Brevet FR2755516A1 — publié le 19980507

DISPOSITIF COMPACT D'ILLUMINATION Le domaine de l'invention est celui des dispositifs d'illumination et plus précisément celui des dispositif d'illumination trichrome adapté à l'éclairage d'écran LCD. A l'heure actuelle de nombreuses applications en visualisation nécessitent de disposer de dispositifs d'illumination compacts et légers, permettant d'éclairer aussi bien des écrans de petite taille que des écrans de très grandes dimensions (surface supérieure au mètre carré). Pour certaines applications, I'optimisation des paramètres, compacité, efficacité lumineuse et contraste constitue un besoin majeur et notamment dans des applications telles que les imageurs ultra-légers pour visuel de casque en avionique ou bien encore pour des écrans plats muraux de télévision de grande taille typiquement 5 cm de profondeur pour une image de 1 mètre de diagonale, fonctionnant en vision directe. En effet, les solutions actuelles pour imageur de casque sont basées sur l'utilisation de mini-tubes CRT monochromes, cependant la présentation d'images trichromes dans ces applications constitue un besoin impératif à condition d'être en mesure de satisfaire simultanément aux critères de compacité-poids et de luminosité. Avec les techniques actuelles, I'utilisation d'un écran LCD présente un avantage certain sur le plan compacité-poids, néanmoins de nouvelles solutions d'éclairage doivent entre envisagées pour assurer une luminance suffisante permettant de présenter à l'utilisateur une image de contraste suffisant (typiquement supérieur à 5), en particulier lorsqu'il évolue dans une ambiance lumineuse élevée (pilote en mission de jour). De la même manière, dans ies applications d'écran de télévision de grandes dimensions, les solutions LCD actuellement mises en oeuvre sont basées sur des techniques de projection qui conduisent à une profondeur non négligeable de 20 à 40 cm dans des formats image de l'ordre de 1 mètre de diagonale. A titre d'exemple, la figure 1 illustre un exemple de dispositif de visualisation utilisant un générateur d'image Gl comprenant notamment une source et une matrice active, une optique de projection OP et un miroir de renvoi Mp, en direction de l'écran E, I'ensembJe constituant un dispositif encombrant. Une alternative consisterait à utiliser des écrans LCD en vision directe, basée sur une technologie spécifique compatible avec un adressage à cadence vidéo, I'adressage de pixels de grandes tailles étant plus difficile à réaliser en raison des capacités importantes, inhérentes de pixels électrooptiques de grandes tailles. Les grands écrans présentent l'intérêt de pouvoir s'affranchir d'optique de projection, mais à l'heure actuelle, les dispositif de rétro-éclairage à base de tubes fluorescents développés pour les applications informatiques ne présentent pas les caractéristiques de luminance et de contraste, requises pour la présentation d'une image vidéo satisfaisante dans le domaine grand public. Pour pallier ces différents inconvénients, l'invention a pour objet un dispositif compact d'illumination mettant en oeuvre des moyens originaux d'anamorphose pour adapter l'étendue d'une source à l'illumination d'un format d'écran, compatible avec une structure compacte de visualisation dont la profondeur est très faible par rapport à la section de l'illumination. Plus précisément, I'invention a pour objet un dispositif compact d'illumination, comprenant au moins une source et des moyens de collimation pour délivrer une direction d'éclairement de la source suivant une direction dite verticale Dy caractérisé en ce qu'il comprend: - un composant optique assurant l'anamorphose de l'éclairage dans une direction sensiblement parallèle à la direction dite verticale; - un composant optique assurant l'anamorphose de l'éclairage dans une direction dite horizontale sensiblement perpendiculaire à la direction dite verticale, de manière à adapter l'étendue de la source à l'illumination d'un format rectangulaire donné. Selon une variante, le composant optique M1 est un composant réfléchissant, incliné d'un angle Ol par rapport à la direction Dy. Ce composant optique M1 peut avantageusement être réfléchissant et constitué de micro prismes faisant chacun un angle d'environ 45 avec la direction Dy. Ce composant optique M1 peut également avantageusement être un composant diffractif constitué de micro-strates d'indice, inclinées à environ 45" avec la direction