Brevet FR2678746A1 — publié le 19930108

SYSTEME DE PROJECTION D'IMAGE A DIRECTIVITE AJUSTABLE La présente invention concerne un système de projection d'une image d'un objet sur un écran de projection, comportant un objectif qui a un grandissement linéaire r et qui détermine la propagation de l'énergie lumineuse de l'objet à l'objectif puis à l'écran pour arriver dans le demi-espace d'observation. Les systèmes de projection sont bien connus, l'optique de projection et l'observateur étant de part et d'autre d'un écran de projection fonctionnant en transmission, lequel est à base de matériaux partiellement diffusants, partiellement transparents; ainsi l'image obtenue sur l'écran de projection est observable à partir de plusieurs positions d'observation et non pas seulement dans la direction de l'axe optique. Toutefois, pour chaque point de l'image projetée, la luminance est maximale dans la direction d'incidence du rayonnement lumineux en provenance de l'objectif; cette direction ne correspond à la direction utile à l'observateur, positionné face au centre de l'écran, que pour le centre de l'image et le système devient difficilement utilisable hors d'une salle à environnement lumineux faible. Pour uniformiser cette direction de la luminance maximale pour tous les points de l'image, on adjoint généralement à l'arrière de l'écran une lentille de champ qui rabat les rayons lumineux avant leur arrivée sur l'écran; cette lentille de champ ne modifie pas l'image pourvu qu'elle soit suffisamment proche de l'écran. Une disposition classique consiste à choisir la distance focale Fch de cette lentille de champ égale à la distance objectif-écran de façon que la direction de luminance maximale soit celle de la normale à l'écran pour tous les points de l'image. Les rayons utilisés par un observateur face à l'écran, à une distance suffisamment grande ayant tous cette direction, la luminance perçue est maximale pour toute l'image. Une deuxième disposition consiste à choisir la distance focale de la lentille de champ telle que l'image P' de la pupille de sortie P de l'objectif soit proche de l'emplacement habituel de l'observateur; la disposition classique précédente est donc un cas particulier de cette deuxième disposition, pour lequel la pupille de sortie P' est à l'infini. L'utilisation de ce type d'écran de projection à lentille de champ intégrée suppose une position ou une direction d'observation fixe. Lorsque l'observateur s'éloigne de la pupille de sortie, la luminance d'une partie ou de la totalité de l'image projetée baisse. Dans le cas où l'objet est une valve optique, la direction d'incidence d'un rayon sur l'écran de projection pour chaque point de l'image projetée est liée à la direction du rayon conjugué sur la valve optique. Lorsque l'incidence moyenne d'éclairement sur la valve optique passe de zéro à a, l'incidence moyenne sur l'image projetée varie de a/r, Ce procédé a plusieurs inconvénients, notamment - il nécessite une forte variation d'incidence sur la valve optique pour avoir une variation notable de directivité, à cause du facteur l/r, - quand la valve optique est un afficheur à cristal liquide, la directivité de l'image projetée est modifiée mais elle est accompagnée d'une modification du contraste et des caractéristiques photocolorimé triques de l'image. La présente invention a pour but de permettre de faire varier la directivité du système de projection et ainsi de pouvoir conserver l'image projetée sans dégradation lorsque la direction d'observation change. Selon la présente invention, un système de projection sur un écran fonctionnant en transmission ou en réflexion est particulièrement remarquable en ce que pour conserver une luminance maximale pour une observation décalée d'un angle a par rapport à la normale à l'écran, le système est pourvu de moyens agencés pour modifier l'incidence de l'axe optique de projection sur l'écran de projection, l'axe optique de projection étant défini par le rayon qui relie le centre de l'objectif au centre de l'écran de projection. Ainsi, la mise au point et le grandissement r au