Brevet FR2679049A1 — publié le 19930115

SYSTEME DE VISUALISATION COULEURS L'invention concerne un système de visualisation couleurs. Elle est applicable notamment aux systèmes de visualisations à valves électrooptique telles que les valves à cristaux liquides. Les écrans de visualisation à cristaux liquides (LCD) utilisent des sources d'éclairage comportant les trois gammes de longueurs d'ondes rouge, vert et bleu (R V B) correspondant aux trois primaires colorés de l'image En vision directe (figure 1), le codage des couleurs se fait par des filtres colorés, chacun d'eux absorbant deux des primaires sur les trois Le rendement optique associé à ce codage est d'environ % En projection (figure 2) la séparation des couleurs est effectuée par des miroirs dichroiques et l'essentiel des pertes optiques est dû au nombre élevé d'interfaces, ce qui conduit à un rendement global d'environ 60 %. L'invention concerne un système permettant de palier cet inconvénient. L'invention concerne donc un système de visualisation couleurs comprenant une source lumineuse émettant un faisceau lumineux d'une première longueur d'onde déterminée, au moins un ensemble de visualisation d'au moins une première et une deuxième valves optiques commandables recevant le faisceau lumineux et retransmettant chacune un faisceau modulé, caractérisé en ce qu'il comporte, associés respectivement à la première et à la deuxième valve optique, un premier et un deuxième éléments luminophores recevant le faisceau lumineux de la première longueur d'onde et transmettant en échange des faisceaux lumineux respectivement d'une deuxième et d'une troisième longueurs d'ondes. Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre et dans les figures annexées qui représentent: les figures 1 et 2, des dispositifs connus dans la technique et déjà décrits; la figure 3, un exemple général de réalisation du dispositif selon l'invention; les figures 4 et 5, des exemples de réalisation plus précis du dispositif selon l'invention; la figure 6, un dispositif de l'invention appliqué à la projection ou la rétroprojection; les figures 7 et 8, des dispositifs selon l'invention fonctionnant par additions de photons; la figure 9, un exemple de réalisation détaillé du dispositif selon l'invention; la figure 10, un dispositif de l'invention utilisant un séparateur trichrome. Selon l'exemple de réalisation générale représenté en figure 3, le dispositif de l'invention comporte au moins trois valves optiques VB' VV' VR trois valves optiques permettent de moduler chacune une partie d'un faisceau FI A chaque valve optique est associé un élément luminophore LB LVY LR recevant la partie de faisceau modulée par la valve associée Le faisceau F 1 transmis aux valves optiques possède une longue d'onde 7 1 comprise dans une gamme déterminée Chaque élément luminophore LBI LV, LR est choisi de telle façon que, recevant une partie du faisceau F 1 à la longueur d'onde X 1 ' il émette un faisceau FB, Fv, FR à une longueur d'onde caractéristique Les trois luminophores LBI LVY LR sont choisis de façon à représenter les trois chrominances de base C'est ainsi que le luminophore LB émet à une longueur d'onde A B correspondant au bleu, le luminophore LV émet à une longueur d'onde À V correspondant au vert et le luminophore LR émet à une longueur d'onde À R correspondant au rouge. L'association de trois valves et de trois éléments luminophores constitue un ensemble qui permet de réaliser ainsi un élément image d'affichage couleurs Plusieurs ensembles ainsi conçus permet ainsi de visualiser une image en couleurs. Chaque valve optique est commandée par un signal vidéo en vue de moduler une couleur déterminée C'est ainsi que la valve VB est commandée par un signal vidéo correspondant au bleu, la valve VV par un signal vidéo correspondant au vert et la valve Vp par un signal vidéo correspondant au rouge. Selon un exemple de réalisation, ces valves sont commandés électriquement et les signaux vidéos sont des signaux électriques Par exemple, ces valves peuvent être des valves à cristal liquide. Selon un exemple de réalisation plus détaillé, le faisceau Fl possède une longueur d'onde comprise dans l'ultra-violet La figure 4 représente un tel exemple de réalisation Une source 5 d'éclairage ultraviolet émettant à une longueur d'onde à X = 147 nm (Xenon) ou X = 253 nm (mercure), c'est-à-dire celle utilisée en plasma couleur ou en éclairage fluorescent Chaque valve VB, VV, VR, module le faisceau 1, la première à l'aide d'un signal vidéo B, la seconde à l'aide d'un signal vidéo V et la troisième à l'aide d'un signal vidéo R Chaque valve comporte, côté spectateur, un