Brevet FR2733062A1 — publié le 19961018

SYSTEME DE PROJECTION COMPORTANT UN REFLECTEUR ET UNE LENTILLE DE CHAMP A SURFACE LIBRE La présente invention concerne un système d'illumination de projecteur LCD optimisant l'éclairement au travers de l'écran à cristaux liquide ainsi que l'ouverture de l'objectif du système. Un système de projection au travers d'un écran à cristaux liquide est constitué en général d'une lampe à arc du type hallogénure métallique à filament ou xénon, positionné au foyer d'un réflecteur parabolique ou elliptique muni d'un condenseur. La lumière blanche émise par la lampe et réfléchie par le réflecteur est transmise à travers une lentille de champ vers l'écran à cristaux liquides (ou modulateur électrooptique) qui fonctionne en valve optique. En général, ces modulateurs sont à structure matricielle active commandés par des transistors en couches fines (TFT). Les images transmises au travers de l'écran à cristaux liquides sont ensuite projetées sur un écran grâce à un objectif. Pour obtenir des images couleurs, on combine trois écrans à cristaux liquide que l'on place sur chacun des chemins optiques bleu, vert et rouge ou on utilise un seul écran à cristaux liquides couleur. Un tel système est décrit précisément dans le brevet US 5 084 807 de TS McKechnie et al. Actuellement, ce type de projecteur a un faible rendement lumineux, de l'ordre de 1 à 2% seulement. Cela est dû principalement aux pertes dans le réflecteur, au fait que la source d'illumination n'est pas polarisée (perte de plus de 70% du flux lumineux), au format des écrans à cristaux liquide qui sont rectangulaires (perte d'environ 46%) et à l'efficacité de découpage du spectre blanc de la lampe (de 50 à 60% de perte). Sur la figure 1 est illustré le problème de la dispersion de la lumière autour du modulateur. On constate que dans le cas d'un réflecteur parabolique 1 (en lignes pointillées sur la figure), les rayons 2 de la lumière émise par la lampe à arc 3 (en lignes pointillées) viennent illuminer les zones extérieures à l'écran 4. Ces pertes géométriques représentent plus de 50% des pertes de luminosité du système. D 'autre part, I'utilisation d'une lentille de champ sphérique forme une image agrandie de la source et nécessite donc un objectif de projection très 2 2733062 ouvert. En effet, les rayons incidents sur la lentille de champs sphérique n'étant pas parallèles en tout point de la lentille, i'image de la source est grande et conduit à une taille importante de pupille pour l'objectif de projection. La présente invention permet d'éliminer les inconvénients de ces solutions connues et d'augmenter grandement l'efficacité d'éclairement de l'écran grâce à des formes judicieuses de réflecteurs, lentilles de champ et lentilles de correction d'angles permettant d'améliorer grandement la qualité de l'illumination sur l'écran final de projection, en minimisant les pertes de lumière entre la lampe et l'écran de projection final. La présente invention concerne un réflecteur éclairant une surface particulièrement bien adapté pour être utilisé dans un système de projection au travers d'un écran à cristaux liquides comportant une lampe et un réflecteur réfléchissant la lumière de la lampe vers l'écran à cristaux liquides. Plus généralement, ce réflecteur est caractérisé en ce que sa forme Zr,3 est décrite par un ensemble de surfaces élémentaires dS à chacune desquelles est associée une fonction Z(p) correspondant chacune à un plan médian (r,3) à éclairer défini par le paramètre r distance du centre de la surface à éclairer à ses bords, et l'angle J que fait ce plan avec le plan horizontal. L'inclinaison de chacune des surfaces élémentaires dS est obtenue en interpolant ces fonctions Z(p) avec une fonction Z(x,y). Cela permet d'obtenir un éclairement de type rectangulaire pouvant couvrir parfaitement la surface d'un écran à cristaux liquides d'un système à projection comme cela est représenté sur la figure 1 en traits pleins à partir du réflecteur selon l'invention. De préférence, chaque fonction Z(p) est une équation de cônique additionnée à celle d'un polynôme, ou un polynôme pur. De même la fonction d'interpolation Z(x,y) peut être un polynôme ou une conique additionée à un polynome ou par une fonction "spline". Le paramètre r et l'angle 3 peuvent définir une surface rectangulaire, comme celle par exemple d'un écran, ou une zone approximativement ronde pour, par exemple, être centrée sur le centre d'un écran, le diamètre moyen étant compris entre le petit et le grand côté de l'écran rectangulaire. 