FR3030065A1 - Dispositif de generation d'images et afficheur tete haute de vehicule automobile - Google Patents

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Abstract

L'invention a pour objet un dispositif de génération d'images (10) pour afficheur tête haute (100) de véhicule automobile, comprenant un écran à cristaux liquide (12) et un dispositif de rétro-éclairage (14), ledit dispositif de rétro-éclairage (14) comportant : au moins une diode électroluminescente (16), un boîtier (28 ; 29) entourant l'espace compris entre la au moins une diode électroluminescente (16) et l'écran à cristaux liquide (12), caractérisé en ce que ledit boîtier (28 ; 29) est coudé, le dispositif de génération d'images (10) comportant en outre une surface réfléchissante (31 ; 32) agencée dans une portion coudée (28c ; 29c) du boîtier (28 ; 29) et orientée de manière à réfléchir la lumière émise par la au moins une diode électroluminescente (16) en direction de l'écran (12). L'invention concerne également un afficheur tête haute (100).

Description

1 Dispositif de génération d'images et afficheur tête haute de véhicule automobile L'invention concerne un dispositif de génération d'images pour afficheur tête haute de véhicule automobile permettant d'informer les utilisateurs du véhicule, en particulier son conducteur. Il est connu d'équiper un véhicule automobile avec un visionneur tête haute, également connu sous le nom d'afficheur tête haute ou HUD (pour « Head-Up Display » en anglais). Un tel afficheur est placé dans le champ de vision du conducteur automobile et affiche une information relative à l'état du véhicule, du trafic ou autre. Ce type d'afficheur tête haute pour véhicule automobile nécessite l'obtention d'une image avec une luminosité suffisante pour que l'utilisateur, et notamment le conducteur du véhicule, puisse suffisamment voir l'image, et ce en toute situation, jour et nuit et selon les conditions météorologiques.
Parmi les technologies possibles pour former une telle image grâce à l'afficheur tête haute, la plus utilisée dans l'art antérieur est la technologie d'écran à cristaux liquides, notamment d'écran à cristaux liquides à transistors en couches minces, dits TFT-LCD (pour « Thin-Film Transistor Liquid Crystal Display » en anglais). Ces écrans TFT-LCD nécessitent, pour l'affichage d'une image, un rétro-éclairage généralement effectué par une pluralité de diodes électroluminescentes (DEL ou LED pour « Light-Emitting Diode » en anglais). En pratique, cet écran TFT-LCD et le rétro-éclairage sont compris dans un ensemble appelé dispositif de génération d'images (ou « imager » en anglais). Entre l'écran à cristaux liquides et les LEDs, le dispositif de génération d'images comporte différents éléments de traitement et/ou de filtrage de la lumière afin d'optimiser le rétro-éclairage, appelés dans leur ensemble système optique. Ces éléments successivement traversés par la lumière provenant des LEDs en direction de l'écran à cristaux liquides sont généralement un réseau de lentilles, un collimateur et un diffuseur pour la collimation et l'homogénéisation de la lumière provenant des LEDs. Le collimateur est formé d'une lentille biconvexe cylindrique s'étendant transversalement sur une dimension au moins égale à la largeur de l'écran à cristaux liquides, tel que de l'ordre de 30 millimètres, de manière à éclairer 3030065 2 l'écran à cristaux liquides sur toute la largeur. C'est donc une lentille de dimension importante, généralement réalisée spécifiquement. Le dispositif de génération d'images peut être installé sous le tableau de bord du véhicule. Cependant, la place disponible sous le tableau de bord est 5 réduite. Elle est notamment occupée par le conduit de ventilation, la colonne de direction et d'autres composants du véhicule de sorte qu'il n'est pas toujours possible d'intégrer un dispositif de génération d'images. Un but de la présente invention est de proposer un dispositif de génération d'images qui soit mieux adapté à l'espace disponible dans le véhicule. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de génération d'images pour afficheur tête haute de véhicule automobile, comprenant un écran à cristaux liquide et un dispositif de rétro-éclairage, ledit dispositif de rétro-éclairage comportant : au moins une diode électroluminescente, 15 un boîtier entourant l'espace compris entre la au moins une diode électroluminescente et l'écran à cristaux liquide, caractérisé en ce que ledit boîtier est coudé, le dispositif de génération d'images comportant en outre une surface réfléchissante agencée dans une portion coudée du boîtier et orientée de manière à réfléchir la lumière émise par 20 la au moins une diode électroluminescente en direction de l'écran. L'utilisation d'un boîtier coudé et d'une surface réfléchissante agencée dans sa portion coudée permet de replier le faisceau lumineux du rétroéclairage. On conserve ainsi la fonction