Brevet FR2681952A1 — publié le 19930402

Appareil de projection d'image- La présente invention concerne un appareil de projection d'image pour agrandir des images de petite taille et les projeter sur un grand écran, et en particulier un appareil pour projeter des images produites par des surfaces génératrices d'image présentant de grands rayons de courbure. Dans le domaine de la représentation d'images, on connaît bien les tubes cathodiques, pour la télévision. Pour les tubes cathodiques de télévision du type à vision directe, la limite pratique à la taille de l'écran est de pouces ( 101,6 cm) Au- delà, la luminosité, le contraste et la résolution de l'écran en souffrent De plus, il reste des limites techniques à surmonter pour pouvoir respecter ces exigences (minimas acceptables de luminosité, de contraste et de résolution). Par contre, si l'appareil de projection d'image utilise une optique de projection, on peut surmonter les limites techniques du tube cathodique par des opérations telles que la correction des aberrations de l'optique de projection Des écrans plus grands sont ainsi capables de représenter des images de meilleure qualité Un tel appareil de projection d'image a déjà été appliqué à un téléviseur de projection et à un projecteur vidéo, ainsi qu'à d'autres produits de consommation Dans l'avenir, l'utilisation sera étendue aux périphériques d'ordinateurs, aux systèmes de conférence vidéo, et similaires. D'une manière générale, l'appareil de projection d'image comprend une combinaison de tubes cathodiques de projection et d'éléments optiques pour agrandir et projeter les images produites par les tubes Pour projeter des images en couleurs; on utilise trois tubes cathodiques monochromes, respectivement pour le rouge (R), le vert (G) et le bleu (B) Il existe alors deux types d'appareils, selon la disposition des tubes cathodiques. Le premier type d'appareil est un système à trois tubes et trois optiques Comme le montre la figure 1, ce système est une combinaison de trois tubes cathodiques monochromes 1, 2 et 3 (respectivement R, G et B) et de trois unités optiques LUI, LU 2 et LU 3, dont les axes op- tiques respectifs sont rendus dépendants sur un écran S. Mais ce type d'appareil pose des difficultés de réglage de la netteté et de l'amplitude de l'image représentée sur l'écran. Le second type d'appareil est un système à trois tubes et une optique Comme le montre la figure 2, ce système est une combinaison de trois tubes cathodiques monochromes 1, 2 et 3 (respectivement R, G et B) disposés en T, avec deux réflecteurs dichroïques 4 et 5 disposés en X au point d'intersection des axes optiques des tubes, et d'une seule unité optique L Uo Par rapport au premier système, le contrôle de l'écran est plus aisé et la structure plus simple Le système à trois tubes et une seule optique est donc le plus utilisé Toutefois, si l'on utilise un tube cathodique de 5 pouces, comme les tubes cathodiques sont éloignés de l'unique optique d'environ 130 à 150 mm, il est difficile d'obtenir avec les tubes des surfaces génératrices d'image plates ou quasiment plates, au vu de la correction des aberrations On a donc formé, pour le tube cathodique, une surface génératrice d'image présentant un rayon de courbure inférieur à 200 mm En conséquence, afin de garantir une quantité convenable de lumière périphérique, on a utilisé une optique de diamètre supérieur à 200 mm Afin de simplifier la fabrication des tubes cathodiques utilisés dans l'appareil de projection d'image, il faudrait donc aplatir leur surface génératrice d'image De même, afin de miniaturiser l'appareil, il est souhaitable de rechercher une optique de grande ouverture et de grand angle de vision. a Par ailleurs, les tubes cathodiques -utilisés dans l'appareil de projection d'image sont généralement plus petits que les tubes conventionnels La concentration de faisceaux d'électrons très puissants sur la petite surface génératrice d'image s'accompagne donc d'un échauffement qui, non seulement modifie la luminescence du matériau luminescent de la surface génératrice