Dy. Dans le cas d'illumination trichrome destinée à l'éclairage d'écran couleur, le composant M1 peut avantageusement comprendre la superposition de trois réseaux holographiques, réfléchissant respectivement le rouge, le vert et le bleu ces trois réseaux peuvent être inscrits dans une couche unique ou dans plusieurs couches de matériaux photosensibles. De plus, les micro-strates d'indice peuvent conférer au réseau une fonction de séparation chromatique, par dispersion angulaire des couleurs rouge, vert, bleu. Pour réaliser cette fonction le composant M1 peut comprendre la superposition d'au moins deux réseaux holographiques dont le pas et l'orientation des strates (voisines de 45" par rapport à Dy) sont adaptées à la dispersion selon une direction donnée (voisine de la direction Dx) des couleurs rouge1 vert, bleu. En effet, deux réseaux peuvent suffire dans la mesure où un premier réseau disperse beaucoup dans le rouge et un peu dans le vert, un second réseau dispersant beaucoup dans le bleu et un peu dans le vert, I'ensemble dispersant suffisamment dans le rouge, dans le vert et dans le bleu. Selon une variante de l'invention, le composé optique M2 est un composant fonctionnant en réflexion, incliné d'un angle O2 par rapport à la direction Dx sensiblement perpendiculaire aux directions Dy et Dz. II peut avantageusement comprendre des micro-prismes faisant chacun un angle d'environ 45" avec la direction Dx ou comprendre des micro-strates d'indice, inclinées à environ 45" de la direction Dx. Lorsque le composant M2 est un composant de type réseau holographique diffractif, il peut diffracter les couleurs rouge, vert, bleu et ce, qu'il fonctionne en réflexion ou en transmission. Lorsque le composant M2 fonctionne en réflexion, il peut être analogue au composant holographique M1 et être constitué d'au moins deux réseaux holographiques de pas et d'orientation de strates donnée pour disperser la lumière selon des directions différentes et ainsi assurer une fonction de dispersion chromatique. Lorsque le composant M2 fonctionne en transmission la fonction de dispersion est beaucoup mieux assurée qu'en réflexion et un unique réseau holographique peut suffire à assurer la dispersion chromatique angulaire. C'est pourquoi, I'invention a encore pour objet un dispositif compact d'illumination dans lequel le composant optique M2 est un composant diffractif, fonctionnant en transmission pouvant être incliné d'un angle e2 par rapport à la direction Dx ou parallèle à la direction Dx. Cette dernière configuration peut être particulièrement compacte lorsque le dispositif est intégré dans un dispositif de visualisation trichrome, le composant M2 peut être constitué d'un réseau de lentilles holographiques accolées à une matrice active. Dans ce cas le composant M2 assure plusieurs fonctions: - l'anamorphose selon la direction Dx; - la séparation chromatique; - la focalisation dans les pixels de la matrice active. 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 grâce aux figures annexées parmi lesquelles: - la figure 1 illustre un exemple de dispositif de visualisation comprenant un dispositif d'illumination selon l'art connu - la figure 2 illustre un premier exemple de dispositif d'illumination selon l'invention; - la figure 3 illustre un premier exemple de composant anamorphoseur M1 ou M2 pouvant être utilisé dans un dispositif d'illumination selon l'invention; - la figure 4 illustre un second exemple de composant anamorphoseur M1 ou M2 de type miroir holographique pouvant être utilisé dans un dispositif d'illumination selon l'invention; - la figure 5 illustre le principe d'enregistrement du miroir holographique selon la figure 4; - la figure 6 illustre un exemple de matrice active pouvant être utilisée dans un dispositif de visualisation comprenant un dispositif d'illumination selon l'invention; - la figure 7 illustre un exemple de matrice active pouvant être utilisée dans un dispositif de visualisation trichrome, comprenant un dispositif d'illumination selon l'invention; - la figure 8 illustre un exemple de dispositif de visualisation utilisant le dispositif d'illumination selon l'invention. Le dispositif compact d'illumination selon l'invention comprend de manière générale: - une source de lumière qui peut être monochrome ou trichrome; - un dispositif de collimation de la lumière; - deux composants optiques M1 et M2 assurant l'anamorphose de l'éclairage issu de la source et des moyens de collimation, I'un