FR3044384A1 - Systeme optique a tres haute luminance - Google Patents
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Abstract
Système optique d'émission lumineuse, comprenant : - une pluralité d'éléments photoémissifs (10) à semi-conducteurs adaptés pour générer de la lumière, - un élément de conversion et de diffusion de lumière (14) adapté pour convertir une partie de la lumière (L1) issue des éléments photoémissifs (10) en une lumière convertie et pour diffuser une autre partie de ladite lumière, produisant ainsi une lumière diffusée, et - un dispositif de focalisation (12) couplé aux éléments photoémissifs (10) et configuré pour collecter et focaliser la lumière générée par les éléments photoémissifs sur l'élément de conversion et de diffusion de lumière (14). Dispositif d'éclairage ou de signalisation pour véhicule automobile comprend un tel système optique.
Description
Système optique à très haute luminance L’invention concerne les dispositifs d’éclairage ou de signalisation pour véhicules automobiles, et plus particulièrement les systèmes optiques d’émission lumineuse à base d’éléments photoémissifs à semi-conducteurs.
Afin d’obtenir des systèmes optiques fournissant une intensité lumineuse conforme aux normes prescrites tout en limitant l’impact de cette intensité lumineuse sur la compacité des systèmes optiques, il est souhaitable d’obtenir des systèmes optiques de forte luminance. De manière connue, la luminance L d’une source lumineuse est définie comme le rapport entre son intensité lumineuse I et sa surface apparente S, c’est-à-dire que L= I/S, l’intensité lumineuse étant elle-même définie comme la quantité de lumière émise par la source lumineuse dans une direction donnée.
Pour augmenter l’intensité lumineuse fournie par une source lumineuse donnée, il est donc nécessaire d’augmenter sa luminance et/ou sa surface apparente. Or, ces paramètres sont difficilement modifiables pour les éléments photoémissifs à semi-conducteurs tels que les diodes électroluminescentes. A l’heure actuelle, les diodes laser sont perçues par l’homme du métier comme un moyen privilégié d’obtenir un système optique à forte luminance. On connaît ainsi des dispositifs d’éclairage ou de signalisation reposant sur l’emploi de telles diodes laser.
Toutefois, de tels dispositifs présentent certains inconvénients. D’une part, les diodes laser présentent un coût élevé. D’autre part, la plage thermique de fonctionnement de ces composants est fortement limitée, ce qui impose une régulation thermique plus exigeante que pour les diodes non laser. De plus, la chaleur dégagée par de tels composants impose une tenue thermique adéquate des éléments environnants, impliquant entre autres un certain coût. Enfin les diodes laser présentent des risques sanitaires liés à la sécurité oculaire en cas d'exposition directe de l’œil au faisceau laser émis par la diode laser.
Cette technologie présente donc des inconvénients lorsqu’il s’agit d’obtenir des systèmes optiques à forte luminance. L’un des objets de l’invention est de proposer un système lumineux de forte luminance qui ne présente pas ces inconvénients. A cet effet, l’invention concerne un système optique d’émission lumineuse, comprenant : - une pluralité d’éléments photoémissifs à semi-conducteurs adaptés pour générer de la lumière, - un élément de conversion et de diffusion de lumière adapté pour convertir une partie de la lumière issue des éléments photoémissifs en une lumière convertie et pour diffuser une autre partie de ladite lumière, produisant ainsi une lumière diffusée, et - un dispositif de focalisation couplé aux éléments photoémissifs et configuré pour collecter et focaliser la lumière générée par les éléments photoémissifs sur l’élément de conversion et de diffusion de lumière.
Le système optique selon l’invention fournit ainsi un faisceau lumineux de sortie dont la luminance correspond à la luminance cumulée des différents éléments photoémissifs. Or, du fait de la présence du dispositif de focalisation, les contraintes spatiales s’appliquant au système optique sont assouplies vis-à-vis du nombre d’éléments photoémissifs, de sorte que le système optique peut comprendre un nombre important d’éléments photoémissifs, et donc présenter une forte luminance, sans pour autant que sa compacité ne soit pas fortement impactée.
Selon un autre aspect de l’invention, le dispositif de focalisation comprend, pour au moins un élément photoémissif, une optique de focalisation couplée à l’élément photoémissif correspondant et configurée pour collecter et focaliser la lumière générée par l’élément photoémissif sur l’élément de conversion et de diffusion de lumière.
