Brevet FR2722319A1 — publié le 19960112

DISPOSITIF DE VISUALISATION COULEURS L'invention conceme un dispositif de visualisation couleurs et plus particulièrement un dispositif de visualisation couleurs à cristaux liquides. Pour générer des images vidéo de grandes dimensions, on s'oriente actuellement vers l'utilisation de matrices actives à cristaux liquides (LCD) dans des dispositifs de projection. La projection d'images couleurs est réalisable soit à partir de 3 matrices actives, chacune éclairée par l'une des composantes primaires rouge1 verte ou bleue (R, V, B) soit à partir d'une seule matrice active trichrome, munie dans ce cas de filtres colorés. L'intégration de filtres colorés R, V, B dans la structure de l'écran (LCD) permet de réaliser des dispositifs de projection d'images couleur de conception simple : projecteur monovavle puisqu'ils sont constitués dune source et d'un seul écran LCD. Cependant, la présence de ces filtres colorés conduit à un faible rendement lumineux lié à l'absorption et à la répartition spatiale de ces filtres colorés qui divise par 3 la transmission effective de l'écran LCD. Le coût d'un tel écran reste également élevé, puisqu'il est nécessaire de mettre en oeuvre des niveaux de masquage supplémentaires pour obtenir ces filtres colorés et de chercher à densifier les éléments images (pixels) nécessaires dans le cas d'un écran couleur (par rapport à un écran monochrome) si l'on souhaite réaliser ces demiers dans des dimensions raisonnables (diagonale inférieure à 6 pouces). Pour pallier ces inconvénients, il est envisagé des écrans de visualisation dans lesquels les filtres colorés sont remplacés par un réseau diffractant, capable à partir d'une source blanche unique, de disperser dans trois directions différentes les faisceaux chromatiques rouge, vert, bleu (R, V, B). A l'aide de réseaux de lentilles permettant de focaliser la lumière de chaque gamme chromatique sensiblement sur un pixel de l'écran, il devient ainsi possible de réaliser un écran trichrome sans filtres colorés, compatible avec la projection monovalve. Chaque lentille est en correspondance avec un dot, représentatif d'un triplet de sous-pixels (R, V, B). La figure 1 illustre un dispositif de visualisation selon cet art connu. Une source (S) dune certaine étendue génère une lumière blanche comprenant les composantes chromatiques (R, V, B). L'ensemble de ces composantes est envoyé via un collimateur sur le réseau dispersif (RC) qui génère alors des faisceaux de direction différente (R, V, B). Un réseau de lentilles (MLC) permet de focaliser ces faisceaux sur des pixels de la matrice active (LCD). Les taches (SR, SV, SB) sont représentatives des images rouge, verte et bleue de la source (S) dans les différents pixels qui permettent ainsi de concentrer tout le flux lumineux issu de la source (S) dans la matrice active. En sortie de la matrice, une lentille de champ (L) permet de faire converger l'ensemble des faisceaux colorés dans une optique de projection (OP). Cependant la dispersion chromatique utilisée dans ce type de dispositif génère un étalement horizontal des faisceaux, qui nécessite alors une ouverture accrue de l'optique de projection dans le sens horizontal alors que l'ouverture verticale de cette optique n'est pas exploitée. La figure 2 illustre cette dispersion. Pour une lentille dont la section présente des dimensions hL et eL, si p représente le pas séparant deux centres de sous-pixels on obtient un étalement horizontal de p de chaque côté de l'image de la lentille. Afin d'utiliser au mieux l'ouverture classiquement circulaire des objectifs de projection, I'invention propose un dispositif de visualisation permettant de résoudre au mieux ce problème d'inadéquation de l'utilisation d'un réseau chromatique dispersif couplé à un ensemble de triplets de souspixels avec la géométrie des optiques de projection. Plus précisément, I'invention a pour objet un dispositif de visualisation couleurs comprenant une source de lumière (S) émettant simultanément plusieurs gammes de composantes chromatiques (R, V, B) et un modulateur spatial de lumière (LCD) comprenant un ensemble de triplets de sous-pixels alignés selon un axe x, chaque triplet ayant une dimension spx selon cet axe x, chaque sous-pixel correspondant à une composante chromatique à afficher, caractérisé en ce qu'il comporte également entre la