centre de l'image sont conservés. Le défaut de mise au point du reste de l'image est compensé par une rotation d'angle a/(r-l) de l'objectif sur lui-même ou une rotation de a/r de l'objet sur lui-même. Préférentiellement, les moyens pour modifier l'incidence de l'axe optique de projection sur l'écran de projection comprennent un premier et un deuxième miroirs de renvoi situés entre l'objectif et l'écran, l'axe optique se réfléchissant en un point P pour le premier miroir et en un point Q sur le deuxième miroir avant d'arriver en un point I de l'écran. La présente invention est particulièrement remarquable en ce que lesdits moyens sont réalisés par la coopération d'une part d'une rotation dudit premier miroir autour d'un axe passant par P et, d'autre part, d'un déplacement dudit deuxième miroir tel qu'il reste constamment tangent en un point Qa à une ellipse passant par Q et dont les foyers sont les points P et I. On sait que la somme des distances d'un point d'une ellipse à chaque foyer est constante et ainsi la distance du centre de l'image projetée à l'objectif est conservée de façon à ne pas modifier la mise au point et le grandissement du centre de l'image. De plus, on sait que la tangente en un point quelconque d'une ellipse est la bissectrice extérieure de l'angle formé par les deux rayons de l'ellipse allant de ce point aux deux foyers. Ainsi, le rayon lumineux porté par ces deux rayons constitue l'axe optique du système, lequel arrive toujours au centre de l'écran. Ainsi l'invention permet, sans perte de mise au point ou de qualité d'image, d'ajuster la direction de la luminance maximale en fonction de la position du ou des observateurs. La présente invention sera mieux comprise à l'aide d'un exemple non limitatif illustré par des dessins - la figure 1 représente un système de projection connu; - la figure 2 est un schéma de réalisation de principe expliquant 1' invention; - les figures 3 et 4 représentent des systèmes de projection connus; - la figure 5 représente un système compact connu comportant deux miroirs; - la figure 6 représente la réalisation d'un système compact conforme à l'invention. - la figure 7 représente une partie plus détaillée de la figure 6 mais orientée différemment. Sur la figure l, un observateur OBS regarde un objet AB de centre J dont l'énergie lumineuse lui parvient le long de l'axe optique à travers un objectif OBJ de centre O et de grandissement linéaire r, une lentille de champ LCH de distance focale Fch et un écran de projection EPC de centre I fonctionnant en transmission; l'objet AB peut être constitué par un ou plusieurs afficheurs, tels qu'une valve optique ou un écran à cristal liquide, et une électronique de génération d'objet. Si l'observateur s'écarte de la normale à l'écran d'un angle a, il ne profite pas de la luminance maximale. Sur la figure 2, les rayons utiles, issus de l'écran EPC sont ceux qui arrivent à l'oeil de l'observateur. Lorsque l'axe optique de l'objectif de projection OBJ est perpendiculaire à l'écran en son centre I, les rayons utiles issus de chaque point de l'image sont des rayons à luminance maximale qui convergent vers le centre de la pupille de sortie du système de projection. Lorsque l'observateur OBS se déplace verticalement de la position C1 à la position C2, la direction d'émergence du rayon "principal" issu du centre de l'image est inclinée d'un angle a par rapport à la normale à l'écran. Si l'objectif de projection est déplacé de telle façon que la droite reliant le centre I de l'écran EPC au centre de la pupille de sortie soit inclinée de l'angle a, la pupille de sortie du système de projection se déplace symétriquement par rapport au centre de l'écran et il en résulte que l'ensemble des rayons à luminance maximale de l'image projetée tournent d'un angle a par rapport à la normale à l'écran de projection. Cette rotation d'angle a de l'ensemble objectifafficheur autour de l'axe horizontal, parallèle à l'écran et passant par son centre I, a les caractéristiques suivantes (a) elle conserve la position du centre de l'image projetée, c'est-à-dire la mise au