Brevet FR2673006A1 — publié le 19920821

La présente invention est relative aux systèmes réfléchissants à valve lumineuse, et concerne plus particulièrement l'augmentation du contraste et l'élimination des "fantômes" dans un système de projection à valve lumineuse à cristal liquide. La valve lumineuse à cristal liquide (VLCL) est une structure multicouche à film mince, comprenant une couche de cristal liquide, un miroir diélectrique, une couche de blocage de la lumière et une couche photosensible en sandwich entre deux électrodes transparentes. Dans un système de projection à VLCL, un faisceau de projection polarisé est dirigé à travers la couche de cristal liquide vers le miroir diélectrique. Une image d'entrée de faibie intensité lumineuse, telle que celle qui est engendrée par un tube à rayons cathodiques, est appliquée sur la couche photosensible, commutant ainsi le champ électrique entre les électrodes de la couche photosensible sur la couche de cristal liquide pour activer le cristal liquide. La lumière de projection, polarisée linéairement, venant d'une source lumineuse de grande puissance, passe à travers la couche de cristal liquide et est réfléchie par le miroir diélectrique pour être modulée en polarisation en fonction de l'information lumineuse incidente sur la couche photosensible.Ainsi, si une distribution complexe de lumière, par exemple une image d'entrée de grande résolution, est focalisée sur la surface du photoconducteur, le dispositif convertit l'image en une réplique de l'image qui peut être réfléchie pour sa projection avec un agrandissement pour produire une image de grande brillance sur un écran de visualisation. Des systèmes de projection de ce type sont décrits dans plusieurs brevets américains, comprenant les brevets 4 650 286 attribué à Koda et autres pour un projecteur couleur à valve lumineuse à cristal liquide, 4 343 535 attribué à Bleha Jr. pour une valve lumineuse à cristal liquide, 4 127 322 attribué à Jacobesen et autres pour un système de projection d'image pleine couleur à valve lumineuse de forte brillance, et 4 191 456 attribué à Hong et autres pour un bloc optique pour un système de projection vidéo pleine couleur de forte brillance. La très forte brillance de la source lumineuse de forte puissance utilisée dans ces systèmes pose des problèmes qui peuvent dégrader le contraste de l'image projetée, et donner une visualisation des images parasites de la source lumineuse. Bien que les éléments de la lentille de projection soient pourvus de revêtements anti-reflets, et ne réfléchissent ainsi qu'un très petit pourcentage de la lumière qui les frappe, même ce petit pourcentage de lumière réfléchie de la source de forte brillance suffit pour être réfléchie, par l'état "arrêt" de la valve de lumière, vers l'arrière, sur l'écran de projection. Ceci donne des "fantômes", qui sont des images parasites de la source lumineuse à lampe à arc et de son réflecteur sur l'écran de projection, et se remarquent le plus sur les parties noires de l'écran, lorsque seule une partie de l'écran est blanche.L'image parasite est constituée par la partie de la lumière réfléchie vers l'arrière par l'interface air/verre d'un élément de lentille , qui forme alors une image focalisée de la lampe à arc vers l'arrière, sur la surface de la valve de lumière. Cette image est réfléchie à travers la lentille par la valve de lumière à cristal liquide, et continue jusqu'à l'écran. Le problème est lié aux surfaces des éléments de toutes les lentilles qui forment vers l'arrière des images de la lampe à arc, vers le miroir de la valve, ces images étant ensuite projetées sur l'écran par la lentille de projection. L'intensité des images parasites a été réduite grâce à des revêtements anti-reflets à grande efficacité sur les éléments de lentilles. Cependant, même une fraction de un pour cent de la source très brillante à lampe à arc peut encore être très visible lorsqu'elle est projetée sur les zones sombres de l'écran, et entraîner une perte globale de contraste, et peut être une image perturbatrice de la lampe et de son réflecteur sur 1 ' écran. Par conséquent, l'un des buts de la présente invention est de fournir un système de projection réfléchissant à valve de lumière à cristal liquide qui évite ou minimise les problèmes mentionnés ci-dessus. Dans la mise en oeuvre des principes de la présente invention, conformément à un mode de réalisation préféré, on empêche la lumière réfléchie par toutes les surfaces de tous les éléments de la lentille de projection d'être transmise vers l'arrière à la valve de lumière à cristal liquide. Ceci