Brevet FR2669440A1 — publié le 19920522

DISPOSITIF DE VISUALISATION EN COULEUR PAR PROJECTION METTANT EN OEUVRE DES VALVES OPTIQUES La présente invention concerne un dispositif de visualisation en couleur mettant en oeuvre des valves optiques pour produire une image, par projection sur un support, de faisceaux de lumières colorées modulés et recombinés. Les systèmes actuels de ce type comportent généralement une source de lumière blanche dont le flux lumineux est séparé en trois faisceaux de lumières colorées (par exemple rouge, verte et bleue) La lumière des trois faisceaux est ensuite polarisée, puis dirigée vers trois matrices à cristal liquide dont chacune module le faisceau qu'elle reçoit en fonction de signaux de commande Les trois images qui se forment sur les matrices sont alors agrandies, et projetées simultanément par un ou plusieurs objectifs sur le support final de l'image, soit par exemple un écran, un mur, etc. Un des problèmes posés par les systèmes actuels est leur rendement lumineux: il faut récupérer le maximum de flux lumineux émis par la source pour que l'image finale soit la plus lumineuse possible, tout en veillant à ne pas dégrader son homogénéité en couleur et en luminance. Pour cela, il est nécessaire que l'éclairement en un point quelconque de l'une des matrices soit égal à celui du point correspondant sur chacune des autres matrices, de façon à éviter toute variation de couleur au sein de l'image finale On sait que cette condition peut être réalisée facilement en prévoyant égales les distances entre la source et les trois matrices. Un autre problème est de réduire au maximum l'encombrement des systèmes de recombinaison et de projection des trois images colorées quand on utilise un objectif unique pour les projeter et les agrandir En effet, dans ce cas, les trois faisceaux colorés, après avoir traversé chacun une matrice, doivent être recombinés pour former une image en couleur Minimiser l'encombrement des systèmes de recombinaison et de projection revient à réduire les distances, par ailleurs égales, de chacune des matrices à l'objectif de projection Les moyens de recombinaison permettant cela consistent en deux surfaces planes traitées qui se coupent en leur milieu à angle droit, en formant une figure géométrique sensiblement en forme de cube, d'o l'appegllation de "cube recombineur" que l'on donnera dans la suite à ces moyens Les trois matrices sont alors disposées en regard de trois faces du cube parallèles à l'intersection des surfaces traitées, de sorte que la lumière recombinée passe par la quatrième de ces faces en regard de laquelle est placé l'objectif de projection. On trouve un tel arrangement des systèmes de recombinaison et de projection dans un projecteur divulgué par les brevets japonais no 62-254589 et n 62-22219 au nom de SEIKO, et représenté à la Fig 1 des dessins annexés Dans ce projecteur, la lumière blanche issue de la source S est divisée, au moyen de deux miroirs dichroïques Dl, D 2 placés parallèlement, en trois faisceaux de couleurs rouge, verte et bleue, qui sont dirigés respectivement vers des valves optiques Vl, V 2 et V 3, lesquelles sont disposées de la manière décrite ci-dessus par rapport à un cube recombineur C et à une optique de projection O Le dessin fait nettement apparaître que les distances de la source S aux valves VI, V 2 et V 3 ne sont pas égales, celle jusqu'à la valve Vl étant nettement plus longue. La même remarque s'applique au projecteur décrit dans la demande de brevet EP-A-0 331 326 au nom de MATSUCHITA, lequel projecteur comprend un dispositif de séparation des faisceaux formé de deux miroirs dichroïques D'l, D'2 se coupant perpendiculairement en leur milieu comme l'illustre la Fig 2 (disposition que l'on désignera, dans la suite, sous l'appellation de "cube séparateur", par analogie au cube recombineur déjà mentionné) Ici, les trajets égaux de la lumière entre la source S et les valves Vl et V 3 sont très