point; (b) elle conserve le grandissement transversal r du centre de l'image projetée; (c) le plan de mise au point de l'image tourne d'un angle a autour de l'axe horizontal parallèle à l'écran et passant par son centre I; (d) le grandissement linéaire r n'est pas conservé en dehors du centre de l'image. On peut corriger le défaut correspondant à la caractéristique (c) de deux façons - la première consiste à faire tourner l'afficheur d'un angle a/r autour de l'axe horizontal, parallèle au plan de l'afficheur et passant par son centre J comme le montre la figure 3. Cette figure 3 indique la rotation que doit subir l'objet AB pour que le plan de mise au point de l'image A'B' tourne d'un angle a par rapport à sa direction originelle. - la deuxième consiste à faire tourner l'objectif d'un angle a/(r-l) autour d'un axe horizontal passant par le point situé sur son axe optique et proche du point nodal comme le montre la figure 4. Cette figure 4 indique la rotation que doit subir l'objectif OBJ pour que le plan de mise au point de l'image A'B' de l'objet AB tourne d'un angle a par rapport à sa position originelle. Cette deuxième façon de correction a pour conséquence d'introduire une très faible translation verticale de l'image. En dépit de ces deux corrections, le défaut (d) subsiste, savoir une distorsion dite en "trapèze" qui peut être corrigée "électroniquement" lors de l'inscription de l'image sur l'afficheur. La translation verticale précitée sera éventuellement incluse dans cette correction électronique. Pour réaliser la rotation d'angle a de l'ensemble objectif-afficheur de la figure 2, l'invention propose d'utiliser deux miroirs dont les mouvements sont combinés. Ces deux miroirs sont disposés, suivant un montage connu tel que représenté par la figure 5, de manière à réaliser un système de projection équivalent à celui de la figure 1 mais muni de deux miroirs M1 et M2, par exemple disposés à 450 par rapport à l'axe optique, pour obtenir un système plus compact; l'axe optique se réfléchit en un point P de M1 et en un point Q de M2 avant d'arriver en un point I de l'écran. Dans le système optique de la figure 5, la luminance maximale est obtenue pour un observateur placé suivant la normale à l'écran en son milieu I. Lorsque cet observateur se déplace d'un angle a par rapport à cette normale, l'invention propose de faire tourner le miroir Ml autour d'un axe perpendiculaire au plan de la figure au point P et de déplacer simultanément le miroir M2 suivant une courbe déterminée. Cette courbe déterminée est une ellipse ELI passant par le point Q et dont les foyers sont les points P et I; l'ellipse est représentée partiellement en pointillé avec son grand axe GAX et son petit axe PAX; le déplacement du miroir M2 est tel qu'il reste toujours tangent à l'ellipse ELI en un point Qa déterminé par un rayon de l'ellipse issu de I et incliné d'un angle a sur l'axe optique initial. Les propriétés géométriques de l'ellipse sont telles que d'une part, le rayon IQa se réfléchit sur M2 en passant nécessairement par P, et réciproquement le rayon PQa se réfléchit en passant par I et, d'autre part, la distance (PQa + QaI) est conservée et égale à (PQ + QI) quelle que soit la valeur de l'angle a. On peut observer que la cinématique du mouvement du miroir M2 n'est pas nécessairement telle que le point Qa soit physiquement le même que le point Q; en effet, le miroir M2 peut "rouler", voire "glisser", sur l'ellipse ELI. Similairement au schéma de la figure 4, l'objectif est incliné d'un angle t/(r-1) pour que la mise au point soit conservée pour toute l'image sur l'écran quel que soit le décalage angulaire a de l'observateur. Pour corriger cette mise au point, il est également proposé, conformément à la figure 3, d'incliner l'afficheur d'un angle a/r. Ainsi le système de visualisation en projection selon l'invention décrite, et notamment représentée sur la figure 6, possède une directivité ajustable. Le schéma de la figure 7, qui détaille une partie de la figure 6 mais avec une orientation différente, permet de définir la rotation du miroir M1 et la