FR2894345A1 - Dispositif d'eclairage a diodes electroluminescentes et guide de lumiere - Google Patents
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Abstract
Le domaine de l'invention est celui des boîtes à lumière encore appelés backlight utilisées pour l'éclairage des écrans matriciels à cristaux liquides dits LCD. Le domaine d'application est plus particulièrement celui des visualisations embarquées sur aéronefs.Depuis quelques années, les sources de lumière utilisées sont des diodes électroluminescentes de forte puissance. Un des inconvénients de ces sources est de dissiper une énergie thermique importante qui peut difficilement être évacuée au niveau de la boîte à lumière.Aussi, le dispositif d'éclairage (1) selon l'invention déporte au moyen d'un guide de lumière (12) les sources d'éclairage (11) à diodes au niveau de la zone de dissipation thermique (4) du dispositif de visualisation. L'utilisation d'un guide de lumière présente également l'avantage de faciliter le mélange des flux lumineux issus des différentes sources, permettant ainsi d'obtenir une lumière blanche à partir de sources de différentes couleurs.
Description
DISPOSITIF D'ECLAIRAGE A DIODES ELECTROLUMINESCENTES ET GUIDE DE LUMIERE.
Le domaine de l'invention est celui des boites à lumière (acronyme : BAL) encore appelés en terminologie anglo-saxonne backlight utilisées pour l'éclairage des écrans de visualisation à valve optique, notamment des écrans matriciels à cristaux liquides dits LCD (acronyme anglo-saxon pour Liquid Crystal Display). Il concerne plus particulièrement les écrans de visualisation polychromes éclairés par des boites à lumière émettant une lumière blanche. Le domaine d'application est plus particulièrement celui des visualisations embarquées sur aéronefs, mais le dispositif d'éclairage peut être utilisé pour toutes applications nécessitant des afficheurs à valve optique.
Les visualisations embarquées sur aéronefs ont des 20 caractéristiques et des spécificités particulièrement sévères. Ce sont notamment : • Une grande luminance (typiquement de l'ordre de plusieurs centaines de cdm-2). • Une grande dynamique de luminance (appelé dimming en 25 terminologie anglo-saxonne) de façon à pouvoir être utilisée de jour comme de nuit. • Des caractéristiques colorimétriques précises et indépendantes du vieillissement des composants. • Une grande durée de vie et une fiabilité élevée. 30 Une grande robustesse aux environnements aéronautiques spécifiques (températures extrêmes, dépressurisation, humidité, brouillard salin, vibrations et chocs,...). • Un poids et un volume faibles.
35 Jusqu'à une période récente, les seules sources de lumière qui assuraient l'éclairage des valves optiques étaient des tubes fluorescents. Il en existe de deux grands types qui sont les tubes dits HCFL (acronyme anglo-saxon de Hot Cathode Fluorescent Lamp) et les tubes dits CCFL (acronyme anglo-saxon de Cold Cathode Fluorescent Lamp) qui ont l'avantage de ne pas posséder de préchauffage interne. Ils nécessitent des tensions d'excitation plus élevées mais permettent de réaliser des tubes de très faible diamètre (quelques millimètres) et ont une durée de vie améliorée. Ils sont généralement préférés aux HCFL. L'emploi des tubes dits CCFL présentent cependant plusieurs inconvénients. On citera, en particulier, une technologie complexe à mettre en oeuvre nécessitant l'utilisation de hautes tensions d'alimentation, une dynamique de luminance limitée et un vieillissement de leurs caractéristiques optiques et de leurs performances.
Aussi, depuis quelques années, il est envisagé de remplacer ces sources de lumière par des diodes électroluminescentes encore appelées LEDs (acronyme anglo-saxon de Light Electroluminescent Diode). Les diodes électroluminescentes présentent de nombreux avantages : • Ce sont des composants semi-conducteurs facilement intégrables sur des circuits imprimés. • Ils nécessitent de basses tensions d'alimentation pour fonctionner. • Leurs spectres d'émission permettent de couvrir tout le spectre visible. • Ils ont un temps de réponse très faible, autorisant une grande dynamique de luminance en utilisant la modulation temporelle de leur commande. • Ils ont une grande fiabilité et une durée de vie importante, supérieures à celles des tubes.