sensiblement plus grands que le trajet jusqu'à la valve V 2. Par contre, dans un autre projecteur connu par la demande de brevet EP-A87201558 1 au nom de PHILIPS, et représenté à la Fig 3, o le dispositif de séparation comprend deux miroirs dichroïques parallèles Dl, D 2, les distances entre la source S et les trois valves Vl, V 2 et V 3 sont bien identiques Mais alors, cette condition impose une disposition des valves qui ne permet pas de minimiser la distance des trois valves à l'objectif de projection O en utilisant un cube recombineur. Le but de l'invention est de prévoir, dans des dispositifs de visualisation en couleur mettant en oeuvre des moyens de séparation d'un faisceau de lumière blanche en trois faisceaux de lumières colorées, trois valves optiques, des moyens de recombinaison des faisceaux colorés et une optique de projection, des arrangements tels que l'on puisse utiliser un cube recombineur pour minimiser la distance des valves à l'optique de projection, pour minimiser l'encombrement, tout en ayant des distances identiques entre la source de lumière et les trois valves. A cet effet, un dispositif selon l'invention comprenant un cube recombineur, trois valves optiques en regard de trois faces dudit cube parallèles à l'intersection de ses surfaces traitées, et une optique de projection au-delà de la quatrième de ces faces, est caractérisé en ce que ses moyens séparateurs sont un cube séparateur dont l'intersection de ses surfaces traitées est sur la même ligne que ladite intersection du cube recombineur, en ce que les surfaces traitées du cube séparateur et du cube recombineur sont deux à deux dans un même plan, et en ce que les trajets des faisceaux de lumières colorées à l'extérieur desdits cubes séparateur et recombineur jusqu'à leurs valves respectives sont identiques. L'invention sera mieux comprise à l'aide des explications qui vont suivre et des dessins annexés, dans lesquels: les Figs 1 à 3 représentent schématiquement trois dispositifs connus, la Fig 4 est une vue schématique, en perspective, d'un dispositif selon l'invention, dans une première forme de réalisation, les Figs 5 et 6 sont respectivement des vues frontale et de dessus du dispositif de la Fig 4, la Fig 7 est une vue schématique d'un dispositif de polarisation utilisable dans un appareil semblable à celui des Figs 4 à 6, les Figs 8 et 9 sont respectivement des vues frontale et de dessus d'un tel appareil, et la Fig 10 est une vue schématique, de côté, d'un dispositif selon l'invention, dans une autre forme de réalisation. Dans le dispositif représenté aux Figs 4 à 6, une source S émet un faisceau de lumière blanche, symbolisé par le rayon F, vers un cube séparateur C, comportant deux surfaces planes traitées 1 et 2 qui se coupent à angle droit en leur milieu, leur intersection portant le repère 3 En pratique, le cube C peut être formé par la réunion en X de deux miroirs dichroïques ou, de façon plus courante, par assemblage de quatre prismes identiques à section en triangle rectangle isocèle, dont au moins l'une des faces destinées à venir à l'intérieur du cube est traitée. Dans le cube C, les faces 1 et 2 réfléchissent par exemple respectivement la lumière bleue et la lumière rouge du faisceau de lumière blanche F arrivant perpendiculairement sur la face 4, en laissant passer la lumière verte Des faces 5, 6 et 7 du cube C, sont donc issus respectivement un faisceau de lumière bleue, un faisceau de lumière rouge et un faisceau de lumière verte, symbolisés par les rayons Fl, F 2 et F 3 qui, avec F, sont dans un même plan perpendiculaire à la ligne d'intersection 3. Les moyens de recombinaison du dispositif consistent en un cube recombineur C' dont les surfaces traitées 1 ' et 2 ' se croisent en 3 ' et ont respectivement les mêmes propriétés que les surfaces traitées 1 et 2 du cube C, à savoir que la surface 1 ' réfléchit la lumière bleue et la surface 2 ' la lumière rouge En regard des faces 5 ', 