FR3104677A1 - Pièce optique pour véhicule automobile - Google Patents

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Abstract

Titre : Pièce optique pour véhicule automobile L’invention concerne une pièce (3) apte à coopérer avec une source de lumière pour projeter un faisceau lumineux (F) à partir de rayons émis de par la source de lumière (5), caractérisée en ce qu’elle comprend :- un dioptre d’entrée destiné à recevoir des rayons lumineux émis par la source de lumière ;- un dioptre de sortie (33) du faisceau lumineux, le dioptre de sortie (33) comprenant une première portion (331) configurée pour projeter une première partie du faisceau lumineux à partir de rayons émis par la source de lumière (5) et transmis directement à la première portion (331) depuis le dioptre d’entrée (31), et une deuxième portion (332), différente de la première portion (331), configurée pour projeter une deuxième partie du faisceau lumineux ;- une surface de réflexion (32) configurée pour recevoir des rayons émis par la source de lumière (5) depuis de dioptre d’entrée (31) et pour les réfléchir vers la deuxième portion (332), de sorte à former la deuxième partie du faisceau lumineux ;la pièce (3) étant configurée pour que la première partie du faisceau lumineux et la deuxième partie du faisceau lumineux présentent chacune une intensité lumineuse constante et pour que qu’elles couvrent un même secteur angulaire de projection. Figure pour l’abrégé : Fig. 3

Description

Pièce optique pour véhicule automobile
La présente invention concerne le domaine des organes optiques utilisables en association avec des sources lumineuses. Elle trouve pour application particulièrement avantageuse le domaine des véhicules automobiles, par exemple autonomes.
Elle peut servir, non limitativement, à équiper des capteurs de proximité, par exemple des caméras à source de lumière émettant dans l’infra-rouge. D’une manière générale, l’invention peut être employée lorsque des faisceaux de sortie à intensité aussi constante que possible sont à produire même à partir d’une source lumineuse lambertienne.
Le secteur automobile a connu ces dernières années une large croissance de l’offre de dispositifs de détection de présence dans l’environnement du véhicule, en particulier dans son environnement immédiat, souvent avec une portée de quelques mètres au maximum. Ces dispositifs permettent notamment d’alerter sur la présence d’un obstacle sur la trajectoire du véhicule, en marche avant ou en marche arrière, par exemple lors de phases de manœuvre ou en conduite autonome.
Dans une telle application, il n’est pas nécessaire d’utiliser des sources lumineuses de forte puissance. Par contre, il est utile d’obtenir une projection lumineuse sur un secteur angulaire large, de sorte à couvrir, avec un nombre aussi limité que possible de dispositifs de détection, une large partie de la périphérie du véhicule, au moins autour d’une portion de ce dernier.
Par ailleurs, l’efficacité de la détection peut être négativement influencée par une variation d’intensité lumineuse dans le faisceau émis, défavorable à l’analyse, en retour, de la lumière réfléchie vers le dispositif de détection.
Un objet de la présente invention est notamment de proposer une solution à ce problème, en proposant un organe optique permettant de rendre plus constante l’intensité lumineuse du faisceau lumineux sortant.
Les autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à l'examen de la description suivante et des dessins d'accompagnement. Il est entendu que d'autres avantages peuvent être incorporés.
RESUME
Pour atteindre cet objectif, selon un mode de réalisation, on prévoit une pièce optique apte à coopérer avec une source de lumière pour projeter un faisceau lumineux à partir de rayons émis par la source de lumière, Avantageusement, cette pièce comprend:
  • un dioptre d’entrée destiné à recevoir des rayons lumineux émis par la source de lumière ;
  • un dioptre de sortie du faisceau lumineux, le dioptre de sortie comprenant une première portion configurée pour projeter une première partie du faisceau lumineux à partir de rayons émis par la source de lumière et transmis directement à la première portion depuis le dioptre d’entrée, et une deuxième portion, différente de la première portion, configurée pour projeter une deuxième partie du faisceau lumineux;
  • une surface de réflexion configurée pour recevoir depuis le dioptre d’entrée des rayons émis par la source de lumière et pour les réfléchir vers la deuxième portion, de sorte à former la deuxième partie du faisceau lumineux.
    La pièce optique est de manière avantageuse configurée pour que la première partie du faisceau lumineux et la deuxième partie du faisceau lumineux présentent chacune une intensité lumineuse constante et pour qu’elles couvrent un même secteur angulaire de projection.
Ainsi, un faisceau de sortie est créé en cumulant deux sous faisceaux chacun produit par de la lumière ayant suivi un chemin différent, à l’intérieur de la pièce optique. Un premier sous faisceau correspond à une transmission interne sans réflexion intermédiaire entre le dioptre d’entrée et le dioptre de sortie. Un deuxième sous faisceau correspond à une propagation dans la pièce optique avec une réflexion interne.
De par la configuration géométrique de la pièce, l’intensité lumineuse de chaque sous faisceau, c’est-à-dire chaque partie du faisceau global sortant, est constante. Comme, par ailleurs, les sous faisceaux couvrent la même portion de l’espace, on obtient un faisceau global d’intensité constante.
Ainsi, on génère un faisceau d’intensité constante, même si la source lumineuse employée est du type lambertienne.
De manière facultative, le dioptre d’entrée est une surface concave, de préférence une portion de sphère, et en particulier une demi-sphère.