position du point de tangence Q du miroir M2 sur l'ellipse ELI en fonction de l'angle a de l'observateur OBS par rapport à la normale à l'écran EPC en son centre I. A chaque valeur de l'angle a ne correspondent qu'une valeur d'angle de rotation du miroir M1 et qu'une position du point de tangence Qa du miroir M2 sur l'ellipse ELI. La position angulaire du point Qa est repérée par l'un des deux angles P1, et ss2 que forme respectivement chacun des segments de droite Qa et QaI avec le grand axe GAX de l'ellipse ELI. Quand Qa est en position Q, c'est-à-dire quant a = O, ces deux angles ont pour valeurs respectives P1 et P2 Si l'on pose S = P1 - Pla (1) l'angle de rotation du miroir M1, c'est-à-dire l'angle formé par la position M1 qui réfléchit le rayon OP suivant la direction PQQ et par la position originelle M1 qui réfléchit OP suivant la direction PQ, a donc pour valeur 5/2. Par ailleurs, dans une ellipse, on sait que - la longueur 2a du grand axe GAX de l'ellipse ELI est donnée par 2a = PQ + QI (2) - la distance 2c entre les foyers P et I de l'ellipse est donnée par 2c = PI - la longueur 2b du petit axe PAX de l'ellipse est donnée par a2 = b2 + c2, et - l'excentricité e de l'ellipse est donnée par e = c/a En prenant pour pôle un des foyers et pour axe polaire le grand axe convenablement orienté, l'équation polaire de l'ellipse est donnée par r = p/(l + e.cose) qui relie entre elles les coordonnées polaires r et e de chaque point de l'ellipse, sachant que p = b2/a. En appliquant cette équation polaire au point Qa successivement pour chacun des foyers P et I, on obtient PQ&alpha; = p/(1 - e.cos ss1&alpha;) pour le foyer P, et IQQ = p/(l - e.cos ss2a) pour le foyer Q. Alors la relation (2) peut s'écrire [p/(î - e.cos ss1&alpha;)] + [p/(1 - e.cos ss2&alpha;)] = 2a (3) Sachant que ss2&alpha; = P2 + a (4) la relation (3) permet de calculer la valeur correspondante Pla en fonction de P2 et a et donc de calculer ensuite s par la relation (1). L'angle de rotation du miroir M1 est alors donné par 5/2. La position Qa du miroir M2 sur l'ellipse ELI est repérée, par exemple par l'angle P2a donné par la relation (4). Le procédé de calcul défini ci-dessus permet donc, pour chaque valeur de a, de calculer la position du point Qa sur l'ellipse (angle ss2a) ainsi que la rotation 6/2 du miroir M1. Ces couples (P2a, 6/2) par valeur de a peuvent être enregistrées dans une mémoire MEM (figure 6) où elles sont adressées par les valeurs de a. Chaque valeur d'un couple (P2a, 6/2) est fournie à un organe de manoeuvre ORM2 et ORM1 qui commande respectivement la position du miroir M2 et du miroir M1, commande symbolisée par les flèches FM2 et FMI. Au lieu d'effectuer un pré-enregistrement des couples de valeurs (P2a, 6/2) pour les différentes valeurs de a possibles, les calculs définis ci-dessus peuvent être réalisés en temps réel par un microprocesseur convenablement programmé à cet effet. L'invention a été décrite dans une application à un écran de projection EPC fonctionnant en transmission; cependant, l'invention s'applique également dans le cas d'un écran de projection fonctionnant en réflexion, c'est-à-dire dans le cas où l'observateur OBS serait situé, sur la figure 6, de l'autre côté de l'écran EPC. REVENDICATIONS 1. Système de projection d'une image d'un objet sur un écran de projection EPC fonctionnant en transmission ou en réflexion, comportant un objectif qui a un grandissement linéaire transversal r et qui détermine la propagation de l'énergie lumineuse de l'objet à l'objectif (OBJ) puis à l'écran (EPC) pour arriver dans le demi-espace d'observation, caractérisé en ce que pour conserver une luminance maximale pour une observation décalée d'un angle a par rapport à la normale à l'écran de projection, le système est pourvu de moyens (M1, M2) agencés pour modifier l'incidence de l'axe optique de projection sur l'écran de projection, ledit axe étant défini par le rayon reliant le centre de l'objectif (OBJ) au centre de l'écran de projection (EPC). 