FR3011125A1

FR3011125A1 - Dispositif catadioptrique ameliorant la visualisation d'une image placee devant un capteur solaire

Info

Publication number: FR3011125A1
Application number: FR1302192A
Authority: FR
Inventors: Badre Kerzabi
Original assignee: Wysips
Current assignee: Sunpartner Technologies SAS
Priority date: 2013-09-20
Filing date: 2013-09-20
Publication date: 2015-03-27
Anticipated expiration: 2033-09-20
Also published as: WO2015040288A1; FR3011125B1

Abstract

L'invention concerne un dispositif optique comportant au moins : (a) un capteur (5) de l'énergie lumineuse provenant d'une source de lumière extérieure ; (b) une plaque transparente (1) disposée entre ladite source de lumière extérieure et ledit capteur, comprenant une première face orientée vers ladite source de lumière extérieure et constituée d'un premier réseau (1a) de dioptres élémentaires (6), et une deuxième face orientée vers ledit capteur et constituée d'un deuxième réseau (1b) de dioptres élémentaires (7) ; (c) une pluralité de réflecteurs (2) aptes à rediriger par réflexion spéculaire et quel que soit son angle d'incidence tout ou partie de la lumière émise par ladite source de lumière extérieure et qui traverse ledit premier réseau (1a) de dioptres élémentaires (6) en direction dudit deuxième réseau (1 b) de dioptres élémentaires (7) ; (d) une image composée de zones de pixels (3). Ce dispositif est caractérisé en ce que lesdits réflecteurs (2) sont agencés de manière que la lumière incidente, pour une première plage d'angles d'incidence avec le plan du premier réseau (1a) de dioptres élémentaires (6) et après réflexion ou non sur lesdits réflecteurs (2), atteint ledit capteur (5), et que pour une autre plage d'angles d'incidence avec le plan du premier réseau (1a) de dioptres élémentaires (6) et après réflexion ou non sur lesdits réflecteurs (2), atteint lesdites zones de pixels (3) de l'image.

Description

Dispositif catadioptrique améliorant la visualisation d'une image placée devant un capteur solaire Domaine technique de l'invention La présente invention se rapporte à des dispositifs optiques qui permettent de visualiser une image placée devant un capteur solaire tout en minimisant les pertes de performances énergétiques de ce capteur. Etat de la technique L'intégration visuelle discrète des capteurs solaires est particulièrement utile dans des objets qui ont pour fonction principale de faire écran, au moins partiellement, aux rayons solaires, comme par exemple dans des stores, des pare-soleils, des parasols, des ombrières et autres. Mais une bonne intégration visuelle et fonctionnelle des capteurs solaires peut aussi être utile dans une gamme plus vaste de supports, comme les bâtiments, les toitures, les murs, les tuiles, les vitrages, les véhicules de transport, y compris les bateaux et les avions, les panneaux et écrans publicitaires, les écrans électroniques, les vêtements, et d'une manière générale sur tout support plan ou non plan. Les capteurs solaires ont en général une apparence sombre, ou contrastée par rapport à la couleur de leur environnement. Il est donc nécessaire de les intégrer visuellement dans cet environnement d'une façon aussi discrète que possible. Ce besoin d'intégration visuelle nécessite de recouvrir les capteurs solaires d'une couleur ou d'une image semi-transparente et d'assez bonne qualité, tout en diminuant le moins possible les performances des capteurs solaires. On connaît déjà plus particulièrement du brevet W0/2007/085721 un dispositif optique composé d'un réseau de lentilles et d'un réseau de zones image placées en regard des lentilles qui permet à un observateur de visualiser soit l'image reconstituée par les lentilles soit le panneau solaire qui est placé derrière le dispositif. La visualisation de l'image ou du panneau solaire dépend alors de l'angle d'observation par rapport à la surface optique. Lorsque les lentilles sont demi-cylindriques, cette alternance se réitère environs tous les 25°, ce qui limite les applications notamment lorsque celles-ci nécessitent de pouvoir observer l'image en continu sur une plage angulaire de 90°. Une première solution à ce problème a déjà été donnée dans les publications WO/2013/057393 et W0/2013/057394, qui décrivent des dispositifs optiques destinés à augmenter à la fois la plage angulaire totale de visualisation d'une image située à la surface d'un capteur solaire et la capture des rayons solaires par ledit capteur. Ces dispositifs optiques comprennent une plaque transparente qui est disposée entre la source de lumière extérieure et le capteur solaire et qui comporte une pluralité de fentes (lames d'air). La première face de ladite plaque transparente est plane ou structurée par un réseau de lentilles, alors que la seconde face contient des zones de pixels d'une image séparées par des zones de transparence. Les faces de chaque fente doivent être suffisamment polies pour que ces surfaces aient la propriété de réfléchir certains rayons lumineux qui traversent la première face de la plaque transparente. Cette réflexion optique a lieu grâce à la différence d'indices de réfraction entre la matière transparente de la plaque et l'air contenu dans les fentes. Une partie des rayons issus d'une source lumineuse, en particulier du soleil, sont ainsi réfléchis sur les parois des fentes et traversent les zones de transparence, alors que d'autres rayons solaires traversent directement les zones de transparence sans être réfléchis à la surface des fentes. La quantité de lumière qui traverse les zones de transparence et qui atteint le capteur solaire est alors supérieure à la quantité de lumière qui aurait traversé les zones de transparence si les fentes n'existaient pas, ce qui a pour effet d'augmenter le rendement de production énergétique du dispositif. La réflexion optique sur les parois des fentes agit aussi pour les rayons sortants issus des zones pixélisées, ce qui permet à un observateur de visualiser toutes les zones pixélisées, donc une image entière, sous des angles bien plus importants qu'avec un système optique sans fentes. Il en résulte que l'intégration visuelle du dispositif sur un support est effective sur une plage angulaire plus large qu'en l'absence des fentes. Ce dispositif présente néanmoins plusieurs inconvénients. Un premier problème technique tient à la physique du phénomène de réflexion totale de la lumière à l'interface entre deux milieux optiques d'indices de réfraction différents.