est réalisé en changeant l'état de polarisation de cette lumière de façon à empêcher sa retransmission vers l'arrière à travers le diviseur de faisceau polarisant du système.Plus particulièrement, une lame quart d'onde est placée entre le diviseur de faisceau polarisant et la lentille de projection, ce qui fait que la polarisation de la lumière, transmise du diviseur de faisceau polarisant vers la lentille, est tournée de 450 par la lame quart d'onde, et que la polarisation de la lumière réfléchie vers l'arrière par la lentille vers le diviseur de faisceau polarisant est tournée de 450 supplémentaires, ce qui fait que l'état de polarisation de cette lumière provoque sa réflexion hors de la valve de lumière par le diviseur de faisceau polarisant. Sur les dessins joints: - la figure 1 illustre les composants d'un système de projection à valve de lumière à cristal liquide de la technique antérieure; - la figure 2 est un schéma du système décrit dans la figure 1, illustrant divers états de polarisation de la lumière réfléchie dans les éléments du système; et - la figure 3 illustre un système de projection à cristal liquide avec une lame de polarisation interposée entre le diviseur de faisceau polarisant et la lentille de projection pour augmenter le contraste et éliminer les images parasites de la lentille du système de projection. La figure 1 illustre un système de projection à valve de lumière à cristal liquide du type général décrit dans les brevets américains nO 4 343 535 attribué à Bléha Jr., et nO 4 650 286 attribué à Koda et autres. Ce système de projection comprend une source lumineuse de forte puissance, telle qu'une lampe à arc de forte brillance 10, émettant une lumière non polarisée qui est transmise à travers une lentille collimatrice 12 qui dirige le faisceau de lumière 14 vers un diviseur de faisceau polarisant 18, représenté sous la forme d'une version incorporée d'un prisme de Mac Neille. Le prisme de Mac Neille est un diviseur de faisceau polarisant qui réalise une polarisation sélective, telle que décrite de façon générale dans le brevet américain de Mac Neille, nO 2 403 731. Le prisme 18 incorporé, représenté schématiquement sur la figure 1, comprend une plaque 16 à prisme transparent à côtés parallèles plats, revêtue de plusieurs couches diélectriques minces, telles que décrites dans le brevet américain de Mac Neille nO 2 403 731, et suspendue dans un fluide 20 de forme prismatique, le tout étant porté dans un boîtier étanche au fluide représenté de façon générale en 22, et possédant une fenêtre avant transparente 24, et une fenêtre de sortie transparente 26. Le diviseur de faisceau polarisant 18 comprend une fenêtre d'entree 28 à travers laquelle il reçoit de la lumière polarisée au hasard, de la source à lampe à arc 10. De façon générale le diviseur de faisceau transmet la lumière dans un état de polarisation, par exemple l'état de polarisation "P", et réfléchit la lumière dans un autre état de polarisation, par exemple l'état de polarisation "S". La lumière réfléchie ayant l'état S de polarisation se propage suivant un faisceau réfléchi 32 vers une valve de lumière 34 à cristal liquide qui est modulée par une source génératrice d'image, telle qu'un tube à rayons cathodiques 36. Là où le phosphore de l'écran du tube à rayons cathodiques 36 n'émet pas, et est donc sombre, la zone correspondante de la valve de lumière 34 reste dans l'état non activé, ou sombre, et la lumière est réfléchie vers l'arrière de la partie sombre de la valve de lumière 34, en retour vers le diviseur de faisceau polarisant, sans que son état de polarisation soit changé. Comme la polarisation de la lumière n'a pas changé depuis son état S d'origine, la lumière est à nouveau réfléchie par la lame du prisme du diviseur de faisceau et retourne vers la source de lumière 10.Aucune partie de cette lumière d'état de polarisation S n'est transmise par le diviseur de faisceau, de la valve de lumière 34 à la lentille de projection, et donc les zones correspondantes de l'image formée par la lentille de projection 38 restent sombres. Pour les zones de l'écran du tube à rayons cathodiques 36 qui sont brillantes, les zones correspondantes de la valve de lumière à cristal liquide sont dans l'état activé, donc également brillantes. Une partie ou la totalité de la lumière réfléchie de ces zones brillantes de la valve de lumière 34 subit une rotation de ltétat de polarisation S à l'état de polarisation P, acquérant une intensité proportionnelle à l'intensité de la lumière de l'écran du tube à rayons cathodiques.La lumière à l'état de polarisation P réfléchie