source de lumière (S) et le modulateur spatial de lumière (LCD); - au moins un séparateur chromatique (RC) séparant angulairement selon des directions différentes, la lumière des différentes gammes chromatiques (R, V, B); - un réseau de lentilles sphériques (MLC) permettant de focaliser la lumière de chaque gamme chromatique, sensiblement sur un sous-pixel, ledit réseau de lentilles ayant des dimensions sensiblement égales à celles du modulateur spatial de lumière et chaque lentille ayant une section définie par les dimensions Px et Py si ly est la dimension selon un axe y perpendiculaire à raxe x, les axes x et y correspondant aux axes du plan (Px, Py) défini par le modulateur spatial de lumière, ladite section ayant la même surface que celle d'un triplet mais dont la dimension Ix selon l'axe x est plus faible que la dimension 3sPx. Dans le dispositif selon l'invention, le modulateur de lumière peut avantageusement être un écran à cristal liquide. Le réseau de lentilles sphériques (MLC) peut être accolé au modulateur spatial de lumière (LCD). L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et des figures annexées parmi lesquelles: - la figure 1 illustre un exemple de dispositif de visualisation selon l'art connu, utilisant un réseau diffractant; - la figure 2 schématise l'étalement des faisceaux lumineux, au niveau d'une optique de projection dans un dispositif de visualisation tel que celui illustré en figure 1; - les figures 3a et 3b illustrent des exemples de dispositions des éléments images d'un écran à cristal liquide; - la figure 4 schématise la superposition d'un réseau de lentilles sur une structure en "DELTA" dans un exemple de dispositif de visualisation selon l'invention; - la figure 5 illustre la superposition des images d'une lentille réalisées par l'illumination des trois faisceaux rouge, vert, bleu dans un exemple de dispositif selon l'invention. On rappelle que dans les dispositifs de visualisation utilisant une matrice active (LCD), un ensemble de trois sous-pixels (R, V, B) permet de définir un pixel blanc (D), cet ensemble est généralement appelé dot. Les figures 3a et 3b donnent ainsi des exemples de répartitions de couleurs dans un dot. La figure 3a représente une disposition selon laquelle les pixels d'une même couleur sont alignés selon une direction verticale (configuration en "stripe"). La figure 3b représente une disposition selon laquelle les pixels d'une même couleur sont alignés selon une direction inclinée mais ne se touchent pas. Dans cette configuration encore appelée structure en "DELTA", les triplets élémentaires sont distribués en quinconce et deux lignes sont utilisées pour définir une série de points blancs contrairement à la configuration décrite en figure 3a dans laquelle une ligne correspond à une série de points blancs. Cette configuration en "DELTA" est particulièrement intéressante dans la mesure où elle permet d'utiliser pour une même surface de matrice active, N/2 points blancs, si N est le nombre de points blancs utilisés dans une configuration type "stripe", pour obtenir la même résolution image comme l'illustre la comparaison entre les figures 3a et 3b. De plus, la structure dite en "DELTA" conduit à des sous-pixels élémentaires de géométrie mieux adaptée à celle de l'image circulaire de la source. En effet pour obtenir la même résolution spatiale en ligne et en colonne, un pixel en "stripe" doit être carré, de côté ps. Ceci implique des dimensions de pixels élémentaires ps et ps/3. Dans la structure en "DELTA" telle que représentée en figure 3b, la fréquence spatiale en colonne identique à celle correspondant à une structure en "stripe", correspond à une dimension h de sous-pixel élémentaire alors que la fréquence spatiale en ligne correspond à I (I 2 autre dimension du sous-pixel). II apparatt alors que la surface élémentaire d'un sous-pixel en "stripe" est égale à ps x ps/3, alors qu'en structure 3 "DELTA" cette surface élémentaire hxl=psx ps. Dans cette dernière structure, on dispose de sous-pixels élémentaires de plus grande surface et surtout mieux adaptés à la géométrie circulaire de l'image de la source que l'on cherche à focaliser dans chaque sous-pixel élémentaire. Le principe général de fonctionnement du dispositif selon l'invention peut être décrit précisément à partir de la figure 1. La fonction du séparateur (RC) est de séparer