La réflexion de la lumière n'est totale que pour des angles d'incidence du faisceau lumineux supérieurs à un angle limite par rapport à la normale au dioptre (42° par exemple pour une interface verre/air). Ainsi, en fonction de l'indice de réfraction de la plaque transparente, de la forme géométrique de la première face de cette plaque et de l'orientation des lames d'air, il existe des angles d'incidence pour lesquelles le faisceau incident n'est non pas réfléchi sur les fentes mais traversant (figure 1). Il en résulte une diminution de l'efficacité du capteur lumineux, qui reçoit moins de lumière, et une réduction de la continuité des plages angulaires de vision de l'image par un observateur. Plusieurs autres problèmes sont liés à l'encrassement des lames d'air, à la mauvaise tenue mécanique du système et à la difficulté de mise en oeuvre de son procédé de fabrication, qui réduisent la planéité du dioptre séparant la plaque transparente de la lame d'air. L'incrustation de poussières ou de salissures dans les lames d'air ouvertes en face avant du système optique nécessite d'empêcher les circulations d'air dans le dispositif et de le rendre hermétique, et donc d'encapsuler le système optique avec une plaque de protection, ce qui dégrade toutefois la transparence du dispositif. L'enlèvement de matière dans la plaque lors du procédé de réalisation des lames d'air affaiblit mécaniquement le système optique, avec des risques de rupture de la plaque transparente structurée ou de déformation par écrasement des lames d'air. Or, en diminuant la planéité du dioptre, on diminue d'autant les réflexions totales qui peuvent s'y produire. La résolution simultanée des problèmes mentionnés précédemment permettrait donc d'accroître la performance des capteurs solaires et d'améliorer la continuité des plages angulaires de visualisation de l'image par un observateur, tout en envisageant des procédés de fabrication d'un tel système optique plus aisés à mettre en oeuvre. La présente invention vise donc à remédier à ces inconvénients, en proposant l'intégration de réflecteurs au lieu des lames d'air dans le dispositif optique.

Objets de l'invention L'objet de l'invention est constitué par un dispositif optique et par son procédé de réalisation. Le dispositif optique selon l'invention comporte au moins : (a) un capteur (5) de l'énergie lumineuse provenant d'une source de lumière extérieure ; (b) une plaque transparente (1) disposée entre ladite source de lumière extérieure et ledit capteur, comprenant une première face orientée vers ladite source de lumière extérieure et constituée d'un premier réseau (1a) de dioptres élémentaires (6), et une deuxième face orientée vers ledit capteur et constituée d'un deuxième réseau (1 b) de dioptres élémentaires (7) ; (c) une pluralité de réflecteurs (2) aptes à rediriger par réflexion spéculaire et quel que soit son angle d'incidence tout ou partie de la lumière émise par ladite source de lumière extérieure et qui traverse ledit premier réseau (la) de dioptres élémentaires (6) en direction dudit deuxième réseau (1b) de dioptres élémentaires (7) ; (d) une image composée de zones de pixels (3) ; ledit dispositif est caractérisé en ce que lesdits réflecteurs (2) sont agencés de manière que la lumière incidente, pour une première plage d'angles d'incidence avec le plan du premier réseau (1a) de dioptres élémentaires (6) et après réflexion ou non sur lesdits réflecteurs (2), atteint ledit capteur (5), et que pour une autre plage d'angles d'incidence avec le plan du premier réseau (la) de dioptres élémentaires (6) et après réflexion ou non sur lesdits réflecteurs (2), atteint lesdites zones de pixels (3) de l'image. On appelle dioptre l'interface entre deux milieux optiques d'indices de réfraction différents. La réflexion est dite spéculaire lorsque le rayon incident donne naissance à un rayon réfléchi unique. Idéalement, l'énergie du rayon incident se retrouve totalement dans le rayon réfléchi. Le terme élémentaire qualifie le plus petit motif d'un réseau qui, une fois répété, constitue ledit réseau. Le plan du réseau est défini par deux vecteurs non colinéaires, et l'espacement régulier entre deux points identiques de deux motifs élémentaires adjacents définit le pas du réseau. Ainsi, le réseau est entièrement décrit par la translation du motif élémentaire selon deux pas associés aux deux vecteurs qui forment le plan du réseau. Selon certains modes de réalisation retenus, les réflecteurs peuvent être métalliques, par exemple en aluminium ou en argent, ou colorés, par exemple de couleur blanche, ou constitués de matériaux à base de carbone, par exemple en graphène ou graphite, et en ce qu'ils ont leurs parois lisses ou polies. Il en résulte que ces réflecteurs privilégient une réflexion spéculaire de la lumière reçue plutôt qu'une réflexion diffuse ou une absorption, la nature de la réflexion dépendant étroitement de la qualité de l'interface. Dès lors que la taille des défauts de l'interface est inférieure ou de l'ordre de grandeur de la longueur d'onde de la lumière reçue, l'interface tend à devenir parfaitement réfléchissante.

Selon une variante supplémentaire de réalisation, lesdits réflecteurs sont semiréfléchissants, comme par exemple les filtres dichroïques, et/ou polarisants, comme par exemple les polariseurs réfléchissants, et/ou semi-transparents. De cette façon, une partie seulement de la lumière est réfléchie et l'autre partie traverse et/ou est absorbé par ledit réflecteur. Cette réflexion et/ou cette absorption peuvent être restreintes à une plage de longueurs d'ondes de la lumière, par exemple dans la gamme du visible, de sorte que lesdits réflecteurs jouent également le rôle de filtres colorés. Selon l'invention, lesdits réflecteurs peuvent être organisés en un réseau continu ou discontinu de motifs réfléchissants élémentaires, délimitant tous types de formes, en particulier des formes courbes, par exemple cylindriques, des formes planes, par exemple polygonales, prismatiques ou hexagonales. Ces motifs réfléchissants élémentaires sont orientés de préférence orthogonalement au plan du réseau de dioptres élémentaires de la plaque transparente.35 Selon un certain mode de réalisation du dispositif selon l'invention, les réflecteurs ou les motifs réfléchissants élémentaires ont une hauteur correspondant à l'épaisseur locale de la plaque transparente, de sorte qu'ils interceptent à la fois le premier réseau de dioptres élémentaires et le deuxième réseau de dioptres élémentaires.