d'image, mais aussi endommage la surface en verre Il faudrait donc envisager la structure de refroidissement en fonction des caractéristiques thermiques des tubes cathodiques. Les brevets américains n' 4 607 280 et n' 4 151 554 peuvent être pris comme exemples typiques de l'art antérieur pour le système conventionnel à trois tubes cathodiques et une optique Selon le premier document ( 4 607 280), les tubes cathodiques avancent et reculent aisément, et on peut facilement régler l'inclinaison Mais le point faible de cette technologie concerne le refroidissement des tubes Par contre, selon le second document ( 4 151 554), l'efficacité du refroidissement est excellente, car le liquide de refroidissement, maintenu dans une chambre étanche entre les surfaces génératrices d'image des tubes, refroidit directement ces surfaces Mais des bulles d'air sont produites dans le liquide de refroidissement lorsque les tubes cathodiques sont déplacés: les performances optiques sont donc amoindries. De plus, selon le brevet américain n' 4 764 806, l'indice de réfraction du liquide de refroidissement est le même que celui du verre de la surface génératrice d'image du tube cathodique Afin de supprimer les aberrations optiques telles que l'aberration sphérique, l'aberration de coma, etc, on dispose devant la surface génératrice d'image une lentille de sortie plan-convexe, présentant le même rayon de courbure que la surface génératrice d'image. Enfin, selon le brevet américain n' 4 842 934, le rayon de courbure de la surface génératrice d'image du tube cathodique est de 6,3 6,5 pouces L'appareil décrit dans ce document supprime les aberrations optiques au moyen de deux lentilles sphériques et d'une lentille asphérique. Toutefois, la réalisation des tubes cathodiques de ces technologies connues continue à poser des difficultés, étant donné que la suppression des aberrations optiques est basée uniquement sur la conformité avec la surface génératrice d'image de la surface sphérique concave présentant un petit rayon de courbure. De plus, bien que ces appareils n'ont cessé d'être développés afin d'améliorer les performances optiques et d'obtenir une optique de grande ouverture et de grand angle de vision, la plupart d'entre eux nécessitent un grand nombre d'éléments optiques, ce qui augmente le coût de fabrication. La présente invention a donc pour but de fournir un appareil de projection d'image qui permette d'obtenir une grande ouverture et un grand angle de vision avec un petit nombre d'unités optiques présentant un petit rayon effectif, et dans lequel la surface génératrice d'image de chaque tube cathodique puisse être plus plane. La présente invention a également pour but de fournir un appareil de projection d'image dans lequel les tubes cathodiques de petite taille soient efficacement refroidis, tout en pouvant être facilement avancés et reculés et en pouvant effectuer aisément le réglage d'inclinaison, afin de corriger l'aberration chromatique. Afin d'atteindre ces buts, l'invention fournit un appareil de projection d'image comprenant une pluralité de surfaces génératrices d'image, pour produire des images de couleurs respectives différentes, des moyens combinant les images pour combiner les couleurs de ces images de couleurs différentes sur le même axe optique, et un ensemble optique de projection constitué d'une pluralité de lentilles pour projeter des images agrandies en couleurs sur un écran, cet appareil de projection d'image étant caractérisé par le fait qu'il comprend une pluralité de lentilles asphériques, présentant une surface asphérique concave tournée vers le devant de la surface génératrice d'image et disposées chacune entre les moyens combinant les couleurs et une surface génératrice d'image respective, afin de transmettre aux moyens combinant les couleurs les images respectives produites sur les surfaces génératrices d'image respectives de telle sorte que la courbure de champ de ces surfaces est corrigée. Selon un autre aspect de la présente invention, l'appareil de projection d'image précité comprend en outre