FR3132577A1 - Dispositif de rétroéclairage, dispositif de génération d’images, afficheur tête haute et procédé de fabrication associés - Google Patents

Dispositif de rétroéclairage, dispositif de génération d’images, afficheur tête haute et procédé de fabrication associés Download PDF

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Abstract

L’invention porte sur un dispositif de rétroéclairage (10) comprenant :- une source de lumière (14) configurée pour émettre un faisceau source,- un réflecteur (15) configuré pour réfléchir une partie au moins du faisceau source en un faisceau réfléchi,- un composant (16) formé d’un seul tenant comprenant, sur une première face, un polariseur réflectif (17) et, sur une seconde face opposée à la première face, un diffuseur optique (18), ledit composant (16) étant configuré pour recevoir et transmettre une partie au moins du faisceau réfléchi,caractérisé en ce que la première face du composant (16) est placée du côté de la source de lumière (14). L’invention porte également sur un dispositif de génération d’images, un afficheur tête-haute et un procédé de fabrication pour un composant (16) pour dispositif de rétroéclairage (10). Figure pour l’abrégé : Fig. 2

Description

Dispositif de rétroéclairage, dispositif de génération d’images, afficheur tête haute et procédé de fabrication associés
La présente invention concerne de manière générale le domaine des afficheurs.
Elle concerne plus particulièrement un dispositif de rétroéclairage, utilisé par exemple dans un afficheur tête haute pour un véhicule automobile, ainsi qu’un dispositif de génération d’images, un afficheur tête haute et un procédé de fabrication associés.
Typiquement, un afficheur dit «tête haute »forme une image virtuelle dans le champ de vision d’un conducteur de véhicule automobile. Celui-ci peut ainsi visualiser des informations relatives au fonctionnement du véhicule, relatives à une voie de circulation faisant face au véhicule, ou autres, sans avoir pour cela à détourner son regard de cette voie de circulation. En effet, l’image virtuelle, comportant les informations à afficher, se superpose alors visuellement à l’environnement faisant face au véhicule.
Généralement, un afficheur dit «tête haute »comporte, à l’intérieur d’un boîtier, un dispositif de génération d’images duquel émerge un faisceau lumineux source et un système optique de projection adapté pour projeter une image générée par le dispositif de génération d’images vers l’extérieur, via le pare-brise par exemple, de manière à former l’image virtuelle précédemment évoquée.
Les afficheurs tête haute pour véhicule automobile utilisant un écran à cristaux liquides (LCD, pour « Liquid Crystal Display », en langue anglaise) dans leur dispositif de génération d’images sont souvent exposés à deux types de contraintes thermiques produisant un échauffement de l’écran : l’une de ces contraintes est liée à la source de lumière de l’afficheur tête haute, et l’autre à la concentration des rayons solaires sur l’écran.
La préservation des écrans LCD, composants sensibles nécessite un assemblage des pièces de l’afficheur tête haute adapté pour diminuer cet échauffement.
Dans ce contexte, la présente invention propose un dispositif de rétroéclairage comprenant :
- une source de lumière configurée pour émettre un faisceau source,
- un réflecteur configuré pour réfléchir une partie au moins du faisceau source en un faisceau réfléchi,
- un composant formé d’un seul tenant comprenant, sur une première face, un polariseur réflectif et, sur une seconde face opposée à la première face, un diffuseur optique, ledit composant étant configuré pour recevoir et transmettre une partie au moins du faisceau réfléchi,
caractérisé en ce que la première face du composant est placée du côté de la source de lumière.
Le positionnement de la première face du composant du côté de la source de lumière permet d’améliorer le recyclage de la lumière à l’intérieur du dispositif de rétroéclairage. En effet, si une portion du faisceau source ne présente pas la polarisation transmise par le polariseur réflectif, celle-ci est réfléchie par le polariseur réflectif et peut être réinterceptée par le réflecteur et réfléchie à nouveau en direction du composant. Ainsi, la transmission de la lumière par le dispositif de rétroéclairage est améliorée.