6 ', 7 ', sont placées des valves optiques VI, V 2, V 3, non représentées à la Fig 4 pour des raisons de clarté. Celles-ci sont par exemple des valves optiques à cristal liquide nématique en hélice, ou smectique, ou ferroélectrique, etc. Selon une caractéristique importante de l'invention, les cubes C et C' sont disposés l'un par rapport à l'autre de telle façon que les intersections 3 et 3 ' soient alignées et que les surfaces 1 et 1 ', d'une part, et les surfaces 2 et 2 ', d'autre part, soient dans un même plan Dans l'exemple de réalisation montré, les deux cubes C et C' sont accolés en 8 et, en pratique, ils sont formés sans solution de continuité en un seul bloc en forme de parallélépipède de section carrée. Le faisceau Fl, au-delà de la face 5 du cube séparateur C, subit une double réflexion, de manière à ce qu'il tombe sur la face 51 du cube recombineur C' située dans le prolongement de la face 5, après modulation dans la valve Vl Il en va de même pour les faisceaux F 2 et F 3 et, selon l'invention, les paires de miroirs Ml et M'l, M 2 et M'2, M 3 et M 1 '3 affectés à cette double réflexion sont disposés de façon identique par rapport aux deux cubes C et C' Dans la forme de réalisation montrée, les miroirs de chaque paire sont inclinés à 45 e, symétriquement, en regard de deux faces en prolongement des cubes, soit les faces 5, 5 ' ou 6, 6 ' ou 7, 7 '. Les faisceaux Fl, F 2 et F 3 sont alors recombinés dans le cube C', de manière à ressortir par la face 4 ' sous la forme d'un faisceau unique symbolisé par le rayon F'. Parmi les valves optiques qui sont utilisées dans les systèmes de visualisation par projection, certaines nécessitent un éclairage en lumière polarisée La lumière blanche émise par les sources généralement utilisées dans ces systèmes ne l'étant pas, il faut donc la polariser avant de la faire parvenir aux valves. Il existe des moyens aptes à polariser des faisceaux de lumière avec des rendements supérieurs à 80 %, et à transformer simultanément des faisceaux à section carrée ou circulaire en des faisceaux à section à peu près rectangulaire. La Fig 7 illustre un dispositif de polarisation P ayant ces caractéristiques mais qui, en plus du gain en rendement lumineux qu'entraîne son utilisation, se prête particulièrement bien à une intégration dans un appareil de projection conforme à l'invention, du fait qu'il n'augmente pratiquement pas l'encombrement, et qu'il ne remet en cause ni l'égalité des distances optiques entre la source et les valves, ni la minimisation des distances séparant les valves de l'optique de projection. Le dispositif de polarisation P comprend deux prismes PR 1 et PR 2 dont les sections sont des triangles rectangles isocèles Ils sont accolés par contact entre la grande face latérale du prisme P Rl et l'une des petites faces latérales du prisme PR 2 La surface commune 9 comporte un traitement, par exemple de type multi-couches, et constitue la surface de séparation du dispositif De plus, une lame retardatrice du type quart d'onde 14, et un miroir 15 sont disposés parallèlement en regard de la face 11 du prisme PR 1 La surface d'entrée du faisceau de lumière à polariser, symbolisé par le rayon F 0, est la face 10 du prisme PR 1 De préférence, cette surface est à peu près carrée Le faisceau F O de lumière non polarisée est séparé en deux faisceaux F 01 et F 02 au niveau de la surface de séparation 9 La lumière du faisceau transmis F 01 est polarisée rectilignement, parallèlement au plan du dessin (représentation en traits tirets) Elle poursuit son chemin dans le prisme PR 2, se réfléchit sur sa face 12, et sort par sa face 13. Le faisceau F 02, réfléchi par la surface 9, transporte de la lumière polarisée rectilignement, perpendiculairement au plan du dessin (représentation en pointillé) Il sort du prisme P Ri par sa face 11, traverse la lame retardatrice 14 du type quart d'onde, se réfléchit sur le miroir 15, retraverse la lame 14 et repénètre dans