Selon un autre mode de réalisation, les réflecteurs ou les motifs réfléchissants élémentaires ont une hauteur inférieure à l'épaisseur locale de la plaque transparente. Dans ce cas ils peuvent intercepter le premier ou le second réseau de dioptres élémentaires, ou même aucun des deux réseaux. Ainsi, quel que soit l'angle d'incidence du faisceau de lumière incident sur le premier réseau de dioptres élémentaires, ledit faisceau peut directement atteindre le deuxième réseau de dioptres élémentaires ou bien se réfléchir une ou plusieurs fois sur lesdits motifs réfléchissants avant d'atteindre le deuxième réseau de dioptres élémentaires. De plus, les angles de redirection de la lumière sont maîtrisés, puisque les réflecteurs privilégient une réflexion spéculaire de la lumière incidente. Par ailleurs, en jouant sur la taille des réflecteurs, il est possible d'illuminer le capteur d'énergie lumineuse de manière continue sur une plage angulaire d'incidence de 90°. Lorsque cette plage d'angle est orientée de façon adéquate par rapport au faisceau de lumière incident, on peut ainsi augmenter le rendement de production énergétique du système. Par symétrie sur la plage angulaire complémentaire, la réflexion spéculaire sur les parois des réflecteurs agit aussi sur les rayons lumineux issus des zones de pixels de l'image, ce qui permet à un observateur de visualiser toutes les zones de pixels, donc une image entière, sur une plage d'angle continue de 900. Il en résulte que l'intégration visuelle du dispositif est effective sur une plus large plage angulaire. Les réseaux de dioptres élémentaires et le réseau de motifs réfléchissants sont contenus dans des plans avantageusement parallèles entre eux et définis par deux vecteurs non colinéaires, mais peuvent subir une déformation telle que ces surfaces planes deviennent des surfaces courbes, notamment dans le cas d'un dispositif catadioptrique souple. Le réseau de motifs réfléchissants élémentaires est défini par deux pas identiques ou très proches de ceux qui définissent le premier réseau de dioptres élémentaires de la plaque transparente, selon lesdits deux vecteurs non colinéaires. Il en résulte que le positionnement relatif des motifs réfléchissants élémentaires par rapport aux dioptres élémentaires du premier réseau de dioptres élémentaires est quasiment identique dans toutes les zones de la plaque transparente. Par conséquent, la redirection de la lumière, pour un angle d'incidence donné, est également la même dans n'importe quelle zone de la plaque transparente.

Dans un mode de réalisation particulier du dispositif optique selon l'invention, le réseau de motifs réfléchissants élémentaires est défini par une hauteur h et par des pas p, p', les dioptres élémentaires sont des lentilles de rayon de courbure R, et la plaque transparente présente au niveau des vallées entre deux dioptres élémentaires une épaisseur t. Dans cette configuration, les pas p,p1 sont de préférence compris entre 20 pm et 2 mm, l'épaisseur t est de préférence comprise entre R et 3xR et la hauteur h est de préférence comprise entre 0,2xt et t, et le rayon de courbure R est de préférence compris entre 0,5xp et p.

Selon des modes de réalisation retenus, les dioptres élémentaires constitutifs dudit premier réseau de dioptres élémentaires et les dioptres élémentaires constitutifs dudit deuxième réseau de dioptres élémentaires sont des combinaisons (a) de surfaces planes ; (b) de lentilles convexes ou concaves, symétriques ou asymétriques ; (c) de prismes. Il en résulte que, dans chacun des réseaux de dioptres élémentaires constitutifs des deux faces de la plaque transparente, lesdits dioptres élémentaires ont des formes géométriques qui peuvent être identiques ou différentes.

Suivant différents modes de réalisation du dispositif, l'image est fixe ou animée et constituée d'une multitude de zones de pixels opaques et/ou semi-transparentes qui peuvent être séparées les unes des autres par des zones de transparence, et lesdites zones de pixels contiennent des pixels imprimés ou des pixels électroniques générés par des composants rétro-éclairés, électroluminescents, ou réfléchissants.

Ladite image peut être positionnée entre ledit capteur et ledit deuxième réseau de dioptres élémentaires de la plaque transparente, ou en aval du capteur, le terme aval faisant référence à la direction de propagation de la lumière depuis la source de lumière extérieure vers le dispositif. Ladite image peut également être directement en contact avec ledit capteur et/ou ledit deuxième réseau de dioptres élémentaires de la plaque transparente, ou séparée de ces surfaces par un matériau d'indice de réfraction différent de celui de la plaque transparente, comme par exemple l'air. L'invention trouve ses principales applications dans le cas où le capteur d'énergie 35 lumineuse est un capteur solaire de type thermique, photovoltaïque, chimique ou mixte, plan ou courbe, rigide ou flexible. Selon une variante supplémentaire de réalisation du dispositif, ledit capteur d'énergie lumineuse est composé de zones actives pleines ou semi-transparentes, jointives ou séparées les unes des autres par des zones de transparence. Le capteur est directement en contact avec le deuxième réseau de dioptres élémentaires de la plaque transparente, ou séparé de cette surface par un matériau d'indice de réfraction différent de celui de la plaque transparente, comme par exemple l'air. Il résulte de cette variante la possibilité d'inverser les positions relatives de l'image et du capteur par rapport à la plaque transparente, notamment lorsque que ledit capteur est constitué de zones actives séparées les unes des autres par des zones de transparence.

La plaque transparente est constituée d'un matériau transparent solide, liquide ou gazeux, comme le verre minéral, le verre organique, l'air ou encore un polymère de type PMMA, PET ou polycarbonate, et peut être plane ou courbe, rigide ou flexible, éventuellement colorée dans sa masse, ou incolore.

Selon une variante supplémentaire de réalisation illustrée à la figure 5, la plaque transparente peut être divisée en au moins deux sous-plaques d'indices de réfraction différents, les sous-plaques étant séparées les unes des autres par des réseaux intermédiaires de dioptres élémentaires. Il en résulte que le faisceau incident émis par la source de lumière extérieure traverse au moins trois dioptres avant d'atteindre le capteur ou la zone de pixels de l'image. Avantageusement, la dernière sous-plaque (celle qui est la plus proche de l'image) peut être constituée d'air, et le réseau de motifs réfléchissants peut être entièrement situé dans ladite dernière sous-plaque, ce qui facilite le procédé de réalisation du dispositif.

