Brevet FR2733112A1 — publié le 19961018

L'invention concerne un téléviseur ou moniteur vidéo du type à rétroprojection. Les écrans vidéo de grande dimension, typiquement de plus d'un mètre (40 pouces) de diagonale, utilisent de manière connue des systè- mes optiques à rétroprojection tels que celui illustré figure 1 o un projecteur vidéo, généralement un projecteur 10 comprenant un afficheur à cristaux liquides éclairé par transparence par une source lumineuse, projette son faisceau sur un miroir incliné 12, qui renvoie celui-ci vers un écran translucide 14 sur lequel se forme l'image à visualiser. Cette configuration utilisant un miroir de renvoi est nécessaire pour éviter un encombrement prohibitif de l'appareil; le projecteur 10 peut en effet être logé dans un socle rehaussant l'écran 14 et enfermant en outre les divers circuits électroniques et les haut-parleurs du téléviseur. Il n'en demeure pas moins que la profondeur Li d'un tel système reste cependant relativement élevée, de l'ordre de 45 cm pour un écran 16/9 de 106 cm (42 pouces) de diagonale. La profondeur Li est en effet déterminée par l'angle d'inclinaison du miroir 12 par rapport à la ver- ticale, de l'ordre de 40 . En tout état de cause, ces systèmes connus, malgré leur compacité relative par rapport à des tubes cathodiques, restent cependant très encombrants, et ne peuvent se comparer aux épaisseurs extrêmement réduites des systèmes de visualisation du type à "écran plat". L'un des buts de la présente invention est de proposer un télé- viseur ou moniteur vidéo du type à rétroprojection dont le système optique présente une profondeur très inférieure à celle des systèmes connus. On verra par exemple que, grâce à la configuration de l'invention, la profondeur d'un système optique pour écran 16/9 de 106 cm (42 pou- ces) de diagonale peut être réduite à 25 cm, permettant donc son inté- gration dans un coffret beaucoup plus logeable, pouvant même être fixé à un mur, ce que ne permettent bien évidemment pas les systèmes connus compte tenu de leur profondeur excessive. À cet effet, l'invention propose un téléviseur ou moniteur vidéo du type précité à rétroprojection, c'est-à-dire dans lequel un projecteur for- me une image observable sur un écran de visualisation par rétroéclai- rement après réflexion sur un miroir de renvoi, caractérisé en ce qu'il comporte, à proximité immédiate de l'écran de visualisation et parallè- lement à celui-ci, un écran réflexo-transmissif comprenant une surface de Fresnel avec des stries à section triangulaire, ces stries formant lo- calement prismes et étant propres à réfléchir les rayons qui les frappent lorsque l'angle d'incidence des rayons est supérieur à une valeur prédéterminée et à laisser passer au travers les rayons dans le cas contraire, le projecteur, l'écran réflexo-transmissif et le miroir de ren- voi étant configurés entre eux en un système optique tel que l'écran ré- flexo-transmissif réfléchisse les rayons directement issus du projecteur en direction du miroir de renvoi et laisse passer ces rayons après leur réflexion sur ce miroir de renvoi. Selon un certain nombre de caractéristiques avantageuses: - le demi- angle au sommet de chaque prisme à l'endroit de la face d'entrée du faisceau lumineux est sensiblement égal à l'angle d'in- cidence du faisceau issu du projecteur à l'endroit o celui-ci frappe cette face d'entrée; - le demi-angle au sommet de chaque prisme à l'endroit de la face de sortie du faisceau lumineux est sensiblement égal à l'angle d'inci- dence du faisceau issu du projecteur soit à l'endroit o celui-ci frap- pe la face d'entrée de ce prisme, soit à l'endroit o celui-ci frappe la face d'entrée d'un prisme adjacent ou décalé d'un nombre entier de prismes, l'épaisseur de l'écran réflexo-transmissif étant choisie de manière que les rayons pénétrant par ladite face d'entrée sortent essentiellement tous par ladite face de sortie; - il est prévu en outre un écran diffuseur placé à proximité immédi- ate de l'écran réflexo-transmissif et propre à rabattre sensiblement dans une même direction de vision les rayons issus de l'écran ré- flexo-transmissif après traversée de celui-ci; - les stries de la surface de Fresnel sont des stries curvilignes en for- me d'arcs de cercles concentriques centrés à l'endroit de l'image virtuelle du foyer de projection après réflexion sur l'écran réflexo- transmissif. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description ci-dessous, faite en référence aux dessins annexés. La figure 1, précitée, illustre la structure d'un système optique de rétroprojection de l'art antérieur. La figure 2 est homologue de la figure 1, pour le système optique selon l'invention. La figure 3 illustre la variation des angles d'inclinaison des stries de Fresnel en fonction de l'angle d'incidence du faisceau sur l'écran. Les figures 4 et 5 illustrent la manière dont la mise en place d'un écran diffusant permet de rabattre vers l'avant les rayons lumineux émis par la surface de Fresnel du système de l'invention. La figure 6 est une vue agrandie de la surface de Fresnel montrant la manière dont sont réfléchis les rayons incidents. La figure 7 est homologue de la figure 6, pour une surface de Fresnel présentant une épaisseur plus importante. La figure 8 est une vue perspective montrant la manière dont sont définies les stries curvilignes de la surface de Fresnel. La figure 9 est une vue frontale de cette même surface. 0 Sur la figure 2, on a représenté schématiquement la configuration du système optique de rétroprojection selon l'invention. Le projecteur 10, qui est généralement un projecteur comportant un afficheur à cristaux liquides éclairé par transparence, est orienté de manière à diriger son faisceau non pas vers le miroir 12 (comme dans la configuration de l'art antérieur illustrée figure 1) mais vers un écran spécifique 16, que l'on appellera par la suite "écran réflexotransmissif' ou "écran à surface de Fresnel" situé à proximité immédiate de l'écran de visualisation 14 et parallèlement à celui-ci. Ainsi, le projecteur 10 est tourné vers le haut et vers l'avant, et non, comme dans l'art anté- rieur, vers l'arrière (sauf à prévoir un miroir de renvoi supplémentaire entre le projecteur et l'écran réflexo-transmissif). L'écran réflexo-transmissif 16 est une surface portant des stries curvilignes à section triangulaire, formant une surface de Fresnel tour- née en direction des rayons incidents (c'est-à-dire sur la face opposée à celle tournée vers l'écran de visualisation 14). Cette surface, comme on l'expliquera plus en détail par la suite, présente la propriété d'être, selon l'angle d'incidence des rayons lumineux, soit réfléchissante (pour un angle d'incidence élevé), soit transmissive (pour un angle d'inci- dence faible). De plus, le choix d'une surface de Fresnel comme écran réflexo- transmissif présente l'avantage d'une quasi-insensibilité des propriétés optiques à la longueur d'onde, à la polarisation et à l'angle d'incidence, donc des propriétés optiques telles que l'image ne sera pratiquement pas affectée de façon visible par la réflexion ni par la traversée de la surface de Fresnel. Un rayon lumineux 18 émis par le projecteur 10 vient tout d'abord frapper la surface de Fresnel avec un angle d'incidence élevé, et il est donc réfléchi par cette dernière, comme illustré en 20, en direction du miroir de renvoi 12 qu'il vient frapper en 22, pour être renvoyé en 24 vers la surface de Fresnel avec un angle d'incidence très faible. Le rayon 24 va donc traverser l'écran réflexo-transmissif 16 en direction de l'écran de visualisation 14. Dans cette configuration, l'angle d'inclinaison du miroir 12 par rapport à la verticale, qui est égal au complément de l'angle maximum d'incidence des rayons lumineux émis par le projecteur en direction de l'écran réflexo-transmissif 16, est notablement inférieur à ce qu'il était dans la configuration de l'art antérieur à réflexion unique (comparer avec la figure 1). En pratique, le projecteur 10 est positionné par rapport à l'écran réflexo-transmissif 16 de manière que l'angle d'incidence des rayons inférieurs soit légèrement supérieur à l'angle critique du matériau uti- lisé pour l'écran réflexo-transmissif 16, typiquement un angle d'inci- dence de 45 pour un angle critique de 42 d'un écran en résine acry- lique. Avec une divergence de faisceau de 17,5 dans le plan vertical, l'angle d'incidence atteint ainsi 80 environ au sommet de l'écran 16. L'écran réflexo-transmissif 16 est une surface de Fresnel compor- tant une multitude de stries à section triangulaire, curvilignes (on ver- ra, en décrivant les figures 8 et 9, comment la courbure de ces stries curvilignes est définie dans le plan suivant lequel elles s'étendent), chaque strie agissant à la manière un prisme à l'égard des rayons qui la frappent. Compte tenu de la variation de l'angle d'incidence du faisceau en- tre la partie inférieure et la partie supérieure de l'écran réfiexotrans- missif 16, il est nécessaire de faire varier l'angle de chaque prisme de façon progressive d'une strie à la suivante (par mesure de simplicité, on appellera "angle du prisme" la valeur du demi-angle au sommet formé par la facette de la strie située du côté des rayons incidents, par rap- port à la normale à la surface de l'écran). Cette variation de l'angle des prismes est illustrée figure 3, à une échelle très agrandie (en pratique, le pas des stries est très faible, de l'ordre de 0,2 mm, afin de ne pas provoquer d'effets visibles sur l'image). Du bas vers le haut, les stries successives 26, 28... 