En outre, lorsque de la lumière extérieure (par exemple solaire) pénètre dans l’afficheur tête haute jusqu’au composant, celle-ci n’atteint pas directement le polariseur réflectif, ce qui évite l’apparition d’une lumière parasite dans le champ de vision d’un observateur.
Dans un mode de réalisation, le diffuseur optique est gravé sur un substrat transparent qui porte le polariseur réflectif.
Comme expliqué ci-après, le composant peut comprendre un substrat avec une première face portant le polariseur réflectif et une seconde face opposée à la première face et dans laquelle est formé le diffuseur par gravure.
Par exemple, la gravure est une gravure laser.
Dans un mode de réalisation, le polariseur réflectif est laminé sur le diffuseur optique.
Par exemple, le diffuseur optique produit une diffusion de la lumière de type elliptique gaussienne.
Un des aspects de l’invention porte également sur un dispositif de génération d’images comprenant un dispositif de rétroéclairage tel que décrit précédemment, comprenant en outre un écran à cristaux liquides placé en aval du réflecteur sur le trajet de propagation de la lumière, l’écran à cristaux liquides comprenant une matrice de cristaux liquides interposée entre un polariseur amont et un polariseur aval, ledit polariseur amont étant apte à transmettre sélectivement une composante de lumière présentant une polarisation amont donnée.
Dans un mode de réalisation, le polariseur réflectif est adapté pour réfléchir une composante de lumière présentant une polarisation orthogonale à ladite polarisation amont.
Dans un mode de réalisation, le réflecteur présente un axe principal parallèle à une direction principale du faisceau source et le composant est orthogonal à l’axe principal du réflecteur.
Dans un mode de réalisation, l’écran à cristaux liquides est incliné par rapport à la direction principale du faisceau source et le composant est positionné parallèlement à l’écran à cristaux liquides.
Un des aspects de l’invention porte également sur un afficheur tête haute comprenant un dispositif de génération d’images tel que décrit précédemment et comprenant en outre un système optique de projection apte à renvoyer un faisceau lumineux généré par le dispositif de génération d’images en direction d’une lame partiellement transparente.
Enfin, un des aspects de l’invention porte sur un procédé de fabrication d’un composant pour dispositif de rétroéclairage à partir d’un substrat pourvu d’un polariseur réflectif sur une première face et présentant une seconde face opposée à la première face, comprenant une étape de formation d’un diffuseur optique par gravure dans la seconde face du substrat.
Par exemple, l’étape de formation du diffuseur optique est une étape de gravure laser.
Bien entendu, les différentes caractéristiques, variantes et formes de réalisation de l'invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres.
De plus, diverses autres caractéristiques de l'invention ressortent de la description annexée effectuée en référence aux dessins qui illustrent des formes, non limitatives, de réalisation de l'invention et où :
est une vue schématique montrant l’intégration d’un afficheur tête-haute selon l’invention dans un véhicule automobile.
représente un premier mode de réalisation d’un dispositif de rétroéclairage selon l’invention.
représente un substrat pourvu d’un polariseur réflectif avant une étape de formation d’un diffuseur optique par gravure laser.
représente le substrat de la après une étape de formation d’un diffuseur optique par gravure laser.
représente schématiquement l’agencement de certains composants d’un dispositif de génération d’images selon l’invention.
représente un deuxième mode de réalisation d’un dispositif de rétroéclairage selon l’invention.
Il est à noter que sur ces figures les éléments structurels et/ou fonctionnels communs aux différentes variantes peuvent présenter les mêmes références.
Sur la , on a représenté schématiquement les éléments principaux d’un afficheur tête haute 1, destiné par exemple à équiper un véhicule 2, notamment un véhicule automobile.