Selon un autre aspect de l’invention, l’élément de conversion et de diffusion de lumière est configuré pour que la proportion de lumière convertie et la proportion de lumière diffusée produites par l’élément de conversion de diffusion de lumière soient constantes au sein d’un faisceau de sortie du système optique.
Selon un autre aspect de l’invention, les éléments photoémissifs sont des diodes électroluminescentes configurées pour émettre de la lumière de longueur d’onde inférieure ou égale à 470 nm.
Selon un autre aspect de l’invention, la lumière convertie est de couleur jaune et la lumière diffusée est de couleur bleue, l’élément de conversion et de diffusion de lumière étant configuré pour que la combinaison de la lumière diffusée et de la lumière convertie soit blanche.
Selon un autre aspect de l’invention, le flux lumineux produit par le système optique est supérieur ou égal à 80 candelas par millimètre carré, de préférence à 150 candelas par millimètre carré, préférentiellement à 200 candelas par millimètre carré.
Selon un autre aspect de l’invention, le système optique est une source sensiblement orthotrope, de préférence sensiblement lambertienne.
On entend par source lumineuse sensiblement lambertienne ou orthotrope une source lumineuse dont la luminance est sensiblement la même dans toutes les directions.
Selon un autre aspect de l’invention, le système comprend une optique de sortie couplée à l’élément de conversion et de diffusion de lumière et configurée pour fournir une faisceau de lumière de sortie du système optique à partir de la lumière convertie et de la lumière diffusée.
Selon un autre aspect de l’invention, l’élément de conversion et de diffusion de lumière comprend un bloc comprenant en matériau luminescent configuré pour absorber une partie de la lumière générée par les éléments photoémissifs et, en réponse, générer la lumière convertie.
Selon un autre aspect de l’invention, au moins une des dimensions du bloc est déterminée en fonction du nombre d’éléments photoémissifs que comprend le système optique.
En outre, l’invention concerne un dispositif d’éclairage ou de signalisation pour véhicule automobile comprenant un système optique tel que défini ci-dessus. L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple et faite en référence aux Figures annexées, sur lesquelles :
La Figure 1 est une illustration schématique d’un dispositif d’éclairage selon l’invention ;
La Figure 2 est une illustration schématique d’un système optique selon l’invention ; et La Figure 3 est une illustration schématique d’un bloc que comprend le système optique de la
Figure 2.
La Figure 1 illustre un dispositif 2 selon l’invention. Le dispositif 2 est par exemple un dispositif lumineux d’éclairage ou de signalisation pour véhicule automobile. Par exemple, le dispositif 2 est un phare principal de véhicule, un feu de route, un feu de croisement, un clignotant ou un feu arrière.
Le dispositif 2 comprend un boîtier 4, une glace de fermeture 6 et un système optique d’émission lumineuse 8 selon l’invention, ci-après système 8.
Le boîtier 4 et la glace de fermeture 6 sont fixés l’un à l’autre et délimite une cavité intérieure dans laquelle tout ou partie du système 8 est agencé.
En référence à la Figure 2, le système 8 comprend une pluralité d’éléments photoémissifs 10 à semi-conducteurs, un dispositif de focalisation 12 et un élément de conversion et de diffusion de lumière 14, ci-après élément 14. Le système 8 comprend également une optique de sortie 16 configurée pour générer un faisceau de sortie F du système 8 à partir d’une lumière produite par l’élément 14.
Les éléments photoémissifs 10 sont configurés pour générer de la lumière.
Préférentiellement, dans le contexte de l’invention, les éléments photoémissifs 10 sont des diodes électroluminescentes, ou DEL.
Avantageusement, les éléments photoémissifs 10 sont configurés pour émettre de la lumière à une longueur d’onde inférieure ou égale à 470 nm.
Par exemple, ils sont configurés pour émettre de la lumière de couleur bleue.
Ce type de DEL correspond par exemple au type de DEL utilisé comme source primaire de lumière dans les diodes électroluminescentes blanches de haute brillance.
Le système 8 comprend un nombre n d’éléments photoémissifs. Ce nombre n est supérieur à 2.
Le dispositif de focalisation 12 est configuré pour collecter la lumière émise par les éléments photoémissifs et la focaliser sur l’élément 14.
Dans le mode de réalisation de la Figure 2, le dispositif de focalisation 12 comprend une pluralité d’optiques de focalisation 16 respectivement associées à l’un des éléments photoémissifs 10. Chaque optique de focalisation 16 est configurée pour collecter la lumière émise par l’élément photoémissif 10 associé et la focaliser sur l’élément 14.