angulairement les trois composantes spectrales de la source (S) d'éclairage collimaté. Les trois bandes spectrales sont ensuite focalisées suivant trois axes dans le plan focal de chaque lentille. Dans l'exemple schématisé en figure 1, le faisceau (V) de couleur verte est normal au plan focal des lentilles (MLC) et les faisceaux (R) rouge et (B) bleu sont symétriques par rapport à cette normale et font un angle d'incidence Oi. Par conséquent, en adaptant d'une part l'angle d'incidence ei de chaque composante spectrale sur les lentilles sphériques et d'autre part la focale f de ces lentilles on peut réaliser simultanément: - la focalisation successive de chaque couleur dans le plan de la matrice active (LCD) et centrée sur chaque ligne de sous-pixels adressée par la meme couleur. Les caractéristiques (#i, f) du dispositif dépendent de la taille de la matrice active (LCD), du nombre de pixels et de la répartition des sous-pixels dans un dot; - un gain sur le taux de transmission de la matrice (LCD); lorsque la bande colorée focalisée à une dimension inférieure à celle du sous-pixel élémentaire. La valeur de ce gain dépend des paramètres suivants, I'ouverture de la lentille sphérique, I'étendue géométrique de la source d'éclairage (Es) et la taille de la matrice (LCD) caractérisée par sa diagonale (D). La fonction de séparateur (RC) peut avantageusement astre assurée par un réseau diffractif dont le pas est perpendiculaire à la direction d'alignement des sous-pixels R, V, B. On propose ici un exemple de réalisation du dispositif adapté à une taille d'écran LCD possédant des sous-pixels R, V, B répartis en triade. Les caractéristiques de l'écran LCD sont les suivantes: - un format 16/9, une diagonale de 4 pouces1 une image définie par 480 lignes et 640 colonnes, pour une cellule de 80 x 60 mmi et des 250 sous-pixels élémentaires de 125 x m si les dimensions de trois sous- 3 pixels R, V, B sont 125 x 125 m. Selon les technologies classiques LCD, la 3 largeur de trait nécessaire à l'adressage des pixels est voisin de 15 pm (trait qui masque une partie du pixel transparent); - le réseau de microlentilles peut être réalisé directement sur l'une des contre-lames de l'écran LCD et être tel que celui représenté en figure 4. En utilisant une source d'éclairage S, d'étendue géométrique ES = 80 mm2-sr, nous allons comparer les performances obtenues en flux lumineux capable de passer dans une optique de projection donnée. En effet la valeur limite de l'étendue géométrique Es(max) de la source dépend de la taille de l'écran LCD. Elle peut être exprimée de la manière suivante en fonction des différents paramètres du dispositif Es(max) = 400 x(2f/f2) où D est la diagonale de l'écran exprimée en pouces f la focale des lentilles Xf: la largeur utile du pixel (pixel moins la largeur de trait) En considérant que l'image de la source dans le plan focal de la lentille est de dimension égale à la largeur utile d'un sous-pixel et donc que ES = Es(max) on peut déterminer f et donc le tirage t dans le verre t = f.n, ce tirage t correspondant à la distance entre la matrice de lentilles et la cellule à cristal liquide. II est ainsi possible à partir du calcul de la focale f, de déterminer l'ouverture de l'optique de projection N nécessaire pour collecter l'ensemble des images des sous-pixels R, V, B définies par le réseau de lentilles, en tenant compte de l'étalement desdites images. En effet, on peut calculer l'ouverture N de l'objectif nécessaire à la collection des trois flux lumineux R, V, B. Car N = tobjectif/+objectif avec t tirage de l'objectif de projectif et # objectif le diamètre illustre en figure 1. Et par homothétie N = UX avec + représentant la dimension de l'étalement des trois éclairements R, V, B (illustré en figure 5). Ce diamètre + correspond à la diagonale du rectangle défini par les dimensions 250 IJm x (80 + 125 + 83)pm. Soit encore 385 pm. Ces calculs ont été réalisés dans trois cas de figures pour comparer le dispositif selon l'invention à d'autres types de dispositifs selon l'art connu. Les résultats sont regroupés dans le tableau (I) ci-dessous. 