Grâce à ces dispositions, on peut créer une cavité au niveau de la face d’entrée de la pièce optique, la cavité permettant de recevoir, avantageusement au niveau de son embouchure, la source lumineuse. En outre, en plaçant la source lumineuse au centre d’une portion sphérique, l’admission des rayons lumineux issus du centre de la source dans la pièce optique s’effectue sans variation d’inclinaison de ces rayons. Cette configuration minimise aussi les pertes dues aux réflexions de Fresnel sur la face d’entrée.
Avantageusement, la deuxième portion peut former une surface au contour fermé autour de la première portion. On peut ainsi arranger de manière complémentaire de deux zones distinctes de la face de sortie de sorte à produire deux parties différentes du faisceau sortant, ce qui permet d’aménager séparément leur forme à la projection souhaitée, en angle et en intensité.
Un autre aspect concerne un module lumineux comprenant une pièce optique et une source lumineuse.
Éventuellement, la source de lumière est une source lambertienne, de préférence une diode électroluminescente. L’utilisation d’une source lambertienne permet un très large choix parmi les technologies émissives existantes, sans recourir à des sources plus coûteuses et plus complexes à mettre en œuvre, comme des lasers.
Un autre aspect est un dispositif de projection lumineuse comprenant au moins un tel module.
Un autre aspect est relatif à un véhicule automobile équipé d’au moins une pièce optique et/ou d’au moins un module et/ou d’au moins un dispositif.
Les buts, objets, ainsi que les caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront mieux de la description détaillée d’un mode de réalisation de cette dernière qui est illustré par les dessins d’accompagnement suivants dans lesquels :
La figure 1 représente un exemple de projection d’un faisceau lumineux réalisée par l’invention autour d’un véhicule automobile.
La figure 2 présente un exemple de structure géométrique d’une pièce optique selon l’invention.
La figure 3 schématise certains chemins de rayons depuis la source lumineuse, au travers de la pièce optique, jusqu’à la projection.
La figure 4 montre un exemple d’organisation de faisceaux sortants.
La figure 5 reflète une variante de réalisation d’une pièce optique.
La figure 6A présente schématiquement un trajet de rayon lumineux depuis la source, pour la détermination de surfaces géométriques en vue de générer une première partie de faisceau.
La figure 6B présente schématiquement un trajet de rayon lumineux depuis la source, pour la détermination de surfaces géométriques en vue de générer une deuxième partie de faisceau.
Les dessins sont donnés à titre d'exemples et ne sont pas limitatifs de l’invention. Ils constituent des représentations schématiques de principe destinées à faciliter la compréhension de l’invention et ne sont pas nécessairement à l'échelle des applications pratiques; cependant, les représentations de la pièce optique fournies correspondent à des proportions géométriques convenables.
Avant d’entamer une revue détaillée de modes de réalisation de l’invention, sont énoncées ci-après des caractéristiques optionnelles qui peuvent éventuellement être utilisées selon l’invention en association ou alternativement:
  • le dioptre d’entrée 31 est une surface concave ;
  • la surface concave est une portion de sphère, de préférence une demi-sphère ;
  • la deuxième portion 332 peut être située autour de la première portion 331. Elle s’étend ainsi avantageusement latéralement au-delà de la première portion 331, suivant une direction perpendiculaire à l’axe optique ;
  • la deuxième portion 332 peut former une surface au contour fermé autour de la première portion 331 ;
  • la deuxième portion 332 est un anneau plan;
  • il n’est pas nécessaire que la deuxième portion forme un anneau complet autour de la première portion; elle n’est pas forcément continue. On peut la découper pour s’adapter à un style particulier;
  • la première portion 331 est en relief en saillie relativement à la deuxième portion 332 ;
  • la première portion 331 comprend une zone centrale en creux.
  • au niveau d’une ligne de jonction entre la première portion 331 et la deuxième portion 332, la direction de rayons de la première partie du faisceau lumineux est identique à la direction de rayons de la deuxième partie du faisceau lumineux ;
  • la surface de réflexion 32 est une paroi de la pièce optique 3 s’étendant entre une bordure du dioptre d’entrée 31 et une bordure du dioptre de sortie 33 ;
  • une portion de fixation 6 est comprise entre une bordure du dioptre d’entrée 31 et la surface de réflexion 32, et s’étendant à l’arrière du dioptre d’entrée 31 ;
  • le dioptre d’entrée 31, le dioptre de sortie 33 et la surface de réflexion 32 sont symétriques autour d’un axe optique 4 de la pièce 3.
  • la source de lumière 5 est une source lambertienne, de préférence une diode électroluminescente ;
  • la source de lumière 5 est configurée pour émettre, de préférence exclusivement, dans les longueurs d’ondes de l’infrarouge, et de préférence dans un domaine de longueur d’ondes comprise entre 780 et 2000 nanomètres ;
  • une pièce 3 dont le dioptre d’entrée 31 est une surface concave en portion de sphère, la source de lumière 5 étant au centre de la sphère
Dans les caractéristiques exposées ci-après, des termes relatifs à la verticalité, l’horizontalité et à la transversalité (ou encore direction latérale), ou leurs équivalents, s’entendent par rapport à la position dans laquelle le système d’éclairage est destiné à être monté dans un véhicule. Les termes « vertical » et « horizontal » sont utilisés dans la présente description pour désigner des directions, suivant une orientation perpendiculaire au plan de l’horizon pour le terme « vertical » (qui correspond à la hauteur des systèmes), 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.