vers l'arrière est transmise de la valve de lumière à cristal liquide, à travers le diviseur de faisceau polarisant 18, en passant à travers la fenêtre de sortie 26 du diviseur de faisceau et la lentille de projection 38, pour former une image brillante sur un écran de projection (non représenté). La figure 2 est une illustration simplifiée du système de la figure 1, montrant schématiquement la transmission et la réflexion des rayons lumineux ayant diverses polarisations, et disposés pour illustrer certains aspects de la façon dont une image parasite, ou une diminution du contraste, peuvent se produire dans ce système de projection réfléchissant à valve de lumière à cristal liquide. Sur l'illustration simplifiée de la figure 2, on n'a pas essayé de montrer les angles de réflexion des rayons lumineux individuels, mais des flèches marquées S ou P, avec des indices appropriés, sont utilisées pour illustrer la transmission et la réflexion des composantes de lumière dans les états de polarisation S et P, respectivement. Comme illustré schématiquement sur la figure 2, la lampe à arc 10 de haute intensité transmet de la lumière non polarisée, ou de la lumière de polarisation aléatoire, représentée par les rayons So et P0 au diviseur de faisceau polarisant 16. Ce dernier transmet la lumière dans l'état de polarisation P, comme indiqué sur le dessin de la flèche P0 , et réfléchit la lumière dans l'état de polarisation S, comme indiqué par les flèches So. Quand la lumière So à 1 ' état S frappe une zone sombre (correspondant à une zone sombre du tube à rayons cathodiques), telle que la zone 42 de la valve de lumière à cristal liquide 34, elle est réfléchie sans changement de polarisation, comme indiqué par la composante S1, qui est transmise au diviseur de faisceau, d'où elle est réfléchie vers l'arrière vers la lampe à arc.Quand la lumière dans l'état de polarisation S frappe une zone lumineuse 44 de la valve de lumière à cristal liquide (correspondant à une zone lumineuse du tube à rayons cathodiques 36), comme indiqué par So, elle est réfléchie dans un état de polarisation Pi, vers le diviseur de faisceau. Ce dernier transmet la composante de lumière Pi de polarisation P à la lentille 38. C'est la lumière qui doit être projetée sur l'écran par le système à lentille. Ce qui signifie que toute la lumière réfléchie dans l'état de polarisation P venant des zones lumineuses de la valve de lumière à cristal liquide est avantageusement transmise à l'écran à travers la lentille. Cependant, comme on l'a mentionné ci-dessus, une petite quantité de lumière frappant les surfaces des éléments de lentille est réfléchie en retour vers le diviseur de faisceau, comme indiqué par la composante Pz. Cette lumière, de polarisation P, est transmise en retour à travers le diviseur de faisceau, et peut frapper diverses zones de la valve de lumière à cristal liquide, en fonction de la courbure de la lentille et de l'angle des différents rayons lumineux reçus par la lentille. La lumière dans l'état de polarisation P réfléchie par ia lentille de projection, comme indiqué par les flèches P2 , peut frapper les zones sombres, telles que la zone sombre 46 de la valve de lumière à cristal liquide, qui la réfléchit vers l'arrière sans changement de polarisation, comme une composante de lumière indiquée par P3 sur la figure 2.Les composantes de la lumière P3 réfléchie vers l'arrière par les zones "sombres" de la valve de lumière à cristal liquide, passent en retour à travers le diviseur de faisceau vers le système à lentille et sont transmises à travers le système à lentille (sauf le très faible pourcentage qui est une fois de plus réfléchi par les surfaces des éléments de lentille) vers l'écran, où elles forment une image parasite de la lampe à arc et augmentent l'intensité de l'éclairement de zones qui devraient idéalement être plus sombres sur l'écran de projection, diminuant ainsi le contraste. La discussion qui suit peut aider à comprendre le problème posé par la réflexion sur l'élément de lentille. L'image normale sur l'écran est composée de lumière qui émane de la lampe à arc, illumine la surface de la valve de lumière et est réfléchie sélectivement à travers la lentille de projection, vers l'écran. Les images parasites indésirables, qui concernent la présente invention, sont des images non voulues de la lampe à arc et de son réflecteur sur l'écran de projection, et sont plus visibles sur les zones noires de l'écran lorsqu'il n'y a qu'une partie de l'écran qui est blanche. Contrairement à l'image parasite classique, qui est l'image non désirée d'un objet