Brevet FR2747486A1 — publié le 19971017

Dispositif de répartition de lumière sur un support d'image L'invention concerne un dispositif pour répartir la lumière émise par une source quasi-ponctuelle sur la surface d'un support d'image comprenant, des moyens de focalisation pour projeter ladite lumière vers un point image de la source, un élément optique divergent propre à transformer le faisceau convergent provenant des moyens de focalisation en un faisceau divergent, et un condenseur reprenant ledit faisceau divergent pour le concentrer vers le support d'image. L'invention s'applique plus particulièrement au cas où le support d'image a une dimension supérieure à 8 cm. On utilise des lampes à arc au xénon d'une puissance au moins égale à 1 600 w dans des projecteurs de diapositives de grand format. Dans ces projecteurs, la lampe à arc au xénon est utilisée en tant que source lumineuse quasi-ponctuelle, c'est-à-dire qu'on recueille et qu'on transmet par différents éléments optiques la lumière émise à partir d'un volume réduit, dont les dimensions ne sont que de quelques millimètres. A l'intérieur de ce petit volume existe un fort gradient de luminance entre l'anode et la cathode. La luminance très élevée (point chaud) au voisinage de la cathode se traduit par un point chaud au centre de la diapositive. Pour éviter de brûler celle-ci, une solution connue consiste à étaler le faisceau, ce qui conduit à la perte d'une partie importante de la lumière. En outre, l'éclairement de la surface de la diapositive reste très hétérogène, l'éclairement étant à peu près deux fois plus faible aux bords qu'au centre. Le but de l'invention est de remédier aux inconvénients précités, et d'améliorer à la fois le rendement de la collecte de lumière sur la diapositive, ou tout autre support d'image, et l'uniformité de sa répartition sur celui-ci. Ce problème se pose plus particulièrement pour un support stationnaire, c'est-à-dire qui reste immobile de façon prolongée, par opposition à un film cinématographique qui défile de façon continue. L'invention vise notamment un dispositif du genre défini en introduction, et prévoit que ledit élément optique divergent comprend une partie centrale traversée par l'axe du faisceau et une partie périphérique annulaire entourant la partie centrale, cette dernière ayant une puissance optique plus grande que la partie périphérique de façon que les rayons lumineux qui la traversent soient répartis sensiblement sur la même étendue du support d'image que l'ensemble des rayons traversant l'élément optique divergent. Des caractéristiques optionnelles du dispositif selon l'invention, complémentaires ou alternatives, sont énoncées ci-après: - L'élément optique divergent comprend une lentille dont une face est concave et présente un rayon de courbure plus petit dans une région centrale que dans la région périphérique entourant celle-ci, ladite région centrale et ladite région périphérique définissant les parties centrale et périphérique de l'élément divergent. - L'élément optique divergent comprend au moins deux lentilles divergentes disposées en succession le long de l'axe du faisceau et s'étendant radialement sur des distances différentes à partir de celui-ci, la lentille de plus petite extension radiale définissant la partie centrale de l'élément optique divergent. - La ou chaque lentille de l'élément divergent présente une face plane et une face concave. - Ladite face plane est la face d'entrée. - La source est une lampe à arc au xénon. - Ladite lampe a une puissance supérieure ou égale à 1 600 W. - Les moyens de focalisation comprennent un miroir concave ellipsoïdal. - Il comprend un objectif disposé après le support d'image, propre à projeter sur un écran de plusieurs mètres de côté une image formée sur ledit support d'image. Les caractéristiques et avantages de l'invention seront exposés plus en détail dans la description ci-après, en se référant aux dessins annexés, sur lesquels: - La figure 1 est une représentation schématique partielle d'un projecteur de diapositives selon l'invention; - La figure 2 correspond à une partie agrandie de la figure 1, pour une variante du dispositif; - Les figures 3 et 4 sont des schémas illustrant la répartition de lumière sur un écran obtenue au moyen d'un projecteur selon l'invention; et - Les figures 5 et 6 sont des schémas analogues aux figures 3 et 4, relatifs à un projecteur connu. Le projecteur illustré à la figure 1 utilise comme source lumineuse une lampe à arc au xénon 1. Une telle lampe émet une lumière pratiquement blanche, à partir