selon une direction verticale et l'autre selon une direction horizontale. La figure 2 illustre une première variante de l'invention dans laquelle une source 20 délivre un faisceau incident qui est collimaté par une lentille 21. Le diamètre + de la lentille est déterminant pour la profondeur du dispositif comme représenté sur cette figure. Dans cette configuration, le composant optique M1 est réfléchissant et possède une structure permettant d'étaler spatialement le faisceau suivant une seule direction, en l'occurrence selon la direction verticale Dy. Le composant M2 intercepte le faisceau ainsi étalé pour le réfléchir selon la direction Dza perpendiculaire au plan image défini par les directions Dxl et Dy, la direction Dxl faisant un angle e2 avec la direction Dx. Pour intercepter tout le flux lumineux collimaté, le composant M1 fait un angle 61 avec la direction Dy, plus précisément le plan du composant M1 fait un angle 61 avec le plan défini par les directions Dz et Dy. De même, le plan du composant optique M2 fait un angle O2 avec le plan défini par les directions Dx et Dy pour intercepter le flux lumineux réfléchi par le composant optique M1. Comme l'illustre la figure 2, les dimensions de la zone d'éclairement ou plan image de la source sont définies par les paramètres L et t(. Dans le cas d'une pupille de section f x +, on a H = + cotg e1 et L = + cotg 62. La figure 3 schématise un premier exemple de composant réfléchissant anamorphoseur. II s'agit d'un composant anamorphoseur non diffractif et constitué de micro-prismes positionnés à 45" par rapport au faisceau incident d'angle 45 , métallisés pour assurer la fonction de réflexion. La figure 4 schématise un deuxième exemple de composant anamorphoseur de type miroir holographique. II est constitué par un réseau enregistré dans un matériau photosensible de type photopolymère. Un principe d'enregistrement du composant est donné en figure 5. Il s'agit de réaliser l'interférence de deux ondes planes Oî et 02, au sein du volume du matériau constitutif du composant anamorphoseur, pour réaliser des strates d'indices en volume dans ledit matériau. Après relecture par une onde plane à une longueur d'onde ho et dans la bande spectrale de fonctionnement, le réseau ainsi réalisé permet d'étaler le faisceau collimaté sur la hauteur H de la surface que l'on cherche à éclairer, avec H = f cotg 61. Lorsque l'on envisage un fonctionnement trichrome aux trois longueurs d'ondes moyennes primaires rouge, vert, bleu les filtres colorés classiquement utilisés peuvent être remplacés par le composant optique M1. Plus précisément, le composant M1 peut être réalisé en enregistrant la fonction d'anamorphose dans un film constitué de la superposition de trois couches sensibilisées respectivement dans le rouge, dans le vert et dans le bleu ou par la superposition dans un film unique de trois fonctions d'anamorphose chacune étant adaptée à une bande spectrale. L'obtention d'un éclairage collimaté dans la direction perpendiculaire Dx est assurée par le second composant anamorphoseur M2 comme indiqué sur la figure 2. Ce composant renvoie les rayons incidents dans une direction Dzw perpendiculaire au plan défini par les directions Dy et Dx. Dans le cas d'un écran de type LCD, il est possible d'ajuster exactement la direction d'éclairage et celle de meilleur contraste du LCD (correspondant à un angle d'environ 4 degrés par rapport à la normale au plan du LCD). Typiquement, le composant optique M2 peut être l'un de ceux représentés en figures 3 ou 4. Dans le cas où M1 n'assure pas la fonction de séparation chromatique, alors avantageusement, le composant optique M2 peut également assurer une fonction de séparation angulaire chromatique, par dispersion angulaire des composantes spectrales. Lorsqu'il fonctionne en réflexion, le composant M2 comprend au moins deux réseaux holographiques dont les strates d'indice sont judicieusement orientées par rapport à une direction moyenne de 45" par rapport à la direction Dy pour disperser suffisamment les trois composantes spectrale rouge, vert, bleu. Lorsque le composant M2 fonctionne en transmission, son efficacité de dispersion est plus élevée et un seul réseau d'indice peut suffire pour réaliser la dispersion des trois couleurs rouge, vert, bleu. L'utilisation d'un composant anamorphoseur capable d'assurer une fonction de séparation chromatique permet de supprimer l'emploi des filtres colorés généralement utilisés