des moyens de refroidissement constitués chacun d'une chambre de liquide remplie d'un liquide de refroidissement et scellant l'espace inclus entre chaque surface génératrice d'image et la lentille asphérique associée, ces moyens de refroidissement pouvant ainsi être déplacés conjointement avec les surfaces génératrices d'image associées. Selon la présente invention, les lentilles asphériques suppriment l'aberration due à la courbure du champ des images respectives de couleurs différentes produites sur les différentes surfaces génératrices d'image, afin de transmettre ces images aux moyens combinant les images, qui les combinent Les images combinées sont agrandies et projetées par l'ensemble optique de projection Etant donné que les lentilles asphériques corrigent l'aberration due à la courbure du champ, l'ensemble optique de projection corrige uniquement l'aberration de coma Afin d'améliorer la performance axiale, on intercale un fluide présentant un indice de réfraction prédéterminé La correction de l'aberration chromatique est effectuée pour chaque image projetée sur l'écran, en avançant ou reculant les surfaces génératrices d'image conjointement avec les lentilles asphériques associées L'obscurcissement de l'image peut être résolu en réglant l'inclinaison De -plus, on peut régler la netteté en déplaçant l'ensemble optique de projection D'autre part, les moyens de refroidissement refroidissent chaque surface génératrice d'image tout en se déplaçant conjointement avec elle, de sorte que les performances de l'appareil de projection d'image ne sont pas amoindries. Les buts précités, ainsi que d'autres avantages de la présente invention, ressortiront mieux de l'exposé qui suit, qui décrit en détail un mode de réalisation préférentiel de l'invention en référence aux dessins annexés, dans lesquels: la figure 1 est une vue de côté schématique représentant un appareil de projection d'image conventionnel à 3 tubes cathodiques et 3 optiques la figure 2 est une vue de côté schématique représentant un appareil de projection d'image conventionnel à 3 tubes cathodiques et 1 optique; la figure 3 est une vue en plan représentant la structure optique d'un appareil de projection d'image selon la présente invention; et la figure 4 est une vue en plan représentant la structure mécanique d'un appareil de projection d'image selon la présente invention. On va maintenant décrire un mode de réalisation préférentiel de l'invention en référence aux dessins annexés. Dans le mode de réalisation de l'invention qui est représenté sur la figure 3, trois tubes cathodiques monochromes, possédant chacun une surface génératrice d'image 516, sont disposés en T Le tube cathodique central 2 produit une image verte, dont l'axe optique coïncide avec le centre de l'écran frontal (non représenté), et des tubes cathodiques latéraux 1 et 3 produisent respectivement une image rouge et une image bleue, et se font face de telle M sorte que leurs axes optiques se coupent en -un point situé sur Itaxe optique du tube central 2. L'unité combinant les images, destinée à combiner les images rouge, verte et bleue sur le même axe optique, comprend deux réflecteurs dichroïques 4 et 5, disposés en X au point d'intersection des axes optiques des tubes cathodiques 1,2,3, et une chambre de fluide 6 qui reçoit les réflecteurs dichroïques 4 et 5, qui est remplie d'un fluide 7 et dont les quatre côtés sont pourvus de fenêtres Ga, 6 b, Gc et Gd Les réflecteurs dichroïques 4 et 5 transmettent l'image verte produite par le tube cathodique central 2, et les images rouge et bleue produites par les tubes cathodiques latéraux l et 3 sont réfléchies de telle sorte qu'elles sont combinées sur l'axe optique coïncident. Etant donné l'indice de réfraction des réflecteurs dichroïques 4 et 5, on utilise comme fluide 7 remplissant la chambre de fluide 6 une huile minérale possédant un indice de réfraction de 1,4 à 1,5, qui présente des performances optiques excellentes. L'ensemble optique de projection est une combinaison de quatre éléments optiques (comme pour des lentilles de