Un module de l’invention peut être monté individuellement sur le véhicule, de sorte à projeter un faisceau lumineux global de sortie vers l’extérieur. Suivant un mode de réalisation, la direction moyenne du faisceau lumineux projeté est dirigée horizontalement.
Le module peut être fermé par une glace, ou tout autre élément de protection ne formant pas un obstacle rédhibitoire à la transmission de lumière vers l’extérieur. Éventuellement, un ou plusieurs de ces modules peuvent être intégrés dans un projecteur configuré pour émettre au moins un autre faisceau lumineux, par exemple pour réaliser une fonction d’éclairage et/ou de signalisation. Par exemple, le module de l’invention peut être incorporé dans un projecteur à l’avant ou à l’arrière du véhicule, ou dans un projecteur latéral d’indication de changement de direction (clignotant).
On entend par source lumineuse lambertienne une source dont l’intensité lumineuse est orthotrope, respectant la loi de Lambert, c’est-à-dire que l’intensité lumineuse n’est pas la même dans toutes les directions. En particulier, en considérant une intensité maximale I0des rayons dirigés selon la normale à la source, suivant sa direction moyenne d’émission, l’intensité varie selon la loi en cosinus de Lambert :I=I0cosθ, où θ est l’angle de la direction de la lumière par rapport à la normale à la surface de la source.
Le module de l’invention met de préférence en œuvre une source de ce type, étant noté que cela correspond à la majorité des sources lumineuses disponibles sur le marché, notamment pour les sources à filament ou encore les diodes électroluminescentes. Ces sources, généralement bien plus économes et plus faciles à mettre en œuvre que des sources émettant des faisceaux d’intensité lumineuse constante telle des lasers, méritent, dans une application préférentielle de l’invention, un retraitement de la lumière configurée pour rendre moins variable l’intensité lumineuse du faisceau de sortie.
La figure 1 représente un véhicule 1 à l’avant duquel un faisceau 2 est projeté. Dans cet exemple, le module de l’invention est situé dans un projecteur latéral du véhicule, par exemple au niveau d’un dispositif d’indication de changement de direction. On comprend que l’on peut multiplier les modules de sorte à disposer d’un périmètre de détection important, voire complet autour du véhicule.
La figure 2 donne une première illustration en coupe d’une pièce optique 3 de l’invention.
L’axe optique 4 de la pièce 3 est avantageusement aussi un axe de symétrie pour une, plusieurs ou toute les surfaces fonctionnelles décrites ci-après. La pièce 3 est de préférence réalisée dans un matériau transparent dans la gamme de longueurs d’ondes d’intérêt de la source lumineuse. Notamment, il peut s’agir de polyméthacrylate de méthyle (PMMA), matériau transparent dans le domaine de l’infrarouge. Les parties 31, 32 et 33 sont de préférence des surfaces de révolution autour de l’axe 4.
Suivant un premier aspect, la pièce 3 comporte un dioptre d’entrée 31. À l’opposé du dioptre d’entrée 31 suivant la direction de l’axe optique 4, la pièce 3 comporte un dioptre de sortie 33. Le dioptre d’entrée 31 correspond à une face d’admission de rayons lumineux issus de la source lumineuse 5 qui sera décrite ci-après plus en détail. Avantageusement, il s’agit d’une surface concave, présentant de préférence un profil en portion de sphère, et notamment en demi-sphère. On peut placer la source lumineuse 5 au centre de la portion sphérique de sorte à émettre suivant une direction moyenne d’émission dirigée selon l’axe optique 4. Le dioptre d’entrée 31 est ainsi configurée pour ne pas dévier les rayons entrant dans la pièce optique 3.
À titre d’exemple, comme le montre la figure 2, la profondeur de la concavité du dioptre 31 peut correspondre à une proportion de 30 à 60% de l’épaisseur de la pièce optique 3, suivant l’axe optique 4.
Le dioptre de sortie 33 a vocation à projeter des rayons lumineux entrant par le dioptre d’entrée 31 et transmis, directement ou indirectement, vers le dioptre de sortie 33. La dimension principale de la surface du dioptre de sortie 33 s’étend perpendiculairement à l’axe optique 4 dans le cas de la figure 2.
Elle comprend une première portion 331 et une deuxième portion 332, la deuxième portion 332 étant située plus en périphérie relativement à l’axe optique 4 que la première portion 331. Avantageusement, la deuxième portion 332 entoure intégralement la première portion 331. Dans l’illustration de la figure 2, la deuxième portion 332 est plane. Par ailleurs ou en complément, le contour de cette portion 332 est avantageusement circulaire.
Suivant l’option de la figure 2, la deuxième portion 332 a donc une forme annulaire. Cette partie plane est avantageusement dirigée perpendiculairement à l’axe optique 4.
La première portion 331 du dioptre 33 est avantageusement en saillie au-delà de la première portion 332, c’est-à-dire que la première portion 331 est en surplomb de la portion 332 suivant la direction de projection des rayons lumineux du faisceau à produire. Suivant une possibilité, le relief formé par la première portion 331 réalise une surface bombée sur le dioptre 33. Par exemple, l’altitude maximale de cette partie bombée peut correspondre à moins de 20%, voire moins de 10%, de l’épaisseur de la pièce 3.