Dans un mode de réalisation particulier non représenté, le premier réseau de dioptres élémentaires et/ou le deuxième réseau de dioptres élémentaires et/ou le réseau intermédiaire de dioptres élémentaires sont recouverts d'une surface fonctionnelle, par exemple antireflet, anti-encrassement ou anti-UV.

Selon une variante supplémentaire de réalisation non représentée, l'image est éclairée en face avant par une ou plusieurs sources d'éclairage dont l'essentiel de la lumière se propage dans l'épaisseur de la plaque transparente qui joue le rôle de guide d'ondes, ou dans une plaque transparente additionnelle placée en amont de la plaque transparente, ou en aval de la plaque transparente pour un éclairage face arrière, les termes amont et aval faisant référence à la direction de propagation de la lumière depuis la source de lumière extérieure vers le dispositif. Selon un exemple de procédé de fabrication d'une partie du dispositif composée de la plaque transparente et du réseau de motifs réfléchissants élémentaires, on procède de la manière suivante: (a) on approvisionne plusieurs substrats transparents ayant chacun deux faces opposées planes et polies (b) on dépose une fine couche de matériau réfléchissant sur l'une des deux faces planes et polies d'un premier substrat transparent (c) on fixe l'une des deux faces planes et polies d'un deuxième substrat transparent sur ladite couche de matériau réfléchissant déposée (d) on répète les étapes de dépôt et de fixation de manière à obtenir un empilement régulier constitué d'une alternance de substrats transparents et de réflecteurs (e) on découpe ledit empilement perpendiculairement au plan des faces planes et polies des substrats transparents assemblés (f) on ajoute sur la face découpée dudit empilement un substrat transparent moulé dont la face externe est constituée du premier réseau de dioptres élémentaires. Ledit substrat transparent moulé peut être réalisé selon deux procédés différents. Selon un premier procédé on dépose une couche d'un matériau transparent sur la face découpée dudit empilement, puis l'on moule la surface externe de ladite couche pour créer le premier réseau de dioptres élémentaires. Selon un second procédé on approvisionne directement un substrat transparent pré-moulé dont l'une des faces est le premier réseau de dioptres élémentaires et l'autre face est plane, puis on fixe ladite face plane du substrat transparent pré-moulé sur la face découpée dudit empilement. Dans ce procédé de fabrication, les étapes de fixation sont réalisées par soudage ou par collage à l'aide d'une colle optique d'indice de réfraction avantageusement identique à ceux des substrats transparents approvisionnés. L'ensemble des substrats transparents assemblés forment ainsi la plaque transparente du dispositif selon l'invention. Le moulage peut être réalisé sous irradiation UV à l'aide de rouleaux ou de tampons texturés qui impriment un réseau de formes sur un polymère liquide ou semi-liquide photosensible, ou par emboutissage d'un matériau transparent solide.

Figures L'invention sera mieux comprise à l'aide de sa description détaillée, en relation avec les figures, dans lesquelles : la figure 1 montre schématiquement en coupe transversale la structure d'un dispositif selon l'état de la technique ; les figures 2a, 2b, 2c et 2d montrent schématiquement en coupe transversale la structure d'un dispositif selon l'invention pour différentes plages angulaires d'incidence de la lumière extérieure ; les figures 3a, 3b, 3c et 3d montrent schématiquement en coupe transversale la structure d'une première variante de réalisation du dispositif selon l'invention pour différentes plages angulaires d'incidence de la lumière extérieure ; les figures 4a, 4b et 4c représentent des dispositifs pour différentes géométries du premier réseau de dioptres élémentaires et la figure 4d définit des paramètres propres à ces dispositifs ; la figure 5 montre schématiquement en coupe transversale la structure d'une autre variante de réalisation du dispositif selon l'invention ; les figures 6a, 6b, 6c, 6d, 6e et 6f illustrent différentes étapes d'un procédé de fabrication selon l'invention.

Les figures ne sont pas à l'échelle, les épaisseurs relatives des composants du dispositif étant volontairement exagérées pour mieux faire apparaître sa structure. Description détaillée On se réfère à la figure 1, qui correspond à une vue schématique en coupe d'un dispositif connu selon le brevet VVO/2013/057393. Il comporte une plaque transparente 1 munie de fentes 15 et disposée entre une source de lumière extérieure et un capteur 5 d'énergie lumineuse. La première face de ladite plaque transparente 1 est composée d'un réseau la de dioptres élémentaires 6 qui sont des lentilles, alors que la seconde face, plane, contient des zones de pixels 3 et des zones de transparence 4 d'une image. A titre d'exemple dans la figure 1, on a représenté deux angles d'incidences 01 et 02 entre un faisceau incident (16',16") provenant d'une source de lumière extérieure et la normale aux dioptres élémentaires 6. Ces angles d'incidences sont compris entre 25° et 50°, l'angle 01 étant plus petit que l'angle 02. Dans le cas d'une incidence d'angle 01 entre le faisceau lumineux et la normale au dioptre élémentaire 6, le faisceau incident 16' est entièrement réfléchi sur les parois des fentes 15 et le faisceau réfléchi 17' atteint une zone de transparence 4 de l'image. En revanche, pour un angle d'incidence 02, une première fraction du faisceau incident 16" est réfléchie sur les parois des fentes 15 sous la forme d'un faisceau réfléchi 17", alors qu'une autre fraction est transmise dans les fentes 15 pour en ressortir sous la forme d'un faisceau transmis 18. Le faisceau réfléchi 17 atteint une zone de transparence 4 de l'image et donc le capteur 5, alors que le faisceau transmis 18 atteint une zone de pixels 3 de l'image. Ainsi, le capteur 5 ne reçoit qu'une partie seulement de l'énergie du rayonnement incident, l'autre partie étant perdue sur une zone de pixels 3 de l'image. Sur la figure 1, la source de lumière incidente est située dans une plage comprise entre 00 et +900 par rapport à la normale au dioptre élémentaire 6 en prenant pour référence le sens horaire. Un observateur placé dans une plage d'angles complémentaires non représentés sur la figure 1, c'est-à-dire entre 00 et -90°, voit sous certains angles et par symétrie avec la normale au dioptre élémentaire 6, la lumière provenant d'une zone de pixels 3 de l'image et sous d'autres angles complémentaires la couleur du capteur 5. Le dispositif connu selon la figure 1 a donc pour inconvénient la discontinuité des plages angulaires d'illumination du capteur 5 d'une part et d'observation des zones de pixels 3 de l'image d'autre part. Autrement dit, pour certains angles, la source de lumière extérieure atteint les zones de pixels 3 de l'image à la place du capteur 5, alors que l'observateur voit le capteur 5 au lieu de l'image.

