Brevet FR2733604A1 — publié le 19961031

DISPOSITIF D'ECLAIREMENT L'invention concerne un dispositif d'éclairement et plus particulièrement un dispositif d'éclairement pour appareil de projection ou de s visualisation et notamment un appareil d'éclairement d'un écran électrooptique tel qu'un écran à cristal liquide. Un appareil de projection comporte essentiellement un système d'illumination pour éclairer par transparence au moins une image (diapositive) tel qu'un écran à cristal liquide. Une image est générée et projetée sur un écran par une optique de projection. Un système d'illumination efficace comprend typiquement une lampe halogène (ou à Xénon ou à filament,...) et un réflecteur parabolique pour réfléchir la lumière (figure 1). L'état de l'art de ce type de système présente des inconvénients. En effet, la forme du faisceau est différente de celle de l'écran, or nous avons besoin d'une bonne illumination uniforme; il se produit donc une perte considérable de lumière. Les pertes sont au moins de 46 % pour l'éclairement d'un écran de format rectangulaire 16/9 (de plus, les écrans à cristal liquide doivent être munis d'un polariseur et d'un analyseur de polarisations puisque la source n'est pas polarisée. Il y a donc une perte supplémentaire pouvant atteindre 60 à 70 %). Dans le document EP 90201000.8 de nombreuses solutions ont été décrites pour résoudre ce problème. Ces solutions sont basées sur les propriétés de l'intégrateur optique. La figure 2 est une illustration du principe de l'intégration optique: une source de lumière S est imagée sur un réseau secondaire de lentilles RL2 au moyen d'un premier réseau de lentilles RL1. Chaque lentille individuelle du premier réseau est ensuite imagée sur la surface de l'écran LC à illuminer par le deuxième réseau de lentilles. La forme et la taille de chaque lentille individuelle de RL1 sont telles que leur image sur l'écran ont la forme et la taille de l'écran. En raison de la géométrie des lentilles individuelles, la superposition des images des lentilles de RL1 pourra avoir la même forme que l'écran à illuminer. On collecte ainsi le maximum de lumière fournie par le réflecteur ce qui permet d'augmenter le flux lumineux et donc l'efficacité. La Demande de Brevet Européen n 90 201000.8 décrit des systèmes d'imagerie par intégration pour systèmes d'éclairement. Ils comportent une source lumineuse d'orientation quelconque, un réflecteur concave et des lentilles de tout type et forme (lentilles classiques, de Fresnel,... ). Ces lentilles sont toujours arrangées de manière régulière (figure 3a) en lignes et colonnes ou de façon imbriquée de telle manière à remplir au maximum le champ d'ouverture du réflecteur (figure 3b). De plus, le réseau de lentilles est toujours disposé pour que les frontières communes à quatre lentilles coïncident avec l'axe optique du faisceau (figures 4). On constate: - qu'un intégrateur augmente l'étendue angulaire d'éclairement de l'image (de l'écran à cristal liquide). Or il est connu que le contraste d'une image d'un écran à cristal liquide diminue lorsque l'angle d'éclairement augmente. Considérant un système d'éclairement dans lequel une lampe à arc est située dans un réflecteur sphérique, parabolique ou elliptique, tel que cela est représenté en figure 1, on voit que la lampe doit être maintenue à l'intérieur du réflecteur et il y a donc une ouverture dans la partie bombée du réflecteur. Cela signifie que l'illumination en sortie du réflecteur présente une zone centrale sans lumière comme cela est représenté sur la figure 6 qui illustre l'éclairement à la sortie du miroir parabolique. Selon la figure 7a, l'interruption d'illumination est située quasiment au milieu d'un intégrateur. Comme cela apparaît sur la figure 9, un affaiblissement de l'illumination a lieu au centre de l'image. L'invention a pour objet de résoudre cet inconvénient. L'invention concerne donc un dispositif d'éclairement d'une première surface comprenant: - une source lumineuse émettant un faisceau selon une direction; - un premier ensemble de lentilles disposées selon une deuxième surface transversalement à la direction du faisceau, chaque lentille focalisant la lumière du faisceau en un point ou une ligne d'une troisième surface; - un deuxième ensemble de lentilles situé selon la troisième surface et imageant chacune une ou plusieurs lentilles du premier ensemble selon la première surface à éclairer; caractérisé en ce que les sections du faisceau de moindre énergie lumineuse sont réparties sur plusieurs lentilles du premier ensemble de lentilles. Selon l'invention, on peut également ne pas prévoir de lentille selon les sections de faisceau de moindre énergie lumineuse. Selon une variante de l'invention, la surface à éclairer comporte un écran à cristal liquide et les ensembles de lentilles ne comporte des lentilles que selon sensiblement la moitié de la section du faisceau lumineux transmis par la source. L'invention permet également d'améliorer le contraste d'un écran à cristal liquide. L'invention est donc applicable à l'éclairement d'un écran à cristal liquide. 