de rétroéclairage de l'écran à cristaux liquides tout en permettant une certaine modularité du dispositif de génération d'images qui 25 peut présenter une forme mieux adaptée à l'encombrement disponible. Selon un premier exemple de réalisation, la surface réfléchissante est concave. Une surface réfléchissante concave permet de former un étage de collimation supplémentaire de la lumière, permettant d'obtenir un faisceau de rayons lumineux parallèles au niveau de l'écran à cristaux liquides, sans 30 nécessiter l'emploi supplémentaire d'une lentille collimateur supplémentaire, particulièrement encombrante et couteuse. La surface réfléchissante peut être définie par la somme de l'équation d'une conique et d'une série de polynômes. Les paramètres de l'équation de la 3030065 3 surface réfléchissante peuvent ainsi être optimisés par simulation logicielle. Selon un deuxième exemple de réalisation, la surface réfléchissante est une surface plane inclinée. Selon une ou plusieurs caractéristiques du dispositif de génération 5 d'images, prise seule ou en combinaison : le dispositif de génération d'images comporte un support fixé au boîtier, la surface réfléchissante étant formée par un revêtement métallique déposé sur le support, le support est obtenu par injection plastique, 10 la surface réfléchissante est formée par une surface interne de la portion coudée du boîtier, la surface réfléchissante est une surface miroir, le coude du boîtier forme un angle compris entre 30 et 120°. L'invention a aussi pour objet un afficheur tête haute, caractérisé en ce 15 qu'il comprend un dispositif de génération d'images tel que décrit précédemment. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante donnée à titre uniquement non limitatif et qui se réfère aux figures annexées dans lesquelles : 20 la figure 1 est une vue schématique en perspective d'un premier exemple de réalisation d'un dispositif de génération d'images, la figure 2 montre une vue schématique d'un afficheur tête haute, la figure 3 est une vue schématique en perspective d'un deuxième exemple de réalisation d'un dispositif de génération d'images, et 25 la figure 4 est une vue du dispositif de génération d'images de la figure 3, ayant pivoté selon une vue sensiblement de dessous. Sur ces figures, les éléments identiques portent les mêmes numéros de référence. Dans la suite de la description, on adoptera à titre non limitatif des 30 directions X, Y et Z indiquées sur les figures 1 et 3 par le trièdre (X, Y, Z) fixe par rapport au dispositif de génération d'images 10. La figure 1 représente un premier exemple de réalisation d'un dispositif 3030065 4 de génération d'images 10. Le dispositif de génération d'images 10 comprend un écran à cristaux liquides 12 et un dispositif de rétro-éclairage 14. L'écran à cristaux liquides 12 est par exemple un écran à cristaux liquides 5 à transistors en couches minces, communément appelé écran TFT-LCD (pour « Thin-Film Transistor Liquid Crystal Display » en anglais). Le dispositif de rétro-éclairage 14 a pour fonction d'apporter à l'écran à cristaux liquides 12, la lumière nécessaire à la formation de l'image. Pour ce faire, le dispositif de rétro-éclairage 14 comprend notamment au moins une et de 10 préférence un ensemble de diodes électroluminescentes 16, aussi appelées DELs ou LEDs (pour « Light Emitting Diodes » en anglais), et utilisé dans la suite de la description), placées sur une plaque de support 18 du dispositif de rétro-éclairage 14. Dans ce mode de réalisation, la plaque de support 18 comporte un circuit 15 imprimé, aussi appelé PCB (pour « Printed Circuit Board » en anglais). Le circuit imprimé utilisé peut être par exemple de type FR4 (pour « Flame Resistant » en anglais) ou bien IMS (pour « lnsulated Metal Substrate » en anglais). L'utilisation d'un circuit IMS permet notamment une meilleure dissipation thermique. Le circuit imprimé permet à la fois le support physique et la connexion électrique (à 20 une alimentation et à d'éventuels autres composants électroniques non représentés) des LEDs 16. Entre l'écran à cristaux liquides 12 et les LEDs 16, se trouvent différents éléments de traitement et/ou de filtrage de la lumière afin d'optimiser le rétro-éclairage, appelés dans leur ensemble système optique. Dans le mode de 25 réalisation présenté à la figure 1, ces éléments faisant partie du dispositif de rétro-éclairage 14 et successivement traversés par la lumière provenant des LEDs 16 en direction de l'écran à cristaux liquides 12, sont un réseau de lentilles 20 et un diffuseur 22. Le réseau de lentilles 20 permet de former un premier étage de 30 collimation de la lumière provenant des LEDs 16 pour limiter les pertes de puissance lumineuse si une partie de lumière n'est pas dirigée vers l'écran à cristaux liquides 12. Généralement, le réseau de lentilles 20 comprend une lentille par LED 16, chaque lentille étant disposée au-dessus de chaque LED 16.
