Brevet FR2625588A1 — publié le 19890707

Dispositif d'affichage modulaire à cristaux liquides. L'invention a pour objet un dispositif d'affichage modulaire à cristaux liquides. Elle trouve une application particulièrement importante, bien que non exclusive, dans les dispositifs d'affichage graphique de grande surface (pouvant dépasser le mètre carré) à haute définition, permettant par exemple la présentation de cartes géographiques ou la projection de symboles sur un écran portant déjà des indications géographiques. L'invention concerne plus particulièrement un dispositif du type comprenant un écran de visualisation par transparence, plusieurs modules plats à cristaux liquides et à affichage matriciel correspondant à des parties adjacentes de 1 écran et, associés à chaque écran, un dispositif de projection comportant une source et une lentille de champ réduisant la divergence du faisceau de lumière arrivant sur l'écran après avoir traversé le module à quelques degrés au plus. On connait des dispositifs du type ci-dessus défini dont chaque dispositif de projection comprend un objectif destiné à projeter sur l'écran une image, interposé entre ce dernier et le module. Cette solution a divers inconvénients. Elle rend difficile l'affichage d'images polychromes, sauf à utiliser des modules regroupant plusieurs matrices de cristaux liquides munies de filtres matriciels colorés. Et surtout elle exige un grand nombre d'objectifs de projection et de condenseurs. L'invention vise notamment à fournir un dispositif d'affichage modulaire répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'il est de constitution relativement simple. Dans ce but l'invention propose notamment une disposition dans laquelle chaque source est sensiblement ponctuelle et forme directement l'image du module à cristaux liquides sur l'écran, sans interposition d'un objectif. En général, une plaque d'apodisation sera interposée sur le trajet du faisceau traversant la lentille de champ pour uniformiser la brillance spatiale apparente de l'image. Cette plaque d'apodisation présentera une densité variable en fonction de l'emplacement, pour tenir compte de la forme du lobe d'émission de la source. La plaque d'apodisation peut être constituée par un film photographique directement impressionné à partir de la source de façon que sa densité optique en chaque point soit proportionnelle à l'éclairement reçu.La plaque d'apodisation peut également être réalisée par des procédés d'imprimerie, après détermination de la loi de variation de l'éclairement en fonction de l'angle à partir de l'axe de la source. On voit que la projection utilisée applique le principe du sténope : l'image formée sur l'écran est l'ombre portée du module à cristaux liquides, qui fournit une représentation de type matriciel. On pouvait a priori penser que cette disposition était impraticable du fait de la perte de définition due au fait que la source a forcément des dimensions finies pour fournir un flux lumineux suffisant. En fait la théorie et l'expérience ont montré que, même avec le grandissement indispensable pour qu'il soit possible de loger côte à côte les boîtiers comportant non seulement les modules, mais aussi les circuits d'interconnexion et de pilotage placés autour, cet inconvénient était inexistant, comme on le verra plus loin. Chaque source peut être homogène et constituée par exemple par la tranche terminale d'une fibre optique, toutes. les fibres étant éclairées par une même lampe, par exemple une lampe à arc ou, si on accepte d'utiliser une fibre optique de relativement grand diamètre, une lampe à halogène. Dans une variante de réalisation, chaque source est composite et constituée de plusieurs diodes électroluminescentes monochromes, rouge, verte et bleue par exemple. On peut alors obtenir directement des images polychromes. Au contraire, dans le cas d'une fibre optique éclairée en lumière blanche, l'obtention d'images en couleur nécessite d'utiliser des matrices munies de filtres matriciels colorés. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels - la Figure 1 montre schématiquement, en élévation, une fraction d'un écran de projection et l'un des ensembles qui lui sont associés et permettent chacun de former une fraction de l'image sur une partie de l'écran ; - la Figure 2 montre schématiquement un module comprenant une matrice à cristaux liquides et ses circuits annexes - la Figure 3 est un schéma destiné à montrer l'effet du caractère non ponctuel de la source associée à chaque module - la Figure 4 montre un mode d'alimentation des différentes sources de lumière constituant une variante de celui de la Figure 1. On décrira tout d'abord, en faisant référence à la Figure 1 (où l'échelle n'est pas respectée pour plus de clarté) un ensemble 10 permettant de former une image sur une partie