. A titre d'exemple un rapport de 1,003 donne satisfaction pour un indice de réfraction de 1,586 (polycarbonate) et un rapport de 0,938 est favorable pour un indice de réfraction de 1,49 (polymère acrylique type PMMA). De manière surprenante, on a constaté que ce rapport était applicable pour un large intervalle de distance focale de profil en ellipse. Un autre aspect de l'invention est relatif à un procédé de fabrication d'une lentille. II peut s'agir d'une lentille 1 telle que précédemment présentée mais pas forcément.
  • De manière classique, ce procédé emploie un moule conformé comme la lentille à fabriquer. Un point d'injection permet d'injecter sous pression le matériau de la lentille. Ce point est préférentiellement à une extrémité du petit axe, dans le plan vertical passant par l'axe optique.
  • Les rapports dimensionnels sont ainsi peu ou pas modifiés dans le plan horizontal. Avantageusement c'est à l'extrémité inférieure du petit axe que se situe le point d'injection, celle-ci s'opérant de bas en haut.
  • Dans le procédé de l'invention, le moule est dimensionné pour que sa paroi interne soit surdimensionnée par rapport aux dimensions de la lentille à fabriquer.
  • Dans une première variante, ce surdimensionnement cherche uniquement à compenser le phénomène de retrait. La surdimension est alors ajustée avec un coefficient équivalent à 1 + « pourcentage de retrait du matériau injecté ».
  • Le coefficient appliqué peut être différent suivant l'angle formé entre la direction d'injection (c'est-à-dire préférentiellement la direction du petit axe) et la droite définie par le point d'injection et le point de la surface de la lentille considéré. On peut ainsi tenir compte du caractère fréquemment anisotrope du retrait post injection.
  • Dans une autre variante, en partant d'un contour de lentille tel que le dioptre de sortie est une portion d'ellipse au sens strict, on peut appliquer un coefficient supérieur à celui assurant la compensation du retrait. On peut ainsi parvenir à une lentille 1 à profil étendu 9 présentée précédemment : l'effet du coefficient sera d'autant plus important pour des points de la surface du dioptre de sortie éloignés du point d'injection. C'est-à-dire que le premier quadrant (celui au dessus du grand axe) de la pseudo ellipse ainsi formée est plus étendu que le quatrième quadrant (celui sous le grand axe).
  • L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation précédemment décrits mais s'étend à tous modes de réalisation conformes à son esprit.
    • REFERENCES
    • 1.
    Lentille
    2.
    Dioptre d'entrée
    3.
    Dioptre de sortie
    4.
    Premier foyer
    5.
    Deuxième foyer
    6.
    Source
    7.
    Axe optique
    8.
    Profil elliptique
    9.
    Profil étendu
    10.
    Profil recentré
    11.
    Centre
    12.
    Point de sortie sur axe
    13.
    Flux efficace
    14.
    Flux perdu
    15.
    Grand axe
    16.
    Petit axe
    17.
    Lentille de référence

Claims (15)

  1. Lentille (1) optique pour dispositif d'éclairage notamment de véhicule automobile, comportant un dioptre d'entrée (2) et un dioptre de sortie (3) et configurée pour permettre l'émission d'un faisceau lumineux de sortie suivant un axe optique (7) par le dioptre de sortie (3) à réception d'un flux lumineux d'entrée par le dioptre d'entrée (2), le dioptre de sortie (3) présentant un profil convexe suivant un premier plan parallèle à l'axe optique (7), caractérisée en ce que le profil convexe est une portion d'une pseudo-ellipse ayant un grand axe parallèle à l'axe optique (7) et un petit axe (16) sécant avec le grand axe, la pseudo ellipse différant d'une ellipse au moins en ce que ledit grand axe coupe ledit petit axe en un point différent du milieu du petit axe (16).
  2. Lentille (1) selon la revendication précédente dans laquelle le grand axe (15) de la pseudo-ellipse comprend un segment supérieur situé au-dessus de l'axe optique (7) suivant une direction perpendiculaire à l'axe optique (7) et de longueur supérieure à celle d'un segment inférieur de la pseudo-ellipse situé en-dessous de l'axe optique (7) suivant cette direction perpendiculaire.
  3. Lentille (1) selon l'une des revendications précédentes dans laquelle la longueur du petit axe (16) de la pseudo-ellipse est égale à α*(a2-(a-f)2) où a est la demi longueur du grand axe (15) de l'ellipse et de la pseudo-ellipse, f est la distance focale de l'ellipse et de la pseudo-ellipse et α est un coefficient compris entre 1 et 1.03.
  4. Lentille (1) selon l'une des revendications précédentes dans laquelle un premier foyer (4) de la pseudo-ellipse est situé sur le dioptre d'entrée (2).
  5. Lentille (1) selon l'une des revendications précédentes dans laquelle ledit premier plan est vertical.
  6. Lentille (1) selon l'une des revendications précédentes dans laquelle le dioptre de sortie (3) présente un deuxième profil convexe suivant un deuxième plan perpendiculaire au premier plan.
  7. Lentille (1) selon la revendication précédente dans laquelle le deuxième profil convexe est en arc de cercle.
  8. Lentille (1) selon l'une des revendications précédentes constituée par une lentille épaisse.
  9. Module optique d'éclairage, notamment pour véhicule automobile, comportant au moins une lentille (1) selon l'une des revendications précédentes et une source lumineuse (6).
  10. Module optique selon la revendication précédente dans lequel la source lumineuse (6) est située au voisinage d'un premier foyer (4) de la pseudo-ellipse.
  11. Module optique selon la revendication précédente dans laquelle la source lumineuse (6) est située au dessus de l'axe optique (7) suivant une direction verticale.
  12. Projecteur de véhicule automobile comprenant un module optique selon l'une des revendications 9 à 11.
  13. Procédé de fabrication d'une lentille (1) optique pour dispositif d'éclairage notamment de véhicule automobile, comportant un dioptre d'entrée (2) et un dioptre de sortie et configuré pour permettre l'émission d'un faisceau lumineux de sortie (3) suivant un axe optique (7) par le dioptre de sortie (3) à réception d'un flux lumineux d'entrée par le dioptre d'entrée (2), le dioptre de sortie (3) présentant un profil convexe suivant un premier plan parallèle à l'axe optique (7), ledit procédé comprenant une formation d'un moule dont la paroi interne est configurée pour définir la forme de la lentille (1), une injection d'un matériau polymère dans le moulepar un point d'injection et un démoulage de la lentille (1) après injection,
    caractérisé en ce qu'il comporte :
    - une étape de définition de la géométrie de la surface de la lentille (1) dans laquelle le profil convexe est formée par une portion d'une pseudo-ellipse ayant un grand axe parallèle à l'axe optique (7) et un petit axe (16) sécant avec le grand axe, la pseudo ellipse différant d'une ellipse au moins en ce que ledit grand axe coupe ledit petit axe en un point différent du milieu du petit axe (16);
    - une étape de définition des dimensions de la paroi interne du moule dans laquelle la distance de chaque point de la paroi du moule au point d'injection est égale au produit d'un coefficient et de la distance entre le point de la lentille (1) correspondant audit point de la paroi du moule et un point de la surface de la lentille (1) correspondant au point d'injection, ledit coefficient étant supérieur à 1.
  14. Procédé selon la revendication précédente dans lequel le coefficient est choisi supérieur ou égal à la somme de 1 et d'un pourcentage de retrait post-injection prédéterminé.
  15. Procédé selon l'une des deux revendications précédentes dans lequel le point d'injection est situé à une extrémité du petit axe (16) de la pseudo-ellipse.
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