élément photoluminescent qui convertit le faisceau l en l'une des longueurs d'ondes primaires L'avantage d'une telle disposition est double: il n'y a pas de pertes optiques par absorption comme dans le cas des filtres colorés; le dispositif d'affichage possède un grand angle de vue, et présente les caractéristiques d'un écran émissif, du type plasma couleur et tube cathodique. On notera qu'un tel principe peut être utilisé aussi bien en vision directe, (la matrice de photophores et disposée à l'avant de valves à cristaux liquides) qu'en projection (la matrice des photophores est disposée sur un écran après agrandissement des images). Selon des variantes de réalisation selon l'invention le faisceau Fl n'est pas un faisceau UV mais un faisceau à l'une des trois longueurs d'ondes des faisceaux FBI FV 1 ou F Cette disposition permet de s'affranchir des inconvénients éventuels liés à l'utilisation d'un rayonnement UV tels que: la transparence aux UV des valves optiques de leur substrat et des optiques; les risques de dégradation des cristaux liquides par les UV; la nécessité de propagation du rayonnement UV en atmosphère inerte (risque d'ionisation). Selon une première variante la source S émet à une longueur d'onde comprise dans la gamme de longueur d'onde du bleu. La source lumineuse S est donc une source bleue, de caractéristiques spectrales correspondant à la primaire B, c'est-à-dire centrée à environ X B = 470 nm En supposant un rendement quantique de 1, le rendement de conversion de l'UV au bleu est à UV = 253 -_ 470 5 % (mercure) O àB 47 En pratique, le rendement quantique Ti q est entre 0,6 et 0,9 selon les photophores, de sorte rendement de conversion (interne UV vers le bleu est 0,3 En principe aussi, les conversions bleu- bleu-rouge, s'effectuent avec des rendements éga rapports de longueurs d'onde compris que le vert et ux aux àB AB Àv i; Ces rendements doivent être pondérés par les rendements quantiques Tiq; N,q eux aussi compris entre 0,6 et 0,9. Il en résulte que pour un blanc tel que blanc = 0, 1 bleu + 0,7 vert + 0, 2 rouge et X v = 550 nm, ÀR = 620 nm le rendement de conversion est, de l'UV au blanc (en double conversion) = 71 q 10, 1 + 0, 7 + 0, 2 A q B À O +v *lq À Si le blanc avait été obtenu directement, sans passer par le bleu: À = 0, 1 -Oq -v + 0, 7 q En choisissant 'q = q' =nq On obtient = 0,23 et y O Le rendement en double version, via un photophore bleu, est acceptable, bien qu'inférieur à celui d'une conversion simple. Le schéma d'un tel écran en vue directe est représenté sur la figure 5: la valve "bleu" du pixel module le flux de la lampe bleue; la valve rouge et la valve verte sont munies, en face avant, des photoluminescents qui effectuent la conversion bleue vers rouge et bleu vers vert Il n'y a pas à craindre de dégradation du cristal liquide sous l'effet du rayonnement bleu, et les substrats du cristal liquide ne sont pas nécessairement du quartz. En projection ou en rétroprojection, selon la figure 6, les trois images correspondant respectivement aux signaux vidéo rouge, vert, bleu, obtenues à partir d'une valve triple ou de 3 valves sont obtenues par modulation d'une source bleue. Ces trois images sont projetées sur l'écran du rétroprojecteur ER Chaque pixel de l'écran comprend une zone transparente TR au bleu, une zone avec un phosphore rouge PHR et une zone avec une phosphore vert PHV. Selon une deuxième variante, la source monochromatique S peut être celle correspondant à la primaire verte (figure 7). Les trois valves du pixel coloré sont telles que la valve "verte" module le flux transmis, directement visible pour l'observateur; la valve "rouge" est munie en face avant d'un photoluminescent qui effectue la conversion du vert vers le rouge; la valve "bleue" est munie en face avant d'un phosphore particulier, effectuant la conversion du vert vers le bleu par le procédé dit d'addition de photons En effet, l'énergie d'un photon bleu étant supérieure à celle d'un photon vert, il faut deux photons verts pour créer un photon bleu: la limite de conversion, c'est-à-dire l'obtention du rendement quantique unité se produit lorsque la longueur d'onde 'bleue" est moitié de la longueur d'onde "verte" Dans le cas de conversion 550 > 470 nm, le rendement maximum de conversion est: 1 550 2 470 = 58 % Selon une troisième variante de réalisation,la source monochromatique S peut être celle correspondant à la primaire rouge (figure 8) Les trois valves du pixel coloré sont telles que: la valve "rouge" module le flux transmis, directement visible pour l'observateur; les valves "verte" et "bleue" sont munies respectivement en face avant de phosphores à