Chaque optique de focalisation 16 comprend une lentille convergente 18. Par exemple, la lentille convergente 18 est agencée en regard de l’élément photoémissif 10 associé de sorte que la lumière émise par l’élément photoémissif 10 en question passe par la lentille 18. L’axe optique Xi (i allant de 1 à n) de la lentille 18 correspond par exemple à l’axe principal d’émission de l’élément photoémissif 10. En outre, la lentille 18 est par exemple située à une distance de l’élément 14 telle que son foyer se situe au niveau de l’élément 14.
Dans certaines réalisations, en variante, pour chaque optique de focalisation 16, l’élément photoémissif 10 associé et/ou l’élément 14 ne se trouve pas au niveau d’un foyer de la lentille 18. Par exemple, ni l’élément photoémissif 10 ni l’élément 14 ne se trouve à un foyer de la lentille.
En outre, avantageusement, le dispositif de focalisation 12 est fixé à un support (non représenté) que comprend le système 8. Ce support comprend par exemple un bâti fixé boîtier 4, et auquel sont fixés les composants du dispositif de focalisation. Par exemple, ces composants, dont les optiques de focalisation 16, y sont fixées directement, ou bien y sont rapportées par l’intermédiaire d’un ou plusieurs éléments de fixation.
Avantageusement, l’élément 14 et les éléments photoémissifs sont également fixés au support. Par exemple, ils y sont fixés directement, ou bien par l’intermédiaire d’un ou plusieurs éléments de fixation.
En référence à la Figure 3, l’élément 14 est adapté pour recevoir la lumière émise par les éléments photoémissifs 10 et focalisée par le dispositif de focalisation 12 et pour générer un faisceau de lumière à partir de cette lumière reçue.
Plus spécifiquement, l’élément 14 est configuré pour convertir une partie de la lumière L1 issue des éléments photoémissifs 10 en une lumière convertie LiC et pour diffuser une autre partie de la lumière reçue des éléments 10, produisant ainsi une lumière diffusée LiD. L’élément 14 comprend un bloc 20 et un substrat 22 transparent au contact duquel lequel le bloc 20 est agencé.
Le bloc 20 comprend une face d’entrée 20E sur laquelle les faisceaux émis par les éléments photoémissifs 10 sont dirigés par le dispositif de focalisation 12, et une face de sortie 20S par laquelle la lumière convertie LiC et la lumière diffusée LiD sont émises. Le bloc 20 présente par exemple une forme générale parallélépipédique ou cylindrique, les faces d’entrée 20E et de sortie 20S étant sensiblement parallèles entre elles.
Le bloc 20 comprend au moins un matériau luminescent conçu pour absorber au moins une partie de la lumière d’excitation émise par les éléments photoémissifs 10, et pour convertir au moins une partie de cette lumière en la lumière convertie LiC. La lumière convertie est émise par le matériau luminescent avec une longueur d’onde différente de celle de la lumière d’excitation.
Par exemple, le matériau luminescent est un matériau phosphorescent.
Avantageusement, la lumière convertie LiCest de couleur jaune.
Le matériau luminescent comprend par exemple du grenat d’yttrium et d’aluminium (Y3AL5O12), connu sous l’acronyme anglophone YAG, éventuellement dopé à l’Europium ou au Cérium, et configuré pour générer la lumière convertie LiC. Par exemple, sa formule s’écrit sous la forme Y3Al5012:Ce3+.
Alternativement, le matériau luminescent est par exemple de formule (Sr,Ba)2Si04:Eu2+, ou encore de formule Cax(Si,Al)i2(0,N)i6:Eu2+.
Dans certaines réalisations, le bloc 20 comprend une pluralité de tels matériaux luminescents. Ainsi, il comprend par exemple un matériau luminescent de type YAG, et un de formule (Sr,Ba)2Si04:Eu2+ ou de formule Cax(Si,Al)i2(0,N)i6:Eu2+.
Le bloc 20 est en outre adapté pour générer la lumière diffusée Lm par diffusion d’une partie de la lumière issue des éléments photoémissifs 10. La lumière diffusée Lm est de couleur bleue identique à celle émise par les éléments photoémissifs 10. A cet effet, le bloc 20 comprend des éléments de diffusion. Ces éléments sont de diffusion comprennent ou sont constitués de billes de diffusion ayant un indice de réfraction élevé et configurées pour générer la lumière diffusée LiD.