Suivant une possibilité, la première portion 331 comporte une zone de raccordement (c’est-à-dire une zone qui fait partie intégrante, optiquement, de la première portion et qui jouxte la deuxième portion 332) avec la deuxième portion 332 ayant une première inflexion, en particulier pour former un profil de raccordement bombée entre les deux portions 331,332.
De manière non limitative, la première portion 331 peut par ailleurs présenter une zone centrale en creux relativement à une zone sommitale périphérique. Ainsi, la portion 331 comporte dans ce cas une inflexion au niveau de son centre, pour former un léger creux, qui représente de préférence moins de 20% de la hauteur maximale de la partie bombée de la première portion 331. Dans une situation selon laquelle la première portion 331 est symétrique autour de l’axe 4, on pourra former une zone centrale en creux centrée sur l’axe optique 4, cette zone centrale étant suivie par une pente menant jusqu’à une ligne de crête circulaire elle-même suivie d’une descente progressive vers une zone de jonction de la première portion 331 avec la deuxième portion 332.
Avantageusement, la zone de jonction entre la première portion 331 la deuxième portion 332 correspond à une ligne fermée circulaire.
Un autre aspect de la pièce optique 3 est une surface de réflexion 32. Cette dernière a pour fonction de réfléchir une partie des rayons lumineux issus de la source lumineuse 5 et entrant via le dioptre d’entrée 31 dans la pièce 3, pour les diriger vers le dioptre de sortie 33.
Dans le cas représenté, la surface 32 est formée par une paroi de la pièce 3 située entre le dioptre d’entrée 31 et le dioptre de sortie 33. La surface 32 s’étend alors suivant l’axe optique 3 sous la forme d’une enveloppe, de section transversale avantageusement circulaire.
Avantageusement, dans tout plan de coupe comprenant l’axe optique 4, comme le révèle la figure 2, la surface de réflexion 32 a un profil convexe.
La surface 32 présente une section transversale croissante en direction du dioptre de sortie 33. Elle présente dans ce cas une forme évasée.
De préférence, la surface 32 présente une bordure distale immédiatement suivie de la deuxième portion 332 du dioptre de sortie 33. Ces deux parties fonctionnelles présentent de préférence une intersection sous forme d’un contour fermé, avantageusement circulaire.
La figure 3 montre un exemple de disposition d’une source lumineuse 5 en regard de la surface du dioptre d’entrée 31. La source 5 comprend de préférence un support dont une face porte un ou des éléments émissifs, par exemple sur la base de technologies LED, comme détaillé plus loin.
Comme le schématise la figure 3 notamment, la source lumineuse 5 est avantageusement centrée sur, et perpendiculaire à, l’axe optique 4. L’axe optique 4 peut être orienté sensiblement horizontalement.
De façon connue en soi, la présente invention peut utiliser des sources lumineuses du type diodes électroluminescentes encore communément appelées LEDs. Il peut éventuellement s’agir de LED(s) organique(s). Notamment, ces LEDs peuvent être dotées d’au moins une puce utilisant la technologie des semi-conducteurs et apte à émettre une lumière. Par ailleurs, le terme source lumineuse s’entend ici d’un ensemble d’au moins une source élémentaire telle une LED apte à produire un flux conduisant à générer, en sortie du module de l’invention, un faisceau lumineux. Dans un mode de réalisation, la face de sortie de la source est de section rectangulaire, ce qui est typique pour des puces à LEDs. On peut aussi mettre en œuvre un émetteur sous forme de disque.
La source de lumière est de préférence configurée pour émettre dans un demi-espace. La source de lumière est alors avantageusement centrée sur la portion sphérique du dioptre 31, qui est de manière préférée une demi-sphère.
Les longueurs d’onde de l’infrarouge d’émission de la source de lumière 5 peuvent être comprises dans la gamme des infrarouges proches (entre 700 et 2000 nanomètres). La source de lumière est éventuellement monochromatique, mais il n’est pas exclu qu’elle couvre une plus large gamme spectrale, notamment une partie du domaine du visible pour le moins.
La figure 3 fournit par ailleurs des exemples de chemins de rayons lumineux particuliers.
Depuis la source 5, un premier rayon remarquable entre dans la pièce 3 par le dioptre d’entrée 31 pour former un rayon transmis r1 orienté pour impacter le dioptre de sortie 33 au niveau d’un point de jonction entre la première portion 331 et la deuxième portion 332. Le rayon r1 est représenté en pointillé. Il correspond à un rayon d’inclinaison maximale d’une partie de la lumière émanant de la source 5 et sortant directement de la pièce optique 3. Cette sortie s’effectue par la première portion 331.
On comprend que les rayons présentant, autour de l’axe optique 4, une inclinaison comprise entre celle du rayon r1 et celle de son symétrique autour de l’axe optique 4 forment une première partie du faisceau lumineux sortant de la pièce optique 3. Cette première partie fonctionne en réfraction via la pièce 3.
Selon l’invention, la pièce optique 3 est configurée pour que l’intensité lumineuse de cette première partie du faisceau lumineux sortant soit homogène, c’est-à-dire qu’elle soit constante quelle que soit l’inclinaison des rayons dans cette partie de faisceau.
On entend par « intensité lumineuse constante » une intensité lumineuse qui ne varie pas plus de plus ou moins 5% autour d’une valeur moyenne, et avantageusement pas plus de plus ou moins 2% autour de cette valeur moyenne.
