Brevet FR2471012A1 — publié le 19810612

La présente invention concerne un dispositif d'éclairage pour grand écran. Ce dispositif permet d'éclairer toute grande surfa- ce de façon uniforme, à l'aide d'une lumière arrivant sous un faible angle d'incidence, et notamment d'éclairer un écran d'affichage du type à cristaux liquides ou autre. Actuellement les affichages sur grand écran sont faits par projection d'une cellule, à cristaux liquides par exemple, sur un verre dépoli formant écran. Le dispositif de type KOEHLER permettant l'éclairage de l'écran est constitué par un condenseur de lumière, formé d'une lentille de champ convergente dont la surface est supérieure ou égale à la sur- face de la cellule à éclairer, et d'une source lumineuse pla- cée, par exemple, au foyer de la lentille. Les condenseurs actuellement utilisés ont une distance focale au moins égale au diamètre de la lentille. En conséquence, l'encombrement en profondeur du dispositif est de l'ordre de la dimension de l'écran, ce qui, pour un grand écran, conduit à un dispositif volumineux. L'invention a pour but de remédier à ces inconvé- nients et notamment de réduire considérablement l'encombre- ment du dispositif d'éclairage. L'invention a pour objet un dispositif d'éclairage pour grand écran permettant d'éclairer de manière uniforme cet écran, à l'aide d'une lumière arrivant sous un faible angle d'incidence 9. Ce dispositif se caractérise en ce qu'il comprend n.p sources lumineuses et n.p éléments optiques dis- posés sous forme matricielle, et des moyens pour empêcher que les rayons lumineux issus de chaque source n'atteignent les éléments optiques associés aux autres sources. Selon une autre caractéristique de l'invention, les moyens utilisés pour empêcher que les rayons lumineux issus de chaque source n'atteignent les éléments optiques associés aux autres sources sont constitués de diaphragmes. Selon une variante de l'invention, les n.p éléments optiques sont constitués de n lames séparatrices et de p len- tilles réelles associées chacune à une source lumineuse réel- le. Ces n lames séparatrices forment un angle de 450 avec l'écran et sont placées à égale distance de leurs voisines, tandis que les p lentilles réelles, chacune d'elles étant associée à une source lumineuse réelle, sont placées perpen- diculairement à l'écran. Dans un premier type de dispositif selon cette va- riante de l'invention, ces lames séparatrices possèdent le même coefficient de réflexion. De plus il existe un miroir disposé après-la dernière lame séparatrice et renvoyant sur lui-même le faisceau lumineux qui en émerge, et un miroir disposé à l'arrière de l'ensemble des lames séparatrices et renvoyant sur eux-mêmes les faisceaux lumineux émergeant de la face arrière des lames séparatrices. Dans un deuxième type de dispositif selon la même variante, la dernière lame séparatrice est totalement réflé- chissante et les autres ont des coefficients de réflexion différents tels que l'intensité lumineuse réfléchie par cha- cune des lames sur l'écran soit la même. -20 Selon une autre variante de l'invention, les n.p éléments optiques sont constitués de n.p lentilles réelles associées à n.p sources lumineuses réelles. Selon une autre caractéristique de l'invention, les sources lumineuses sont obtenues à l'aide de tubes fluores- cents. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'angle d'incidence e sous lequel est éclairé l'écran est choisi de' façon que: )=- d e = 2f o d représente le diamètre des sources et f la distance focale de chaque lentille réelle. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion ressortiront mieux à l'aide de la description qui va suivre, donnée à titre purement illustratif et non limitatif, en référence aux figures annexées dans lesquelles: - la Fig. 1 représente schématiquement un écran d'affichage éclairé à l'aide d'un dispositif conforme à l'in- vention; - la Fig. 2 représente schématiquement selon un deuxième mode de réalisation, un dispositif d'éclairage d'écran selon l'invention; - la Fig. 3 représente schématiquement selon un troisième mode de réalisation de l'invention, un dispositif d'éclairage d'écran selon l'invention; - la Fig. 4 représente schématiquement selon un quatrième mode de réalisation un dispositif d'éclairage d'écran selon l'invention. La Fig. 1 représente un écran d'affichage, par exemple à cristaux liquides, éclairé à l'aide du dispositif de l'invention. L'écran d'affichage 1 et le dispositif d'éclairage de cet écran sont contenus dans un boîtier rigi- de. Ce boîtier comprend une face avant 