3 2733062 De préférence, le réflecteur est divisé en plusieurs tranches définie chacune par un rayon par rapport à l'axe optique, et la forme continue du réflecteur est obtenue par interpolation avec une fonction Z(x,y) de différentes fonctions Z(p) associées chacune à une tranche. Un second exemple d'application de la présente invention concerne une lentille de champ caractérisé en ce que sa forme Z3,Po est décrite par un ensemble de surfaces élémentaires dS à chacune desquelles est associée une fonction Z(p) correspondant chacune à un point Po à éclairer de l'axe optique (oz) et à un angle f que fait le plan médian passant par Po avec le plan horizontal, I'inclinaison de l'ensembles des surfaces élémentaires (dS) étant obtenue en interpolant ces fonctions Z(p) avec une fonction Z(x,y). Cela permet ainsi de focaliser le rayon moyen incident au centre de l'objectif et ainsi d'optimiser l'ouverture de l'objectif, c'est à dire de diminuer l'ouverture de la pupille. Un troisième exemple de réalisation de la présente invention concerne une lentille de correction d'angles caractérisée en ce que sa forme Z., oo est décrite par un ensemble de surfaces élémentaires dS à chacune desquelles est associée une fonction Z(p) correspondant chacune à un point P à éclairer décrivant la surface de la lentille à une distance d de celle-ci, et l'angle (3 que fait le plan médian passant par chacun des points P avec le plan horizontal, I'inclinaison de l'ensembles des surfaces élémentaires (dS) étant obtenue en interpolant ces fonctions Z(p) avec une fonction Z(x,y). Un quatrième exemple de réalisation de la présente invention concerne une lentille d'éclairement à surface libre éclairée par un réflecteur quelconque qui est caractérisée en ce que la forme Zr,13 de cette lentille est décrite par un ensemble de surfaces élémentaires dS à chacune desquelles est associée une fonction Z(p) correspondant chacune à un plan médian (r,O) à éclairer défini par le paramètre distance r du centre de l'écran à ses bords, et l'angle J que fait ce plan médian avec le plan horizontal, I'inclinaison de chacune des surfaces élémentaires dS étant obtenue en interpolant ces fonctions Z(p) avec une fonction Z(x,y). La présente invention concerne aussi un dispositif de focalisation de la lumière au travers d'un écran à cristaux liquides caractérisé en ce qu'il comporte une lentille de correction d'angles selon 4 2733062 la présente invention illuminant par des faisceaux horizontaux un réseau perpendiculaire de microlentilles Li, chacune de ces microlentilles focalisant au centre d'un pixel Pi de l'écran. Chacun de ces dispositifs optiques améliore l'efficacité de I'éclairement, et la présente demande de brevet couvre aussi les systèmes de projection utilisant tous les types de combinaisons de ces différents éléments. La présente invention sera mieux comprise et les avantages supplémentaires apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre illustrée par les figures suivantes: - la figure 1, déjà décrite, représente la superposition des éclairements d'un réflecteur selon l'état de l'art et d'un réflecteur selon la présente invention, i15 - les figures 2a, 2b et 2c illustrent un premier exemple d'application de la présente invention à un réflecteur à surface libre, - la figure 3 illustre un second exemple d'application de cette invention à une lentille de champ à surface libre, - la figure 4 représente un troisième exemple d'application de la présente invention à une lentille correctrice d'angle avec réseau de microlentilles, - et la figure 5 représente un quatrième exemple d'application de la présente invention à la combinaison d'un réflecteur quelconque et d'une lentille d'éclairement à surface libre. La forme libre du réflecteur 5 selon l'invention est obtenue par la paramétrisation du système comme cela est représenté sur la figure 2a. L'inclinaison de chaque surface élémentaire dS du réflecteur 5 est calculée pour que les rayons extrêmes provenant de la lampe entrent dans le diaphragme de rayon r. La forme Zr,p du réflecteur 5 est décrite par un ensemble de fonctions Z(p), chacune donnée par un plan médian (r, O) à éclairé défini par le paramètre r distance du centre de la valve à ses bords, et J3 I'angle que fait ce plan avec le plan horizontal, c'est à dire que l'intersection de ces plans est constituée par l'axe optique (oz). Ces fonctions peuvent avoir de multiples formes comme celle, par exemple, d'une conique+polynôme ou polynôme pur. Dans l'exemple illustrant la présente invention, la fonction considérée est la suivante: Z(pfl) c. r2 61) Z(pA), z +a 2p9a 4p4 +a6p +...