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 à 5, des systèmes d'éclairement connus dans la technique et déjà décrits précédemment; - les figures 6 à 1 1b, un système selon l'invention permettant de faire varier l'uniformité d'éclairement d'un écran; - la figure 12, un diagramme de contraste d'éclairement d'un écran à cristal liquide selon l'angle d'incidence du faisceau d'éclairement; - les figures 13a à 13e, des solutions permettant d'améliorer le contraste d'éclairement d'un écran; - les figures 14 à 15b, des variantes de réalisation permettant d'améliorer le contraste d'éclairement d'un écran à cristal liquide. Selon l'invention, on prévoit donc d'atténuer les inhomogénéités de la source d'éclairement. Par exemple, comme mentionné précédemment, la fixation de la lampe dans le réflecteur de la source nécessite de prévoir un trou dans le réflecteur. Celui-ci possède donc une zone non réfléchissante. Selon la figure 7b, on prévoit d'arranger les lentilles du réseau RL1 de façon que la partie du faisceau transmis par la source correspondant au trou du réflecteur soit centré au point commun de quatre lentilles. Ainsi, l'intégrateur est situé de façon que l'interruption d'illumination affecte plusieurs lentilles et notamment les quatre lentilles centrales (11 à 14). Les cartes d'illumination des différentes lentilles Il à 14 sont représentées respectivement par les figures 8a à 8d. La superposition de ces illuminations est représentée par la figure 8e. Ainsi un pic d'illumination apparaît au centre et l'affaiblissement de l'illumination dû au trou du réflecteur est réparti à la périphérie. Selon une variante de l'invention, on prévoit de ne pas prévoir de lentille pour la partie du faisceau correspondant à un affaiblissement d'éclairement. Notamment, comme cela est représenté en figure 11a, le réseau de lentilles RL1 ne comporte pas de lentilles pour les parties faibles du faisceau d'illumination. Par exemple, si le réflecteur de la source S comporte une ouverture dans sa zone centrale, le réseau RL1 ne comporte pas de lentille pour la partie du faisceau qui aurait dû être réfléchie par cette zone centrale. Par suite, de préférence, on ne prévoit pas non plus de lentille dans le réseau RL2 correspondant à cette zone. On obtient ainsi un diagramme d'éclairement plus régulier comme cela est illustré par la figure 11b. Le contraste d'une image fournie par un écran à cristal liquide dépend de l'angle d'incidence du faisceau d'éclairement de l'écran parce que les écrans à cristaux liquides ont un mode de transmission anisotropique. La figure 12 représente, pour un tel écran, des courbes d'iso- contraste en fonction de l'angle d'azimut 'F et de la déclinaison (p. Il est clair sur ce diagramme qu'il suffit de tourner l'écran d'environ 4 ou 5 degrés pour régler le contraste à son maximum. Mais il est également clair que la lumière émise par l'intégrateur sous des angles IF compris entre 180 et 360 contribue à réduire le contraste. Selon l'invention, on prévoit donc d'arranger les lentilles de l'intégrateur de façon à couvrir de manière privilégiée seulement que la zone correspondant à ' compris entre 0 et 180". Pour obtenir cela, comme représenté en figures 13a à 13c, les lentilles des réseaux RL1, RL2 sont arrangées de façon à couvrir préférentiellement la moitié supérieure du faisceau retransmis par le réflecteur de la source. La disposition de la figure 13a permet de collecter 91 % de lumière issue du réflecteur mais avec un contraste faible. Les figures 13b et 13c sont des compromis entre la collection de lumière et le contraste. Les figures 13d et 13e permettent d'obtenir encore un meilleur contraste au détriment d'une légère perte d'énergie. En effet, la partie inférieure du faisceau n'est pas utilisée dans ces dispositions, mais ces dispositions peuvent être encore intéressantes. En se reportant à la figure 14 on va maintenant décrire une application de l'organisation des réseaux de lentilles telle que représentée en figure 13e dans laquelle la quasi totalité des lentilles est concentrée