Brevet FR2669126A1 — publié le 19920515

L'invention concerne un système de visualisation d'images lumineuses. Elle est applicable plus particulièrement à la projection d'images vidéo sur grand écran. Actuellement se développent des systèmes de projection vidéo grand écran à base de matrices actives à cristaux liquides Ces matrices utilisent en général des cristaux liquides du type "nématique en hélice" associés à des transistors en couches minces pour l'adressage des différents pixels par le signal vidéo Elles constituent l'équivalent de diapositives dynamiques Les projecteurs résultant s'apparentent à des projecteurs de diapositives de part leur conception La projection d'images couleurs est obtenue soit à partir de trois valves optiques monochromes, soit à partir d'une seule valve munie de filtres colorés selon un arrangement similaire à celui de tubes TV couleur. Très séduisants à priori, ces projecteurs ont l'inconvénient d'un très mauvais rendement lumineux de l'ordre de quelques pourcents Les cellules utilisées nécessitent en effet de travailler entre polariseurs croisés, ce qui implique d'une part qu'une des composantes de polarisation de la source d'éclairage n'est pas utilisée (perte de 50 %) et que d'autre part, une absorption supplémentaire due aux polariseurs utilisés est à prendre en compte La surface utile de chaque pixel est faible (séparation entre chaque pixel, surface occupée par le transistor de commande,) et le sera d'autant plus que l'on voudra réaliser, à surface de cellule identique, des cellules de très haute définition compatibles avec la TVHD. Bien que des artifices permettant d'augmenter le rendement lumineux de tels projecteurs soient actuellement étudiés, il est peu probable que l'on sache réaliser des projecteurs dépassant 10 % de rendement. Parallèlement à l'utilisation de matrices à cristaux liquides, des solutions à base de projection laser trichromes sont également envisageables De telles solutions font appel à des-méthodes de déflexion XY de faisceaux laser par des moyens optomécaniques (y compris holographiques) et acoustooptiques. Ces solutions sont limitées par plusieurs facteurs: phénomènes de papillotements (dus à la non rémanence de l'écran) difficulté de réaliser des déflecteurs rapides à grand nombre de points tout en conservant une bonne efficacité existence de phénomènes parasites dus au bruit de speckle (bruit granulaire lié à la cohérence des sources laser utilisées). La solution proposée est basée sur l'utilisation des matrices à cristaux liquides -dont le développement industriel est inéluctable dans un système de projection permettant un rendement optimum grâce à un transfert d'énergie efficace entre un faisceau signal et un faisceau pompe. C'est pourquoi l'invention concerne un système de visualisation d'images caractérisée en ce qu'elle comporte: un modulateur spatial de lumière recevant un premier faisceau lumineux et retransmettant un faisceau modulé; un dispositif de transfert d'énergie recevant le faisceau modulé et un deuxième faisceau lumineux et transférant l'énergie du deuxième faisceau dans la direction du faisceau modulé. Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description et dans les figures annexées qui représentent: la figure 1, un exemple de réalisation général d'un système selon l'invention; la figure 2, un exemple de réalisation détaillé d'un système selon l'invention; la figure 3, un dispositif prévoyant un déplacement du milieu non linéaire; la figure 4, un système selon l'invention appliqué à une projection trichrome; la figure 5, une variante du système de la figure 4 la figure 6, un autre système selon l'invention appliqué à une projection trichrome. Les techniques de transfert d'énergie entre un faisceau pompe vers un faisceau signal sont désormais bien connues Elles reposent, entre autres, sur l'utilisation de matériaux photoréfractifs (BSO, Ba Ti O, SBN,). La solution proposée consiste à utiliser cet effet de transfert d'énergie pour pallier le mauvais rendement du projecteur classique utilisant des matrices actives à cristaux liquides. L'exemple de réalisation général de la figure 1 comporte un modulateur spatial de lumière 