FR3092900A1 - Dispositif d’éclairage et/ou de signalisation lumineuse pour véhicule automobile. - Google Patents

Dispositif d’éclairage et/ou de signalisation lumineuse pour véhicule automobile. Download PDF

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Dispositif d’éclairage et/ou de signalisation, comportant au moins une paire de tronçons (T1, T4) de guide de lumière (GX) de section cylindrique s’étendant en prolongement l’un de l’autre de part et d’autre d’un nœud d’intersection (NI), et au moins une source de lumière (SL) apte à injecter un flux de lumière (FL) dans la paire de tronçons (T1, T4), caractérisé en ce que ledit nœud d’intersection (NI) comprend une cavité (CV) ouverte en regard de la source de lumière (SL), ladite cavité (CV) présentant une surface d’injection de la lumière (SIE) de forme ellipsoïdale de révolution avec un foyer F1, ladite source de lumière (SL) étant centrée sur l’axe de révolution (X) de la cavité (CV) et disposée au foyer F1 de la cavité (CV) dont la profondeur et l’excentricité sont déterminées pour permettre une distribution contrôlée de la lumière dans chaque tronçon (T1, T4). (Figure 4)

Description

Dispositif d’éclairage et/ou de signalisation lumineuse pour véhicule automobile.
Le domaine technique concerne en général les dispositifs d’éclairage et/ou de signalisation lumineuse pour véhicule automobile.
Les dispositifs d’éclairage et/ou de signalisation automobile utilisent différents moyens techniques pour engendrer les distributions lumineuses nécessaires pour remplir les exigences réglementaires en termes de prestation photométrique et de style. Parmi ces moyens techniques, on trouve notamment les guides de lumière.
Un guide de lumière (ou « light pipe » en terminologie anglo-saxonne) a une forme typiquement cylindrique, généralement obtenu par injection de matière plastique par exemple en PMMA (poly-méthyl-méthacrylate) dans un moule définissant la forme du guide.
On peut ainsi donner à un guide de lumière différentes formes telles que, par exemple, une forme rectiligne ou courbée dans l’espace.
La figure 1 illustre schématiquement un guide de lumière cylindrique rectiligne GL de l’état de l‘art.
Une ou plusieurs sources de lumière SL (typiquement des LEDs : des diodes électroluminescentes), sont agencées en regard de l’une ou des deux extrémités du guide GL pour produire un flux lumineux FL dans le guide GL.
Elles peuvent être également juxtaposées à celui-ci ou logées à l’intérieur de cavités spécialement conçues dans le guide GL afin d’optimiser l’entrée de lumière dans le guide GL.
Une fois rentrée dans le guide GL, une partie des rayons R1 du flux lumineux FL y reste prisonnière lorsque les rayons lumineux sont réfléchis par les parois du guide GL sans pouvoir être réfractés vers l’extérieur du guide GL (on désigne cette propriété optique par « phénomène de réflexion totale »).
Pour permettre à une autre partie des rayons lumineux R2 d’être réfractés vers l’extérieur du guide GL, des stries sont creusées dans une partie de la paroi du guide GL afin de permettre à la lumière de ressortir progressivement le long du guide GL de façon contrôlée, et distribuer la lumière de façon homogène. L’ensemble des stries est également désigné par « réseau de diffraction » RD; chaque strie faisant office de prisme de diffraction.
Le trait épais représente la trajectoire d’un rayon de lumière R1 initialement en réflexion totale à l’intérieur du guide GL puis sortant R2 vers l’extérieur du guide GL lorsque le rayon R1 atteint les stries (ou réseau de diffraction) RD selon une direction d’observation déterminé par la construction géométrique des stries RD. La direction d’observation permet à un observateur O (représenté symboliquement par un œil) situé à l’extérieur du dispositif de percevoir une surface éclairée et/ou éclairante.
Le style automobile vise aujourd’hui à intégrer totalement les dispositifs d’éclairage et/ou de signalisation dans les profils de carrosserie pour réaliser des grandes surfaces éclairées et/ou éclairantes, sur les parties avant et/ou arrière des véhicules, à l’image du prototype CC (concept-car X E-TENSE de la marque DS) illustrée à la figure 2 et présenté au mondial de l’automobile à Paris en octobre 2018.
La figure 2 illustre la partie avant, ou face avant AV, du prototype CC sur lequel un dispositif d’éclairage et/ou de signalisation présente une grande surface éclairée et/ou éclairante SE. Le dispositif d’éclairage et/ou de signalisation fait partie intégrante de la partie avant de la carrosserie du véhicule.