le prisme P Rl La lumière du faisceau F 02 est alors polarisée rectilignement, parallèlement au plan du dessin, comme le faisceau F 01 Elle traverse donc la surface 9 et sort du dispositif par la face 13 du prisme PR 2 En sortie, les faisceaux FO 1 et F 02 sont juxtaposés L'ensemble P fournit par conséquent un faisceau unique de lumière uniformément polarisée, de section à peu près rectangulaire On remarque en outre que les chemins parcourus par les deux faisceaux FO et F 02 jusqu'à la sortie du prisme PR 2 sont de mêmes longueurs. Les Figs 8 et 9 illustrent un dispositif de visualisation du type de celui des Figs 4 à 6, dans lequel sont incorporés des moyens de polarisation sous la forme de l'ensemble P. Dans le bloc 16 regroupant le cube séparateur C et le cube recombineur C', ce dernier bien qu'on lui conserve sa dénomination de "cube" a maintenant la forme d'un parallélépipède à section carrée, délimité par la ligne fictive 8, dont les faces latérales rectangulaires 4 ' à 7 ' correspondent en dimensions aux valves optiques Vl, V 2 et V 3. D'autre part, en regard des faces de sortie 5, 6, 7 du cube séparateur C, sont toujours prévus les miroirs de réflexion MI à M 3 inclinés à 45 , alors qu'en regard des valves VI, V 2, V 3 et des faces correspondantes 5 ', 6 ', 7 ' du cube recombineur C', des ensembles de polarisation Pl, P 2, P 3 remplacent les miroirs M'l, M'2, M'3 du dispositif des Figs 4 à 6. Les trois ensembles Pi, P 2, P 3 polarisent respectivement les trois faisceaux FI, F 2, F 3 séparés par le cube séparateur C, après qu'ils ont été réfléchis par les miroirs Ml, M 2, M 3, et les transforment chacun en deux faisceaux juxtaposés au niveau des valves Vi à V 3 Comme on l'a remarqué précédemment, les trajets optiques des deux faisceaux juxtaposés dans les ensembles Pl à P 3 sont de même longueur, de sorte qu'il en est de même pour les six trajets différents de la lumière entre la source S et les valves Vi, V 2, V 3, la distance optique de celles-ci à l'optique de projection O restant par ailleurs minimale En pratique, les ensembles Pl à P 3 permettent d'améliorer le rendement lumineux d'un facteur 2, environ,, et de réduire l'encombrement du dispositif de visualisation d'environ 30 %. Dans le dispositif de visualisation de la Fig 10, les valves Vi, V 2, V 3 travaillent en réflexion Les moyens de séparation et de recombinaison de la lumière sont constitués par un même élément, soit un cube C" du type décrit précédemment Les valves VI, V 2, V 3, auxquelles sont associés parallèlement des miroirs XV 1, MV 2 et XV 3 sont disposées en regard des faces 5 ", 6 " et 7 " du cube C". En regard de la face d'entrée 4 ", est placé un cube polarisant CP présentant une surface séparatrice 17 Le faisceau F de lumière blanche émise par la source S se réfléchit sur la surface séparatrice 17, puis se dirige vers la surface d'entrée 4 " du cube C" Il en résulte trois faisceaux Fi, F 2, F 3 émergeant du cube C" respectivement par les faces 5 ", 6 ", 7 ", et correspondant aux couleurs rouge, verte et bleue Chacun des faisceaux traverse ensuite l'une des valves Vi, V 2, V 3, se réfléchit sur le miroir associé M Vl, MV 2, MV 3, et revient sur lui-même Le faisceau unique F' résultant de la recombinaison repasse par la face 4 " et traverse le cube polarisant CP pour atteindre l'optique de projection, non représentée. Cette architecture comportant des valves optiques en réflexion permet d'optimiser le rendement lumineux du système d'éclairage et l'homogénéité de l'image, les distances optiques de la source S aux trois valves étant identiques Les moyens de séparation et de recombinaison sont d'autre part simplifiés, le même élément C" ayant les deux fonctions Bien entendu, dans une variante, le cube polarisant CP peut être utilisé en transmetteur de la lumière provenant de la source S, la lumière du faisceau F' étant alors réfléchie par la surface séparatrice 17 avant d'atteindre l'optique de projection. il