L’afficheur 1 de la est adapté à projeter une image virtuelle 3 dans le champ de vision d’un conducteur 4 du véhicule 2, de sorte que le conducteur 4 puisse voir cette image virtuelle 3 et les informations éventuelles qu’elle contient sans avoir à détourner le regard.
A cet effet, l’afficheur 1 comprend une lame partiellement transparente 5 placée dans le champ de vision du conducteur 4, un dispositif de génération d’images 6 adapté à générer un faisceaux lumineux image 7 et un système optique de projection 8 adapté à renvoyer, en direction de ladite lame partiellement transparente 5, le faisceau lumineux image 7 généré par le dispositif de génération d’images 6 après la traversée d’une fenêtre transparente 9. Le faisceau lumineux renvoyé en direction de la lame partiellement transparente 5 est en partie réfléchi par la lame partiellement transparente 5 en direction du conducteur 4 et produit ainsi l’image virtuelle 3.
La lame partiellement transparente 5 est ici confondue avec le pare-brise du véhicule 2. Autrement dit, c’est le pare-brise du véhicule 3 qui a la fonction de lame partiellement transparente 5 pour l’afficheur tête haute 1.
Comme visible sur la , le dispositif de génération d’images 6 et le système optique de projection 8 sont ici placés dans un boîtier 22, dont une ouverture est fermée par la fenêtre transparente 9 déjà mentionnée.
Un premier mode de réalisation du dispositif de génération d’images 6 selon l’invention est illustré sur la . Le dispositif de génération d’images 6 comprend un dispositif de rétroéclairage 10, un écran à cristaux liquides 11 recouvrant le dispositif de rétroéclairage 10, un premier dissipateur thermique 12 et un deuxième dissipateur thermique 13.
Le dispositif de rétroéclairage 10 comprend une source de lumière 14 de type matrice de diodes électroluminescentes, un réflecteur 15 et un composant optique 16. La source de lumière 14 est configurée pour émettre un faisceau source divergent autour d’une direction principale D. Le réflecteur 15 reçoit une partie au moins du faisceau source et en réfléchit une partie au moins en un faisceau réfléchi en direction du composant optique 16. Le faisceau réfléchi est ici collimaté. Le composant optique 16 reçoit une partie au moins du faisceau réfléchi et en transmet une partie au moins en un faisceau diffusé vers l’écran à cristaux liquides 11. Le faisceau diffusé vient éclairer l’écran à cristaux liquides 11 afin que l’écran à cristaux liquides 11 laisse passer une partie au moins du faisceau diffusé pour former le faisceau lumineux image 7.
Le composant optique 16 est un composant dédié formé d’un seul tenant et comprenant sur une première face un polariseur réflectif 17 et sur une seconde face, opposée à la première face, un diffuseur optique 18. Par formé d’un seul tenant, il est entendu que le composant optique 16 consiste en une seule pièce. Par polariseur réflectif, il est entendu un polarisateur fonctionnant en réflexion, c’est-à-dire réfléchissant une composante de polarisation déterminée Pd et transmettant la composante de polarisation orthogonale. Par diffuseur optique, il est entendu un élément optique réalisant un étalement angulaire d’une lumière incidente.
La première face est positionnée du côté du réflecteur 15, qui correspond au côté de la source de lumière 14. Cette configuration permet d’améliorer le recyclage de la lumière à l’intérieur du dispositif de rétroéclairage 10. En effet, si une portion du faisceau source ne présente pas la polarisation transmise par le polariseur réflectif, celle-ci est réfléchie par le polariseur réflectif 17 et peut être réinterceptée par le réflecteur 15, puis réfléchie à nouveau en direction du composant optique 16.
Un des avantages de la formation en un seul tenant du composant optique 16 est de limiter les réflexions entre le polariseur réflectif 17 et le diffuseur optique 18. La limitation de ces réflexions permet d’améliorer le contraste perçu directement sur l’écran à cristaux liquides 11.