30, 32 ont des angles de prisme al, a2,... an croissants et égaux à l'angle d'inci- dence du rayon lumineux frappant la strie. De ce fait, on minimise les pertes lumineuses en évitant que des zones de l'écran ne viennent in- tercepter le faisceau en empêchant leur réflexion, comme on le verra plus en détail sur la figure 6 explicitée plus bas. Les diverses stries ont chacune, en section, la forme d'un triangle isocèle (figure 6) ou sensiblement isocèle (figure 7, voir plus bas), c'est- à-dire que l'angle de la face d'entrée du prisme est égal ou sensiblement égal à l'angle de la face de sortie du même prisme. Ainsi, la surface de Fresnel peut dévier les rayons incidents à forte incidence de la même manière que le ferait un miroir plan; le rayon incident 18 émis par le projecteur est ainsi renvoy6 en 20 après avoir frappé la surface de Fresnel 16. Après une seconde réflexion sur le miroir de renvoi 12, les rayons 24 viennent à nouveau frapper la surface de Fresnel de l'écran réflexo- transmissif 16, mais avec un angle d'incidence beaucoup plus faible, et traversent donc cet écran 16. L'écran réflexo-transmissif 16 étant placé dans le plan focal, le passage du faisceau au travers des prismes n'af- fecte pas la qualité de l'image. Néanmoins, compte tenu de la présence des prismes, ces rayons vont être déviés vers le haut ou vers le bas (selon le point d'incidence) lors de leur traversée, comme illustré en 34 sur la figure 4. Pour rabattre ces rayons 34 vers le spectateur dans la direction 36, on place contre l'écran réflexo-transmissif 16, du côté de la face de sortie, un écran diffusant 38 tel que ceux utilisés classiquement pour les projections d'images par transparence. En variante, on peut égale- ment prévoir une surface de Fresnel complémentaire, c'est-à-dire une surface semblable à celle de l'écran réflexo-transmissif 16 mais placée dos à dos avec cette dernière, en ménageant bien entendu un espace d'air intercalaire. On a représenté figure 6 un détail agrandi de la surface de Fresnel montrant deux stries consécutives 26, 28 et la manière dont les rayons incidents sont réfléchis par celles-ci. Dans l'hypothèse de la figure 6, l'épaisseur de l'écran réflexo-trans- missif 16, hors prismes, est très faible et pratiquement négligeable. La strie 26 a un angle a1 égal à l'angle d'incidence des rayons 18 du fais- ceau qui la frappe en 40, ces rayons quittant la face opposée du prisme en 42 avec un angle de réflexion valant également a!. La strie adja- cente 28, d'angle a2 légèrement supérieur à a, (pour correspondre à l'angle d'incidence des rayons sur la face d'entrée 44), reçoit les rayons qui n'ont pas frappé la face d'entrée 40 de la strie 26 et renvoie ces derniers vers la face de sortie 46. La face de sortie 42 ayant le même angle que la face d'entrée 40, les rayons qui ne frappent pas la face 40 ne sont pas occultés et viennent donc tous frapper la face d'entrée 44 de la strie adjacente 28 pour être renvoyés par celle-ci vers la face de sor- tie 46 de cette dernière. Lors de la traversée de la face d'entrée, par exemple de la face d'en- trée 40 de la strie 26, la réfraction secondaire renvoie certains rayons en 48 vers la face de sortie 42 mais, ces rayons ayant par rapport à cet- te surface un angle d'incidence élevé, ne traversent pas celle-ci et sont réfléchis vers l'arrière en 50. Compte tenu de la nature du matériau, cette réflexion secondaire est cependant très réduite et ne vient pas perturber l'image délivrée au spectateur. La figure 7 illustre le cas o l'écran réflexo-transmissif 16 présente une épaisseur e non négligeable par rapport à la hauteur des stries. Dans ce cas, on choisit cette épaisseur e de manière qu'un rayon frap- pant, par exemple, la face d'entrée 40 d'une strie 26 soit réfléchi, non par la face de sortie 42 de cette même strie, mais par la face