2. Système de projection selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens pour modifier l'incidence de l'axe optique de projection comprennent un premier miroir de renvoi (M1) et un deuxième miroir de renvoi (M2) situés entre l'objectif (OBJ) et l'écran (EPC), l'axe optique se réfléchissant en un point P sur le premier miroir (M1) et en un point Q sur le deuxième miroir (M2) avant d'arriver en un point I de l'écran (EPC), caractérisé en ce que lesdits moyens de modification de l'incidence de l'axe optique de projection sont réalisés par la coopération, d'une part, d'une rotation dudit premier miroir (M1) autour d'un axe passant par P et, d'autre part d'un déplacement dudit deuxième miroir (M2) tel qu'il reste constamment tangent en un point Qa à une ellipse (ELI) passant par Q et dont les foyers sont les points P et I. 3. Système de projection selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, des moyens pour faire tourner l'objectif d'un angle cr/(r-l) sur lui-même afin de corriger le défaut de mise au point. 4. Système de projection selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, des moyens pour faire tourner l'objet d'un angle a/r sur lui-même afin de corriger le défaut de mise au point. 5. Système de projection selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'objet est constitué par un ou plusieurs afficheurs. 6. Système de projection selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'afficheur est une valve optique. 7. Système de projection selon la revendication 6 caractérisé en ce que la valve optique est un afficheur à cristal liquide. 8. Système de projection selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, comportant un dispositif électronique de génération d'objet, caractérisé en ce que la déformation de l'image, distorsion en trapèze et/ou faible translation, engendrée par lesdits de modification de l'incidence de l'axe optique de projection sur l'écran de projection, est compensée par le dispositif électronique de génération de l'objet. 9. Système de projection selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, caractérisé en ce que - la position du point Qa sur ltellipse (ELI) est donnée par la position angulaire P2a du rayon IQa par rapport au grand axe de l'ellipse (ELI) telle que P2a = P2 + a (4) avec a, la position angulaire de l'observateur (OBS) par rapport à la normale à l'écran de projection (EPC) et P2 la position angulaire du rayon IQa par rapport au grand axe de l'ellipse (ELI) lorsque l'axe optique est perpendiculaire à l'écran (EPC) - la rotation 5/2 du premier miroir M1 est donnée par la relation 6/2 = (ss1 - ss1&alpha;;)/2 avec Pi, la position angulaire du rayon PQa par rapport au grand axe de l'ellipse ELI lorsque l'axe optique est perpendiculaire à l'écran EPC et la valeur de Pla donnée par la relation [p/(1 - ecos ssla)] + [p/(1 - ecos ss2a)] = 2a (3) - dans laquelle la valeur de P2a est connue (relation 4) - 2a est la longueur du grand axe de l'ellipse (ELI), - 2b est la longueur du petit axe de l'ellipse (ELI) - p = b2/a - c est la distance entre les foyers P et I de l'ellipse (ELI). - e = c/a est 11 excentricité de l'ellipse (ELI) 10. Système de projection selon la revendication 9, caractérisé en ce que les moyens de modification de l'incidence de l'axe optique de projection comprennent - des moyens (MEM) pour connaître les valeurs de ss2 et #/2 pour chaque valeur de a, - des moyens (ORM2) pour déplacer le miroir M2 sur l'ellipse (ELI) de manière que la position polaire du rayon IQa soit égale à P2a - des moyens (ORM1) pour faire tourner le miroir M1 d'un angle 6/2. 11. Système de projection selon la revendication 10, caractérisé en ce que les moyens (MEM) pour connaître les valeurs de ss2 et 5/2 pour chaque valeur de a sont constitués par une mémoire dans laquelle sont enregistrées les couples de valeurs (P2a, #/2) et qui est adressée par la valeur de a. 12. Système de projection selon la revendication 10, caractérisé en ce que les moyens (MEM) pour connaître les valeurs de ss2 et 5/2 pour chaque valeur de a sont constitués par un microprocesseur programmé pour calculer lesdites valeurs conformément aux relations de la revendication 9.