Cependant, jusqu'à une période récente, leur emploi était limité dans la mesure où le rendement photométrique des LEDs, c'est à dire le pourcentage d'énergie électrique transformée effectivement en énergie lumineuse, restait assez médiocre et largement inférieur à celui des tubes fluorescents. Des progrès récents ont permis de réaliser des LEDs ayant des rendements voisins de ceux des tubes fluorescents. Une seule LED peut ainsi émettre un flux équivalent à celui d'un tube fluorescent.
Pour obtenir une lumière blanche, différentes solutions sont alors envisageables. Il est possible d'utiliser : • Des LEDs émettant initialement dans le bleu, recouvertes d'un luminophore jaune convertissant une partie de la lumière bleue émise en rayonnement jaune, la teinte finale de la lumière émise, mélange de bleu et de jaune, étant blanche. • Des LEDS émettant initialement dans le bleu et recouvertes de trois phosphores émettant dans trois bandes spectrales différentes (classiquement : rouge ù vert ù bleu), la teinte finale de la lumière émise, mélange de bleu, de vert et de rouge, étant blanche. • Des composants monolithiques intégrant sur une puce unique trois LEDs émettant dans trois bandes spectrales différentes. Le mélange des couleurs est obtenu par une optique d'encapsulation commune. • Des composants hybridant trois LEDs émettant dans trois bandes spectrales différentes. • Trois types de LEDs différentes émettant dans trois bandes spectrales différentes. Dans ce cas, la boite à lumière réalise le mélange des différentes lumières colorées de façon à obtenir une teinte uniforme blanche.
Les composants monolithiques ou hybridés permettent théoriquement d'aboutir à de meilleurs rendements colorimétriques. Cependant, ces technologies complexes à mettre en oeuvre restent marginales. La solution la plus prometteuse à moyen terme consiste à utiliser trois types de LEDs différentes émettant dans trois bandes spectrales différentes. En effet, cette solution permet d'obtenir des rendements élevés, dans la mesure où la lumière émise par les LEDs n'est plus atténuée par la mise en place de luminophores ou de phosphores de conversion. Les LEDs utilisées sont des composants simples à fabriquer et à mettre en oeuvre. De plus, en utilisant des réseaux de commande électriques dédiés pour chaque type de LED, il est facile d'obtenir la teinte de blanc souhaitée. Il existe deux grands types de boîtes à lumière à LEDs. Dans un premier mode de réalisation, la valve optique est éclairée par une matrice de LEDs disposées dans un plan situé sous la valve optique. Le brevet US2005001537 de la société Lumileds Lighting décrit un arrangement de ce type. Dans un second mode de réalisation, les LEDs sont disposées à la périphérie de la valve optique, le long de la tranche d'un diffuseur de lumière qui renvoie la lumière des LEDs vers I'imageur. La demande de brevet WO 03048635 de la même société Lumileds Lighting décrit une telle disposition.
Dans les deux cas, les diodes se trouvent dans un espace confiné et au voisinage immédiat de la valve optique.
Or, malgré leur très bon rendement de conversion, les LEDs émettent encore une très grande quantité de chaleur. Ainsi, une LED alimentée sous une tension de 3 volts et traversée par un courant de 350 mA dissipe près d'un watt de chaleur. Par conséquent, si l'on souhaite conserver des températures raisonnables à l'intérieur de la boîte à lumière et au niveau de I'imageur de façon à garder une durée de vie correcte de ces ensembles, il est nécessaire d'évacuer cette chaleur. Les dispositifs de ventilation ou de convection présentent plusieurs inconvénients. Si on ventile l'intérieur de l'équipement, on introduit de l'air extérieur souvent pollué qui risque de dégrader ou de polluer les composants optiques. Si on utilise une convection naturelle, il faut introduire un drain thermique en contact avec l'extérieur. Ces derniers dispositifs sont nécessairement encombrants si l'on souhaite obtenir une certaine efficacité.
L'invention résout ces difficultés de mise en oeuvre. En effet, dans le dispositif selon l'invention, les sources de lumière sont déportées dans la zone de dissipation thermique du dispositif de visualisation. En effet, le dispositif de visualisation comporte toujours un certain nombre de cartes électroniques qui assurent l'alimentation, la génération et l'affichage de l'image électronique sur l'afficheur. Ces cartes ont besoin d'être refroidies et le dispositif de visualisation comporte nécessairement une zone de ventilation ou convection dans laquelle il est possible de loger les sources de lumière.