1 qui est l'écran lS d'affichage même, et une face arrière 2, constituant le dos de ce boîtier. Ce boîtier a la forme d'un parallélépipède rectangle de faible épaisseur. La face 1a de l'écran d'affi- chage 1 est en verre dépoli, permettant la diffusion de la lumière, la face lb, en verre transparent, constitue le dos de cet écran. Entre les deux faces 1 et 2 du boîtier se trou- vent n.p lentilles convergentes 3, ou condenseurs, disposées sous forme matricielle éclairées chacune par une source lumi- neuse 4, placée par exemple, au foyer de la lentille. Un dia- phragme 5 associé à chaque source 4 limite le champ lumineux de la lentille correspondante et permet d'empêcher que les rayons lumineux issus de cette source n'atteignent les len- tilles associées aux autres sources. Le dispositif précédent permet d'éclairer un petit élément 6 de la face 1a de l'écran 1. La référence 7 représente un cordon d'amenée des informa- tions aptes à mettre en oeuvre le principe d'affichage sur l'écran, tandis que la référence 8 correspond à un cordon d'amenée d'alimentation en courant des sources lumineuses 4. Le système électrique, comme par exemple les élec- trodes, permettant de sensibiliser entre autres des cristaux liquides, est situé, ainsi que les cristaux liquides, entre les faces 1a et lb de l'écran d'affichage et n'a pas été représenté sur le schéma. Ce système ne faisant pas partie de l'invention ne sera pas décrit par la suite. La Fig. 2 représente un deuxième mode de réalisa- tion de l'invention. Pour mieux voir les différents éléments constituant le dispositif d'éclairage les dimensions du bol- tier et notamment l'épaisseur de celui-ci n'ont pas été res- pectées. Dans ce mode de réalisation, les p sources lumineu- ses réelles sont obtenues à l'aide d'un tube fluorescent 9. Ce tube 9 s'étendant sur toute la longueur de l'écran, possè- de un diamètre fonction des conditions d'éclairement que l'on veut obtenir sur la face 1a de l'écran. Les rayons lumineux issus de chaque source lumineuse réelle sont limités par un diaphragme pyramidal 5 puis arrivent sur une lentille réelle, convergente 3. La lumière issue de cette lentille convergente traverse n lames séparatrices 10, disposées à 450 de l'écran i et s'étendant sur toute la longueur de celui-ci. Chaque lame 10 réfléchit une partie de la lumière sur l'écran d'af- fichage 1 tandis que la lumière transmise par cette même lame atteint les autres lames placées de façon équidistante les unes des autres. Une partie de la lumière transmise rencontre des miroirs ll et 12 qui permettent de réfléchir la lumière vers les lames séparatrices 10 ou l'écran 1. Le miroir ll est placé parallèlement à l'écran 1 et est accolé à la face ar- rière 2 du boîtier tandis que le miroir 12 est placé après la dernière lame séparatrice 10 de façon perpendiculaire à l'écran. Le dispositif comprenant les deux miroirs il et 12 et les n lames séparatrices 10 constituent n dispositifs vir- tuels d'éclairage de l'écran qui se combinent aux p dispo- sitifs réels décrits ci-dessus. On a donc bien n.p disposi- tifs d'éclairage de l'écran disposés sous forme matricielle. Dans ce mode de réalisation, l'intensité lumineuse reçue par chaque lame dépend de la position de celle-ci par rapport aux autres. En conséquence, pour éclairer de façon uniforme l'écran d'affichage, il doit exister une certaine relation entre les différents coefficients de réflexion. Si l'on uti- lise une lumière polarisée parallèlement au plan d'incidence, le calcul montre qu'il existe une valeur- de coefficient de réflexion telle qu'il est le même pour chaque lame et que l'éclairage est uniforme sur l'écran. On peut ainsi utiliser n lames séparatrices 10 identiques. La Fig. 3 représente selon un troisième mode de réalisation le dispositif d'éclairage d'écran selon l'inven- tion. Dans ce mode de réalisation, les p sources lumineuses réelles 4 sont représentées par des sources à filament 13. Comme précédemment la surface du filament est fonction des conditions d'éclairement que l'on veut obtenir sur la face 1a de l'écran. La référence 8 représente le système d'alimenta- tion de la source lumineuse 4 à filament 13. Chaque faisceau lumineux issu de ces lampes 4 est limité par un diaphragme droit 15. Ce faisceau lumineux est ensuite condensé à l'aide d'une lentille réelle, convergente 3. La lumière issue de cette lentille 3 est en partie réfléchie vers la face 1a de l'écran par n lames séparatrices référencées 10, aOn pla- cées comme précédemment. Le coefficient de réflexion de ces n lames est différent pour chaque