3030065 5 Le diffuseur 22, agencé en amont de l'écran à cristaux liquides 12 dans la direction de propagation de la lumière, permet l'homogénéisation de la lumière, de façon à éclairer l'écran à cristaux liquides 12 pour permettre la formation d'une image de bonne qualité, c'est-à-dire de luminosité sensiblement uniforme.
5 De plus, le diffuseur 22 permet de masquer l'intérieur du dispositif de rétro- éclairage 14. Le dispositif de rétro-éclairage 14 comporte également un boîtier 28 entourant l'espace contenu entre les LEDs 16 et l'écran à cristaux liquides 12, généralement appelé boite à lumière notamment dans le domaine automobile. Le 10 boîtier 28 permet notamment que la lumière se propageant des LEDs 16 à l'écran à cristaux liquides 12 reste dans le dispositif de rétro-éclairage 14. Le boîtier 28 est coudé, c'est-à-dire que son orientation principale n'est pas rectiligne mais comporte au moins une inclinaison. Le coude du boîtier 28 forme un angle par exemple compris entre 30 et 120°. Par exemple et comme 15 représenté sur la figure 1, le boîtier 28 comporte un coude formant un angle de l'ordre de 90°. La portion coudée 28c du boîtier 28 peut être inclinée dans l'espace selon une ou plusieurs directions du repère (X, Y, Z), en fonction de la place disponible.
20 Le dispositif de génération d'images 10 comporte en outre une surface réfléchissante 31 agencée dans la portion coudée 28c du boîtier 28. La surface réfléchissante 31 est orientée de manière à réfléchir la lumière émise par les LEDs 16 en direction de l'écran à cristaux liquides 12. L'utilisation d'un boîtier 28 coudé et d'une surface réfléchissante 31 25 agencée dans sa portion coudée 28c permet de replier le faisceau lumineux du rétroéclairage. On conserve ainsi la fonction de rétroéclairage de l'écran à cristaux liquides 12 tout en permettant une certaine modularité du dispositif de génération d'images 10 qui peut présenter une forme mieux adaptée à l'encombrement disponible.