Petzval), afin d'obtenir une grande ouverture et un grand angle de vision, et il possède globalement un pouvoir optique positif Parmi ces quatre éléments, une première lentille L 1 et une troisième lentille L 3 sont des lentilles asphériques en plastique destinées uniquement à corriger l'aberration de coma Les deux autres éléments, à savoir une deuxième lentille L 2 et une quatrième lentille L 4, sont des lentilles sphériques en verre ayant un pouvoir optique. Ici, par rapport à l'axe optique des première et troisième lentilles Li et L 3, le rapport de leurs épaisseurs au centre à leurs épaisseurs sur les bords ne dépasse pas 10 %, pour tenir compte de la variation de la lentille lors du moulage par injection. Dans le présent mode de réalisation de l'invention, une cinquième lentille Ls est disposée entre chaque tube cathodique 1,2,3 et la chambre de fluide 6 de l'unité combinant les images La surface frontale de la cinquième lentille Ls est conçue comme surface asphérique, afin de corriger la courbure de champ de la surface génératrice d'image Si 6 La cinquième lentille Ls est une lentille asphérique en plastique, à pouvoir optique négatif. Dans le présent mode de réalisation, l'unité de refroidissement comprend une chambre 8 pour sceller l'espace inclus entre la cinquième lentille L 5 et la surface frontale de chaque tube cathodique 1,2,3, et du liquide de refroidissement 9 remplissant la chambre 8 Le liquide de refroidissement 9 est incolore et transparent, et ne réfracte pas la lumière. Le Tableau 1 (voir page suivante) reproduit les données optiques lorsque l'appareil de projection d'image du type décrit ci- dessus fonctionne avec une ouverture du diaphragme de 1,2 et une focale de 170 mm. Sur ce tableau, le symbole Si (i= 1, 2,) représente le numéro de surface de chaque élément arrangé par l'écran, Ri est le rayon de courbure de la i-ème surface, Di est la distance entre les centres de la i-ème et de la (i+ 1)-ème surfaces, Ni est l'indice de réfraction de la i-ème surface et Ape est le rayon effectif de chaque lentille. De plus, ASP indique que la surface correspondante est asphérique et satisfait aux équations suivantes: X p* À +ap 4 +bp 6 +cp 8 + dplo 1 + /lp 2-y 2 et p 2 y 2 ++X 2 o X est un point sur l'axe optique, y est le rayon de la surface sphérique de référence, O est la -lhauteur par rapport a l'axe optique, et a, b, c et d sont des coefficients des surfaces asphériques respectives Pour chaque surface asphérique, ces coefficients prennent les valeurs indiquées au Tableau 2 (voir page suivante). Tableau 1 si Ri Di Ni 1 (ASP) 2 (ASP) 4 (ASP) 6 (ASP) 10 il 13 (ASP) 806,2 132,8 231,3 -1072,3 303,2 -153,8 -139,0 -135,0 -350,0 ,00 22,06 17,11 7,00 ,00 12,00 32,20 4,50 3,00 ,00 3,00 3,00 ,OO ,00 o O oo 1,491 air 1,517 air 1,491 air 1,517 air 1)517 1 > 475 1,517 air 1,491 1,458 1,540 ,0, lère Lentille 69,0 ' ,0 2 ème Lentille 7470- 74,0 l 3 ème Lentille )0 J ,0 4 ème Lentille 69,4 - ,7 fenêtre 6017 -qréflecteur 650 -1 dichroique ,4 fenêtre 66,5 -q 5 ème Lentille 67,5 l Tube cathodique _ 2 Tablec u 2 Si a b c d 1 -0, 309168 X 106 0,319570 x 10-'0 O 0205080 x 10-3 -0,263016 X 1017 2 - 07265400 x 10 ' 0619572 X 10-' 0,195030 X 10-13 -01243990 x 10-17 0,332734 x 10 01110914 x 10-9 -0,161599 x 10-13 0,940881 x 10- 18 6 0,458155 x 10 ' 0, 840324 x 10-l -0,946758 X 10-14 0, 576729 x 10-8 13 -0,255757 x 10-6 0,194427 X 10- 0,830237 X 10-14 -0,109103 x 10-17 On va maintenant s'intéresser à la fiagure 4, qui représente la structure détaillée de l'appareil de projection d'image selon la présente invention. Selon la figure 4, trois tubes cathodiques monochromes 1,2,3 et trois cinquièmes lentilles L 5 sont scellés, et une chambre de liquide associée 8, remplie d'un liquide de refroidissement 9, communique avec un puits thermique 10 qui entoure les tubes cathodiques 1, 2 et 3 Le puits thermique 10 est constitué d'un matériau de grande capacité thermique, et il est étanché par un joint annulaire en caoutchouc 11 afin d'empêcher des fuites de liquide de refroidissement 9 Le puits thermique 10 est soutenu par un support