1er cas 2ème cas 3ème cas art connu art connu invention Configuration stripe delta delta masque 15 m 15 m 15 m diagonale 4 pouces 4 pouces 4 pouces nombre de points 480 x 640 480 x 320 480 x 320 dimensions du 125x125 125 x 250 125 x 250 pixel blanc dimensions d'un 125 x 125/3 125 x 250/3 125 x 250/3 sous-pixel dimensions d'une 125 x 125 125 x 250 125 x 250 lentille dimensions d'une 125 x 125 125 x 250 125 x 250 lentille orientation des homothétiques homothétiques orientes à 90- lentilles/pixels tirage t 360 m 900 m 900 m ouverture N 0,8 1,2 1,5 Dans le cas de figure n 1, on parvient à un type de lentille et un type d'objectif non réalistes (lentilles sur une contre-lame de 300 pm, difficile à réaliser). On est alors contraint de limiter notablement le flux de ce type de projecteur. Dans le cas de figure n 2, on obtient certes un type-de lentille réaliste (contre-lame de 900 pm) mais un objectif très ouvert, difficilement envisageable. II faut dans ce cas choisir des lentilles avec un tirage plus important pour augmenter l'ouverture N. Le flux projeté est alors réduit. Dans le cas de figure de l'invention, on déterminer des valeurs tout à fait réalistes de tirage et d'ouverture permettant de faire passer un flux important de lumière. En effet il est possible de faire passer efficacement le flux d'une lampe de 150 W, d'étendue ES = 80 mm2sr dans une cellule de 4", utilisant des microlentilles sur une contre-lame de 900 Clam. On obtient alors à partir d'un flux initial de 12 000 lumens et tenant compte de l'efficacité classique d'une matrice active à cristal liquide (5 %) et du rapport de surface de la cellule à un cercle circonscrit (60 %), un flux de sortie de l'ordre de 300 à 400 lumens. Le tableau (II) cijoint foumit les performances obtenues dans les cas 1, 2 et 3 avec une même ouverture de projection réaliste (N = 1,5), et permet la comparaison avec une matrice active utilisant des filtres colorés. Filtres colorés Stripe delta + lentilles delta + lentilles Configuration lentilles Pas de lentille homothétiques homothétiques optimistes tirage(pm) sans 900 1150 900 flux (lumens) 50 55 220 350 REVENDICATIONS 1. Dispositif de visualisation couleurs comprenant une source de lumière (S) émettant simultanément plusieurs gammes de composantes chromatiques (R, V, B) et un modulateur spatial de lumière (LCD) comprenant un ensemble de triplets de sous-pixels alignés selon un axe x, chaque triplet ayant une dimension sp, selon cet axe x, chaque sous-pixel correspondant à une composante chromatique à afficher, caractérisé en ce qu'il comporte également entre la source de lumière (S) et le modulateur spatial de lumière (LCD); - au moins un séparateur chromatique (RC) séparant angulairement selon des directions différentes, la lumière des différentes gammes chromatiques (R, V, B); - un réseau de lentilles sphériques (MLC) permettant de focaliser la lumière de chaque gamme chromatique, sensiblement sur un sous-pixel, ledit réseau de lentilles ayant des dimensions sensiblement égales à celles du modulateur spatial de lumière et chaque lentille ayant une section définie par les dimensions Px et Py si ly est la dimension selon un axe y perpendiculaire à l'axe x, les axes x et y correspondant aux axes du plan (Px, Py) défini par le modulateur spatial de lumière, ladite section ayant la même surface que celle d'un triplet mais dont la dimension Ix selon l'axe x est plus faible que la dimension 3spx. 2. Dispositif de visualisation couleurs selon la revendication 1, caractérisé en ce que les sous-pixels d'une même couleur sont alignés selon une direction inclinée par rapport à l'axe x, et ne sont pas adjacents et que le centre de chaque lentille correspond sensiblement avec le centre d'un sous-pixel d'une même couleur. 3. Dispositif de visualisation couleurs selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la section des lentilles est un rectangle identique à celui défini par chaque triplet, mais orienté perpendiculairement audit triplet dans le plan (Px, Py). 4. Dispositif de visualisation couleurs selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le séparateur chromatique (RC) comporte un composant à microstructures de phases (variations d'indices ou reliefs) obtenus par enregistrement optique dans un matériau photosensible. 5. Dispositif de visualisation couleurs selon l'une des revendications I à 4, caractérisé en ce que le modulateur spatial de lumière (LCD) est un écran à cristal liquide. 6. Dispositif de visualisation couleurs selon l'un. des revendications I à 5, caractérisé en ce que le réseau de lentilles (MLC) est accolé au modulateur spatial de lumière (LCD).