En outre, le bloc 20 comprend un liant adapté pour solidariser les éléments de diffusion au (ou aux) matériau luminescent. Ce liant comprend par exemple du silicone. L’élément 14 est par ailleurs configuré pour que la proportion de lumière convertie LiC et la proportion de lumière diffusée Lm produites soient constantes au sein du faisceau de sortie F.
En outre, avantageusement, notamment lorsque les éléments photoémissifs sont configurés pour émettre de la lumière bleue, l’élément 14 est configuré pour que la combinaison de la lumière diffuse Lid et de la lumière convertie LiC émises par l’élément 14 soit blanche. A cet effet, au moins une dimension du bloc 20 est déterminée en fonction du nombre d’éléments photoémissifs 10. Par exemple, cette dimension est l’épaisseur e du bloc 20. L’épaisseur e est par exemple comprise entre 0,1 mm et 1,0 mm. Préférentiellement, cette épaisseur e est comprise entre 0,1 et 0,5 mm.
On note que ces plages de valeurs, en particulier leur borne supérieure, ont pour effet de limiter l’air de la surface apparente de la source de lumière formée par l’élément 14 lors de son fonctionnement, et préviennent ainsi la dégradation des performances en luminance du système 8.
Avantageusement, la valeur de l’épaisseur e est déterminée pour que la combinaison des lumières LiC et Lid soit blanche et que le bloc 20 ne soit pas sujet à des phénomènes de saturation susceptibles de modifier la proportion de lumière convertie LiC générée par rapport à la lumière diffusée LiD. A noter que les faces d’entrée et de sortie 20E, 20S présentent par exemples des aires de l’ordre du millimètre carré.
La lumière générée par l’élément 14 présente la même luminance dans toutes les directions. En d’autres termes, le système optique 8 est une source lumineuse lambertienne. Cette propriété découle notamment des propriétés de diffusion de lumière du bloc 20, qui ont pour effet que la lumière diffusée LID est émise de manière orthotrope. L’optique de sortie 16 est configurée pour former, à partir de la combinaison de la lumière diffusée LID et de la lumière convertie LIC émises par l’élément 14, le faisceau de sortie F. Dans la mesure où, comme indiqué précédemment, l’élément 14 est configuré pour que cette combinaison soit blanche, le faisceau de sortie 16 est lui-même blanc. L’optique de sortie 16 est agencée en regard de la face de sortie 20S du bloc 20. L’optique de sortie 16 comprend par exemple une lentille 22 divergente. La lentille 22 est par exemple une lentille plan-convexe dont la face plane est agencée en regard de la face de sortie 20S du bloc 20 et est tournée vers celle-ci.
Le fonctionnement du système 8 va maintenant être décrit en référence aux figures.
Lorsque les éléments photoémissifs sont alimentés en énergie électrique par une source d’alimentation (non représentée), ils génèrent chacun de la lumière. Cette lumière est collectée par le dispositif de focalisation 12 et est focalisée sur le bloc 20, par exemple au niveau de la face d’entrée 20E. Le matériau luminescent du bloc 20 convertit une partie de la lumière reçue L1 des éléments photoémissifs en la lumière convertie LiC et émet cette lumière par la face de sortie 20S. Une autre partie de la lumière L1 pénètre dans le bloc 20 et y est diffusée par les éléments de diffusion, ce qui aboutit à la formation de la lumière diffusée LiD, également émise par la face de sortie 20S. Ces lumières convertie LiC et diffusée Lm transitent par le substrat transparent 22 et sont émises en direction de l’optique de sortie 16. A leur passage par l’optique de sortie 16, elles sont conformées pour former le faisceau de sortie F, dont la lumière correspond à la combinaison des lumières convertie LiC et diffusée LiD.
Le système 8 selon l’invention présente de nombreux avantages.
En effet, le système 8 repose sur l’utilisation de diodes électroluminescentes et non de diodes laser. De ce fait, il ne présente pas les inconvénients afférents à ce type de diodes (coût élevé, chaleur générée importante, etc.).
En outre, le faisceau de sortie F présente une luminance correspondant à la luminance cumulée des éléments photoémissifs. Or, notamment du fait de la présence du dispositif de focalisation 12, le nombre d’éléments photoémissifs 10 que peut comprendre le système impacte faiblement la compacité du système 8 dans la mesure où le positionnement des éléments photoémissifs aussi bien relativement les uns aux autres que vis-à-vis de l’élément 14 est peu contraint. Ceci est d’autant plus marqué lorsque le dispositif de focalisation comprend des optiques de focalisation 16 respectivement associées aux éléments photoémissifs.