sur la partie supérieure du faisceau. Dans ce cas comme on l'a mentionné, on risque d'avoir une perte d'énergie. Pour pallier cet inconvénient, on prévoit un système de réflecteurs optiques associé à la lampe permettant de diriger toute l'énergie lumineuse sur les réseaux de lentilles. On dispose d'un réflecteur P2 concave elliptique, sphérique ou parabolique avec la lampe S1 disposée au foyer de ce réflecteur. Un autre réflecteur P1 de préférence demi-sphérique est disposé au-dessus de la lampe et réfléchit la lumière vers le réflecteur P2. Comme représenté en figure 14, comparé au réflecteur de la figure 1, le réflecteur P2 est donc un demi-réflecteur, ou tout au moins la moitié d'un réflecteur est utilisée efficacement. De cette façon, l'écran à cristal liquide est éclairé par un faisceau de lumière incidente dont on a supprimé la partie 180 Les figures 1 5a et 1 5b représentent une variante du même système optique. D'après les rayons tracés à travers ce système, on voit que les rayons sortent seulement par la partie supérieure du réflecteur. Par contre, ici la moitié inférieure du faisceau n'est pas perdue. Elle est recyclée (figure 15b) par un segment de réflecteur P1 et repasse par la source pour ressortir par la partie supérieure du réflecteur. Les figures 14 et 15b illustrent donc 2 systèmes qui permettent: - une grande efficacité de collection (intégrateur); - une grande uniformité d'éclairement de l'écran (intégrateur); - un grand contraste (réflecteurs composites P1 + P2). Le système de l'invention peut réaliser une polarisation de la lumière grâce à un système de réflexion multiples. Pour cela on prévoit un filtre cholestérique FC juste après le système de réflecteurs P1, P2. La lumière incidente sur le filtre cholestérique et qui est polarisée circulairement à droite (par exemple) est transmise par le filtre. Selon cet exemple, la lumière polarisée à gauche est réfléchie vers le système de réflecteurs P1, P2. Elle est réfléchie par P1 vers P2, puis par P2 vers P1 et enfin à nouveau par P1 vers le filtre cholestérique. Il résulte de ces réflexions que la lumière qui était polarisée à gauche, revient sur le filtre cholestérique polarisée à droite. Elle est alors transmise par le filtre cholestérique. On prévoit, après le filtre cholestérique, une lame quart d'onde (achromatique);J4 qui convertit la polarisation circulaire en polarisation linéaire qui peut alors être modulée par l'écran à cristal liquide. La figure 14 présente un exemple de réalisation selon lequel une lame quart d'onde;J4 et un filtre cholestérique FC sont accolés au réseau de lentilles RL1. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'éclairement d'une première surface comprenant: - une source lumineuse (S) émettant un faisceau selon une direction; - un premier ensemble de lentilles (RL1) disposées selon une deuxième surface transversalement à la direction du faisceau, chaque lentille focalisant la lumière du faisceau en un point ou une ligne d'une troisième surface; - un deuxième ensemble de lentilles (RL2) situé selon la troisième surface et imageant chacune une ou plusieurs lentilles du premier ensemble selon la première surface à éclairer; caractérisé en ce que les sections du faisceau de moindre énergie lumineuse sont réparties sur plusieurs lentilles du premier ensemble de lentilles. 2. Dispositif d'éclairement d'une première surface comprenant: - une source lumineuse (S) émettant un faisceau selon une direction; - un premier ensemble de lentilles (RL1) disposées selon une deuxième surface transversalement à la direction du faisceau, chaque lentille focalisant la lumière du faisceau en un point ou une ligne d'une troisième surface; - un deuxième ensemble de lentilles (RL2) situé selon la troisième surface et imageant chacune une ou plusieurs lentilles du premier ensemble selon la première surface à éclairer; caractérisé en ce que dans le premier ensemble de lentilles (RL1) il n'est pas prévu de lentilles selon les sections du faisceau de moindre énergie lumineuse. 3. Dispositif d'éclairement d'une première surface comprenant: - une source lumineuse (S) émettant un faisceau selon une direction; - un premier ensemble de lentilles (RL1) disposées selon une deuxième surface transversalement à la direction du faisceau, chaque lentille focalisant la lumière du faisceau en un point ou une ligne d'une troisième surface; - un deuxième ensemble de lentilles (RL2) situé selon la troisième surface et imageant chacune une ou plusieurs lentilles du premier ensemble selon la première surface à éclairer; caractérisé en ce que la' surface à éclairer est un écran à cristal liquide, les ensembles (RL1, RL2) ne comportant des lentilles que selon sensiblement la moitié de la section du faisceau lumineux transmis par la source. 