La figure 2 illustre plusieurs vues en coupe schématiques d'un dispositif selon l'invention pour différentes plages angulaires d'incidence de la lumière extérieure, comprises entre 00 et 900 par rapport à la normale au dioptre élémentaire 6. Le dispositif est constitué d'un capteur 5 de l'énergie lumineuse provenant d'une source de lumière extérieure, d'une image composée de zones de pixels 3 et de zones de transparence 4, et d'une plaque transparente 1 contenant un réseau de motifs réfléchissants constitués d'un ou plusieurs réflecteurs 2. Ladite plaque transparente comprend une première face orientée vers ladite source de lumière extérieure et constituée d'un premier réseau la de dioptres élémentaires 6, et une deuxième face orientée vers ledit capteur et constituée d'un deuxième réseau lb de dioptres élémentaires 7. Les dioptres élémentaires 6 sont constitués de lentilles convergentes qui se rejoignent au niveau d'une vallée 9 pour former le réseau la alors que les dioptres élémentaires 7 sont plans. Lesdites lentilles convergentes ont avantageusement leur plan focal situé dans le plan du réseau lb de dioptres élémentaires 7. L'image est située entre la plaque transparente 1 et le capteur 5, en contact direct avec le deuxième réseau lb de dioptres élémentaires 7. Les réflecteurs 2 sont orientés perpendiculairement au plan du réseau la de dioptres élémentaires 6 et interceptent les deux faces de la plaque transparente 1 au niveau d'une vallée 9. Leur hauteur est donc égale à l'épaisseur de la plaque transparente 1. Sous une incidence 03 comprise entre 00 et 25°, comme représenté sur la figure 2a, le faisceau incident 16, à la traversée du dioptre élémentaire 6, converge directement vers un dioptre élémentaire 7 du second réseau lb de dioptres élémentaires 7, sans subir de réflexion sur les réflecteurs 2. Il atteint alors une zone de transparence 4 de l'image et donc le capteur 5 d'énergie lumineuse. Sous une incidence 04 comprise entre 25° et 50°, comme représenté sur la figure 2b, le faisceau incident 16 qui traverse un dioptre élémentaire 6 du premier réseau la de dioptres élémentaires 6 est réfléchi sur une paroi du réflecteur 2 avant d'atteindre une zone de transparence 4 de l'image. Pour un angle d'incidence 05 compris entre 50° et 75°, le faisceau incident 16 subit également une réflexion spéculaire sur le réflecteur 2, pour atteindre une zone de pixels 3 de l'image, comme illustré à la figure 2c. Au-delà de 75°, sous un angle d'incidence 06 représenté sur la figure 2d, le faisceau incident 16 est réfléchi une première fois sur la paroi d'un réflecteur 2', puis redirigé vers un réflecteur voisin 2" qui lui fait face pour y être réfléchi une deuxième fois. In fine, le faisceau atteint le dioptre élémentaire 7 situé au niveau d'une zone de pixels 3 de l'image. Ainsi, sur une plage angulaire totale de 50°, le dispositif selon l'invention permet de rediriger le faisceau incident 16 par réflexion sur un ou plusieurs réflecteurs 2 et ce quel que soit l'angle d'incidence du faisceau à la surface du réflecteur 2. En particulier, pour des angles d'incidence compris entre 25° et 50° par rapport à la normale au dioptre élémentaire 6, le faisceau est entièrement redirigé vers le capteur 5, ce qui n'était pas le cas dans le dispositif connu selon l'état de l'art présenté à la figure 1. Toutefois, il existe dans le dispositif selon l'invention des plages angulaires entre 50° et 900 pour lesquelles le faisceau incident 16 n'atteint pas le capteur 5 mais les zones de pixels 3 de l'image, ce qui réduit l'efficacité dudit capteur.