+aIpn ( 1 +1(1+)c2p2 La première partie du membre de droite est l'équation d'une cônique de révolution autour de l'axe optique (oz) à laquelle vient s'ajouter un polynôme de degré n représentant la déformation de la cônique. L'inclinaison de chaque surface élémentaire dS du réflecteur 5 est calculée pour que le rayon extérieur 6 provenant de la lampe 3 entre dans le diaphragme. Théoriquement, en faisant cette optimisation pour un grand nombre de plans (r,P), on obtient un réflecteur à forme libre. En effet, chaque plan médian est caractérisé par un angle 13, et lui correspond un rayon r, le paramètre r décrivant la bordure de la valve optique, un écran LCD 16/9ème dans le cas de la figure 2b. On peut calculer chacun des polynomes précédents à partir de l'équation (1) pour chaque plan médian (r,). Afin d'obtenir la forme optimisée du réflecteur selon l'invention, il est nécessaire d'interpoler tous les polynômes précédemment obtenus par c'est un exemple - le polynôme en (x, y) suivant Z(x,y)= c+ n b. x'y, (2) l+ 1-(l+6)c2p2 i=lj=O y c étant le rayon de courbure de la cônique de départ et s l'éllipticité de la cônique. Ainsi, par exemple, on obtient pour n=4: p2 4i i _Ji j Z(p,_) _ b..x y 4.f î=l__o Y 6 2733062 _ _ 2 2 4 +bl10X +b1y+b20X +b21xy +b22y +b30x3 +b31x2y+b32xY2 +b33y (3) +b40x4 +b41x3y+b42x2y2 +b43xy3 +b44y4 On obtient ainsi pour n = 4 quatorze coefficients à calculer. Pour y parvenir, on réalise d'une manière connu par l'homme de l'art, une interpolation polynômiale à deux dimensions à partir de l'ensemble des données générées par l'équation (1) et en retournant les coefficients de l'équation (2). On a ainsi obtenu l'équation d'un réflecteur 5 délivrant une forme d'illumination 8 proche du format de l'écran LCD 4. L'illumination à travers celui-ci est ainsi optimisée. Un exemple de réalisation peut être fait à partir des paramètres suivants: - paraboloide:. distance focale 11 mm, rayon: 50 mm, - lampe. Iongueur de l'arc: 5,0 mm, : diamètre de l'arc: 1,5 mm, 15. taille du LCD 16/9: 2.2 "/48.7 x 27.4 mm2, distance source plan d'illumination: 20mm, distance lentille de champ - écran LCD: 20 mm, distance lentille de champ - entrée de la pupille: 150 mm. Du fait de la distance entre l'écran LCD et la lentille de champ, le plan d'illumination doit être plus large que la taille de l'écran LCD, en fait 56,2 x 36,6 mm2 dans ce cas. 7 2733062 Le réflecteur à forme libre ainsi définie éclaire la lentille de champ de façon rectangulaire. Les rayons incidents arrivent sur la lentille avec différentes inclinaisons. Plutôt que d'utiliser la forme rectangulaire de l'écran à cristaux liquide pour définir, comme décrit plus haut, la forme du réflecteur, on peut utiliser une courbe qui permet de mieux répartir le flux et d'améliorer alors l'efficacité et l'uniformité d'éclairement du système de projection. Cette courbe peut avoir une forme approximativement ronde, et être décrite par le paramètre r et l'angle 3. En effet, dans les petites dimensions de l'écran à cristaux liquides, les angles induits par le réflecteur sont souvent trop grands et cela conduit à une non uniformité de l'éclairement. Il peut ainsi être préférable de calculer la forme du réflecteur comme précédemment, mais, afin d'améliorer le flux, à partir d'une surface approximativement ronde et dont le diamètre moyen est de préférence compris entre le petit et le grand côté de l'écran. Une autre variante de réalisation pour améliorer l'éclairement peut consister à diviser le réflecteur en plusieurs tranches a, b, c, d, e, f et g, comme dans l'exemple de la figure 2c, et de considérer des fonctions Z(p) différentes pour toutes ou plusieurs d'entre elles. Le principe décrit ci-dessus peut être appliqué à une lentille de champ à surface