En outre, le système est aisément adaptable en termes de nombre d’éléments photoémissifs. En effet, en cas de retrait ou d’ajout d’un élément photoémissif, la seule grandeur que cela est susceptible d’impacter est l’épaisseur e du bloc 20.
Ainsi, le principe de l’invention peut être mis en œuvre avec un nombre important d’éléments photoémissifs, ce qui permet d’aboutir à des systèmes optiques de très haute luminance.
Par exemple, l’invention a été mise en œuvre avec trois diodes électrominescentes classiques émettant des rayons lumineux de couleur bleue, et a permis d’obtenir un flux lumineux supérieur à 150 candelas par millimètre carré.
Les systèmes optiques selon l’invention sont particulièrement adaptés pour les dispositifs d’éclairage ou de signalisation pour véhicule automobile. En effet, ces dispositifs sont soumis à des contraintes fortes, notamment en termes de portée. Or cette portée est adossée à la luminance des sources optiques qu’ils emploient. L’obtention de systèmes optiques de très haute luminance permet par extension l’obtention de dispositifs d’éclairage ou de signalisation présentant la portée requise tout en présentant des sources optiques dont la compacité est améliorée. Cette compacité est particulièrement avantageuse dans un contexte d’augmentation du nombre des composants que ces dispositifs doivent inclure, ou encore dans un contexte de diminution de l’espace allouable aux dispositifs eux-mêmes.
Bien entendu, l’invention n’est pas limitée à la description des exemples de réalisation ci-dessus, mais s’étend aux nombreuses variantes que l’homme du métier pourra lui apporter.
Claims (10)
- REVENDICATIONS1. Système optique d’émission lumineuse (8), comprenant : - une pluralité d’éléments photoémissifs (10) à semi-conducteurs adaptés pour générer de la lumière, - un élément de conversion et de diffusion de lumière (14) adapté pour convertir une partie de la lumière (Ll) issue des éléments photoémissifs (10) en une lumière convertie (LiC) et pour diffuser une autre partie de ladite lumière, produisant ainsi une lumière diffusée (Lm), et - un dispositif de focalisation (12) couplé aux éléments photoémissifs (10) et configuré pour collecter et focaliser la lumière générée par les éléments photoémissifs sur l’élément de conversion et de diffusion de lumière (14).
- 2. Système optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de focalisation (12) comprend, pour au moins un élément photoémissif, une optique de focalisation (16) couplée à l’élément photoémissif (10) correspondant et configurée pour collecter et focaliser la lumière générée par l’élément photoémissif (10) sur l’élément de conversion et de diffusion de lumière (14).
- 3. Système optique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l’élément de conversion et de diffusion de lumière (14) est configuré pour que la proportion de lumière convertie (LiC) et la proportion de lumière diffusée (LiD) produites par l’élément de conversion de diffusion de lumière (14) soient constantes au sein d’un faisceau de sortie (F) du système optique (8).
- 4. Système optique selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les éléments photoémissifs (10) sont des diodes électroluminescentes configurées pour émettre de la lumière de longueur d’onde inférieure ou égale à 470 nm.
- 5. Système optique selon la revendication 4, caractérisé en ce que la lumière convertie (L1C) est de couleur jaune et la lumière diffusée (LiD) est de couleur bleue, l’élément de conversion et de diffusion de lumière (14) étant configuré pour que la combinaison de la lumière diffusée (LiD) et de la lumière convertie (LiC) soit blanche.
- 6. Système optique selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il est une source de lumière sensiblement orthotrope, de préférence sensiblement lambertienne.
- 7. Système optique selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend une optique de sortie (16) couplée à l’élément de conversion et de diffusion de lumière (14) et configurée pour fournir une faisceau de lumière de sortie (F) du système optique (8) à partir de la lumière convertie (Lie) et de la lumière diffusée (L1D).
- 8. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’élément de conversion et de diffusion de lumière (14) comprend un bloc (20) comprenant un matériau luminescent configuré pour absorber une partie de la lumière générée par les éléments photoémissifs et, en réponse, générer la lumière convertie.
- 9. Système selon la revendication 8, caractérisé en ce qu’au moins une des dimensions du bloc (20) en matériau luminescent est déterminée en fonction du nombre d’éléments photoémissifs (10) que comprend le système optique (8).
- 10. Dispositif lumineux, caractérisé en ce qu’il comprend un système optique (8) selon l’une quelconque des revendications précédentes.
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2015
- 2015-11-26 FR FR1561441A patent/FR3044384B1/fr active Active
Patent Citations (5)
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