1 recevant un premier faisceau Fi et transmettant un faisceau modulé FM véhiculant ainsi une image selon la modulation spatiale effectuée Le modulateur spatial 1 est par exemple une cellule à cristal liquide. Un dispositif à transfert d'énergie 2 tel qu'un milieu non linéaire, un cristal photoréfractif par exemple, reçoit le faisceau modulé FM et un deuxième faisceau F 2 de telle sorte qu'un transfert d'énergie se fasse du deuxième faisceau F 2 vers le faisceau modulé FM On obtient ainsi un faisceau modulé à afficher FA fortement amplifié Pour cela, les deux faisceaux F 2 et FM ont la même longueur d'onde et leur angle fait un angle déterminé selon la nature du matériau photoréfractif comme cela est connu dans la technique. La figure 2 représente un exemple de réalisation détaillé du dispositif de l'invention. Ce dispositif comporte essentiellement une source de lumière polarisée 3 (laser) émettant un faisceau Fi; un séparateur de faisceau 4 séparant le faisceau FI en un faisceau de forte intensité F 2 et un faisceau de faible intensité Fl; un modulateur spatial de lumière 1 tel qu'un écran à cristal liquide recevant le faisceau de faible intensité Fl et transmettant un faisceau modulé FM; un dispositif à transfert d'énergie tel qu'un milieu non linéaire 2, par exemple un cristal photoréfractif, recevant le faisceau modulé FM de faible intensité ainsi que le faisceau de forte intensité F 2 et opérant un transfert de l'énergie du faisceau F 2 vers le faisceau FM; un objectif 5 permet d'afficher le faisceau FA obtenu sur un écran 11. Le fonctionnement de ce dispositif est donc le suivant. Le rayonnement issu du laser 3 est séparé en deux faisceaux Fl et F 2 d'intensités inégales i et Ip Le faisceau de faible intensité Fl est dirigé vers la matrice à cristaux liquides de manière à l'éclairer d'une manière similaire à celle employée dans un projecteur classique (à noter que, le laser pouvant avantageusement être polarisé, il permet de supprimer le polariseur d'entrée d'un système de projection classique et de gagner au moins 3 d B sur le bilan lumineux). Nous avons vu précédemment pour quelles raisons le rendement lumineux d'un projecteur à cristal liquide était faible Soit a ce rendement ( a " 1) A la sortie de la valve optique et du polariseur, l'intensité lumineuse est donc ( a J). Le faisceau F 2 de forte intensité Ip est utilisé comme faisceau pompe, afin d'amplifier le faisceau FM à faible niveau issu du modulateur 1 Pour ce faire les faisceaux FM et F 2 d'intensités Ip et ( a 1) sont combinés dans le milieu photoréfractif 2 (cristal de titanate de baryum par exemple) de manière à transférer l'énergie du faisceau pompe F 2 vers le faisceau modulé FM Ce transfert peut s'effectuer avec un excellent rendement si le rapport Ip/( a i) est grand ( 103 par exemple), si les angles entre faisceau modulé FM et faisceau pompe F 2 sont correctement ajustés (le gain dépend du pas de franges -ce pas étant caractéristique du matériau photoréfractif utilisé typiquement quelques microns pour le titanate de baryum avec une bande passante angulaire suffisante pour amplifier un faisceau présentant un spectre angulaire, comme celui issu de la valve) et si le faisceau signal a une densité de l'intensité de l'ordre de quelques m W/cm 2 Le rendement de l'interaction de transfert peut atteindre 100 % dans des matériaux tels que Ba Ti O 3 et SBN. Toutes choses égales par ailleurs, on peut comparer ce que serait le rendement N 1 d'un système de projection utilisant directement le faisceau laser d'intensité I dans un système de projection classique et le rendement r 2 dans un système de projection selon l'invention faisant appel au procédé de transfert d'énergie dans un matériau photoréfractif tel que décrit précédemment T 1 = Cl r 2 = Ip/I I-i/I Sachant que ( a i) doit être de l'ordre de 1 à 10 m W et que le rapport Ip/ a i 103 (avec oc 5 %) pour des surfaces d'interaction de l'ordre du cm 2. Dans le cas o ( a 1) = 1 m W, i = 20 m W et Ip = 1 W avec I = 1, 02 W Cette solution permet une projection sur un écran de l'ordre de 1 m 2 Alors que dans la solution classique on ne disposerait que d'une puissance de l'ordre de 50 m W par