Par exemple, le composant optique 16 est obtenu par le procédé suivant :
- préparation d’une pièce intermédiaire comprenant un substrat pourvu d’un polariseur réflectif sur une première face ; le polariseur réflectif peut être en matière plastique, par exemple en PVA-TAC-acrylique, et permet de transmettre la lumière arrivant sur sa surface dans une polarisation donnée et de réfléchir la lumière arrivant dans une polarisation orthogonale à la polarisation donnée.
- gravure de motifs sur la seconde face du substrat (opposée à la première face), par exemple par gravure laser, afin de former le diffuseur optique 18 sur cette face ; une structure diffusante peut par exemple être imprimée sur la face arrière (c’est-à-dire la face ne recevant pas directement la lumière incidente) d’un polariseur réflectif en plastique, de type polycarbonate, au moyen d’une gravure laser, par exemple par usinage laser (en anglais « Femtosecond laser patterning ») ; la structure diffusante correspond à un grainage distribué sur la face arrière de sorte à diffuser la lumière selon une distribution de diffusion donnée.
La représente un substrat 25 pourvu sur une première face 23 d’un polariseur réflectif. Le substrat 25 présente une couche transparente 24, ici en polycarbonate, définissant une seconde face opposée à la première face 23. On propose ici d’appliquer une gravure laser à cette seconde face afin de former un diffuseur optique.
La représente le substrat 25 de la après application d’une gravure laser à la seconde face définie par la couche transparente 24. On peut observer le profil structuré de la seconde face suite à la gravure laser. Ce profil structuré confère une fonction supplémentaire de diffusion au substrat pourvu du polariseur réflectif.
Dans une variante, le polariseur réflectif 17 est laminé sur le diffuseur optique 18 à l’aide d’une colle optique transparente. Dans ce cas, le diffuseur optique 18 peut être fabriqué en matière plastique injectée, telle que du polycarbonate. L’épaisseur du diffuseur optique 18 dans le composant optique 16 peut être comprise entre 0,2 mm et 1 mm, et de préférence égale à 0,5 mm. Alternativement, le diffuseur optique 18 peut être constitué d’un film plastique, par exemple en polycarbonate. L’épaisseur du film peut être comprise entre 0,1 mm et 0,25 mm, et de préférence égale à 0,125 mm. De préférence, le matériau du diffuseur optique 18 présente une température de déflection supérieure ou égale à 120°C avec une charge égale à 1,8 MPa, et supérieure ou égale à 130°C avec une charge égale à 0,45MPa.
Afin de garantir la qualité du laminage du polariseur réflectif 17 sur le diffuseur optique 18, ce dernier est de préférence en matière plastique et est chauffé à une température comprise entre 30°C et 60°C. Cette procédure permet de réduire les tensions mécaniques à l’intérieur du diffuseur optique 18 et de garantir une meilleure adhérence avec le polariseur réflectif.
Par exemple, l’épaisseur du polariseur réflectif 17 dans le composant optique 16 est inférieure ou égale à 0,15 mm. De préférence, l’épaisseur du polariseur réflectif 17 dans le composant optique 16 est égale à 0,075 mm.
De préférence, le polariseur réflectif 17 peut fonctionner à des températures supérieures ou égales à 105°C.
Le diffuseur optique 18 est défini par une indicatrice de diffusion avec un maximum d’intensité dans une direction principale, et par exemple, des largeurs angulaires dans certaines directions. Par exemple, le type de diffusion réalisé par le diffuseur optique 18 est de type elliptique gaussien. Par exemple, la largeur à mi-hauteur de diffusion dans la direction de la longueur de l’écran à cristaux liquides 11 est de 30 degrés et la largeur à mi-hauteur de diffusion dans la direction de la largeur de l’écran à cristaux liquides 11 est de 20 degrés.