4. Dispositif d'éclairement d'une première surface comprenant: - une source lumineuse (S) émettant un faisceau selon une direction; - un premier ensemble de lentilles (RL1) disposées selon une deuxième surface transversalement à la direction du faisceau, chaque lentille focalisant la lumière du faisceau en un point ou une ligne d'une troisième surface; - un deuxième ensemble de lentilles (RL2) situé selon la troisième surface et imageant chacune une ou plusieurs lentilles du premier ensemble selon la première surface à éclairer; caractérisé en ce que la source et les deux ensembles de lentilles sont désaxés par rapport à la normale à la première surface. 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier réseau de lentilles (RL1), comporte un ensemble de lentilles rectangulaires accolées, les sections du faisceau de moindre énergie lumineuse sont centrées sur les points communs de plusieurs lentilles. 6. Dispositif selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que, dans le deuxième ensemble de lentilles (RL2), il n'est pas prévu de lentille permettant de transmettre les sections du faisceau de moindre énergie lumineuse ou d'énergie quasi-nulle vers la première surface. 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend une optique de focalisation (C1) permettant de superposer sur la première surface les faisceaux transmis par les différentes lentilles du deuxième ensemble de lentilles (RL2). 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les lentilles du premier ensemble (RL1) sont convergentes et identiques entre elles, celles du deuxième ensemble (RL2) sont également convergentes et identiques entre elles, et en ce qu'elles ont même distance focale, le deuxième ensemble (RL2) étant situé dans le plan focal du premier ensemble (RL1); la première surface étant sensiblement dans le plan focal de l'optique de focalisation (C1). 9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la surface à éclairer est un écran à cristal liquide, les ensembles (RL1, RL2) ne comportent des lentilles que selon sensiblement la moitié de la section du faisceau lumineux transmis par la source. 10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les ensembles (RL1, RL2) ne comportent des lentilles que d'un côté d'un plan contenant l'axe optique du dispositif et que la source comporte un système de réflexion retransmet toute l'énergie de la source de ce côté du plan de façon à n'éclairer que les lentilles du premier ensemble (RL1). 11. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le système de réflexion comporte un premier miroir (P1) réfléchissant la lumière d'une lampe (SI) vers un deuxième miroir concave (P2) qui réfléchit la lumière selon un faisceau dont la section droite est d'un côté par rapport audit plan. 12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que le premier miroir est (P1) est sphérique et le deuxième miroir (P2) est demi-sphérique, demi-parabolique ou demi-hyperbolique. 13. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que le deuxième miroir (P2) est sphérique, parabolique ou hyperbolique, la lampe étant située au foyer dudit miroir (P2), le premier miroir (PI) étant situé entre le deuxième miroir et le premier ensemble de lentilles (RL1) d'un côté dudit plan et réfléchissant la lumière vers le deuxième miroir (P2) de façon à ce que celui-ci transmette quasiment toute la lumière de la source d'un côté du plan vers le premier ensemble de lentilles (RL1). 14. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comporte un filtre de polarisations (FC) par réflexion disposé sur le chemin de la lumière réfléchie par le système de réflexion. 15. Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce que le filtre de polarisation (FC) est un filtre cholestérique. 16. Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comporte une lame quart d'onde située entre le filtre de polarisations et la première surface. 17. Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce que la lumière de la lampe (SI) subit un nombre impair de réflexions sur le système de réflecteurs (P1, P2) de telle sorte que la lumière, qui était polarisée dans un premier sens, revient sur le filtre (FC) polarisée dans un sens contraire au premier sens. 18. Dispositif d'éclairement selon la revendication 16, caractérisé en ce que le filtre de polarisation (FC) est un filtre cholestérique.