mobile 13 qui, sur une base 12, peut être déplacé à la fois dans la direction optique et dans la direction perpendiculaire, et qui peut être incliné vers le haut ou le bas ainsi que vers la gauche ou la droite (voir le brevet américain no 4 151 554). Les première à quatrième lentilles Li, L 2, L 3 et L 4 de l'optique de projection sont montées sur un support d'optique 14 Ce support d'optique 14 est monté à rotation dans un guide de support 15 qui est fixé sur une base 12; dans le même temps, il est assemblé à un axe de guidage 17 qui est introduit dans une fine ouverture de came 16 percée en oblique dans le guide de support 15, afin de permettre le déplacement du support en avant ou en arrière dans la direction optique, par suite de la rotation dudit support d'optique 14. Plus en détail, les trois tubes cathodiques monochromes 1, 2 et 3 peuvent se déplacer en avant ou en arrière et vers le gauche ou la droite, et ils peuvent être inclinés par le support mobile 13 conjointement avec chaque cinquième lentille L 5 et la chambre de liquide 8, remplie de liquide de refroidissement 9 Le support 14 de l'optique de projection est déplacé dans la direction optique à l'aide du guide de support 15. il Dans le mode de réalisation décrit ci-dessus, l'aberration, causée par la courbure de champ, de chaque image rouge, verte ou bleue formée par les tubes cathodiques respectifs est supprimée au moyen de chaque cinquième lentille L 5, puis ces images sont transmises aux réflecteurs dichroïques 4 et 5 qui se trouvent dans la boîte de fluide 6, et elles sont donc combinées par ces réflecteurs dichroiques 4 et 5 Le fluide 7, qui possède un indice de réfraction similaire à celui des réflecteurs dichroïques 4 et 5, améliore alors la performance axiale de l'image combinée Dans l'ensemble optique de projection, les première et troisième lentilles Li et L 3 corrigent l'aberration de coma, et les deuxième et quatrième lentilles L 2 et L 4 agrandissent puis projettent l'image par leur pouvoir optique En ce qui concerne les images projetées sur l'écran, l'aberration chromatique est corri- gée par le déplacement vers l'avant ou vers l'arrière des tubes cathodiques respectifs, et le problème d'obscurcissement de l'image est résolu en réglant l'inclinaison des tubes De plus, la netteté de l'image est réglée en déplaçant le support d'optique 14. Selon le mode de réalisation décrit ci-dessus, le rayon de courbure de la surface génératrice d'image du tube cathodique est -350 mm, soit plus que celui d'une surface génératrice d'image concave du système optique conventionnel De plus, les diamètres effectifs des len- tilles de projection sont inférieurs à 150 mm, ce qui permet d'obtenir une grande ouverture et un grand angle de vision Dans la pratique, lorsqu'on projette des images en utilisant un tube cathodique de 6 pouces, les images présentent une résolution supérieure à celle qui peut être obtenue avec un millier de postes de télévision de 80 à 1420 pouces de large Dans le même temps, la distance entre la première lentille et l'écran est de 2,2 à 3,25 m. Selon la présente invention, la cinquième lentille corrige l'aberration due à la courbure de; champ de la surface génératrice d'image, qui possède un relativement grand rayon de courbure En concevant d'une manière appropriée la surface asphérique de la cinquième lentille, on peut donc élargir le rayon de courbure de la surface génératrice d'image et quasiment l'aplatir, ce qui simplifie la fabrication d'un tube cathodique de petite taille qui forme des images sur la surface génératrice d'image De plus, les autres lentilles qui agrandissent et projettent les images doivent uniquement corriger l'aberration de coma, de sorte qu'on peut miniaturiser l'appareil en diminuant le nombre requis de lentilles et en réalisant une grande ouverture avec un petit diamètre effectif et un grand angle de vision. De plus, selon la présente invention, comme le liquide de refroidissement qui se trouve dans la chambre de refroidissement est en contact direct avec la plaque frontale de verre, l'efficacité du