ponctuel comme une étoile, la présente image parasite sur l'écran est celle d'une source étendue. Le parasite non désiré est la partie de la lumière re-réfléchie par l'interface air/verre de la surface d'un élément de lentille, qui forme alors une image focalisée, en retour, de la lampe à arc sur la surface de la valve de lumière. Cette image est alors réfléchie par la valve à travers la lentille et continue jusque sur l'écran. Même si des revêtements anti-reflets à large bande aident à maîtriser les images parasites, la brillance de la lampe à arc est si grande que même une fraction de réflexion inférieure à un pour cent se remarque de façon visible sur l'écran. Suivant la présente invention, le problème posé ci-dessus est résolu, comme illustré sur la figure 3, en interposant une lame quart d'onde 50 entre le diviseur de faisceau et la lentille 38. La lame 50 est une lame quart d'onde à large bande qui transmet la lumière en lui faisant subir une rotation de polarisation de 450 à chaque transmission. Elle est active sur une large bande de fréquences visibles. La lumière dans l'état de polarisation P, représentée par les composantes Px, est faite de réflexions vers l'arrière, avec changement de l'état de polarisation, de la lumière So d'état de polarisation S frappant les zones lumineuses 44 de la valve de lumière à cristal liquide 34.Ces composantes P1, comme dans la disposition de la figure 2, passent à travers le diviseur de faisceau et de là à travers la lame quart d'onde 50 (figure 3). La lame quart d'onde fait tourner l'état de polarisation P de la lumière de 450 pour donner des composantes de lumière désignées sur le dessin de la figure 3 par PI + 450. Une petite fraction de la lumière d'état de polarisation P1 + 450 est alors réfléchie par les surfaces arrière des éléments de la lentille 38, de façon analogue à celle qui a été décrite précédemment, avec la même polarisation.Ceci est indiqué sur le dessin de la figure 3 comme la composante Pz + 450. La composante P2 + 450 réfléchie par la lentille passe une deuxième fois à travers la lame quart d'onde 50, et subit une rotation de polarisation supplémentaire de 450, ce qui change effectivement l'état de polarisation en S, comme indiqué sur le dessin par la composante Sz. Les composantes d'état de polarisation Sz ne sont pas transmises à travers le diviseur de faisceau, mais, au contraire, sont réfléchies hors de la valve à cristal liquide et hors du système.Ainsi, en changeant l'état de polarisation de la lumière provenant de la valve de lumière à cristal liquide après passage de la lumière dans le diviseur de faisceau, on empêche même les faibles réflexions venant des surfaces des éléments de lentille d'atteindre la valve de lumière à cristal liquide. L'état de polarisation de la lumière réfléchie par la lentille est changé, de sorte qu'elle ne peut pas être transmise à travers le diviseur de faisceau. En conséquence, on a éliminé cette source d'image parasite et de diminution du contraste. Au cours des essais réalisés avec plusieurs lentilles différentes, on a effectué des lectures de mesure de lumière en différents points, afin de mesurer l'intensité de la lumière frappant l'écran de projection. Les lectures ont été faites avec et sans la lame quart d'onde en place, et comparées avec la lecture correspondant à une zone blanche de l'écran, où il n'y avait aucune image parasite ni aucune diminution de contraste. Les essais étaient effectués avec simulation d'une valve de lumière à moitié activée et à moitié désactivée. Le rapport de contraste, qui est le rapport des intensités de la lumière sur une zone brillante et sur une zone sombre de l'écran, était augmenté d'une valeur de 36:1, sans la lame quart d'onde, à une valeur de 105:1 avec la lame quart d'onde en position, avec une lentille. Il était augmenté d'une valeur de 43:1, sans la lame quart d'onde, à une valeur de 110:1 avec la lame quart d'onde en place, en une autre zone de l'écran. Avec une seconde lentille, le rapport de contraste était augmenté de 38:1 à 54:1. La perte de lumière pour la polarisation préférée était inférieure à 11% en utilisant une lame quart d'onde n'ayant pas de revêtement anti-reflet. I1 est préférable d'utiliser une lame quart d'onde ayant un revêtement anti-reflet, qui diminue considérablement la perte due à la présence de la lame quart d'onde. REVENDICATIONS 1. Système de projection à réflexion à valve de lumière à cristal liquide, dans lequel la lumière d'une source lumineuse (10) est réfléchie par un diviseur de faisceau polarisant (16) vers une valve de lumière à cristal liquide (34) qui