d'un volume très réduit assimilable à un point P. Cependant, la luminance varie de façon importante à l'intérieur de ce petit volume. A titre d'-exemple, pour une lampe commercialisée par la société OSRAM sous la désignation XBO, d'une puissance de 2 500 W, la luminance passe d'une valeur maximale de 360 000 cd/cm2 au voisinage immédiat du centre de la cathode à 10 000 cd/cm2 au centre de l'anode. Le point P est situé au premier foyer d'un miroir concave ellipsoïdal 2 d'axe vertical dont la concavité est tournée vers le bas. Un miroir froid 3, orienté à 45 par rapport à l'axe 4 du miroir concave 2, est traversé par les rayons infrarouges renvoyés par celui-ci et réfléchit les rayons visibles selon un faisceau convergent 5 ayant un axe horizontal 6. Le faisceau 5 traverse une lentille divergente 7 qui le transforme en un faisceau divergent 8, lequel arrive sur un condenseur 9 représenté ici sous la forme de deux lentilles convergentes. Le condenseur 9 est immédiatement suivi, le long de l'axe 6, par une diapositive 10 sur la surface de laquelle est répartie la lumière émise par la lampe 1 et traitée par les miroirs 2 et 3, la lentille 7 et le condenseur 9. Un objectif 11 également centré sur l'axe 6 permet de projeter le contenu de la diapositive sur un écran vertical non représenté, placé à distance du projecteur. La structure générale du projecteur qui vient d'être décrite est connue, et les figures 5 et 6 illustrent la répartition de lumière obtenue lors de la projection d'une diapositive carrée de 155 mm de côté, uniformément blanche, sur un écran de 1 m de côté, en utilisant comme lentille 7 une lentille divergente simple. Sur la figure 5, les nombres indiqués à côté des points représentent l'éclairement en lux aux points considérés. La courbe de la figure 6 représente la variations de l'éclairement le long d'une ligne droite passant par le centre C de l'écran et par les milieux A et B de deux côtés opposés de celui-ci. On voit que l'éclairement varie sensiblement du double au simple entre le point C et chacun des points A et B. Le rapport est encore plus grand (figure 5) entre le centre C et les zones d'angles de l'écran. De plus, la figure 6 montre qu'une quantité appréciable de lumière est projetée au-delà des points A et B, c'est-à-dire à l'extérieur de l'écran carré, et par conséquent perdue. Selon l'invention, la face de sortie concave de la lentille 7 présente une région centrale 12 en forme de calotte sphérique, qui se raccorde à une région périphérique 13 en forme d'anneau de sphère. Les régions 12 et 13 sont toutes deux de révolution autour de l'axe 6. La région 13 présente un rayon de courbure plus grand que la région 12 de façon à définir une partie annulaire 14 de la lentille de puissance optique plus petite que la partie centrale 15 définie par la région 12. Les rayons de courbure des régions 12 et 13 sont choisis de telle sorte que la partie 16 du faisceau 8 traversant la partie centrale 15 de la lentille soit répartie sensiblement sur toute la surface utile du condenseur 9, comme l'est le faisceau 8 dans son ensemble. I1 en résulte une répartition élargie de la lumière provenant de la région la plus chaude de la lampe 1, la lumière provenant de la source n'étant pas davantage étalée dans son ensemble et étant donc finalement projetée à l'intérieur de l'écran. Les figures 3 et 4, établies de la même façon que les figures 5 et 6 à partir d'une projection réalisée en utilisant la lentille 7 décrite, montrent que la lumière est effectivement recueillie à peu près intégralement sur l'écran, et répartie de façon à peu près uniforme sur la surface de celui-ci. On décrit en détail ci-après un exemple de réalisation de l'invention. On utilise une lampe OSRAM XBO d'une puissance de 2 000 W. Cette lampe traverse un trou central de diamètre 55 mm ménagé au fond du miroir ellipsoïdal 2 qui présente un diamètre d'ouverture de 203 mm, les deux foyers étant respectivement à 30 mm et à 420 mm du sommet O du miroir. Le coefficient de réflexion du miroir 2 est de 0,80. La face d'entrée de la lentille 7 se trouve à 320 mm du point O, compte tenu de la réflexion du miroir 3. Les rayons de courbure des régions 12 et 13 de la face de sortie sont de 32 et 43 mm respectivement, les diamètres extérieurs de ces régions étant respectivement de 36 et 72 mm. La diapositive 10 est un carré de 155 mm de côté, placée à une distance du point O de 887 mm. Les deux lentilles du condenseur 9 ont un diamètre de 230 mm. La face d'entrée plane de la première lentille est à 769 mm du point O, et sa face de