lame. Ce coefficient de ré- flexion est tel que l'intensité lumineuse réfléchie par cha- que lame sur l'écran soit la même. Dans ces conditions, la dernière lame 10n possède un coefficient de réflexion voisin de un, cette lame 10n, totalement réfléchissante, peut être un miroir. Dans ces conditions, la lumière issue de p dispo- sitifs réels d'éclairage et réfléchie par les n lames sépara- trices semble venir de n.p dispositifs d'éclairage, disposés sous forme matricielle. L'intensité lumineuse reçue par chaque lame dépend de la position de celle-ci par rapport aux autres. En consé- quence, pour éclairer de façon uniforme l'écran d'affichage, il doit exister une certaine relation entre les différents coefficients de réflexion. Soit Pi le coefficient de réflexion d'une lame et Pi+l le coefficient de réflexion de la lame suivante, on peut montrer que: pi Pi+i 1 - i Pi En conséquence, pour n lames séparatrices les dif- férents coefficients de réflexion sont: - pour la première lame: p1 = pour la ième lame: *.1 - pour la dernière lame: Pn = 1 La figure 4 représente un quatrième mode de réali- sation du dispositif d'éclairage d'écran selon l'invention. Sur cette figure, on voit que les proportions du boîtier ne sont toujours pas respectées. Les n.p sources lumineuses sont représentées par n tubes fluorescents 9 s'étendant sur toute la longueur de l'écran. Le diamètre de ces tubes est aussi fonction des conditions d'éclairement que l'on veut obtenir sur la face la de l'écran. Les n.p faisceaux lumi- neux issus de ces tubes sont limités par n.p diaphragmes pyramidaux 5 et ces n.p faisceaux lumineux sont condensés à l'aide de n.p lentilles convergentes et réelles 3 accolées les unes aux autres. Ces lentilles sont placées parallèle- ment à l'écran de façon à éclairer uniformément cet écran. La rigidité du boîtier et le parallélisme des faces 1 et 2 dudit boîtier sont obtenus à l'aide d'un support métallique 17. La référence 18 indique la zone de contact entre chaque lentille convergente. En variante du mode de réalisation de la figure 4, on peut remplacer les n tubes fluorescents par un panneau fluorescent ou électroluminescent. Quel que soit le mode de réalisation du disposi- tif, la face 1 en verre dépoli de l'écran est éclairée à a l'aide de n.p dispositifs d'éclairage constitués chacun d'une source et d'une lentille convergente. Comme la dimen- sion d'une lentille fixe une limite inférieure à sa distance focale, l'utilisation de n.p dispositifs d'éclairage au lieu d'un seul dispositif permet de diviser la distance focale de ce dispositif par le plus grand des deux nombres n et p, à ouverture fixée. De plus, l'encombrement du dispositif d'éclairage étant fonction de la distance focale de la len- tille, l'utilisation de n.p lentilles permet de réduire d'autant l'encombrement. La réduction de l'encombrement du dispositif d'éclairage permet, ainsi, de fabriquer un grand écran con- forme à l'invention, maintenu dans un bottier de faible épaisseur et contenant tout le dispositif d'éclairage de cet écran. Le fait d'éclairer un tel écran, de façon unifor- me, à l'aide de n.p dispositifs d'éclairage implique cer- taines conditions en ce qui concerne le dispositif d'éclai- rage. En conséquence, l'utilisation de diaphragmes droits ou pyramidaux permettant de limiter le champ de la lentille associée, empêche qu'un rayon lumineux sortant de la lentil- le ne rencontre les rayons sortant des autres lentilles. Dans le cas particulier d'une source lumineuse placée au foyer de la lentille, les rayons lumineux sortent de la lentille parallèlement à l'axe optique. Dans ces con- ditions, les rayons extrêmes issus de deux lentilles acco- lées sortent parallèlement et à proximité l'un de l'autre sans pour cela se rencontrer. Pour obtenir un éclairement uniforme de l'écran, il faut de plus, que la zone de contact entre deux lentilles voisines soit inférieure à une certaine valeur (environ in- férieure à 80 la), de façon que les rayons lumineux extrêmes des deux lentilles voisines arrivent sur l'écran à une dis- tance inférieure à celle que nécessite le pouvoir de résolu- tion de l'oeil. Pour simplifier le problème on a placé la source lumineuse au foyer de la lentille, mais ceci n'exclut en rien les autres positions possibles de cette source lumineu- se, ce qui implique que les rayons lumineux peuvent arriver sur l'écran sous un certain angle de champ e, faible. Cet angle de champ doit être égal au maximum à la valeur fixée par le fonctionnement de la cellule à cristaux liquides. Cet angle de champ dépend bien entendu de