L’écran à cristaux liquides 11 comprend une matrice de cristaux liquides interposée entre un polariseur amont 19 et un polariseur aval 20, le polariseur amont 19 étant situé du côté du composant optique 16. Le polariseur amont 19 est configuré pour transmettre sélectivement une composante de lumière présentant une polarisation amont Pa dans la matrice de cristaux liquides. Une activation adaptée de certains éléments de la matrice de cristaux liquides permet sélectivement le passage de la lumière reçue du polariseur amont 19 par modification de la polarisation de celle-ci à travers les éléments de la matrice de cristaux liquides et transmission ou non à travers le polariseur aval 20.
La polarisation déterminée Pd réfléchie par le polariseur réflectif 17 est réglée orthogonalement à la polarisation amont Pa. Autrement dit, la polarisation de la lumière Pt transmise par le polariseur réflectif 17 est alignée avec la direction de polarisation que transmet le polariseur amont 19 de l’écran à cristaux liquides 11. La illustre schématiquement ce réglage.
Ainsi, en choisissant le diffuseur optique 18 de sorte qu’il perturbe au minimum la polarisation de la lumière qu’il reçoit, le faisceau diffusé présente une polarisation qui va être transmise par le polariseur amont 19 de l’écran à cristaux liquides 11 et traverser ce dernier. De cette manière, l’absorption du faisceau diffusé dans l’écran à cristaux liquides 11 est réduite tandis que sa transmission est améliorée, ce qui limite l’échauffement de l’écran à cristaux liquides 11.
Dans ce premier mode de réalisation, le réflecteur 15 présente une hauteur constante dans la direction définie par la direction principale d’émission de la source de lumière 14, ainsi qu’un axe principal parallèle à la direction principale d’émission D de la source de lumière 14.
Par exemple, le réflecteur 15 est fabriqué en matière plastique avec une couche de métallisation appliquée sur les parois intérieures du réflecteur 15. De préférence, le matériau du réflecteur 15 présente une température de déflection supérieure ou égale à 120°C avec une charge égale à 1,8 MPa et supérieure ou égale à 130°C avec une charge égale à 0,45 MPa. Ceci permet de préserver les propriétés mécaniques et thermiques du réflecteur sur toute la plage de fonctionnement du dispositif de génération d’images 6, par exemple, entre -40°C et 105°C. De l’aluminium ou de l’argent peuvent être utilisés pour la métallisation.
Par exemple, le coefficient de réflexion du réflecteur 15 est supérieur ou égal à 60%, de préférence supérieur ou égal à 80%. Ce paramètre permet de réduire les pertes de lumière par absorption et améliore l’uniformité de l’image virtuelle 3.
La géométrie du réflecteur 15 peut être optimisée afin d’améliorer l’efficacité de recyclage du polariseur réflectif 17. De préférence, la forme du réflecteur 15 est effilée, avec la partie la plus étroite positionnée de manière plus proche de la source de lumière 14. Par exemple, le réflecteur 15 peut présenter des parois dont l’inclinaison permet de maximiser la surface réfléchissante vue depuis le polariseur réflectif 17. Aussi, la courbure des parois du réflecteur 15 peut être optimisée pour améliorer la collimation du faisceau source.
Dans ce premier mode de réalisation, le composant optique 16 est orthogonal à l’axe principal du réflecteur.
Par ailleurs, la direction normale de l’écran à cristaux liquides 11 est inclinée par rapport à la direction de l’axe principal du réflecteur 15.
La illustre un deuxième mode de réalisation du dispositif de rétroéclairage 6 selon l’invention.
Comme dans le premier mode de réalisation, la direction normale de l’écran à cristaux liquides 11 est inclinée par rapport à la direction de l’axe principal du réflecteur 15.
Dans ce deuxième mode de réalisation, la direction normale du composant optique 16 est également inclinée par rapport à la direction de l’axe principal du réflecteur 15. Par exemple, l’inclinaison est comprise entre 12 degrés et 24 degrés. De préférence, l’inclinaison est supérieure à 13 degrés.
Par exemple, le composant optique 16 est parallèle à l’écran à cristaux liquides 11.