refroidissement est élevée En outre, même si des tubes cathodiques respectifs sont déplacés pour corriger l'aberration chromatique, etc, il n'y a pas de production de bulles dans le liquide de refroidissement, et donc pas de diminution des performances optiques, telles qu'un obscurcissement de l'image au cours du réglage du déplacement des tubes cathodiques. REVENDICATIONS 1 Appareil de projection d'image, comprenant une pluralité de surfaces ( 516) génératrices d'image pour produire des images de couleurs respectives différentes, des moyens combinant les images pour combiner les couleurs de ces images de couleurs différentes sur le même axe optique, et un ensemble optique de projection constitué d'une pluralité de lentilles pour projeter des images agrandies en couleurs sur un écran, caractérisé en ce qu'il comprend des lentilles (L 5), présentant une surface asphérique concave ( 513) et disposées chacune entre les moyens combinant les images et une surface génératrice d'image respective ( 516), afin de transmettre aux moyens combinant les images les images respectives produites par les surfaces génératrices d'image respectives ( 516) de telle sorte que la courbure de champ de ces surfaces est corrigée par ces lentilles, tandis que l'aberration de coma est corrigée par l'ensemble optique de projection. 2 Appareil de projection d'image selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble optique de projection est constitué de deux lentilles sphériques (L 2 et L 4 > à pouvoir optique positif et de deux lentilles asphériques (Li et L 3) sans pouvoir optique, destinées uniquement à corriger l'aberration de coma. 3 Appareil de projection d'image selon la revendication 2, caractérisé en ce que les deux lentilles asphériques (Li et L 3) sont réalisées en plastique moulé de telle sorte que le rapport entre les épaisseurs centrale et périphérique sur l'axe optique ne dépasse pas 10 %, afin d'éviter toute déformation lors du moulage par injection. 4 Appareil de projection d'image selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la surface asphérique des lentilles asphériques satisfait aux équations suivantes: Xp 2 41 8 1 X _ +ap 4 +bp 6 + cp 8 +dpo 1 + 1 _p 2 Y 2 et p 2 Y 2 +X 2 o X est un point sur l'axe optique, y est le rayon de la surface sphérique de référence, p est la hauteur par rapport à l'axe optique, et a, b, c et d sont des coefficients de surfaces asphériques. Appareil de projection d'image selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de refroidissement constitués chacun d'une chambre de liquide ( 8) remplie d'un liquide de refroidissement ( 9) et scellant l'espace inclus entre chaque surface génératrice d'image ( 516) et la lentille associée (Ls), ces moyens de refroidissement pouvant être déplacés conjointement avec les surfaces génératrices d'image respectives. 6 Appareil de projection d'image selon la revendication 5, caractérisé en ce que chaque moyen de refroidissement est porté par un support ( 13) qui est capable d'inclinaison et de déplacements en avant ou en arrière ainsi que vers la gauche ou la droite. 7 Appareil de projection d'image selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble optique de projection est porté par un support d'optique ( 14), qui possède une fine ouverture de came ( 16) afin d'être porté à rotation par un guide de support ( 15), et un axe de guidage ( 17) inséré dans la fine ouverture de came, de sorte que le déplacement vers l'avant ou vers l'arrière de l'ensemble optique de projection est activé par la rotation du support d'optique. 8 Appareil de projection d'image selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens combinant les images comprennent au moins un réflecteur dichroïque ( 4, 5) et une chambre de fluide ( 6), dans laquelle se trouve ce réflecteur et qui possède des fenêtres sur ses quatre côtés et est remplie d'un fluide transparent ( 7). 9 Appareil de projection d'image selon la revendication 8, caractérisé en ce que le fluide ( 7) possède un indice de réfraction de 1,4 à 1,5 afin d'améliorer la performance axiale.