ma. Dans le cas o ( cx i) = 10 m W, i = 200 m W et Ip = 10 W avec I = 10,2 W Cette solution permet une projection sur un écran de l'ordre de 10 ml Dans la solution classique, on ne disposerait que d'une puissance de l'ordre de 500 m W ce qui serait à peine suffisant pour projeter sur un écran de 1 m 2. Il est à noter également que dans la solution classique o une grande partie du faisceau d'éclairage est interceptée par la cellule à cristaux liquides, celle-ci risque d'être détériorée par le fait d'un échauffement important lorsqu'un laser de forte puissance est employé pour compenser la faible efficacité lumineuse du système. Le système de l'invention permet donc en outre de résoudre les problèmes éventuels d'échauffement du cristal liquide. Dans les deux cas évoqués plus haut, les puissances requises pour les lasers sont compatibles avec celles de lasers existants Laser argon ou krypton, mais aussi laser Nd: YAG doublé Le développement des technologies de pompage par diodes laser de puissance, de lasers solides du type Nd: YAG, doit permettre la réalisation de sources laser à haut rendement et grande durée de vie, à coût réduit et à servitudes simplifiées. Pour la projection d'images animées à la cadence télévision, il est important que le temps de réponse du matériau photoréfractif utilisé soit approprié Le temps de réponse du BSO est de l'ordre de 20 msec et donc compatible avec l'application envisagée Le Ba Ti O 3peut également être utilisé Il permet un transfert d'énergie total et a un temps de réponse qui dépend de la densité de puissance Pour qu'il ait des temps de réponse compatibles avec une cadence télévision, il faut des densités de puissance importantes, de l'ordre de l à quelques watt/cm 2, ce qui correspond aux ordres de grandeur envisagés précédemment. Le dispositif de la figure 2 comporte également des dispositifs permettant de rendre le système de l'invention plus compact Il s'agit notamment de dispositifs de réflexion 6,7 et 10 permettant de renvoyer les faisceaux lumineux dans les directions appropriées. Une lentille divergente 12 permet de répartir le faisceau Fl sur toute la surface du modulateur spatial 1 Une lentille de focalisation 8 permet de focaliser le faisceau modulé FM au centre optique de l'objectif 5 de façon à collecter le maximum d'énergie dans l'objectif. Par ailleurs, sur le trajet du faisceau pompe F 2 est placé un contrôleur de polarisation tel qu'une lame demi-onde ou une combinaison d'une lame demi-onde et d'une lame quart-d'onde permettant de transmettre un faisceau pompe F 2 de polarisation adaptée au cristal photoréfractif 2. Pour obtenir une projection de qualité, il faut s'affranchir des problèmes de bruit qui peuvent être observés dans les expériences d'amplification dans les matériaux photoréfractifs dus à l'amplification de la lumière diffusée parasite et aux réflexions internes On peut réduire le bruit par une légère rotation du cristal photoréfractif au cours de l'interaction comme cela est décrit dans la Demande de Brevet français N O 89 06344 déposée le 16 Mai 1989. Le faisceau modulé FM à amplifier interfère avec le faisceau de pompe F 2 dans le milieu non linéaire 2 (cristal photoréfractif) Pour réduire considérablement le bruit, voire l'éliminer, on empêche donc l'établissement des interférences génératrices de bruit en bougeant, par rotation autour d'un axe le milieu non linéaire La figure 3 représente une telle disposition Le cristal photoréfractif 2 reçoit le faisceau modulé FM et le faisceau de pompe F 2 selon un angle approprié. Selon l'invention la figure 3, le cristal 2 reçoit les deux faisceaux par une même face 20. Des moyens non représentés associés au milieu photoréfractif 2 permettent de faire osciller autour d'une position moyenne celui-ci autour d'un axe O de telle façon que la face d'entrée 20 du cristal photoréfractif tourne par rapport au faisceau modulé et au faisceau pompe. De plus pour que le mouvement du cristal permette de perturber l'établissement des interférences dans le cristal on prévoira avantageusement que l'axe O soit situé en dehors du cristal et de préférence à une distance sensiblement égale à la hauteur du cristal comme