Suivant une possibilité, le secteur angulaire latéral couvert par la première partie de faisceau est supérieur ou égal à 80° et de préférence à 100°. Ainsi, par exemple, l’inclinaison du rayon r1 peut être supérieure ou égale à 40°. Par ailleurs, cette inclinaison peut être inférieure ou égale à 60°.
On comprend que la première partie de faisceau est produite par de la lumière émise par la source 5 dans un premier intervalle angulaire autour de l’axe optique 4. L’angle formé par le rayon r1 (correspondant à la direction, dans un plan longitudinal, entre le centre de la source lumineuse 5 et la jonction entre la portion 331 et la portion 332 du dioptre de sortie 33) définit la limite angulaire de ce premier intervalle.
Pour des rayons r3 plus inclinés, dans la continuité angulaire du rayon r1, la lumière impacte directement la portion 332. Dans ce cas, la pièce optique 3 est configurée pour réfléchir ces rayons. Ces derniers se trouvent alors renvoyés vers le bas, dans la configuration de l’illustration de la figure 3. Cela correspond à la zone hachurée entre le rayon r1 et le rayon r2. Ce dernier est celui présentant une direction identique à celle de la droite joignant le centre de la source lumineuse 5 et la bordure externe de la deuxième portion 332.
Par exemple, l’inclinaison correspondant au rayon r2 relativement à l’axe optique 4 peut être de 50°.
Pour une inclinaison des rayons au-delà de celle correspondant au rayon r2, les rayons impactent la surface de réflexion 32. Par le principe de la réflexion interne, ils sont alors renvoyés en direction de la deuxième portion 332.
On comprend que la lumière suivant ce chemin, avec réflexion interne dans la pièce optique 3, sort par le dioptre de sortie 33 pour former une deuxième partie du faisceau projeté.
La figure 3 montre deux trajectoires remarquables pour des rayons de cette deuxième partie de faisceau. Ainsi, un rayon r4 correspond à une réflexion d’un rayon issu de la source 5 et présentant un angle maximal relativement à l’axe optique. La réflexion s’opère au niveau d’une extrémité proximale de la surface de réflexion 32, correspondant au point P de la figure 3. Dans un mode de réalisation dans lequel le dioptre d’entrée 31 est une demi-sphère avec la source lumineuse 5 à son centre, l’angle d’entrée dans la pièce 3 correspond à une inclinaison de 90° relativement à l’axe optique 4.
Avantageusement, la surface de réflexion 32 et la première portion 332 du dioptre de sortie 33 sont configurées pour que le rayon réfléchi r4 sorte de la pièce optique 3 par la zone de jonction entre les portions 331 et 332. Ainsi, on définit des rayons présentant une inclinaison extrême dans la deuxième partie de faisceaux projetés.
Avantageusement, l’angle de ces rayons correspond à l’angle maximal de la première partie de faisceau. C’est ce que représente la figure 3 dans laquelle le rayon lumineux projeté issu du rayon r1 et le rayon lumineux projeté issu du rayon r4 sont alignées.
Depuis cette inclinaison maximale, la surface de réflexion 32 redresse progressivement les rayons lumineux issus de la source 5 et présentant une inclinaison comprise entre l’inclinaison maximale (avantageusement 90°) et l’inclinaison correspondant à celle du rayon r2 (correspondant à l’extrémité distale de la surface de réflexion 32). Dans le mode de réalisation illustrée, le rayon sortant issu de cette réflexion extrême présente une direction parallèle à l’axe optique 4.
Selon l’invention, la deuxième partie de faisceau ainsi définie présente, comme la première partie, une intensité lumineuse constante.
Par ailleurs, comme le reflète la figure 3, on s’arrange pour que le secteur angulaire couvert par la deuxième partie de faisceau soit identique au secteur angulaire couvert par la première partie de faisceau.
Il s’entend que la réalisation pratique peut tolérer quelques variations autour de cet objectif d’identité. En particulier, sont considérés comme se recouvrant totalement, des première partie de faisceau et deuxième partie de faisceau qui se recouvrent sur au moins 90%, voire au moins 95%, et éventuellement au moins 98%, de leur débattement angulaire.
La figure 4 montre un faisceau sortant résultant F, avec identification de la première partie de faisceau et de la deuxième partie de faisceau. Dans la mesure où la figure 4 représente une simulation du fonctionnement de l’invention à proximité immédiate de la pièce optique 3, le recouvrement de la première partie et de la deuxième partie de faisceau F n’apparaît pas parfaitement dans l’illustration; cependant, comme on parle d’intensités, on se positionne nécessairement à l’infini où les faisceaux se recouvrent. En effet, géométriquement il y a toujours une petite différence, égale au diamètre de la zone 331. A l’infini, cette petite différence est considérée comme négligeable.
Dans la mesure où l’intensité lumineuse de ces deux parties de faisceau est constante (ce qui ne veut pas dire que l’intensité de la première partie de faisceau est égale à l’intensité de la deuxième partie), le faisceau global F résultant présent une intensité constante sur l’ensemble du secteur angulaire qu’il couvre. Ce dernier correspond au secteur angulaire, identique, couvert par la première partie et la deuxième partie du faisceau.
Suivant un mode de réalisation, la dimension maximale en largeur, c’est-à-dire perpendiculairement à l’axe optique 4, de la pièce optique 3 est inférieure à 10 cm, voire inférieure à 5 cm. D’autre part, le module lumineux peut être configuré pour émettre le faisceau projeté jusqu’à une distance maximale inférieure à 10 m, voire inférieure à 5 m. Éventuellement, en alternative ou en complément, une distance minimale de projection peut être d’au moins 2 m.