libre, en calculant pour chaque point de la lentille de champ 8 la courbure, de façon à focaliser le rayon moyen incident au centre de l'objectif. De la même manière que précédemment et comme cela est représenté sur la figure 3, dans une première étape, on considère une surface élémentaire dS de la lentille 8, et on calcule l'inclinaison de chaque surface élémentaire dS de la lentille pour que le rayon moyen incident soit focalisé au centre de la pupille d'entrée de l'objectif de projection 10. De même que pour le calcul de la forme du réflecteur, on considère un ensemble de fonctions Z(p), chacune étant donnée pour un plan médian (0,Po) défini par l'angle 3 que fait chaque plan avec l'horizontal et Po le centre de la pupille de l'objectif. On peut calculer chacun des polynômes a2r2a4r4+a6r6+...+anrn pour chaque plan médian (13,Po), par exemple pour 13= 0 , 15 , 30 , 45 , 60 et . Puis, dans une seconde étape, interpôler tous les polynômes précédents par un polynôme en (x,y) selon, par exemple, I'équation (2). 8 2733062 Un exemple de réalisation d'une lentille optimisée a été fait à partir des paramètres suivants: Parabolo'de:. Iongueur focale: 10 mm, diamètre: 75 mm, Lampe:.longueur de l'arc: 5,0 mm, diamètre de l'arc: 1,5 mm, taille de l'écran LCD 16/9: 2.2"/48.7 x 27;4 mm2, distance source-plan d'illumination: 320 mm, distance lentille de champ - LCD: 5 mm, 10. distance lentille de champ - entrée pupille: 130 mm. Une autre application de la présente invention peut consister à utiliser une lentille d'éclairement (ou condenseur) réalisée selon le principe de l'invention combinée avec un réflecteur parabolique quelconque, par exemple parabolique. comme l'illustre la figure 5. Les rayons 15, après s'être réfléchis sur les parois du réflecteur 16, parviennent sur la lentille 17 avec une inclinaison apar rapport à l'horizontal. La surface élémentaire dS de la lentille sur laquelle les rayons 15 sont entrants, a une inclinaison y par rapport à la vertical. On calcule l'inclinaison y de chaque surface élémentaire dS de la lentille de champ de manière à ce que l'ensemble des rayons moyens r correspondant à la surface dS et à l'angle y décrive la bordure de la valve optique 10. La forme Zr,3 de cette lentille est décrite par un ensemble de surfaces élémentaires dS à chacune desquelles est associée une fonction Z(p) correspondant chacune à un plan médian (r,J3) à éclairer défini par le paramètre distance r du centre de l'écran à ses bords, et l'angle 1 que fait ce plan médian avec le plan horizontal, l'inclinaison de chacune des surfaces élémentaires dS étant obtenue en interpolant ces fonctions Z(p) avec une fonction Z(x,y). On peut aussi rajouter entre cette lentille à surface libre et la valve optique une lentille de champ torique focalisant les rayons incidents au centre de la pupille de l'objectif. 9 2733062 Le principe selon l'invention peut aussi s'appliquer à une lentille de correction d'angles. La figure 4 illustre un exemple d'un système à projection utilisant une telle lentille 11. Celle-ci a une forme libre réalisée selon le principe ci-dessus de manière à ce que les faisceaux sortants 12 soient parallèles à l'axe optique (o,z), et est couplée à un système de microlentilles 13. A chaque microlentille Li du système 13 correspond un pixel Pi de l'écran 4. Ainsi, chaque rayon 12 peut être focalisé au centre de chaque pixel Pi de l'écran 4 comme cela est illustré sur la figure. En plaçant ensuite une lentille de champ focalisant dans la pupille de l'objectif de de projection non représentés sur la figure, on a amélioré l'éclairement du système. La présente invention peut s'appliquer à tous les types de systèmes optiques utilisant des lentilles, et en particulier aux systèmes de projection permettant l'affichage sur un écran d'images vidéo. 2733062 REVENDICATIONS 1. Réflecteur (1;5) éclairant une surface (4), caractérisé en ce que la forme Zr,3 du réflecteur (5) est décrite par un ensemble de surfaces élémentaires (dS) à chacune desquelles est associée une fonction Z(p) correspondant chacune à un plan médian (r,3) à éclairer défini par le paramètre r distance du centre de la surface (4) à ses bords, et l'angle 3 que fait ce plan avec le plan horizontal, I'inclinaison de chacune des surfaces élémentaires (dS) étant obtenue en interpolant ces fonctions Z(p) avec une fonction Z(x,y). 