La géométrie du réflecteur 15 est alors adaptée à cette configuration afin de ne pas dégrader les caractéristiques optiques de l’image virtuelle 3 perçue, telles que le contraste, la luminance et l’uniformité de l’image virtuelle 3. Comme illustré sur la , le réflecteur présente toujours un axe principal parallèle à la direction principale d’émission de la source de lumière mais est asymétrique. Par exemple, les bords du réflecteur 15 interceptent une surface fictive inclinée d’un angle d’inclinaison par rapport à un plan orthogonal à l’axe principal du réflecteur 15. Par exemple, la surface fictive est parallèle à l’écran à cristaux liquides 11.

Claims (12)

  1. Dispositif de rétroéclairage (10) comprenant :
    - une source de lumière (14) configurée pour émettre un faisceau source,
    - un réflecteur (15) configuré pour réfléchir une partie au moins du faisceau source en un faisceau réfléchi,
    - un composant (16) formé d’un seul tenant comprenant, sur une première face, un polariseur réflectif (17) et, sur une seconde face opposée à la première face, un diffuseur optique (18), ledit composant (16) étant configuré pour recevoir et transmettre une partie au moins du faisceau réfléchi,
    caractérisé en ce que la première face du composant (16) est placée du côté de la source de lumière (14).
  2. Dispositif de rétroéclairage (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le composant (16) comprend un substrat avec une première face portant le polariseur réflectif (17) et une seconde face opposée à la première face et dans laquelle est formé le diffuseur (18) par gravure.
  3. Dispositif de rétroéclairage selon la revendication 2, dans lequel la gravure est une gravure laser.
  4. Dispositif de rétroéclairage (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le polariseur réflectif (17) est laminé sur le diffuseur optique (18).
  5. Dispositif de rétroéclairage (10) selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le diffuseur optique (18) produit une diffusion de la lumière de type elliptique gaussienne.
  6. Dispositif de génération d’images (6) comprenant un dispositif de rétroéclairage (10) selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu’il comprend en outre un écran à cristaux liquides (11) placé en aval du réflecteur (15) sur le trajet de propagation de la lumière, l’écran à cristaux liquides (11) comprenant une matrice de cristaux liquides interposée entre un polariseur amont (19) et un polariseur aval (20), ledit polariseur amont (19) étant apte à transmettre sélectivement une composante de lumière présentant une polarisation amont (Pa) donnée.
  7. Dispositif de génération d’images (6) selon la revendication 6, caractérisé en ce que le polariseur réflectif (17) est adapté pour réfléchir une composante de lumière présentant une polarisation orthogonale (Pr) à ladite polarisation amont (Pa).
  8. Dispositif de génération d’images (6) selon l’une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que le réflecteur (15) présente un axe principal parallèle à une direction principale (D) du faisceau source et en ce que le composant (16) est orthogonal à l’axe principal du réflecteur.
  9. Dispositif de génération d’images (6) selon l’une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que :
    - l’écran à cristaux liquides (11) est incliné par rapport à la direction principale (D) du faisceau source,
    - le composant (16) est positionné parallèlement à l’écran à cristaux liquides (11).
  10. Afficheur tête haute (1) comprenant un dispositif de génération d’images (6) selon l’une des revendications 6 à 9, comprenant en outre un système optique de projection (8) apte à renvoyer un faisceau lumineux généré par le dispositif de génération d’images en direction d’une lame partiellement transparente (5).
  11. Procédé de fabrication d’un composant (16) pour dispositif de rétroéclairage (10) à partir d’un substrat pourvu d’un polariseur réflectif (17) sur une première face et présentant une seconde face opposée à la première face, comprenant une étape de formation d’un diffuseur optique (18) par gravure dans la seconde face du substrat.
  12. Procédé de fabrication selon la revendication 11, caractérisé en ce que l’étape de formation du diffuseur optique est une étape de gravure laser.
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