sortie a une forme de calotte sphérique convexe d'un rayon de 233 mm. La face d'entrée de la seconde lentille, placée à 829 mm du point O, présente un rayon de courbure convexe de 175 mm, et sa face de sortie est plane. L'indice de réfraction de la lentille 7 est 1,48 et celui des lentilles 9 est 1,52. Compte tenu de l'ensemble des valeurs numériques ci-dessus, la lumière envoyée sur la diapositive provient d'une région de la lampe en forme de cylindre d'un diamètre de 1,3 mm et d'une longueur de 3 mm, dont l'une des bases a pour centre le centre de la cathode. Le flux lumineux reçu par la diapositive représente environ 43% du flux total émis, et le rapport entre l'éclairement minimal et l'éclairement maximal est d'environ 70%. La lentille 7 peut être remplacée, comme représenté à la figure 2, par deux lentilles divergentes de diamètres différents, disposées lune à la suite de l'autre sur le trajet de la lumière. Dans l'exemple représenté, chacune de ces deux lentilles possède une face d'entrée plane et une face de sortie en forme de calotte sphérique concave, la seconde lentille 21 étant plus petite que la première lentille 20. Cette dernière est donc traversée par la totalité du faisceau envoyé vers la diapositive, tandis que la lentille 21 n'est traversée que par une partie centrale 16 de ce faisceau. La lentille 21 définit donc une partie centrale, de plus grande puissance optique, de l'élément divergent constitué par l'ensemble des deux lentilles. Au lieu d'une seule lentille 21, on peut utiliser un dispositif constitué de plusieurs petites lentilles divergentes placées côte à côte. Il est par ailleurs possible de subdiviser la partie périphérique de l'élément optique divergent en portions annulaires coaxiales de puissance optique différente. La forme de l'élément optique divergent étant choisie, ses caractéristiques numériques peuvent être définies, en fonction des paramètres de l'ensemble du dispositif, en utilisant des méthodes de calcul courantes en optique. Revendications 1. Dispositif pour répartir la lumière émise par une source quasi-ponctuelle (1) sur la surface d'un support d'image (10), comprenant des moyens de focalisation (2) pour projeter ladite lumière vers un point image de la source, un élément optique divergent (7) propre à transformer le faisceau convergent provenant des moyens de focalisation en un faisceau divergent, et un condenseur (9) reprenant ledit faisceau divergent pour le concentrer vers le support d'image, caractérisé en ce que ledit élément optique divergent comprend une partie centrale (15) traversée par l'axe (6) du faisceau et une partie périphérique annulaire (14) entourant la partie centrale, cette dernière ayant une puissance optique plus grande que la partie périphérique de façon que les rayons lumineux (16) qui la traversent soient répartis sensiblement sur la même étendue du support d'image que l'ensemble (8) des rayons traversant l'élément optique divergent. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l'élément optique divergent comprend une lentille dont une face est concave et présente un rayon de courbure plus petit dans une région centrale (12) que dans la région périphérique (13) entourant celle-ci, ladite région centrale et ladite région périphérique définissant les parties centrale et périphérique de l'élément divergent. 3. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l'élément optique divergent comprend au moins deux lentilles divergentes (20, 21) disposées en succession le long de l'axe (6) du faisceau et s'étendant radialement sur des distances différentes à partir de celui-ci, la lentille (21) de plus petite extension radiale définissant la partie centrale de l'élément optique divergent. 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la ou chaque lentille de l'élément divergent présente une face plane et une face concave. 5. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel ladite face plane est la face d'entrée. 6. Dispositif selon lune des revendications précédentes, dans lequel la source (1) est une lampe à arc au xénon. 7. Dispositif selon la revendication 6, dans lequel ladite lampe a une puissance supérieure ou égale à 1 600 W. 8. Dispositif selon lune des revendications précédentes, dans lequel les moyens de focalisation comprennent un miroir concave ellipsoïdal (2). 9. Dispositif selon lune des revendications précédentes, comprenant en outre un objectif (11) disposé après le support d'image, propre à projeter sur un écran de plusieurs mètres de côté une image formée sur ledit support d'image (10).