Pour répondre aux exigences photométriques et de style, en utilisant des guides de lumières conventionnels typiquement cylindriques, il faut utiliser un nombre très important de LEDs et des contrôleurs électroniques complexes (400 LEDs pour réaliser un feu de type DRL - éclairage diurne - dans ce prototype) ce qui rend l’industrialisation d’un tel dispositif pour la grande série quasi rédhibitoire.
Un but de la présente invention est de réduire considérablement le nombre de LEDs.
A cet effet, l’invention a pour premier objet un dispositif d’éclairage et/ou de signalisation, comportant au moins une paire de tronçons de guide de lumière de section cylindrique s’étendant en prolongement l’un de l’autre de part et d’autre d’un nœud d’intersection, et au moins une source de lumière apte à injecter un flux de lumière dans la paire de tronçons, caractérisé en ce que ledit nœud d’intersection comprend une cavité ouverte en regard de la source de lumière, ladite cavité présentant une surface d’injection de la lumière de forme ellipsoïdale de révolution avec un foyer F1, ladite source de lumière étant centrée sur l’axe de révolution de la cavité et disposée au foyer F1 de la cavité dont la profondeur et l’excentricité sont déterminées pour permettre une distribution contrôlée de la lumière dans chaque tronçon.
Selon une caractéristique, chaque tronçon comporte en outre un réseau de diffraction agencé de part et d’autre de la cavité pour réfracter une partie du flux de lumière, émise par la source de lumière, à l’extérieur des tronçons.
Selon une autre caractéristique, les rayons lumineux d’une première partie du flux de lumière dont l’angle de réfraction Thêta est supérieur à un angle limite déterminé Thêtalimite, sont distribués à l’intérieur des tronçons.
Selon une autre caractéristique, les rayons lumineux d’une deuxième partie du flux de lumière dont l’angle de réfraction Thêta est inférieur à un angle limite déterminé Thêtalimite, sortent à l’extérieur des tronçons.
Selon une autre caractéristique, le dispositif comprend deux paires de tronçons de guide de lumière dans lesquelles les deux paires de tronçons se croisent dans en un même nœud d’intersection pour définir un guide de lumière de section cylindrique, en forme de croix ; la cavité étant agencée dans le nœud d’intersection entre les deux paires de tronçons.
L’invention a pour deuxième objet, un ensemble de dispositifs tels que décrits ci-dessus, caractérisé en ce qu’il comporte un nombre déterminé N1 de guides de lumière de section cylindrique, en forme de croix couplés entre eux par au moins un de leur tronçon en commun et définissant un nombre déterminé N1 de nœuds d’intersection comportant un nombre déterminé N1 de cavités et de sources de lumière agencées respectivement en regard des cavités.
L’invention a pour troisième objet qui peut être combiné au deuxième objet, un ensemble de dispositifs tels que décrits ci-dessus, caractérisé en ce qu’il comporte un nombre déterminé N2 de guides de lumière en forme de croix partageant tous le même nœud d’intersection.
Selon une caractéristique de ces ensembles, les dispositifs sont agencés de manière à former une surface éclairée et/ou éclairante étendue.
Selon une autre caractéristique de l’un des, ou de, ces ensembles, la surface étendue est une partie de carrosserie d’un véhicule automobile.
L’invention a pour quatrième et dernier objet, un véhicule automobile comportant une partie de sa carrosserie supportant l’un des, ou les, ensembles tels que décrits ci-dessus.
Les avantages du dispositif selon l’invention sont de permettre en plus d’une réduction importante du nombre des LEDs (typiquement 50%), une réduction du même ordre des contrôleurs électroniques et radiateurs associés ainsi qu’une meilleure distribution des sources de lumière et de meilleures possibilités d’optimisation de l’homogénéité du rendu final de l’éclairage et/ou signalisation.
D’autres avantages et caractéristiques pourront ressortir plus clairement de la description qui va suivre.