2. Réflecteur (1;5) selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque fonction Z(p) est une équation de cônique additionnée à celle d'un polynôme, ou un polynôme pur. 3. Réflecteur (1;5) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la fonction d'interpolation Z(x,y) est un polynôme. 4. Réflecteur (1;5) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le paramètre r et l'angle J3 définissent une surface rectangulaire (4). 5. Réflecteur (1;5) selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le paramètre r l'angle f3 définissent une surface approximativement ronde dont le diamètre est compris entre le grand et le petit côté de la surface (4). 6. Réflecteur (1;5) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'il est divisé en plusieurs tranches (a,b,c,d,f,g) définies chacunes par un rayon par rapport à l'axe optique, et que sa forme est obtenue par interpolation avec une fonction Z(x,y) de différentes fonctions Z(p) associées chacune à une tranche. 7. Lentille de champ caractérisé en ce que la forme Zf3,Po de la lentille (8) est décrite par un ensemble de surfaces élémentaires (dS) à chacune desquelles est associée une fonction Z(p) correspondant chacune à un point Po à éclairer de l'axe optique (oz) et à un angle f3 il 2733062 que fait le plan médian passant par Po avec le plan horizontal, l'inclinaison de l'ensembles des surfaces élémentaires (dS) étant obtenue en interpolant ces fonctions Z(p) avec une fonction Z(x,y). 8. Lentille de correction d'angles (11) caractérisée en ce que la forme Ze,oo de cette lentille (11) est décrite par un ensemble de surfaces élémentaires (dS) à chacune desquelles est associée une fonction Z(p) correspondant chacune à un point P à éclairer décrivant la surface de la lentille à une distance d de celle-ci, et l'angle ó que fait le plan médian passant par chacun des points P avec le plan horizontal, I'inclinaison de l'ensembles des surfaces élémentaires (dS) étant obtenue en interpolant ces fonctions Z(p) avec une fonction Z(x,y). 9. Lentille de correction d'angles (17) éclairée par un réflecteur quelconque (16), caractérisée en ce que la forme (Zr,p) de cette lentille (17) est décrite par un ensemble de surfaces élémentaires (dS) à chacune desquelles est associée une fonction Z(p) correspondant chacune à un plan médian (r,3) à éclairer défini par le paramètre distance (r) du centre de l'écran (10) à ses bords, et l'angle (D) que fait ce plan médian avec le plan horizontal, I'inclinaison de chacune des surfaces élémentaires (dS) étant obtenue en interpolant ces fonctions Z(p) avec une fonction Z(x,y). 10. Dispositif de focalisation de la lumière au travers d'un écran à cristaux liquides (4) caractérisé en ce qu'il comporte une lentille de correction d'angles (11) selon la revendication 8 illuminant par des faisceaux horizontaux (12) un réseau perpendiculaire (13) de microlentilles (Li), chacune des microlentilles (Li) focalisant au centre d'un pixel (Pi) d'un écran (4). 11. Système de projection au travers d'un écran à cristaux liquides (4) constitué entre autre d'un dispositif d'éclairement comportant une lampe (3) et un réflecteur (1;5) réfléchissant la lumière de la lampe (3) vers l'écran à cristaux liquides (4), caractérisé en ce que le réflecteur (1;5) est un réflecteur selon l'une des revendications 1 à 6. 12 2733062 12. Système de projection au travers d'un écran à cristaux liquides (4) caractérisé en ce qu'il comporte un réflecteur (5) selon la revendication 1, ainsi qu'une lentille de champ (8) selon la revendication 7. 13. Système de projection au travers d'un écran à cristaux liquides (4) caractérisé en ce qu'il comporte un réflecteur (5) selon la revendication 1, ainsi qu'une lentille de correction d'angle (11) selon la revendication 8. 14 Système de projection au travers d'un écran à cristaux liquides (4) caractérisé en ce qu'il comporte un réflecteur (5) selon la revendication 1 et un dispositif de focalisation de la lumière selon la revendication 9. 15. Système de projection au travers d'un écran à cristaux liquides (4) caractérisé en ce qu'il comporte un réflecteur (5) selon la revendication 1, une lentille de champ (8) selon la revendication 7 et un dispositif de focalisation de la lumière selon la revendication 9.