La figure 3 schématise une première variante de réalisation du dispositif selon l'invention vue en coupe transversale et pour différentes plages angulaires d'incidence de la lumière extérieure, comprises entre 0° et 90° par rapport à la normale au dioptre élémentaire 6. Dans cette variante, les réflecteurs 2 n'interceptent pas les deux faces de la plaque transparente, mais uniquement le deuxième réseau lb de dioptres élémentaires 7. Sous une incidence 07 comprise entre 0° et 25°, comme représenté sur la figure 3a, le faisceau incident 16, à la traversée du dioptre élémentaire 6', converge directement vers le dioptre élémentaire 7' du second réseau lb de dioptres élémentaires 7, sans subir de réflexion sur les réflecteurs 2. Il atteint alors la zone de transparence 4' de l'image et donc le capteur 5. Sous une incidence 08 comprise entre 25° et 50°, comme représenté sur la figure 3b, le faisceau incident 16 qui traverse le dioptre élémentaire 6' du premier réseau la de dioptres élémentaires 6 est réfléchi sur une paroi du réflecteur 2' avant d'atteindre la zone de transparence 4' de l'image. Par symétrie par rapport à la normale aux dioptres 6, la réflexion spéculaire sur les parois des réflecteurs 2 agit aussi sur les rayons lumineux issus des zones de pixels 3 de l'image. Ainsi, un utilisateur voit à travers le dioptre 6" sous un angle - 08 la zone de pixels 3" de l'image après réflexion des rayons lumineux sur la deuxième paroi du réflecteur 2'. Pour un angle d'incidence 09 compris entre 500 et 75°, la hauteur des réflecteurs 2 est telle que le faisceau incident 16, après avoir traversé le dioptre élémentaire 6', ne subit pas de réflexion au niveau du réflecteur 2' et poursuit son chemin optique dans la plaque transparente 1. Le faisceau atteint le dioptre élémentaire 7" situé entre les réflecteurs 10 2' et 2", au niveau d'une zone de transparence 4" de l'image, comme illustré à la figure 3c. Au-delà de 75°, sous un angle d'incidence 010 représenté sur la figure 3d, le faisceau incident 16 traverse une partie de la plaque transparente 1 sans subir de réflexion sur le réflecteur 2', avant d'être réfléchi sur le réflecteur 2" qui lui fait face. Par réflexion spéculaire, le faisceau atteint le dioptre élémentaire 7" au niveau de la zone de transparence 4" de 15 l'image, avant d'interagir avec le capteur 5 d'énergie lumineuse. Cette variante du dispositif selon l'invention permet donc d'illuminer le capteur 5 de manière continue sur une plage angulaire d'incidence de 90° et d'augmenter ainsi le rendement de production énergétique du système. Par symétrie sur la plage angulaire comprise entre 0° et -90° et comme illustré dans un cas particulier sur la figure 3b, la 20 réflexion spéculaire sur les parois des réflecteurs 2 agit aussi sur les rayons lumineux issus des zones de pixels 3 de l'image, ce qui permet à un observateur de visualiser toutes les zones de pixels 3, donc une image entière, sous des angles bien plus importants qu'avec le système optique décrit à la figure 2. Il en résulte que l'intégration visuelle du dispositif sur un support est effective sur une plage angulaire plus large qu'avec un dispositif dont la hauteur 25 des réflecteurs 2 égale l'épaisseur de la plaque transparente 1. Par ailleurs, dans tous les modes de réalisation schématisés sur les figures 2 et 3, les réflecteurs 2 sont positionnés à l'inter-lentilles, c'est-à-dire alignés avec les vallées 9 des dioptres élémentaires 6. Un tel positionnement a pour conséquence de symétriser les angles 30 de visualisation des zones de pixels 3 et les angles d'illumination des capteurs 5 par rapport à la normale aux dioptres élémentaires 6. Néanmoins, lesdits récepteurs 2 peuvent être décalés des vallées 9 des dioptres élémentaires 6, ce qui a pour seul effet de modifier la continuité de ces plages angulaires de visualisation ou d'illumination, qui ne sont dans ce cas plus symétriques les unes des autres par rapport à la normale aux dioptres élémentaires 35 6.

Selon trois modes de réalisation particuliers, et comme cela est montré sur les figures 4a, 4b et 4c, les dioptres élémentaires 6 du premier réseau la de dioptres élémentaires 6 peuvent être constitués de lentilles rectilignes demi-cylindriques (figure 4a) ou de lentilles demi-sphériques hexagonales organisées sous la forme d'un réseau cubique (figure 4b) ou en forme de nid d'abeille (figure 4c). Pour plus de clarté, tous les schémas des figures 4a, 4b, 4c et 4d ne représentent qu'une partie du dispositif, à savoir la plaque transparente 1 et le réseau 8 de motifs réfléchissants élémentaires 10. Dans le mode de réalisation de la figure 4a, le motif réfléchissant élémentaire 10 est constitué d'un réflecteur 2 unique sous la forme d'une surface plane rectangulaire dont la longueur est parallèle à l'axe de la lentille rectiligne. Dans les deux autres modes de réalisation, le motif réfléchissant élémentaire 10 est composé de plusieurs réflecteurs 2 rectangulaires et plans, agencés de manière à former la surface latérale d'un parallélépipède à base carrée (figure 4b) ou d'un prisme à base hexagonale (figure 4c). Dans ces deux types de réseaux, un même réflecteur 2 appartient à deux motifs réfléchissants élémentaires (10',10") différents via chacune des deux faces dudit réflecteur 2. Dans tous les modes de réalisation des figures 4a, 4b et 4c, les dioptres élémentaires 7 du deuxième réseau lb sont plans et l'ensemble des motifs réfléchissants élémentaires 10 forment un réseau 8. Les paramètres géométriques des réseaux de dioptres élémentaires (6,7) et des réflecteurs 2 vus selon les plans de coupe matérialisés par une double flèche sur les figures 4a, 4b et 4c sont indiqués sur la figure 4d. Les pas p, p' (p' étant non représenté) qui décrivent le réseau la de dioptres élémentaires 6 sont avantageusement les mêmes que ceux qui décrivent le réseau lb de dioptres élémentaires 7 et le réseau 8 de motifs réfléchissants élémentaires 10. Les lentilles qui forment les dioptres élémentaires 6 ont un rayon de courbure R. La distance t matérialise l'épaisseur de la plaque transparente 1 au niveau d'une vallée 9 entre deux lentilles, alors que la distance h définit la hauteur d'un réflecteur 2, c'est-à-dire la taille du réflecteur 2 prise perpendiculairement au plan du réseau la ou lb de dioptres élémentaires 6 ou 7. Dans le cas présent d'un réflecteur 2 rectangulaire orienté perpendiculairement au plan du réseau la ou lb de dioptres élémentaires 6 ou 7, il peut s'agir de la largeur ou de la longueur du rectangle.

Selon les dispositifs représentés sur les figures 4a, 4b et 4c, les pas p, p' sont avantageusement compris entre 20 pm et 2 mm, sans que ces limites ne soient exhaustives, t est avantageusement compris entre R et 3x R et h est avantageusement compris entre 0,2xt et t. R est avantageusement compris entre 0,5xp et p dans les modes de réalisation des figures 4a et 4b, et entre 0,57x p et p dans le mode de réalisation de la figure 4c.

A titre d'exemple concret, on a réalisé des dispositifs selon l'invention tels que représentés sur la figure 4a avec p = 1 mm, t = 730 pm, h = 500 pm et avec un rayon de courbure R = 600 pm. Selon une variante supplémentaire de réalisation illustrée à la figure 5, la plaque transparente 1 est divisée en deux sous-plaques (11,12) d'indices de réfraction différents. La première sous-plaque 11 est séparée de la deuxième sous-plaque 12 par un réseau intermédiaire 13 de dioptres élémentaires 14 qui sont des lentilles. La première face de ladite plaque transparente 1 étant également composée d'un réseau la de lentilles, et le pas des deux réseaux la et 13 étant le même, il en résulte que la première sous-plaque 11 forme un réseau de lentilles biconvexes. Dans un cas particulier avantageux en terme de procédé de fabrication et représenté sur cette figure, la hauteur des réflecteurs 2 est inférieure à l'épaisseur de la deuxième sous-plaque 12, qui est constituée d'air. Ainsi, les lentilles biconvexes constitutives de la première sous-plaque 11 et qui servent à focaliser le faisceau incident vers les zones de pixels 3 et les zones de transparence 4 de l'image, sont fabriquées indépendamment du réseau de réflecteurs 2.