rectangulaire d'un écran 11 et donc, par juxtaposition avec d'autres ensembles identiques, de faire un affichage graphique éventuellement coloré. Chaque ensemble 10 comporte un module 12 d'affichage à cristaux liquides prévu pour travailler par transmission. Ce module a une constitution matricielle et peut etre regardé comme constitué de pixels répartis suivant un réseau rectangulaire et matérialisés chacun par un transistor de commutation appartenant à un circuit annexe 13 (Figure 2) associé à deux électrodes d'excitation des cristaux optiques. Les transistors sont adressables par lignes et colonnes suivant une technologie bien connue. Il existe déjà dans le commerce des modules utilisables, par exemple à 320 x 240 pixels répartis suivant un pas carré de 160 pm, mettant en oeuvre des cristaux liquides nématiques en hélice. Certains de ces modules, par exemple ceux fabriqués par la société SEIKO en technologie TFT (thin film transistors), permettent un affichage trichrome.Pour cela, le module porte un réseau de filtres colorés répartis suivant une mosaique triangulaire. On ne décrira pas ici le mode de commande électrique du module, étant donné qu'il peut être entièrement classique. Chaque module 12 est muni d'un dispositif d'éclairage propre comportant une source constituée, dans le cas illustré en Figure 1, par la tranche terminale d'une fibre optique 14. Mais si le dispositif était utilisé tel quel pour former directement une image sur l'écran 11, le faisceau arrivant sur ce dernier serait fortement divergent. L'indicatrice de diffusion d'un rayon lumineux arrivant sur le verre dépoli présente généralement une répartition autour du rayon incident avec un maximum très marqué. il s'en suivrait que, pour une même intensité d'éclairement en un point, la brillance apparente pour un observateur placé en 24 varierait énormément. Ce problème est résolu en disposant une lentille de champ 26 à proximité de l'écran 11. Cette lentille de champ 26 ramène la divergence du faisceau à quelques degrés au maximum. On peut notamment utiliser une lentille de champ dont la face tournée vers l'écran est à 10 mm environ de ce dernier et qui ramène la divergence à 1. environ. Il est souhaitable de laisser subsister cette divergence résiduelle pour que les images formées sur les parties adjacentes de l'écran soient effectivement jointives, ce qui ne pourrait pas être le cas dans le cas d'un faisceau strictement parallèle car les lentilles 26 doivent etre séparées par des moyens permettant de les fixer. Les lentilles de champ 26 peuvent être constituées par des lentilles de Fresnel à échelons dont les stries ont une distance mutuelle inférieure au pas de l'image sur l'écran 11 des pixels des modules 12. Dans la pratique on pourra généralement utiliser des lentilles de Fresnel à 5 stries par millimètre, faciles à fabriquer par des techniques courantes. Grâce à la lentille de Fresnel, l'indicatrice correspond à une diffusion homogène de la lumière pour les angles de vision qui ne s'écartent pas trop de la normale, å condition d'utiliser un écran 11 suffisamment diffusant, ce qui est le cas d'une plaque de verre dépoli. De plus, pour uniformiser la brillance spatiale apparente bien que la brillance de la source constituée par la tranche terminale de la fibre 14 soit fonction de l'angle sous lequel on regarde cette tranche, une plaque d'apodisation 16 est avantageusement interposée sur le trajet du faisceau lumineux fourni par la source, en général en amont de la lentille de champ 26. On pouvait craindre que des conditions pratiques, par exemple la nécessité de placer les modules 12 loin de l'écran 11 pour laisser entre les matrices de cristaux liquides la place nécessaire pour loger les circuits de pilotage 13 et les circuits d'interconnexion 18 (Figure 2), aient pour conséquence une dimension excessive des taches de diffusion sur l'écran provoquées par les dimensions finies de la source, qui n'est pas strictement un point. Le calcul a montré, et l'expérience a confirmé, que la dégradation due au caractère non ponctuel de chaque source était négligeable, du fait que les taches de diffusion ont, dans la pratique, une dimension nettement inférieure à celle des pixels de l'image. En effet, si on désigne par d le diamètre de la source, par 1 et 1' la distance de la source au module et à l'écran et par d' le diamètre de la tache de diffusion, on peut écrire = =d(l'-l)/l -qui peut encore s'écrire, en désignant le grandissement par G d' = d(G-1) Si on désigne maintenant par D la taille d'un pixel du module 12 et par D' la taille de son image sur l'écran 11, on a D' = D.G La dégradation de l'image due à la dimension finie de la source peut être représentée par d'/D'. Ce paramètre peut s 'écrire d'/D' = (d/D).t(G-1)/G] On sera généralement conduit à ne pas dépasser un grandissement