30 La surface réfléchissante 31 peut être une surface miroir qui réfléchit les rayons lumineux de manière symétrique, l'angle d'incidence des rayons lumineux étant égal à l'angle de réflexion de sorte que tous les rayons lumineux peuvent être orientés vers le diffuseur 22. Le coefficient de réflexion de la surface miroir 3030065 6 concave 31 est par exemple supérieur ou égal à 90%. Selon un premier exemple de réalisation représenté sur les figures 1 et 2, la surface réfléchissante 31 est concave. Une surface réfléchissante 31 concave permet de former un deuxième 5 étage de collimation de la lumière, permettant d'obtenir un faisceau de rayons lumineux parallèles au niveau de l'écran à cristaux liquides 12, sans nécessiter l'emploi supplémentaire d'une lentille collimateur supplémentaire, particulièrement encombrante et couteuse. La surface réfléchissante 31 concave peut présenter une portion de 10 sphère, d'ellipse, de parabole ou d'hyperbole. Selon un exemple de réalisation, la surface réfléchissante 31 est définie par la somme de l'équation d'une conique et d'une série de polynômes. Cette surface peut être définie par programme d'ordinateur, telle qu'une « Freeform Surface» en anglais obtenue par un programme de conception de 15 designs optiques comme « Zemax ». L'équation de la surface réfléchissante 31 peut ainsi être définie dans le repère (X, Y, Z) par l'équation suivante : où : 20 N est le nombre de coefficients polynomiaux, A, est le coefficient du iè" polynôme, c est la courbure qui est égale à l'inverse du rayon de courbure R de la conique (c=1/R), r est la racine de (x2+y2), 25 k est la conicité (ou constante de la conique), et E, est le terme du polynôme en x et y de degré i. Suivant la valeur de conicité k, le profil de la surface réfléchissante 31 prendra différentes formes (k>0 : elliptique, k=0 : sphérique, -1<k<0 : elliptique, k=-1 : parabolique, k<-1 : hyperbolique).
30 L'ordre maximum de la série de polynômes est vingt pour un maximum de 230 coefficients polynomiaux. Les valeurs des positions x et y sont divisées par 3030065 7 une valeur normalisée de rayon de sorte que les coefficients polynomiaux soient sans dimensions. On peut limiter le nombre de coefficients polynomiaux N à six, de sorte que la série de polynômes comporte 27 termes : deux termes d'ordre un (x, y), , , , 5 trois termes d'ordre deux (x2, xy, y2), quatre termes d'ordre trois (x3, x2y xy2 y3) , , , , , cinq termes d'ordre quatre (x4, x3y x2y2 xy3 y4 ) six termes d'ordre 5 (x5, x4y, x3y2, x2y3, xy4, 5, y ) et sept termes d'ordre 6 (x6, x5y, x4y2, x3y3, x2y4, xy5, y6). Les paramètres de l'équation de la surface réfléchissante 31 peuvent ainsi être optimisés par simulation logicielle.
10 Le boîtier 28 est par exemple en matériau plastique. Il est par exemple obtenu par injection. En outre, le boitier 28 peut être réalisé dans un matériau réfléchissant, tel qu'en polycarbonate, pour éviter les pertes de puissances lumineuses par absorption de lumière.
15 On prévoit en outre par exemple que la surface réfléchissante 31 soit un élément distinct du boîtier 28, pour faciliter la réalisation. Le dispositif de génération d'images 10 peut comporter un support 26 fixé au boîtier 28, par exemple par collage ou par un montage en force, avec éventuellement interposition de mousse. Le support 26 est par exemple en 20 matériau plastique. Il peut être obtenu par injection plastique, ce qui permet d'obtenir n'importe quelle forme, y compris des formes complexes de type « Freeform Surface». La surface réfléchissante 31 peut être formée par un revêtement métallique, tel qu'en Aluminium, déposé sur le support 26.
25 La figure 2 montre le dispositif de génération d'images 10 dans un afficheur tête haute. En aval de l'écran à cristaux liquides 12, l'afficheur 100 comprend un miroir 126 plan et un combineur 125. Le trajet de l'image est symbolisé par trois flèches 30 en pointillés qui, une fois émise du dispositif de génération d'images 30 10, se réfléchit sur le miroir 126 avant d'être projetée sur le combineur 125. Ce dernier permet un grossissement et/ou, par transparence, un affichage de l'image au-delà du combineur 125, notamment au-delà du pare-brise du véhicule dans une zone 128 ou au niveau du pare-brise du véhicule équipé dudit afficheur 3030065 8 100. La lumière 30 qui est projetée sur le combineur 125 est réfléchie sur l'oeil 127 du conducteur du véhicule automobile. Les figures 3 et 4 illustrent un deuxième exemple de réalisation du dispositif de génération d'images 10.