Nous décrivons maintenant un procédé de fabrication permettant de produire le dispositif optique schématisé sur la figure 4a. Les différentes étapes de ce procédé sont illustrées sur les figures 6a, 6b, 6c, 6d, 6e et 6f. Dans une première étape (figure 6a), on approvisionne un premier substrat transparent 19' ayant deux faces (19'a, 19'b) planes et polies afin de maximiser une réflexion spéculaire de la lumière à leurs surfaces. On dépose ensuite sur la face 19'b dudit premier substrat transparent 19' une fine couche de matériau réfléchissant pour former un premier réflecteur 2' (figure 6b). La troisième étape consiste à fixer sur le premier réflecteur 2' la face 19"a d'un deuxième substrat transparent 19" (figure 6c). Les étapes de dépôt de la couche réfléchissante et de fixation d'un nouveau substrat transparent 19 sont répétées successivement plusieurs fois de manière à former un empilement régulier 20 constitué d'une alternance de substrats transparents 19 et de réflecteurs 2 (figure 6d). Les points-tillés sur la figure symbolisent la succession de couches continues de substrats transparents 19 et de réflecteurs 2. Ledit empilement 20 est ensuite découpé perpendiculairement au plan des faces (19a, 19b) des substrats transparents 19 assemblés (figure 6e). Enfin, on ajoute sur la face découpée 22 dudit empilement 20 un substrat transparent moulé 21 dont la face externe est constituée du premier réseau la de dioptres élémentaires 6 en forme de lentilles (figure 6f). On obtient alors le dispositif optique schématisé sur la figure 4a.

Avantages de l'invention Il résulte de ce qui précède que l'invention atteint les buts fixés. Elle décrit un dispositif ayant des caractéristiques optiques pour visualiser une image à la surface des capteurs solaires, et qui ne possède pas les inconvénients des dispositifs connus à ce jour. Grâce à une meilleure maîtrise des angles de redirection de la lumière à la surface des réflecteurs, le dispositif objet de l'invention va permettre d'accroître la performance des capteurs solaires et d'améliorer les plages angulaires de visualisation continue de l'image par un observateur, tout en proposant un procédé de fabrication industrielle plus aisé à mettre en oeuvre. Le dispositif objet de l'invention va de plus permettre de palier aux contraintes mécaniques et aux risques d'encrassement de certains dispositifs connus. L'invention est particulièrement adaptée à l'intégration visuelle des capteurs solaires dans les stores, les brise-soleil, les pare-soleils, les parasols, les ombrières, les toitures, les murs, les tuiles, les vitrages, les véhicules de transport, y compris les bateaux et les avions, les panneaux et écrans publicitaires, les écrans électroniques, les vêtements, et d'une manière générale sur tout support imagé, y compris les images électroniques, et sur toutes surfaces planes ou courbes.

Liste des repères utilisés sur les figures : 1 Plaque transparente 12 Deuxième sous-plaque la Premier réseau de dioptres élémentaires 13 Réseau intermédiaire de dioptres élémentaires lb Deuxième réseau de dioptres élémentaires 14 Dioptres élémentaires du réseau intermédiaire 2 Réflecteurs 15 Fentes 3 Zones de pixels de l'image 16 Faisceau incident 4 Zones de transparence de l'image 17 Faisceau réfléchi 5 Capteur d'énergie lumineuse 18 Faisceau transmis 6 Dioptres élémentaires du premier réseau 19 Substrat transparent 7 Dioptres élémentaires du deuxième réseau 19a Première face du substrat transparent 8 Réseau de motifs réfléchissants élémentaires 19b Deuxième face du substrat transparent 9 Vallée 20 Empilement 10 Motifs réfléchissants élémentaires 21 Substrat transparent moulé 11 Première sous-plaque 22 Face découpée