La figure 4 montre par ailleurs une illustration de rayons r3 perdus, car réfléchis vers l’arrière du dioptre de sortie 33, suite à une réflexion directe de rayons issus de la source 5 sur la deuxième portion 332.
La figure 5 présente une variante de forme de la pièce optique 3, avec une portion de fixation 6 ici, de manière non limitative, réalisée en saillie vers l’arrière du dioptre d’entrée 31, après le point P correspondant ici à la bordure de ce dioptre 31. On peut ainsi former une zone servant à la fixation de la pièce 3 vis-à-vis d’autres éléments mécaniques. Étant en arrière du dioptre 31, cette zone n’affecte pas le fonctionnement optique. Dans le cas illustré, la surface de réflexion 32 est située après la portion 6. Dans une variante non illustrée, la portion de fixation 6 peut ne pas s'étendre vers l'arrière, et être par exemple formée avec une surface plane, de préférence perpendiculaire à l'axe optique. Dans le cas d'une symétrie de révolution globale, la surface plane peut être un anneau entourant le dioptre d'entrée 31 ; en particulier, si le dioptre d'entrée 31 est une surface concave, la surface plane peut s'étendre latéralement à partir du bord de cette surface concave. De préférence, l'autre bordure de la portion de liaison rejoint la bordure de la surface de réflexion 32. Le caractère avantageusement plan de la surface, et une orientation préférentielle perpendiculaire à l'axe optique, permettent à la portion de liaison 6, dans cette configuration, de n'avoir aucune interaction optique avec les rayons émis par la source de lumière 5.
On donne ci-après un exemple de détermination des formes des surfaces pertinentes pour réaliser une pièce optique 3 permettant la génération des deux parties de faisceau ceux recouvrant et autorisant une intensité constante.
Dans les explications qui suivent :
- I correspond à la valeur d’intensité lumineuse en un point considéré du dioptre de sortie pour l’une des deux parties du faisceau ;
- I0correspond à la valeur d’intensité lumineuse maximale de la source, c’est-à-dire suivant la direction moyenne d’émission de la source, correspondant typiquement à l’axe optique 4 ;
- z (ou Z) correspond à une coordonnée d’un point dans un repère orthonormé dont l’axe z est dirigé selon l’axe optique 4;
- y correspond à une autre coordonnée d’un point dans ce repère orthonormé dont l’axe z est dirigé selon l’axe optique 4, l’axe des y étant perpendiculaire à l’axe des z ;
- K est une constante d’intégration différente dans la partie réfractive et dans la partie en réflexion ;
- θ est, en un point du dioptre de sortie 33, l’angle entre la direction d’un rayon du faisceau lumineux et l’axe optique 4 (axe des z); θmax est la valeur maximale de cet angle ; typiquement, cette valeur maximale se trouvera au point de jonction entre la première portion 331 et la deuxième portion 332 ;
- θ’ est, en sortie de la source 5, l’angle entre la direction d’un rayon émis par la source vers le dioptre d’entrée 31 et l’axe optique 4 (axe des z) ;
- r est l’angle, en un point de la surface du dioptre de sortie 33 ou de la surface de réflexion 32, entre la direction normale à la surface en ce point, et l’axe optique 4 (axe des z) ; γ (gamma) est son complémentaire.
- le vecteur « N » est la direction normale à une surface en un point ; il peut s’agir de la surface du dioptre de sortie 33 ou encore de celle de la surface de réflexion 32 ; les coordonnées de ce vecteur, en considérant sa norme égale à 1, correspondent respectivement à sinr et à cosr dans un repère (y ; z);
- α est l’angle de réflexion, sur la surface de réflexion 32, en un point de cette surface ;
- β est l’angle formé en un point de la surface de réflexion 32 entre la direction d’un rayon réfléchi en ce point et l’axe optique 4 (axe des z) ;
- la valeur n est l’indice de réfraction de la matière de la pièce 3; par approximation, la valeur de cet indice est prise à 1 dans l’air, pour l’application des lois de la réfraction.
Pour les formules qui suivent, on suppose le résultat obtenu à l’infini avec une source ponctuelle. Les formules données permettent, d’une part de déterminer la relation (fonction f) liant θ et θ’, en prenant l’hypothèse (qui est le résultat recherché) que I est constant pour tous les rayons sortant par le dioptre 33, le paramètre r servant de variable.
L’exemple ici donné correspond à celui d’un dioptre d’entrée 31 de forme hémisphérique, la source 5 étant une source considérée comme ponctuelle au centre de l’hémisphère.
Par simplification des calculs, la portion 332 est prise plane et perpendiculaire à l’axe optique 4. Ainsi, pour cette partie de traitement optique correspondant à la deuxième partie de faisceau, on pourra jouer essentiellement sur la forme de la surface de réflexion 32.
En ce qui concerne le traitement optique correspondant à la première partie de faisceau, on joue essentiellement ici sur la forme de la portion 331 du dioptre de sortie 33.
La source 5 est considérée comme lambertienne de sorte que l’intensité lumineuse émise dans une direction donnée (définie par l’angle θ’) est égale à I0cosθ’.