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif et faite en se référant aux dessins dans lesquels :
déjà décrite, représente schématiquement une portion de guide de lumière cylindrique comportant un réseau de diffraction, connue de l’état de l’art ;
déjà décrite, représente la face avant du concept-car X E-Tense de la marque DS présenté au Mondial de l’automobile de Paris en octobre 2018 ;
représente un guide de lumière cylindrique en forme de croix d’un dispositif d’éclairage et/ou de signalisation selon l’invention ;
représente une vue en coupe transversale d’un mode de réalisation d’un dispositif d’éclairage et/ou de signalisation selon l’invention ;
représente une première configuration de guides en croix d’un dispositif d’éclairage et/ou de signalisation selon l’invention ; et
représente une deuxième configuration de guides en croix d’un dispositif d’éclairage et/ou de signalisation selon l’invention.
Dans ces figures, les mêmes références sont utilisées pour désigner les mêmes éléments.
Pour pouvoir réaliser de grandes surfaces éclairées et/ou éclairantes SE, une solution consiste à construire un maillage de la surface à l’aide de plusieurs tronçons de guides assemblés les uns aux autres suivant différentes configurations.
Par grande surface, ou surface étendue, SE, on entend une surface qui s’étend au-delà des surfaces habituellement utilisées pour réaliser des fonctions d’éclairage et/ou de signalisation telles que des projecteurs et feux de signalisation traditionnels.
De telles surfaces peuvent s’étendre sur des parties de carrosserie telles que les parties (ou faces) avant ou arrière du véhicule voire les parties latérales du véhicule.
Dans une configuration selon l’invention, le maillage est constitué de guides de lumière en forme de croix.
Un guide en forme de croix GX qui est donc un élément du maillage, est illustré à la figure 3. Il comporte deux paires de tronçons T1, T4 et T2, T3 soit quatre tronçons de guide de lumière T1-T4 partageant une interface commune appelée nœud d’intersection NI. Chaque tronçon T1-T4 est de forme linéaire de section cylindrique, et plus particulièrement ici de section circulaire ; chaque tronçon T1-T4 définissant un des bras de la croix. Les paires de tronçons T1, T4 et T2, T3 se prolongent respectivement linéairement de part et d’autre de leurs nœuds d’intersection NI. Dans l’exemple considéré à la figure 3, les nœuds d’intersection NI sont confondus.
En reprenant l’exemple de l’état de l’art illustré à la figure 1, dans lequel la lumière générée par la LED est injectée à l’extrémité du tronçon T4 et en l’appliquant au guide en forme de croix GX, on constate que la majorité du flux lumineux arrive à l’extrémité du tronçon opposé T1 par rapport au nœud d’intersection NI et seulement une minorité du flux (< 1%) arrive aux deux autres tronçons T2 et T3 (tronçons de dérivation).
Autrement dit, le flux lumineux principal FL reste dans les tronçons de guide T4 et T1 qui se prolongent linéairement de part et d’autre du nœud d’intersection NI. Ce qui n’est pas pleinement satisfaisant.
Il faudrait donc un très grand nombre de LEDs (une par tronçon T1-T4) pour recouvrir efficacement la surface souhaitée SE.
La figure 4 illustre schématiquement un mode de réalisation d’un guide en forme de croix selon l’invention dans lequel, le flux de lumière généré par la LED n’est plus injecté via les extrémités des tronçons de guide de lumière mais dans une cavité CV ménagée dans le nœud d’intersection NI des tronçons de guide T1-T4 et ouverte vers l’extérieur du guide GX. La LED est agencée en regard de l’ouverture de la cavité CV.
La forme de la cavité CV est optimisée pour capter efficacement le flux lumineux FL de la LED et le distribuer uniformément dans chaque tronçon de guide T1-T4.
Parmi les différentes formes, ce sont les formes de cavité CV présentant des surfaces d’ellipsoïdes de révolution avec des degrés d’excentricité déterminés, qui permettent une distribution équilibrée du flux lumineux dans chacun des quatre tronçons de guide T1-T4. Les degrés d’excentricité sont ajustés en fonction de la géométrie et de la courbure spatiale des guides.
La quantité de flux lumineux FL généré par la LED qui est distribuée dans un tronçon de guide donné T1 à T4 peut être contrôlée en faisant varier l’excentricité de l’ellipse tout en conservant une surface d’injection ellipsoïdale continue. Par surface continue, on entend une surface sans discontinuité, n’occasionnant donc pas de perte de flux (on peut accepter une surface avec une inflexion mais pas une marche).
On désignera par surface d’injection ellipsoïdale SIE, la surface intérieure de la cavité CV qui définit également la surface de réfraction du flux lumineux FL arrivant sur cette surface SIE.