Claims

REVENDICATIONS1 - Dispositif optique comportant au moins : (a) un capteur (5) de l'énergie lumineuse provenant d'une source de lumière extérieure ; (b) une plaque transparente (1) disposée entre ladite source de lumière extérieure et ledit capteur, comprenant une première face orientée vers ladite source de lumière extérieure et constituée d'un premier réseau (1a) de dioptres élémentaires (6), et une deuxième face orientée vers ledit capteur et constituée d'un deuxième réseau (lb) de dioptres élémentaires (7) ; (c) une pluralité de réflecteurs (2) aptes à rediriger par réflexion spéculaire et quel que soit son angle d'incidence tout ou partie de la lumière émise par ladite source de lumière extérieure et qui traverse ledit premier réseau (1a) de dioptres élémentaires (6) en direction dudit deuxième réseau (1b) de dioptres élémentaires (7) ; (d) une image composée de zones de pixels (3) ; ledit dispositif étant caractérisé en ce que lesdits réflecteurs (2) sont agencés de manière que la lumière incidente, pour une première plage d'angles d'incidence avec le plan du premier réseau (1a) de dioptres élémentaires (6) et après réflexion ou non sur lesdits réflecteurs (2), atteint ledit capteur (5), et que pour une autre plage d'angles d'incidence avec le plan du premier réseau (1a) de dioptres élémentaires (6) et après réflexion ou non sur lesdits réflecteurs (2), atteint lesdites zones de pixels (3) de l'image.
2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits réflecteurs (2) sont métalliques, par exemple en aluminium ou en argent, ou colorés, par exemple de couleur blanche, ou constitués de matériaux à base de carbone, par exemple en graphène ou graphite, et en ce qu'ils ont leurs parois lisses ou polies.
3 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits réflecteurs (2) sont semi-réfléchissants, comme par exemple les filtres dichroïques, et/ou polarisants, comme par exemple les polariseurs réfléchissants, et/ou semitransparents.
4 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits réflecteurs (2) sont organisés en un réseau continu ou discontinu de motifs réfléchissants élémentaires (10), délimitant tous types de formes, en particulier des formes courbes, par exemple cylindriques, des formes planes, par exemple polygonales,prismatiques ou hexagonales, et en ce lesdits motifs réfléchissants élémentaires sont orientés de préférence orthogonalement au plan du réseau (1a) de dioptres élémentaires (6) de la plaque transparente (1).
5 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits réflecteurs (2) ou les motifs réfléchissants élémentaires (10) ont une hauteur correspondant à l'épaisseur locale de la plaque transparente (1), de sorte qu'ils interceptent le premier réseau (1a) de dioptres élémentaires (6) et le deuxième réseau (lb) de dioptres élémentaires (7).
6 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdits réflecteurs (2) ou les motifs réfléchissants élémentaires (10) ont une hauteur inférieure à l'épaisseur locale de la plaque transparente (1).
7 - Dispositif selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que les réseaux (1a, 1b) de dioptres élémentaires (6,7) et le réseau (8) de motifs réfléchissants élémentaires (10) sont contenus dans des plans avantageusement parallèles entre eux et définis par deux vecteurs non colinéaires, mais peuvent subir une déformation telle que ces surfaces planes deviennent des surfaces courbes, notamment dans le cas d'un dispositif catadioptrique souple.
8 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les dioptres élémentaires (6) constitutifs dudit premier réseau (1a) de dioptres élémentaires (6) et les dioptres élémentaires (7) constitutifs dudit deuxième réseau (1 b) de dioptres élémentaires (7) sont des combinaisons (a) de surfaces planes ; (b) de lentilles convexes ou concaves, symétriques ou asymétriques ; (c) de prismes.
9 - Dispositif selon l'une des revendications 4 à 7, dans lequel ledit réseau (8) de motifs réfléchissants élémentaires (10) est défini par une hauteur h, et par deux pas (p, p') sensiblement identiques à ceux qui définissent le premier réseau (1a) de dioptres élémentaires (6) de la plaque transparente, selon lesdits deux vecteurs non colinéaires, les dioptres élémentaires sont des lentilles de rayon de courbure R, la plaque transparente présente au niveau des vallées entre deux dioptres élémentaires (6) une épaisseur t, caractérisé en ce que les pas (p,p') sont de préférence compris entre 20 pm et 2 mm,l'épaisseur t est de préférence comprise entre R et 3xR et la hauteur h est de préférence comprise entre 0,2xt et t, et le rayon de courbure R est de préférence compris entre 0,5xp et p.
10 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite image est fixe ou animée et constituée d'une multitude de zones de pixels (3) opaques ou semi-transparentes qui peuvent être séparées les unes des autres par des zones de transparence (4), et lesdites zones de pixels (3) contiennent des pixels imprimés ou des pixels électroniques générés par des composants rétro-éclairés, électroluminescents, ou réfléchissants.
11 - Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que ladite image est positionnée entre ledit capteur (5) et ledit deuxième réseau (1b) de dioptres élémentaires (7) de la plaque transparente (1), ou en aval dudit capteur (5), le terme aval faisant référence à la direction de propagation de la lumière depuis la source de lumière extérieure vers le dispositif.
12 - Dispositif selon la revendication 10 ou la revendication 11, caractérisé en ce que ladite image est directement en contact avec ledit capteur et/ou ledit deuxième réseau (1b) de dioptres élémentaires (7) de la plaque transparente (1), ou séparée de ces surfaces par un matériau d'indice de réfraction différent de celui de la plaque transparente (1), comme par exemple l'air.
13 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit capteur (5) d'énergie lumineuse est un capteur solaire de type thermique, photovoltaïque, chimique ou mixte, plan ou courbe, rigide ou flexible.
14 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit capteur (5) d'énergie lumineuse est composé de zones actives pleines ou semi30 transparentes, jointives ou séparées les unes des autres par des zones de transparence.
15 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la plaque transparente (1) est constituée d'un matériau transparent solide, liquide ou gazeux, comme le verre minéral, le verre organique, l'air ou encore un polymère de type PMMA, PET 35 ou polycarbonate, et en ce qu'elle peut être plane ou courbe, rigide ou flexible, colorée dans sa masse, ou incolore.
16 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la plaque transparente (1) est divisée en au moins deux sous-plaques d'indices de réfraction différents, lesdites sous-plaques étant séparées les unes des autres par des réseaux intermédiaires (13) de dioptres élémentaires (14).
17 - Dispositif selon la revendication 16, caractérisé en ce que le premier réseau (1a) de dioptres élémentaires (6) et/ou le deuxième réseau (1 b) de dioptres élémentaires (7) et/ou le réseau intermédiaire (13) de dioptres élémentaires (14) sont recouverts d'une surface fonctionnelle, par exemple antireflet, anti-encrassement ou anti-UV.
18 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'image (3) est éclairée en face avant par une ou plusieurs sources d'éclairage dont l'essentiel de la lumière se propage dans l'épaisseur de la plaque transparente (1) qui joue le rôle de guide d'ondes, ou dans une plaque transparente additionnelle placée en amont de la plaque transparente (1), ou en aval de la plaque transparente (1) pour un éclairage face arrière, les termes amont et aval faisant référence à la direction de propagation de la lumière depuis la source de lumière extérieure vers le dispositif.
19 - Procédé de fabrication de la plaque transparente (1) et du réseau (8) de motifs réfléchissants élémentaires (10) du dispositif selon l'une des revendications de 1 à 15, caractérisé en ce qu'il comporte des étapes consistant à: (a) approvisionner plusieurs substrats transparents (19) ayant chacun deux faces opposées (19a, 19b) planes et polies ; (b) déposer une fine couche de matériau réfléchissant sur l'une des deux faces planes et polies d'un premier substrat transparent (19') ; (c) fixer l'une des deux faces planes et polies d'un deuxième substrat transparent (19") sur ladite couche de matériau réfléchissant déposée ; (d) répéter les étapes de dépôt et de fixation de manière à obtenir un empilement régulier (20) constitué d'une alternance de substrats transparents (19) et de réflecteurs (2) ; (e) découper ledit empilement (20) perpendiculairement au plan des faces planes et polies des substrats transparents (19) assemblés ; (f) ajouter sur la face découpée (22) dudit empilement (20) un substrat transparent moulé (21) dont la face externe est constituée du premier réseau (1a) de dioptres élémentaires (6).