5 Dans ce mode de réalisation, le système optique comporte un collimateur 21 agencé entre l'écran à cristaux liquides 12 et le réseau de lentilles 20, permettant de former un deuxième étage de collimateur pour obtenir un faisceau de rayons lumineux parallèles, les LEDs 16 étant positionnées dans le foyer du collimateur 21.
10 Le collimateur 21 est par exemple une lentille biconvexe cylindrique, c'est- à-dire que la forme biconvexe de la lentille s'étend par translation dans la direction Y, sur une dimension au moins égale à la largeur de l'écran à cristaux liquide 12, par exemple de l'ordre de 30 millimètres, de manière à éclairer toute la largeur de l'écran à cristaux liquide 12.
15 La surface réfléchissante 32 est agencée dans la portion coudée du boîtier 29c, et est orientée de manière à réfléchir la lumière émise par les LEDs 16 en direction de l'écran à cristaux liquides 12. Dans ce mode de réalisation, la surface réfléchissante 32 est plane. Elle forme un angle a supérieur à 0° et inférieur à 90°, tel qu'un angle compris entre 20 30 et 60°, avec la direction principale P d'un couloir de lumière 29b du boîtier 29, situé en aval de la portion coudée 29c dans la direction de propagation du faisceau lumineux. Dans l'exemple représenté, la surface réfléchissante 32 est inclinée de 45°. La surface réfléchissante 32 peut être celle d'un élément distinct du 25 boîtier 29 ou peut être formée par une surface interne de la portion coudée 29c du boîtier 29, permettant de réduire le nombre de pièces et ainsi le coût du dispositif de génération d'images. En outre, l'assemblage est facilité. Dans l'exemple représenté, la surface réfléchissante 32 forme la portion coudée 29c du boîtier 29 et relie le premier couloir de lumière 29a au deuxième couloir de 30 lumière 29b perpendiculaire. L'écran à cristaux liquide 12 peut être incliné dans le dispositif de génération d'images 10. Il forme un angle par exemple compris entre 0° et 40° avec la direction principale P du deuxième couloir de lumière 28b du boîtier 28.
3030065 9 L'écran 12 incliné permet d'éviter l'éblouissement du conducteur par les rayons lumineux du soleil par réflexion dans le miroir 126 de l'afficheur 100.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS1. Dispositif de génération d'images (10) pour afficheur tête haute (100) de véhicule automobile, comprenant un écran à cristaux liquide (12) et un dispositif de rétro-éclairage (14), ledit dispositif de rétro-éclairage (14) comportant : au moins une diode électroluminescente (16), un boîtier (28 ; 29) entourant l'espace compris entre la au moins une diode électroluminescente (16) et l'écran à cristaux liquide (12), caractérisé en ce que ledit boîtier (28 ; 29) est coudé, le dispositif de génération d'images (10) comportant en outre une surface réfléchissante (31 ; 32) agencée dans une portion coudée (28c ; 29c) du boîtier (28 ; 29) et orientée de manière à réfléchir la lumière émise par la au moins une diode électroluminescente (16) en direction de l'écran (12).
  2. 2. Dispositif de génération d'images (10) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la surface réfléchissante (31) est concave.
  3. 3. Dispositif de génération d'images (10) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la surface réfléchissante (31) est définie par la somme de l'équation d'une conique et d'une série de polynômes.
  4. 4. Dispositif de génération d'images (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface réfléchissante (32) est une surface plane inclinée.
  5. 5. Dispositif de génération d'images (10) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un support (26) fixé au boîtier (28), la surface réfléchissante (31) étant formée par un revêtement métallique déposé sur le support (26).
  6. 6. Dispositif de génération d'images (10) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le support (26) est obtenu par injection plastique.
  7. 7. Dispositif de génération d'images (10) selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la surface réfléchissante (31 ; 32) est formée par une surface interne de la portion coudée (28c ; 29c) du boîtier (28 ; 29).
  8. 8. Dispositif de génération d'images (10) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la surface réfléchissante (31) est une surface miroir. 3030065 11
  9. 9. Dispositif de génération d'images (10) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le coude du boîtier (28 ; 29) forme un angle compris entre 30 et 120°.
  10. 10. Afficheur tête haute (100), caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de 5 génération d'images (10) selon l'une des revendications précédentes.
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