Plus précisément, l'invention a pour objet un dispositif d'éclairage destiné à être monté dans un dispositif de visualisation électronique comportant au moins une valve optique de type à cristaux liquides, des cartes électroniques et une zone de dissipation thermique, ledit dispositif d'éclairage comprenant au moins une source de lumière et un composant optique de répartition placé sous la valve optique et assurant une répartition homogène de l'éclairage, caractérisé en ce que le dispositif d'éclairage comporte au moins un guide de lumière situé entre la source de lumière et le composant optique de répartition de telle sorte que, lorsque le dispositif d'éclairage est monté dans le dispositif de visualisation, la source de lumière est disposée dans la zone de dissipation thermique du dispositif de visualisation. Avantageusement, la source d'éclairage comporte au moins une diode électroluminescente et généralement une rangée de diodes électroluminescentes, ces diodes peuvent être de type différent émettant dans différents spectres optiques. Avantageusement, la source d'éclairage comporte au moins un radiateur.
Un filtre optique peut être disposé entre le guide de lumière et le composant optique de répartition, un collecteur de lumière peut être disposé entre la source d'éclairage et le guide de lumière, celui-ci peut être collé au moyen d'une colle transparente de même indice optique. Avantageusement, le guide de lumière a sensiblement la forme d'un parallélépipède rectangle comprenant une base inférieure, une base supérieure et des faces latérales, la base inférieure du parallélépipède étant disposée au-dessus de la source de lumière, sensiblement perpendiculairement à sa direction moyenne d'émission, la base supérieure étant disposée sous le composant optique de répartition et sensiblement le long d'un de ses côtés, la hauteur des faces latérales du parallélépipède étant suffisante pour assurer l'homogénéité du flux lumineux issu de sources ponctuelles. Préférentiellement, la hauteur des faces latérales est d'un ordre de grandeur plus grande qu'une des dimensions des bases. Les faces latérales du parallélépipède peuvent être traitées réfléchissantes.
Avantageusement, le composant optique de répartition a une forme prismatique comprenant une base et deux faces latérales planes inférieure et supérieure, la face supérieure étant sensiblement parallèle au plan de la valve optique, la base supérieure du guide de lumière étant située sous la face inférieure du prisme, du côté de la base du prisme.
Avantageusement, la base du prisme comporte un pan coupé disposé sensiblement à 45 degrés du plan moyen des faces latérales planes. De plus, ledit dispositif peut comporter une deuxième source de lumière, un deuxième guide de lumière et un deuxième composant optique de répartition, le premier guide étant disposé d'un côté de la valve optique, le second guide étant disposé du côté opposé.
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non 10 limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles : • La figure 1 représente une vue en coupe d'un dispositif selon l'invention intégré à un dispositif de visualisation ; • La figure 2 représente une vue tridimensionnelle éclatée du dispositif d'éclairage selon l'invention ; 15 • La figure 3 représente une vue en coupe d'un dispositif de visualisation comportant deux dispositifs d'éclairage selon l'invention.
La figure 1 représente une vue coupe d'un dispositif de visualisation comportant un dispositif d'éclairage 1 selon l'invention. Sur cette 20 figure, par souci de clarté, les différents éléments mécaniques nécessaires au maintien et à la protection des éléments optiques et électroniques ne sont pas représentés. Le dispositif de visualisation comprend essentiellement : • Une valve optique 20 qui est généralement un écran matriciel à cristaux liquides dit LCD. Cette valve optique est reliée à sa périphérie à des circuits de commande 21 dits circuits drivers ; • Un ensemble électronique 3 comprenant essentiellement une carte d'interconnexion 33, un module électronique 32 assurant la génération et la mise en forme graphique de l'image électronique encore appelé processeur graphique et une carte de régulation et de contrôle de l'éclairage dite carte dimming ; • Une zone de dissipation thermique 4 ; 25 30 • Le dispositif d'éclairage 1 proprement dit qui assure l'éclairage par transmission de la cellule LCD. Celui-ci comporte essentiellement, comme indiqué sur la vue 5 éclatée de la figure 2 : • Une source d'éclairage 11 ; • Un guide de lumière 12 ; • Un composant optique de répartition 13.
10 La flèche en pointillés indique le parcours d'un rayon lumineux issu de la source 11 à l'intérieur de l'ensemble du dispositif d'éclairage 1.