cela est représenté sur la figure 3. Il résulte de l'observation du signal amplifié et du bruit amplifié qu'il faut que la vitesse de déplacement du cristal soit suffisante pour affecter l'amplification du bruit mais inférieur à une valeur limite pour affecter que très peu le mécanisme de gain sur le faisceau modulé est beaucoup plus rapide à s'établir. On a constaté que la constante de temps d'établissement des réseaux d'interférence correspondant au bruit étant plus longue que celle correspondant au signal, une rotation de l'ordre du degré par seconde est suffisante pour gagner un facteur important en rapport signal à bruit (expérimentalement un facteur 20 a été démontré) et obtenir une image amplifiée sans bruit Le dispositif de projection proposé devrait grandement bénéficier de cette possibilité L'éventuel léger déplacement de l'image sur l'écran qui pourrait résulter de ce mouvement alternatif du cristal peut être facilement compensé par un système optique approprié Ce système est constitué par exemple par une lame à faces parallèles oscillant en sens inverse du cristal photoréfractif 2 et de sensiblement même indice de réfraction que le cristal 2. A chaque instant, le cristal 1 et la lame à faces parallèles ont des positions symétriques par rapport à une direction perpendiculaire à la direction de propagation du faisceau modulé FM Dans ces conditions, les faisceaux modulé FM et amplifié FA sont toujours sensiblement colinéaires. La projection trichrome peut être obtenue à partir de trois systèmes indépendants similaires à celui décrit Elle impose que l'on puisse disposer de cristaux photoréfractifs ayant des propriétés similaires dans le bleu, le vert et le rouge Aujourd'hui, les cristaux du type Ba Ti O 3 fonctionnent bien dans le vert et le bleu-vert Ils sont par contre un peu moins sensibles dans le rouge Une optimisation des dopages permet de pallier cet inconvénient. Dans ce cas là, les trois faisceaux correspondant aux trois couleurs (rouge, bleu, vert) sont traités spatialement par des modulateurs spatiaux On utilise par exemple un arrangement tel que représenté en figure 4 Les trois faisceaux rouge (Fl R), vert (F 1 V), et bleu (F 1 B) sont traités par des modulateurs spatiaux 1 R, 1 V, 1 B Les faisceaux modulés FMR, FMV, FMB sont transmis à un cube dichroique La face 3 R du cube réfléchi le faisceau rouge FMR La face 3 B réfléchie le faisceau bleu FMB Le faisceau vert FMV traverse le cube sans réflexion Les trois faisceaux sont donc regroupés en un seul faisceau FMT qui est amplifié comme précédemment dans un dispositif de transfert d'énergie 2 pour donner un faisceau amplifié FA Pour le transfert d'énergie, le dispositif 2 reçoit trois faisceaux pompes F 2 R, F 2 V, F 2 B correspondant au trois couleurs rouge, vert, bleu et fournis de préférence par les mêmes sources lumineuses qui ont fourni les faisceaux Fl R, F 1 V et F 1 E. Il est également possible de réaliser le système de l'invention en utilisant deux ou trois cristaux photoréfractif s placés en série à la place du cristal photoréfractif 2 La figure 3 représente une telle disposition o chaque cristal 2 R, 2 V, 2 B permet de n'amplifier qu'un faisceau d'une seule longueur d'onde et est transparent aux autres longueurs d'ondes. Le cristal 2 R reçoit donc le faisceau pompe F 2 R (couleur rouge) et permet d'amplifier la composante rouge du faisceau FMT Il est transparent aux composantes verte et bleue du faisceau FMT. Le fonctionnement des cristaux 2 V et 2 B est similaire pour les composantes verte et bleue respectivement. On peut également, comme cela est représenté en figure 6, associer un dispositif de transfert 2 R, 2 V, 2 B d'énergie à chaque modulateur spatial 1 R, 1 V, 1 B et de recombiner les trois faisceaux modulés qu'après amplification. Le système de l'invention est applicable à un système ne comportant qu'un seul modulateur spatial Dans ce cas, les rayonnements issus des trois lasers seraient, par l'intermédiaire de matrices de lentilles ou d'hologrammes, focalisés sur les différents pixels de manière à réaliser l'équivalent d'une alternance de pixels rouges, verts, bleus. L'amplification serait réalisée en appliquant les