Dans tout plan défini par des coordonnées (y,z) données précédemment, par défaut, on considèrera que y=0 au niveau de l’axe optique 4 et que z=0 au niveau de la portion 332, considérée plane et perpendiculaire à l’axe optique 4 dans l’hypothèse. Par ailleurs, la coordonnée suivant z est considérée comme égale à la valeur T au niveau de l’axe optique 4. Et la coordonnée suivant y est considérée comme égale à la valeur R au niveau de la bordure externe de la première portion 331.
Comme indiqué plus haut, on considère que la source 5 est une source lambertienne de petite taille (assimilée à une source ponctuelle) par rapport à la pièce optique construite. Son indicatrice d’émission répond à la formule indiquée plus haut : I0cosθ’. La face d’entrée englobant la source sur un demi espace et étant sphérique, centrée sur la source, elle ne dévie pas les rayons et influe sur l’intensité lumineuse d’un facteur constant ((n-1)/(n+1))2.
Fonction f: On peut écrire comme suit une fonction f liant l’angle d’entrée θ’ et l’angle θ d’un rayon sortant par le dioptre 33: Et
Application d’un objectif d’intensité lumineuse constante en sortie:
Par conservation d’énergie lumineuse entre la source et l’émission produite en sortie, en considérant un angle solide élémentaire Ω, on peut écrire : IémisdΩémission=IsourcedΩsource.
Soit, après élimination d’un facteur 2π et en considérant l’intensité lumineuse I constante en sortie: Déduction de la fonction f, à une constante d’intégration K près, en fonction d’un paramètre facilement déterminable : q=I0/4I: Qui donne, en croisé: Cette formule est appelée «formule 1» par la suite.
Considérations géométriques de la partie réfractive (première partie 331 du dioptre de sortie):
En se référant à la figure 6A, par la réfraction en sortie (première loi de Descartes), on peut écrire:
sin(r-θ) = nsin(r-θ’) → sinrcosθ - cosr sinθ = nsinrcosθ’ - ncosrsinθ’
tgr cosθ - sinθ = ntgr cosθ’ - nsinθ’
d’où on tire une équation de détermination de r(θ’) en fonction des mêmes paramètres que la fonction f. C’est une équation différentielle de la coupe de la première portion 331, qui peut être résolue numériquement moyennant le choix des conditions initiales indiquées plus bas (en particulier le facteur K dans la partie de réfraction peut être donné en fonction du facteur q pour cette partie en réfraction en cherchant à obtenir f(0)=0. La distance entre la source et le point considéré du dioptre de sortie (ici portion 331) est notée T dans les calculs qui suivent (un point selon l’axe optique 4 aura comme coordonnées (y, z) = (0, T).
Considérations géométriques de la partie en réflexion (deuxième portion 332 via la surface de réflexion 32)
En se référant à la figure 6B : β+π -θ’+π -2α = π → β = θ’+2α–π
Rappel: En notant que : r = α- β = π-α-θ’
La normale au point correspondant à l’angle r est : θ’ va de π/2 à: Où L’angle entre la normale à la surface de réflexion 32 au point d’impact du rayon avec la parallèle à l’axe optique (direction Z) passant par ce point est fourni par la formule : d’où on tire une équation de détermination de r(θ’) qui est une équation différentielle de la coupe de la surface de réflexion 32, qui peut être résolue numériquement moyennant le choix des conditions initiales (notamment f(π/2) = θmax(qui donne le paramètre K pour cette partie en réflexion en fonction du paramètre q de cette partie en réflexion et de l’angle θmaxqui est le demi angle au sommet du champ de vision et en fonction du point (y z)=(R, 0) où R est le rayon de la sphère d’entrée.
Détermination du paramètre q pour la partie en réfraction et la partie en réflexion :
Pour la partie en réfraction, en considérant que « yémergence» correspond à la coordonnée suivant l’axe (y) en un point de la première portion 331 correspondant à l’angle de la source θ’ indiqué : Pour la partie en réflexion, en considérant Z la coordonnée suivant l’axe des z (c’est-à-dire une cote verticale pour un point atteint par un rayon émis à θ’), la fonction f est telle que : Où Zlentille (θ’) est la hauteur du point de la portion 331 atteint par le rayon émis à θ’. La signification est similaire pour Zmiroir(θ’) qui est le point de la surface 32 atteint par un rayon émis à θ’.
Conditions initiales
1. Réfraction θ’= 0, θ = 0 2. Réflexion interne sur surface 32 θ’= π/2, θ = θmax
Constructions finales des surfaces en réfraction et en réflexion
En réfraction, des considérations géométriques qui précèdent, on peut écrire : tgr(ncosθ-cosθ) = nsinθ’-sinθ (ci-après dénommée «formule 2»)
Si on décrit la surface de sortie, dans la partie réfractive, par son équation en coordonnées cylindriques ρ(θ’):
D’après la formule 2:
D’où:
Ce qui établit ρ(θ’) puisque θ est une fonction de θ’ établie par la formule 1.
De par l’objectif d’intensité lumineuse constante en sortie indiqué précédemment, on rappelle la formule 1 :
Donc sinθ est une fonction de θ’.
De ce fait on peut déterminer r en tant que fonction de θ’.