addition de photons, effectuant les conversion rouge-vert et rouge-bleu Les rendements théoriques de ces conversions sont respectivement R 4 V: i 620 = 56 % 2 550 RB i 620 = 6 2 470 66 Ces deux variantes avec une source verte ou rouge sont applicables en vision directe comme en projection. A titre d'exemple, de façon plus détaillée le dispositif peut comprendre comme cela est représenté en figure 9: une lampe UV munie d'un phosphore pour l'émission dans le bleu; un modulateur spatial de lumière CL, fonctionnant dans le bleu par effet électrooptique dans les cristaux liquides nématiques; un écran RV muni de phosphores assurant la conversion de lumière bleu rouge et bleu vert. Chaque élément image rouge et vert est placé en coïncidence avec une valve de modulation de lumière Les phosphores rouges et verts sont ainsi mis en place des filtres colorés habituellement utilisés dans la technologie des écrans cristal liquide trichromes. Le schéma de la figure 10 utilise trois valves monochromes VR, Vvt VB, les deux valves VV et VB étant munies d'un phosphore La recombinaison des images dans une direction unique est obtenue par l'intermédiaire de séparateurs dichroiques SD. Sur les figures 9 et 10 il est prévu en outre des polariseurs P 1, P 2 pour la visualisation de la modulation spatiale de biréfringence dans la cellule cristal liquide. Les séparateurs trichromes peuvent être réalisés à l'aide d'un cube constitué de prismes élémentaires comportant sur deux faces des traitements diélectriques appropriés du type basse bande et fonctionnant sous incidence 45 Par exemple sur la figure 10 on a prévu que la face STR a un coefficient maximum pour le rouge et la face STV a un coefficient maximum pour le vert sans altération de la composante spectrale B Ces composants existent commercialement. Les matériaux luminophores utilisés selon l'invention peuvent être réalisés à l'aide de polymères (par exemple PMMA) dopés avec des colorants fluorescents qui réémettent la lumière absorbée avec un décalage spectral caractéristique du colorant utilisé comme celle est connu dans la technique. A titre d'exemple, les matériaux luminophores utilisés pourront être: Y 2 02 S dopé europium pour le rouge Zn Cd S dopé cuivre pour le vert Zn S dopé agent pour le bleu ou encore: Y 203 dopé europium pour le rouge Ce Tb A 1203 dopé Mg pour le vert Ba Mg 2 A 116027 dopé europium pour le bleu REVENDICATIONS 1 Système de visualisation couleurs comprenant une source lumineuse émettant un faisceau lumineux d'une première longueur d'onde déterminée, au moins d'un ensemble de visualisation d'au moins une première et une deuxième valves optiques commandables recevant le faisceau lumineux et retransmettant chacune un faisceau modulé, caractérisé en ce qu'il comporte, associés respectivement à la première et à la deuxième valves optiques, un premier et un deuxième éléments luminophores recevant le faisceau lumineux de la première longueur d'onde et transmettant en échange des faisceaux lumineux respectivement d'une deuxième et d'une troisième longueurs d'ondes. 2 Système de visualisation selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble de visualisation comporte trois valves optiques, l'élément luminophore associé à la première valve optique émettant dans une gamme de longueurs d'ondes correspondant sensiblement au rouge, l'élément luminophore associé à la deuxième valve optique émettant dans une gamme de longueurs d'ondes correspondant au bleu, l'élément luminophore associé à une troisième valve optique émettant dans une gamme de longueur d'ondes correspondant au vert. 3 Système de visualisation selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première longueur d'onde est une longueur d'onde ultra-violette. 4 Système de visualisation selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première longueur d'onde est égale à la deuxième longueur d'onde. Système de visualisation selon la revendication 4, caractérisé en ce que la deuxième valve optique ne comporte pas d'élément luminophore associé. 6 Système de visualisation selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'un dispositif changeur de fréquence reçoit le faisceau à la première longueur d'onde et émet un faisceau à la deuxième longueur d'onde. 7 Système de visualisation selon la revendication 1, caractérisé en ce que les valves optiques d'un ensemble sont juxtaposées et que les éléments luminophores sont également juxtaposés. 8 Système de visualisation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier et le deuxième luminophores émettent des faisceaux lumineux dirigés selon une première et une deuxième direction concourentes.