de sortie 46 de la strie adjacente 28, qui aura alors le même angle a1 que la face d'entrée 40 de la strie 26. Pour une épaisseur encore plus importante, on choisira la valeur précise de l'épaisseur pour que les rayons frappant la face d'entrée d'une strie soient réfléchis par la face de sortie située deux stries plus loin, ou trois stries plus loin, etc. La figure 8 montre, en perspective, l'aspect d'une strie isolée, réfé- rencée 54, de l'écran réflexo-transmissif 16. Le point 52 est l'image vir- tuelle du foyer de projection du projecteur 10 après réflexion sur l'écran 16, et chaque strie est une strie curviligne en forme d'arc de cercle cen- tré sur ce point 52. La figure 9 montre, en vue frontale, l'aspect de ces stries succes- sives, toutes concentriques. On peut par exemple réaliser, conformément aux enseignements de l'invention, un téléviseur ou moniteur vidéo à rétroprojection à écran 16/9 de 106 cm (42 pouces) de diagonale présentant les caractéristiques optiques et dimensionnelles suivantes: - profondeur L2 = 25 cm (au lieu de L1 = 45 cm avec un système classique pour un écran de mêmes dimensions); distance de l'objectif du projecteur 10 à l'écran: 800 mm; - dimension de la pupille de l'objectif de projection: 15 mm; - écran réflexo-transmissif en matériau acrylique d'indice de réfrac- tion 1,49; - dimensions de l'écran réflexo-transmissif 16: hauteur 710 mm, largeur 930 mm; - centre de courbure des stries (point 52 de la figure 8) situé 240 mm au-dessous du bord inférieur de l'écran réflexo- transmissif 16; - pas des stries: 0,2 mm. REVENDICATIONS 1. Un téléviseur ou moniteur vidéo du type à rétroprojection, dans lequel un projecteur (10) forme une image observable sur un écran de visualisation (14) par rétroéclairement après réflexion sur un miroir de renvoi (12), caractérisé en ce qu'il comporte, à proximité immédiate de l'écran de visualisation et parallèlement à celui-ci, un écran réflexo- transmissif(16) comprenant une surface de Fresnel avec des stries (26, 28... 30, 32) à section triangulaire, ces stries formant localement pris- mes et étant propres à réfléchir les rayons qui les frappent lorsque l'an- gle d'incidence des rayons est supérieur à une valeur prédéterminée et à laisser passer au travers les rayons dans le cas contraire, le projec- teur, l'écran réflexo-transmissif et le miroir de renvoi étant configurés entre eux de manière à former un système optique tel que l'écran ré- flexo-transmissif réfléchisse les rayons (18) directement issus du pro- jecteur en direction du miroir de renvoi et laisse passer ces rayons (24) après leur réflexion sur ce miroir de renvoi. 2. Le téléviseur ou moniteur vidéo de la revendication 1, dans le- quel le demi-angle au sommet de chaque prisme à l'endroit de la face d'entrée (40, 44) du faisceau lumineux est sensiblement égal à l'angle d'incidence (ac, t.,...) du faisceau issu du projecteur à l'endroit o celui-ci frappe cette face d'entrée (40, 44). 3. Le téléviseur ou moniteur vidéo de la revendication 2, dans le- quel le demi-angle au sommet de chaque prisme à l'endroit de la face de sortie (42, 46) du faisceau lumineux est sensiblement égal à l'angle d'incidence (a1, a2,...) du faisceau issu du projecteur à l'endroit o celui-ci frappe la face d'entrée (40, 44) de ce prisme. 4. Le téléviseur ou moniteur vidéo de la revendication 2, dans le- quel le demi-angle au sommet de chaque prisme à l'endroit de la face de sortie (46) du faisceau lumineux est sensiblement égal à l'angle d'in- cidence (a1, a2,...) du faisceau issu du projecteur à l'endroit o celuici frappe la face d'entrée d'un prisme adjacent (40) ou décalé d'un nombre entier de prismes, l'épaisseur (e) de l'écran réflexo-transmissif étant choisie de manière que les rayons pénétrant par ladite face d'entrée sortent essentiellement tous par ladite face de sortie. 5. Le téléviseur ou moniteur vidéo de la revendication 1, compre- nant en outre un écran diffuseur (38) placé à proximité immédiate de l'écran réflexo-transmissif et propre à rabattre sensiblement dans une même direction de vision (36) les rayons (24) issus de l'écran réflexo- transmissif (16) après traversée de celui-ci. 6. Le téléviseur ou moniteur vidéo de la revendication 1, dans le- quel les stries de la surface de Fresnel sont des stries curvilignes en forme d'arcs de cercles concentriques (54) centrés à l'endroit de l'image virtuelle (52) du foyer de projection après réflexion sur l'écran réflexo- transmissif.