Sur la figure 4, on a représenté la cavité CV suivant une coupe longitudinale du guide GX passant par le nœud NI des deux tronçons de guide T1 et T4. Cette figure met en évidence les foyers F1 et F2 de la cavité CV qui est représentée en trait interrompu.
Le foyer de la LED est confondu avec le foyer F1 de la cavité CV. Par foyer de la LED, on entend le point de meilleur focalisation, le barycentre des rayons lumineux pondéré par leur flux.
L’axe de symétrie X de l’ellipse passe par les deux foyers F1 et F2 des deux tronçons de guide T1 et T4 et correspond à l’axe passant par le nœud d’intersection NI des deux tronçons de guide T1 et T4. Cet axe de symétrie X s’étend perpendiculairement à la direction dans laquelle s’étendent les tronçons de guide T1, T4 du guide GX.
La surface intérieure SIE de la cavité CV (représentée en coupe sur la figure 4) définie une partie d’ellipse de révolution dont la hauteur (profondeur) « z » dans le guide GX, correspond au demi-grand axe de l’ellipse suivant la direction normale au guide GX (direction confondue avec l’axe de symétrie X de l’ellipse).
Le degrés d’excentricité « e » est déterminé à partir du demi-grand axe de l’ellipse « z » et du demi-petit axe de l’ellipse « x » et il est déterminant pour la définition des propriétés optiques du guide GX. La source SL (LED) est toujours placée sur le foyer F1 de l’ellipse.
Un exemple de paramètres est : z=5mm et x=3mm (excentricité de l’ellipse e=0,8).
Avec une telle cavité CV, l’efficacité par rapport à une cavité classique de forme rectangulaire ou une face aplatie du guide peut être doublée.
Dans ce mode de réalisation, une première partie FL1 du flux lumineux FL généré par la LED est distribuée à l’intérieur de chaque tronçon de guide T1 et T4 suivant une direction de propagation générale longitudinale et opposée et une deuxième partie FL2 du flux est réfractée vers l’extérieur du guide GX.
Un réseau de diffraction RD, représenté sur la figure par une série de stries en forme de dents de scie, est aménagé sur la paroi du guide GX qui est opposée à celle qui est orientée vers l’observateur O représenté symboliquement par un œil.
Ce réseau de diffraction RD permet au flux lumineux FL, tout en se propageant à l’intérieur des tronçons de guide T1 et T4 (FL1), de sortir des tronçons de guide T1 et T4 (FL2) pour être visible pour un observateur O situé à l’extérieur de la surface éclairée et/ou éclairante SE.
Les rayons lumineux de la deuxième partie de flux lumineux FL2, correspondent à ceux dont l’angle de réfraction Thëta est inférieur à l’angle limite déterminé Thêtalimite. L’angle limite Thêtalimiteest une caractéristique du plastique. Il est calculé suivant la relation de Descartes (loi de Snell) :
Thêtalimite = arcsin(1/n)
où « n » est l’indice de réfraction du plastique (n=1,48 pour le PMMA, acronyme anglo-saxon pour désigner le polyméthacrylate de méthyle), ce que nous donne Thêta limite= 42,5°.
Sur la figure 4, les rayons FL2 ont un angle Thêta inférieur à Thêtalimite par rapport à la normale, et sortent du guide GX. Ces rayons FL2 sortent directement de la source SL vers l’observateur O (lumière directe).
Les rayons FL1 correspondent à ceux qui rentrent dans le guide GX avec un angle de réfraction Thêta supérieur à l’angle Thêtalimite.
Les rayons FL1 pourraient rester totalement prisonniers du guide GX en réflexion totale à l’intérieur du guide GX mais grâce aux stries du réseau de diffraction RD disposées sur les faces des tronçons de guides, non visibles par l’observateur O, une partie des rayons sort progressivement du guide GX vers l’observateur O et vient se combiner aux rayons du flux FL2, au voisinage du nœud NI, de manière à apporter un rendu de lumière homogène à l’observateur O.
D’autres modes de réalisation peuvent être envisagés. Par exemple, la surface d’injection ellipsoïdale SIE peut être associée à d’autres configurations de guide, par exemple un guide GX comportant un plus grand nombre de tronçons (ou bras). Les tronçons n’ont pas besoin d’être perpendiculaires. Par contre, si on veut que la distribution du flux soit équilibrée entre les bras, il faut que la structure soit symétrique.
La figure 5 illustre un exemple de configuration comportant un nombre déterminé N1 de guides de lumière de section cylindrique, en forme de croix GX.