En référence à la figure 6B, les relations trigonométriques donnent :
β + (π-θ) + (π-2α) = π
Le principe de la réfraction de sortie donne en outre : nsinβ = sinθ
En réflexion, des considérations géométriques qui précèdent, on peut écrire : α = (β+π-θ’)/2
Décrivons la coupe du réflecteur en coordonnées polaires : ρ(θ’)

γ est défini sur la figure 6B
En notant T le vecteur tangent à la surface de réflexion au point considéré, les coordonnées de ce vecteur dans le repère (y, z) sont :
Étant précisé que dans la formule ci-dessus, on a noté :
Donc
La valeur r est donc une fonction de θ’ et de K, I0et I’. La dernière formule est une équation différentielle en ρ(θ’) qui donne la coupe de la surface de réflexion 32 à une constante près.
Au final, les équations différentielles en réflexion et en réfraction permettent d’obtenir le profil des surfaces pertinentes. Des constantes d’intégration sont mises en jeu, et notamment les paramètres K et q. Suivant les conditions extrêmes souhaitées, on peut déterminer une relation entre ces deux paramètres. En particulier, on peut souhaiter une déviation nulle de la partie en réfraction, pour des rayons lumineux issus suivant l’axe optique (θ=θ’= 0) ; on peut aussi utiliser la zone de jonction entre la première portion et la deuxième portion, qui donne un point commun aux deux définitions de surface. Les paramètres T et R sont des paramètres de design. Pour limiter la quantité de rayons perdus sur la deuxième portion 332, on peut minimiser sa taille, ce qui, par un matériau donné, permet d’établir une relation entre T et R.
L’invention n’est pas limitée aux modes de réalisation précédemment décrits et s’étend à tous les modes de réalisation couverts par les revendications. Notamment, il n’est pas exclu que le module de l’invention comprenne d’autres éléments que la pièce optique 3 et que la source lumineuse 5, par exemple pour la fixation du module, pour la protection des éléments internes du module (boîtier) ou encore pour opérer un traitement optique supplémentaire du faisceau sortant.

Claims (16)

  1. Pièce (3) apte à coopérer avec une source de lumière pour projeter un faisceau lumineux (F) à partir de rayons émis par la source de lumière (5), caractérisée en ce qu’elle comprend :
    - un dioptre d’entrée destiné à recevoir des rayons lumineux émis par la source de lumière ;
    - un dioptre de sortie (33) du faisceau lumineux, le dioptre de sortie (33) comprenant une première portion (331) configurée pour projeter une première partie du faisceau lumineux à partir de rayons émis par la source de lumière (5) et transmis directement à la première portion (331) depuis le dioptre d’entrée (31), et une deuxième portion (332), différente de la première portion (331), configurée pour projeter une deuxième partie du faisceau lumineux ;
    - une surface de réflexion (32) configurée pour recevoir des rayons émis par la source de lumière (5) depuis de dioptre d’entrée (31) et pour les réfléchir vers la deuxième portion (332), de sorte à former la deuxième partie du faisceau lumineux;
    la pièce (3) étant configurée pour que la première partie du faisceau lumineux et la deuxième partie du faisceau lumineux présentent chacune une intensité lumineuse constante et pour que qu’elles couvrent un même secteur angulaire de projection.
  2. Pièce selon la revendication précédente, dans laquelle le dioptre d’entrée (31) est une surface concave.
  3. Pièce selon la revendication précédente, dans laquelle la surface concave est une portion de sphère, de préférence une demi-sphère.
  4. Pièce selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la deuxième portion (332) est située autour de la première portion (331).
  5. Pièce selon la revendication précédente, dans laquelle la deuxième portion (332) forme une surface au contour fermé autour de la première portion (331).
  6. Pièce selon la revendication précédente, dans laquelle la deuxième portion (332) est un anneau plan.
  7. Pièce selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle la première portion (331) est en relief en saillie relativement à la deuxième portion (332).
  8. Pièce selon la revendication précédente, dans laquelle la première portion (331) comprend une zone centrale en creux.
  9. Pièce selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle, au niveau d’une ligne de jonction entre la première portion (331) et la deuxième portion (332), la direction de rayons de la première partie du faisceau lumineux est identique à la direction de rayons de la deuxième partie du faisceau lumineux.
  10. Pièce selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la surface de réflexion (32) est une paroi de la pièce (3) s’étendant entre une bordure du dioptre d’entrée (31) et une bordure du dioptre de sortie (33).
  11. Pièce selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, comprenant une portion de fixation (6) entre une bordure du dioptre d’entrée (31) et la surface de réflexion (32), et s’étendant à l’arrière du dioptre d’entrée (31).
  12. Pièce selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le dioptre d’entrée (31), le dioptre de sortie (33) et la surface de réflexion (32) sont symétriques autour d’un axe optique (4) de la pièce (3).
  13. Module comprenant une pièce (3) selon l’une quelconque des revendications précédentes, et une source de lumière (5).
  14. Module selon la revendication précédente, dans lequel la source de lumière (5) est une source lambertienne, de préférence une diode électroluminescente.
  15. Module selon l’une quelconque des deux revendications précédentes, dans lequel la source de lumière (5) est configurée pour émettre, de préférence exclusivement, dans les longueurs d’ondes de l’infrarouge, et de préférence dans un domaine de longueur d’ondes comprise entre 780 et 2000 nanomètres.
  16. Module selon l’une quelconque des trois revendications précédentes, comprenant une pièce (3) dont le dioptre d’entrée (31) est une surface concave en portion de sphère, la source de lumière (5) étant au centre de la sphère.
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