la dimension de la source et de la distance focale de la lentille associée. Ces dernières doivent donc être choisies convenablement. Par exemple, lorsque l'on utilise, selon le quatrième mode de 2W1014 réalisation de l'invention, les n tubes fluorescents comme sources lumineuses et les n.p lentilles réelles, l'angle de champ, ou d'incidence, e sous lequel est éclairé l'écran est égal à a o d représente le diamètre des tubes et f la 2f o distance focale de chaque lentille. Quelques données numériques permettront de faire ressortir les avantages de ce dispositif. Pour éclairer un écran d'affichage de 9 cm de lar- ge sur 13 cm de long, on utilisait jusqu'à présent un con- denseur ayant une distance focale, donc un encombrement de 16 cm avec une source de 40 mm de diamètre et un angle de champ de plus ou moins 80. En utilisant, selon l'invention, n.p lentilles de distance focale de 10 -mm et n.p sources lumineuses de 3 mm de diamètre, on obtient pour le même écran que ci-dessus un encombrement en profondeur de 10 mm. Pour éclairer un écran d'affichage de 10 cm de large sur 13 cm de long, on a utilisé 13 fois 10 lentilles convergentes ayant 1 cm de côté et de distance focale 2 cm. L'angle de champ sous lequel l'écran est éclairé est de plus ou moins 80. Dans ces conditions, les tubes utilisés selon le quatrième mode de réalisation de l'invention ont un dia- mètre de 5,6 mm. Ce deuxième exemple d'application numérique per- met d'illustrer la formule précitée. Le dispositif de l'invention peut être appliqué de façon avantageuse à un système entièrement informatisé, de petites dimensions pouvant être utilisé à domicile pour rem- placer les annuaires téléphoniques. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'éclairage pour grand écran permet- tant d'éclairer de manière uniforme cet écran, à l'aide d'une lumière, arrivant sous un faible angle d'incidence et caractérisé en ce qu'il comprend n.p sources lumineuses (4 ou 9) et n.p éléments optiques disposés sous forme matri- cielle, et des moyens pour empêcher que les rayons lumineux issus de chaque source n'atteignent les éléments optiques associés aux autres sources. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractéri- sé en ce que les moyens utilisés pour empêcher que les rayons lumineux, issus de chaque source n'atteignent les éléments optiques associés aux autres sources sont consti- tués de diaphragmes (5 ou 15). 3. Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications 1 et 2, caractérisé en ce que les n.p éléments optiques sont constitués de n lames séparatrices (10) et de p lentilles réelles (3) associées chacune à une source lumi- neuse réelle (4). 4. Dispositif selon la revendication 3, caractéri- sé en ce que chacune des n lames séparatrices forme un angle de 450 avec l'écran (1) et est placée à égale distance de ses voisines. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendi- cations 3 et 4, caractérisé en ce que les p lentilles réel- les (3), chacune d'elles étant associée à une source lumi- neuse réelle (4), sont placées perpendiculairement à l'écran (l). 6. Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications 3, 4 et 5, caractérisé en ce que les n lames sépa- ratrices (10) possèdent le même coefficient de réflexion, en ce que la dernière lame est suivie d'un miroir (12) réflé- chissant sur lui-même le faisceau lumineux émergeant de cet- te dernière lame et en ce qu'un second miroir (11) disposé à l'arrière de l'ensemble des lames séparatrices réfléchit sur eux-mêmes les faisceaux lumineux réfléchis sur la face ar- rière des lames séparatrices (10). 7. Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications 3, 4 et 5, caractérisé en ce que les n lames sépa- ratrices (10) possèdent chacune un coefficient de réflexion différent tel que l'intensité lumineuse réfléchie par chacu- ne des lames sur l'écran soit la même, la dernière lame étant totalement réfléchissante. 8. Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications 1 et 2, caractérisé en ce que les n.p éléments optiques sont constitués de n.p lentilles réelles (3) asso- ciées à n.p sources lumineuses réelles (4). 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 8, caractérisé en ce que les sources lumineuses réelles sont obtenues à l'aide de tubes fluorescents (9). 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 9, caractérisé en ce que l'angle d'incidence e, sous lequel est éclairé l'écran (1) est choisi de façon que e = d o d représente le diamètre des sources et f la dis- 2f tance focale de chaque lentille réelle (3).