Les guides en croix GX sont couplés entre eux par au moins un de leurs tronçons (ou bras) en commun et définissent un nombre déterminé N1 de nœuds d’intersection NI comportant un nombre déterminé N1 de cavités CV et de sources de lumières SL (non représentées) agencées respectivement en regard des cavités CV. Cette configuration de « maillage ou réseau » est particulièrement adaptée pour tapisser une grande surface SE éclairante et/ou éclairée. Le maillage est ici représenté avec des tronçons de guide (bras) perpendiculaires entre eux mais ce n’est pas obligatoire. Il faut, par contre, respecter une certaine symétrie de la structure pour que la distribution du flux soit équilibrée entre les tronçons (bras).
La figure 6 illustre un autre exemple de configuration de guide de lumière en croix GX comportant un nombre N2 = 8 bras, partageant tous le même nœud d’intersection NI.
Une autre configuration, non représentée, pourrait combiner les deux précédentes configurations. Ainsi, en considérant la configuration de la figure 6, un même nœud NI pourrait être couplés à tous les nœuds NI adjacents (quand ils existent) par un tronçon (ou bras).

Claims (10)

  1. Dispositif d’éclairage et/ou de signalisation, comportant au moins une paire de tronçons (T1, T4) de guide de lumière (GX) de section cylindrique s’étendant en prolongement l’un de l’autre de part et d’autre d’un nœud d’intersection (NI), et au moins une source de lumière (SL) apte à injecter un flux de lumière (FL) dans la paire de tronçons (T1, T4), caractérisé en ce que ledit nœud d’intersection (NI) comprend une cavité (CV) ouverte en regard de la source de lumière (SL), ladite cavité (CV) présentant une surface d’injection de la lumière (SIE) de forme ellipsoïdale de révolution avec un foyer F1, ladite source de lumière (SL) étant centrée sur l’axe de révolution (X) de la cavité (CV) et disposée au foyer F1 de la cavité (CV) dont la profondeur et l’excentricité sont déterminées pour permettre une distribution contrôlée de la lumière dans chaque tronçon (T1, T4).
  2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque tronçon (T1, T4) comporte en outre un réseau de diffraction (RD) agencé de part et d’autre de la cavité (CV) pour réfracter une partie du flux de lumière (FL), émise par la source de lumière (SL), à l’extérieur des tronçons (T1, T4).
  3. Dispositif selon l’une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les rayons lumineux d’une première partie (FL1) du flux de lumière (FL) dont l’angle de réfraction Thêta est supérieur à un angle limite déterminé Thêtalimite, sont distribués à l’intérieur des tronçons (T1, T4).
  4. Dispositif selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les rayons lumineux d’une deuxième partie (FL2) du flux de lumière (FL) dont l’angle de réfraction Thêta est inférieur à un angle limite déterminé Thêtalimite, sortent à l’extérieur des tronçons (T1, T4).
  5. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que qu’il comprend deux paires de tronçons (T1, T4 et T2, T3) de guide de lumière (GX) dans lesquelles les deux paires de tronçons (T1, T4 et T2, T3) se croisent dans en un même nœud d’intersection (NI) pour définir un guide de lumière de section cylindrique, en forme de croix (GX) ; la cavité (CV) étant agencée dans le nœud d’intersection (NI) entre les deux paires de tronçons (T1, T4 et T2, T3).
  6. Ensemble de dispositifs selon la revendication 5, caractérisé en ce qu’il comporte un nombre déterminé N1 de guides de lumière de section cylindrique, en forme de croix (GX) couplés entre eux par au moins un de leurs tronçons en commun et définissant un nombre déterminé N1 de nœuds d’intersection (NI) comportant un nombre déterminé N1 de cavités (CV) et de sources de lumière (SL) agencées respectivement en regard des cavités (CV).
  7. Ensemble de dispositifs selon la revendication 5, caractérisé en ce qu’il comporte un nombre déterminé N2 de guides de lumière en forme de croix (GX) partageant tous le même nœud d’intersection (NI).
  8. Ensemble selon l’une des revendications 6 et/ou 7, caractérisé en ce que les dispositifs sont agencés de manière à former une surface éclairée et/ou éclairante étendue (SE).
  9. Ensemble selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la surface étendue (SE) est une partie de carrosserie d’un véhicule automobile.
  10. Véhicule automobile comportant une partie de sa carrosserie supportant un ensemble selon l’une des revendications 6 à 8.
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