Comme il a été dit, les sources peuvent être de différente nature. Cependant, le dispositif est bien adapté pour fonctionner avec des diodes 15 électroluminescentes. Ces diodes peuvent être de différent type, l'objectif étant d'obtenir un éclairage sensiblement blanc et homogène. A titre d'exemple, il est possible d'utiliser des diodes émettant dans différents spectres optiques. Le mélange des spectres réalisé par le guide de lumière permet de retrouver une lumière blanche. Cette solution présente plusieurs 20 avantages. En particulier, il est facile de moduler la couleur finale en modulant le flux lumineux émis par chaque type de LED. On adapte ainsi parfaitement la couleur émise en fonction de l'imageur et de son utilisation finale. Il est également possible au moyen d'un capteur de lumière de déterminer le flux émis par les LEDs et la répartition spectrale de ce flux, on 25 peut ainsi réaliser un asservissement des flux émis permettant de conserver des paramètres photométriques ou colorimétriques déterminés. A titre d'exemple, Il est possible d'utiliser des barrettes de diodes telles que celle qui sont commercialisées par la société LUXEON sous la marque DCC. 30 Bien entendu, pour faciliter l'évacuation de la chaleur générée par les sources de lumière, un radiateur 15 peut être disposé au voisinage de la source. Ces radiateurs peuvent être classiquement des radiateurs à ailettes.
Le guide de lumière 12 est situé entre la source de lumière 11 et 35 le composant optique de répartition 13. Généralement, pour des raisons de facilité d'implantation, ce guide sera situé le long des cartes électroniques. Pour augmenter les rendements photométriques, il est possible de disposer, entre la source de lumière et le guide de lumière, un collecteur de lumière qui peut être une pièce mécanique creuse traitée réfléchissante sur sa partie interne. Il est également possible d'amener le guide au contact de la source d'éclairage. Dans ce cas, pour éviter les pertes par réflexions vitreuses, il est intéressant de disposer une colle d'adaptation d'indice optique entre le guide et la source. La partie du guide opposée à la source de lumière peut comporter un filtre optique 16. Ce filtre optique peut être utilisé, par exemple, pour filtrer le proche infra-rouge. En effet, pour certaines applications, les dispositifs de visualisation doivent pouvoir être compatibles de l'utilisation de jumelles de vision de nuit qui fonctionnent dans le proche infra-rouge. Il est intéressant de disposer un filtre à ce niveau de façon à obtenir un filtre de petites dimensions. Le guide peut avoir différentes formes. Cependant, pour des raisons de simplicité de réalisation, le guide de lumière a sensiblement la forme d'un parallélépipède rectangle comprenant une base inférieure, une base supérieure et des faces latérales, la base inférieure du parallélépipède étant disposée au-dessus de la source de lumière, sensiblement perpendiculairement à sa direction moyenne d'émission. Pour assurer un mélange correct des couleurs émises par les LEDs et une bonne homogénéité d'éclairage, la hauteur des faces latérales du parallélépipède est au moins égale a la distance nécessaire pour que les rayons lumineux se mélangent correctement. Préférentiellement, elle est d'un ordre de grandeur plus grande qu'une des dimensions des bases. Par exemple, si la base a une largeur de 5 millimètres, la hauteur du guide doit être environ de 70 millimètres. Le guide d'onde peut être agencé de façon que les rayons lumineux se propage à l'intérieur du guide par réflexion totale sur les faces latérales. Pour améliorer les rendements, il est possible de traiter réfléchissantes les faces latérales du guide. Il est préférable, pour des raisons de coût et de facilité de réalisation de réaliser le guide en verre organique comme le PMMA (Poly 35 Méthyl MétAcrylate).
Le composant optique de répartition 13 disposé sous la matrice LCD peut être réalisé de différentes façons. Il est important qu'il réalise un couplage optique le plus parfait possible avec le guide de lumière 12. Une façon simple de faire est d'utiliser un composant prismatique. Dans ce cas, le composant optique de répartition comprend une base et deux faces latérales planes inférieure et supérieure, la face supérieure étant sensiblement parallèle au plan de la valve optique. Généralement, l'angle du prisme entre les deux faces latérales est faible, inférieur à 10 degrés. Pour faciliter la propagation des rayons lumineux issus du guide de lumière à l'intérieur de ce composant, la base du prisme peut comporter un pan coupé disposé sensiblement à 45 degrés du plan moyen des faces latérales planes. Ce pan peut être traité réfléchissant. Le composant prismatique peut également comporter, pour faciliter la diffusion de la lumière des stries, des rainures ou encore des traitements optiques. On peut également adjoindre au composant optique de répartition des dispositifs complémentaires comme des films de Fresnel comportant des structures régulières permettant d'améliorer l'homogénéité de la répartition de la lumière ou son degré de polarisation. Si l'afficheur est de grandes dimensions, il est possible qu'un seul dispositif d'éclairage ne permette pas d'assurer à la fois l'homogénéité de l'éclairage sur toute la surface de l'afficheur ; Dans ce cas, il est possible, comme indiqué sur la figure 3, de disposer deux dispositifs d'éclairage selon l'invention suivant deux côtés parallèles de l'afficheur. Dans ce cas, le composant optique de répartition peut être commun aux deux dispositifs d'éclairage. Si chacun des deux dispositifs d'éclairage a son propre composant optique de répartition et si ces composants optiques sont des prismes, ils peuvent être disposés tête-bêche.