est commandée par un générateur d'image (36) pour moduler la lumière transmise à et réfléchie par la valve de lumière à cristal liquide (10) et dans lequel la lumière ayant un premier état de polarisation est réfléchie par la valve de lumière (10) et transmise à travers le diviseur de faisceau polarisant (16) à une lentille de projection (38) pour être projetée sur un écran, et dans lequel une partie de la lumière transmise à la lentille (38) est réfléchie par la surface de la lentille vers l'arrière sur la valve de lumière (34) et ensuite re-réfléchie vers la lentille (38) et diminue ainsi le contraste de l'écran et produit des images parasites visibles, caractérisé en ce qu'il comprend: des moyens pour empêcher la transmission de la lumière réfléchie par la surface de la lentille (38) à ladite valve de lumière à cristal liquide (34), ces moyens comprenant des moyens de commande de la polarisation interposés entre la lentille (38) et le diviseur de faisceau polarisant (16). 2. Système de projection selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de commande de la polarisation comprennent des moyens pour changer la polarisation de la lumière réfléchie par la lentille (38) en un état de polarisation qui provoque la réflexion de la lumière par ledit diviseur de faisceau (16). 3. Système de projection selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de commande de la polarisation comprennent des moyens pour faire tourner la polarisation de la lumière transmise par le diviseur de faisceau polarisant (16) à la lentille (38) et pour faire tourner la polarisation de la lumière réfléchie par la lentille (38) vers le diviseur de faisceau polarisant (16). 4. Système de projection selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de commande de la polarisation comprennent une lame quart d'onde (50) placée entre le diviseur de faisceau polarisant (16) et la lentille (38), ce qui fait que la lumière transmise par le diviseur de faisceau polarisant (16) vers la lentille (38) subit une rotation de polarisation de 450 par la lame quart d'onde (50), et que la lumière réfléchie par la lentille (38) vers le diviseur de faisceau polarisant (16) subit une rotation supplémentaire de polarisation de 450, ce qui fait que la lumière réfléchie par la lentille (38) vers le diviseur de faisceau polarisant (16) est dans un état de polarisation qui provoque la réflexion de la lumière par le diviseur de faisceau polarisant (16). 5. Système de projection selon l'une des revendications 1 à 4, comprenant: une source de lumière (10); une valve de lumière à cristal liquide réfléchissant (34); des moyens de génération d'image (36) pour moduler la lumière transmise à ladite valve de lumière à cristal liquide (34); une lentille de projection (38);; un diviseur de faisceau polarisant (16) interposé entre ladite valve de lumière (34) et ladite lentille de projection (38) et entre ladite valve de lumière (34) et ladite source de lumière (10) pour réfléchir la lumière ayant un premier état de polarisation, venant de ladite source de lumière (10) vers ladite valve de lumière à cristal liquide (34), et pour transmettre la lumière réfléchie par ladite valve de lumière (10) et ayant un second état de polarisation, vers ladite lentille de projection (38), ladite lentille de projection (38) ayant au moins une surface qui réfléchit une partie de la lumière reçue de ladite valve de lumière (34) en retour vers ladite valve de lumière (34); et des moyens interposés entre ledit diviseur de faisceau polarisant (16) et ladite lentille de projection (38) pour bloquer la transmission de la lumière venant de ladite lentille de projection (38) vers ladite valve de lumière à cristal liquide (34). 6. Système de projection selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits moyens de blocage comprennent ledit diviseur de faisceau polarisant (16) et un dispositif de rotation de polarisation interposé entre ledit diviseur de faisceau (16) et la lentille (38). 7. Système de projection selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits moyens de blocage comprennent des moyens pour mettre la lumière, frappant ladite lentille de projection (38) et réfléchie par elle vers ledit diviseur de faisceau polarisant (16), dans un état de polarisation qui provoque la réflexion de cette lumière par ledit diviseur de faisceau (16). 8. Système de projection selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits moyens de blocage comprennent une lame quart d'onde (50) interposée entre ledit diviseur de faisceau polarisant (16) et ladite lentille de projection (38).