REVENDICATIONS 1) Dispositif de visualisation en couleur mettant en oeuvre des moyens de séparation d'un faisceau de lumière blanche en trois faisceaux de lumières colorées, trois valves optiques, des moyens de recombinaison et une optique de projection, dans lequel lesdits moyens de recombinaison sont un cube recombineur, les valves sont placées en regard de trois faces du cube recombineur parallèles à l'intersection de ses surfaces traitées, et l'optique de projection au-delà de la quatrième de ces faces, caractérisé en ce que lesdits moyens de séparation sont un cube séparateur (C) dont l'intersection ( 3) de ses surfaces traitées ( 1, 2) est sur la même ligne que ladite intersection ( 3 ') du cube recombineur (C'), en ce que les surfaces traitées ( 1, 2; 1 ', 2 ') du cube séparateur (C) et du cube recombineur (C') sont deux à deux dans un même plan, et en ce que les trajets des trois faisceaux de lumières colorées à l'extérieur des cubes (C, C') jusqu'à leurs valves respectives sont identiques, de manière que les distances optiques entre la source (S) de lumière blanche et lesdites valves soient elles-mêmes identiques. 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le cube séparateur (C) et/ou le cube recombineur (C') sont composés de deux miroirs dichroïques plans se coupant en leur milieu à angle droit. 3) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le cube séparateur (C) et/ou le cube recombineur (C') sont formés par assemblage de quatre prismes droits identiques dont au moins une des faces à l'intérieur du cube est traitée. 4) Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les cubes séparateur (C) et recombineur (C') sont accolés l'un à l'autre. 5) Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les cubes séparateur (C) et recombineur (C') sont en un seul bloc. 6) Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'entre les cubes sépateur (C) et recombineur (C'), les faisceaux de lumières colorées (FI, F 2, F 3) sont acheminés par double réflexion sur des paires de miroirs (Ml, M Wl; M 2, M'2; M 3, M'3). 7) Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'à chaque valve optique (VI, V 2, V 3), sont associés des moyens de polarisation et de division de chacun des faisceaux de lumières colorées (FI, F 2, F 3) en deux faisceaux juxtaposés, lesquels forment à l'entrée de chaque valve un faisceau unique de lumière uniformément polarisée. 8) Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits moyens de polarisation et de division consistent en des ensembles (Pi, P 2, P 3) comprenant chacun deux prismes (PR 1, PR 2) de section en triangle rectangle isocèle, accolés par contact de la grande face latérale du prisme (PRI) avec l'une des petites faces latérales du prisme (PR 2), la surface commune ( 9) étant une surface de séparation de la lumière, et comprenant de plus une lame retardatrice du type quart d'onde ( 14) et un miroir ( 15) en regard de la face latérale du prisme (P Ri) opposée à la grande face latérale du prisme (PR 2), laquelle est adjacente à la valve associée, lesdits ensembles (Pi, P 2, P 3) recevant les faisceaux de lumières colorées après que ceux-ci aient été réfléchis par un miroir (Ml, M 2, M 3). 9) Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les cubes séparateur et recombineur sont formés par un même élément (C"), un cube polarisant (CP) étant placé adjacent à la face ( 4 ") d'entrée du faisceau (F) de lumière blanche, et de sortie du faisceau recombiné (F'), le cube polarisant (CP) étant destiné à réfléchir le faisceau de lumière blanche et à transmettre le faisceau recombiné (F') vers l'optique de projection ou, inversement, à transmettre le faisceau (F) de lumière blanche et à réfléchir le faisceau recombiné (F'). ) Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les valves optiques (Vl, V 2, V 3) sont des valves optiques à cristal liquide nématique en hélice, ou cristal liquide smectique, ou ferroélectrique.