de 1,5 pour conserver une bonne définition dans le cas des modules matriciels ayant un pas de 160 pm mentionnés plus haut.Lorsque la source est constituée par une fibre de 100 pm de diamètre, qui fournit un éclairement suffisant si elle est illuminée par une lampe à arc, on constate que d'/D' est de l'ordre de 1/5. La dégradation reste donc limitée au bord de chaque pixel et ne sera pratiquement pas discernable à l'oeil. Le grandissement G de 1,5 permet de loger côte à côte des écrans de 320 x 240 pixels ayant une matrice de 50 x 38 mm et un encombrement total de 75 x 57 mm. Sur l'écran 11 les pixels auront alors une dimension de 240 x 240 pm. Un écran associé à 36 modules pourra présenter 1920 x 1440 pixels sur une surface de 450 x 342 mm, ce qui correspond aux dimensions de l'écran de télévision de 22 pouces classique. Tous les modules sont avantageusement illuminés à partir d'une même lampe d'éclairage 28, par l'intermédiaire d'un ensemble comprenant un condenseur 30 et un mélangeur 32. Pour compenser l'hétérogénéité d'éclairement par la lampe 28, des dispositifs de perte peuvent étre interposés sur les fibres optiques. Toute variation ultérieure d'intensité de la lampe 28 ne modifie pas la répartition du flux lumineux de sorte que l'homogénéité d'éclairement, une fois réalisée, subsistera. Pratiquement, la disposition qui vient d'être décrite peut être réalisée avec des fibres optiques de diamètre pouvant aller jusqu'à 1 mm et des modules dont la dimension de pixel peut aller de 80 à 200 pm. Comme on l'a indiqué plus haut, la source de lumière peut être de nature différente de celle montrée en Figure 1. On peut en particulier, lorsqu'on travaille en lumière blanche, adopter la disposition montrée en Figure 4 où la lampe 28a est entourée de condenseurs 30a formant chacun une image de la lampe sur la face d'entrée d'une fibre optique 14a. Cette disposition permet de mieux utiliser le flux lumineux de la lampe 28 et permet également d'équilibrer les flux reçus par les diverses fibres en disposant un diaphragme réglable sur le trajet du faisceau lumineux en amont ou en aval de chaque condenseur 30a. Dans une autre variante encore de réalisation, chaque source comprend plusieurs diodes électroluminescentes très proches les unes des autres. On dispose maintenant dans le commerce de jeux groupant deux ou trois diodes dont l'écartement mutuel ne dépasse pas 0,8 '11. Il suffit alors d'utiliser la persistance des impressions lumineuses et de commander séquentiellement l'allumage -des trois diodes et de commander électriquement les pixels de chaque module par des signaux de chrominance adaptés à la diode qui est excitée en synchronisation avec celle-ci. L'invention ne se limite évidemment pas aux modes particuliers de réalisation qui ont été représentés et décrits à titre d'exemples et il doit etre entendu que la portée du présent brevet s'étend à toute variante restant dans le cadre des équivalences. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'affichage modulaire à cristaux liquides comprenant un écran de visualisation par transparence (11), plusieurs modules plats à cristaux liquides et à affichage matriciel (12) correspondant à des parties adjacentes de l'écran et, associés à chaque écran, un dispositif de projection comportant une source et une lentille de champ réduisant la divergence du faisceau de. lumière arrivant sur l'écran après avoir traversé le module à quelques degrés au plus, caractérisé en ce que chaque source (14) est sensiblement ponctuelle et forme directement l'image du module (12) à cristaux liquides sur l'écran, sans interposition d'un objectif. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une plaque d'apodisation (16) est interposée sur le trajet du faisceau traversant la lentille de champ pour uniformiser la brillance spatiale apparente de l'image. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le grandissement de projection du module est d'environ 1,5. 4. Dispositif selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que chaque source est homogène et constituée par la tranche terminale d'une fibre optique, toutes les fibres étant éclairées par une même lampe. 5. Dispositif selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que chaque source est constituée par une diode électroluminescente ou un jeu de plusieurs diodes. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que chaque jeu de diodes électroluminescentes comprend deux ou trois diodes émettant des couleurs différentes. 7. Dispositif selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que toutes les sources sont constituées par la tranche terminale de fibres optiques dont les tranches d'entrée sont réparties autour d'une lampe (28a) et reçoivent une fraction du flux lumineux émis par la lampe à travers des condenseurs (30a) distincts.