Claims (14)
1. Dispositif d'éclairage (1) destiné à être monté dans un dispositif de visualisation électronique comportant au moins une valve optique (20) de type à cristaux liquides, des cartes électroniques (31, 32, 33) et une zone de dissipation thermique (4), ledit dispositif d'éclairage comprenant au moins une source de lumière (11) et un composant optique de répartition (13) placé sous la valve optique et assurant une répartition homogène de l'éclairage, caractérisé en ce que le dispositif d'éclairage comporte au moins un guide de lumière (12) situé entre la source de lumière et le composant optique de répartition de telle sorte que, lorsque le dispositif d'éclairage est monté dans le dispositif de visualisation, la source de lumière est disposée dans la zone de dissipation thermique du dispositif de visualisation.
2. Dispositif d'éclairage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source d'éclairage (11) comporte au moins une diode 20 électroluminescente.
3. Dispositif d'éclairage selon la revendication 2, caractérisé en ce que la source d'éclairage (11) comporte au moins une rangée de diodes électroluminescentes.
4. Dispositif d'éclairage selon la revendication 3, caractérisé en ce que la source d'éclairage (11) comporte des diodes de type différent émettant dans différents spectres optiques. 30
5. Dispositif d'éclairage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source d'éclairage (11) comporte au moins un radiateur (15).
6. Dispositif d'éclairage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un filtre optique (16) est disposé entre le guide de lumière et le composant 35 optique de répartition. 25
7. Dispositif d'éclairage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un collecteur de lumière (14) est disposé entre la source d'éclairage et le guide de lumière.
8. Dispositif d'éclairage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le guide de lumière (12) est collé au moyen d'une colle transparente d'indice optique sensiblement égal à celui du guide de lumière sur la source de lumière (11). 10
9. Dispositif d'éclairage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le guide de lumière (12) a sensiblement la forme d'un parallélépipède rectangle comprenant une base inférieure, une base supérieure et des faces latérales, la base inférieure du parallélépipède étant disposée au-dessus de 15 la source de lumière (11), sensiblement perpendiculairement à sa direction moyenne d'émission, la base supérieure étant disposée sous le composant optique de répartition (13) et sensiblement le long d'un de ses côtés.
10. Dispositif d'éclairage selon la revendication 9, caractérisé en 20 ce que la hauteur des faces latérales du parallélépipède est d'un ordre de grandeur plus grande que la distance nécessaire au mélange des rayons lumineux de la source d'éclairage.
11. Dispositif d'éclairage selon la revendication 9, caractérisé en 25 ce que les faces latérales du parallélépipède sont traitées réfléchissantes.
12. Dispositif d'éclairage selon l'une des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que le composant optique de répartition (13) a une forme prismatique comprenant une base et deux faces latérales planes inférieure et 30 supérieure, la face supérieure étant sensiblement parallèle au plan de la valve optique, la base supérieure du guide de lumière étant située sous la face inférieure du prisme, du côté de la base du prisme.5
13. Dispositif d'éclairage selon la revendication 12, caractérisé en ce que la base du prisme comporte un pan coupé disposé sensiblement à 45 degrés du plan moyen des faces latérales planes.
14. Dispositif d'éclairage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit dispositif comporte une deuxième source de lumière, un deuxième guide de lumière et un deuxième composant optique de répartition, le premier guide étant disposé d'un côté de la valve optique, le second guide étant disposé du côté opposé.10
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2005
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| PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 1999, no. 11 30 September 1999 (1999-09-30) * |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| ST | Notification of lapse |
Effective date: 20160831 |