dispositions des figures 4 ou 5. Il est bien évident que la description qui précède n'a été faite qu'à titre d'exemple D'autres variantes peuvent être envisagées sans sortir du cadre de l'invention Notamment, la nature des modulateurs spatiaux ainsi que des dispositifs de transfert d'énergie (ou dispositif d'amplification) peuvent être différents de ce qui a été indiqué précédemment. il REVENDICATIONS 1 Système de visualisation d'images caractérisé en ce qu'il comporte: un modulateur spatial de lumière recevant un premier faisceau lumineux et retransmettant un faisceau modulé; un dispositif de transfert d'énergie recevant le faisceau modulé et un deuxième faisceau lumineux et transférant l'énergie du deuxième faisceau dans la direction du faisceau modulé. 2 Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une lentille de focalisation placée sur le trajet du premier faisceau et focalisant le faisceau modulé au centre optique d'un objectif de projection. 3 Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le modulateur spatial est un dispositif à cristal liquide. 4 Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de transfert d'énergie est un cristal photoréfractif. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier faisceau lumineux et le deuxième faisceaux lumineux sont polarisés d'une même polarisation. 6 Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que le premier et le deuxième faisceaux lumineux sont fournis par une même source lumineuse et qu'un dispositif de séparation sépare un faisceau fourni par cette source en un premier faisceau de faible intensité et un deuxième faisceau de forte intensité. 7 Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de déplacement du dispositif de transfert d'énergie par rapport au faisceau modulé. 8 Système selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens de déplacement permettent de faire osciller le dispositif de transfert d'énergie par rapport à un axe fixe (O). 9 Système selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte une lame à faces parallèles qui tourne par rapport à l'axe fixe ( 0) en sens inverse du dispositif de transfert d'énergie. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs modulateurs spatiaux de lumière recevant chacun un faisceau lumineux d'une longueur d'onde particulière; un dispositif de transfert d'énergie associé à chaque modulateur spatial recevant un faisceau modulé par le modulateur spatial et un faisceau pompe et fournissant un faisceau modulé amplifié; un dispositif de combinaison de faisceaux recevant les faisceaux modulés amplifiés fournis par des dispositifs de transfert d'énergie et fournissant un faisceau combiné. 11 Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs modulateurs spatiaux de lumière modulant des faisceaux de longueurs d'ondes déterminées; un dispositif de combinaison de faisceaux ( 30) recevant les faisceaux modulés par les modulateurs et fournissant un faisceau combiné (FMT); un dispositif de transfert d'énergie ( 2) recevant le faisceau combiné et un faisceau pompe contenant lesdites longueurs d'ondes (ou plusieurs faisceaux ayant lesdites longueurs d'ondes). 12 Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs modulateurs spatiaux de lumière recevant chacun un faisceau lumineux d'une longueur d'onde particulière; un dispositif de combinaison de faisceaux recevant les faisceaux modulés fournis par les modulateurs et fournissant un faisceau combiné; plusieurs dispositifs de transfert d'énergie ( 2 R, 2 V, 2 B) placés en série sur le faisceau combiné recevant chacun un faisceau pompe d'une desdites longueurs d'ondes; chaque dispositif de transfert d'énergie permettant d'amplifier une ou plusieurs longueurs d'ondes et étant transparent aux autres longueurs d'ondes. 13 Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le modulateur spatial reçoit au moins trois faisceaux de longueurs d'ondes différentes, ces trois faisceaux étant focalisés sur trois éléments de modulation différents du modulateur spatial de façon à ce qu'ils puissent être modulés différemment, les trois faisceaux modulés étant ensuite transmis à un ou plusieurs dispositifs d'amplifications communs.