dans des dispositifs de visualisation. Nous allons décrire des exemples de dispositifs de visualisation pour lesquels le dispositif d'illumination selon l'invention est particulièrement intéressant. D'une manière générale, I'éclairage collimaté compact précédemment décrit peut être destiné par exemple à l'illumination d'un écran à matrice active, qui peut être positionné directement en sortie du dispositif d'illumination. Cependant les écrans LCD, de part la structure de la matrice active présente une faible surface utile. Pour améliorer la luminance de l'image LCD, il est connu d'utiliser une matrice de lentilles qui focalise l'éclairage incident dans la zone transparente du pixel. Pour être avantageuses, ces situations nécessitent de disposer d'un éclairage particulièrement collimaté pour que l'image de la source formée au foyer de chacune des lentilles et située dans la couche de cristal liquide, soit adaptée à la surface utile du pixel. Le dispositif d'illumination proposé dans l'invention est particulièrement avantageux pour exploiter ces techniques, notamment dans le cas d'applications utilisant des micro-lentilles de caractéristiques standard (typiquement une focale de quelques millimètres et une pupille de l'ordre de 100 pm) qui permettent d'exploiter l'ensemble du flux émis par la source. Application vidéo de grande dimension Le dispositif d'illumination compact selon l'invention peut dans ce cas présenter les caractéristiques suivantes: - une source type lampe à arc court, par exemple une lampe à halogénures métalliques de faible étendue géométrique correspondant à un arc d'environ 1 mm; - une lentille de collimation de la lampe à arc court de focale f = 100 mm et de diamètre 4 > = 50 mm - deux composants optiques anamorphoseurs M1 et M2 comprenant des réseaux holographiques inscrits dans une couche d'épaisseur voisine de 10 pm dans un matériau photosensible. Le dispositif d'illumination fournit un éclairage collimaté dans les directions Dx et Dy sur une surface H x L, pouvant typiquement être adapté à une taille d'écran de 800 x 600 mm?. Les dimensions H et L sont déterminées par les paramètres + diamètre de la lentille de collimation et les angles 01 et 62 dont sont inclinés les composants M1 et M2. La matrice cristal liquide de grandes dimensions peut avantageusement comprendre des petits pixels élémentaires de dimensions voisines de 60 pm x 60 pm répartis selon un pas de l'ordre de 1 mm comme illustré en figure 6. Avec des pixels cristal liquide de petites tailles (typiquement 60 pm x 60 pm) on s'affranchit des problèmes d'adressage à la cadence vidéo (typiquement on cherche à l'heure actuelle à adresser l'ensemble des points d'une ligne d'environ 800 pts, en 60 us). Pour accroître l'efficacité d'illumination, il suffit de prévoir un réseau de micro-lentilles R1 compris entre le dispositif d'illumination et la matrice active, pour focaliser l'éclairage collimaté sur chaque pixel élémentaire. Le réseau de lentilles peut être rapporté sur la face arrière de la matrice ou directement réalisé en face arrière par moulage notamment, le tirage des lentilles pouvant être comparable à l'épaisseur de la matrice active, de manière à disposer d'un ensemble réseau R1 de lentilleslmatrice active, très compact (typiquement, le tirage des lentilles peut être de l'ordre de 6 mm, et le pas des lentilles voisin du millimètre). La configuration adoptée de matrice active peut à titre d'exemple, être du type de celle représentée en figure 7. Dans le cas de dispositif de visualisation trichrome, chaque point blanc est constitué d'une triade de sous pixels élémentaires, rouge, vert, bleu. Dans ce type d'architecture trichrome le pas du réseau de lentilles est du même ordre de grandeur que le pas des triades. La figure 8 illustre un exemple de dispositif de visualisation. En sortie de la matrice active un second réseau de microlentilles R2 génère un faisceau dont l'intensité a été modulée par chaque pixel élémentaire en fonction des signaux électriques appliqués. Ce faisceau collimaté en direction d'un observateur peut être diffusé par un diffuseur D, de manière à adapter le diagramme de rayonnement du dispositif de visualisation. Dans la variante précédemment décrite le réseau de lentilles R1 et la matrice active sont placées dans le plan défini par les directions (Dx, Dy). Selon une autre variante de l'invention, le dispositif de visualisation peut être rendu encore plus compact en positionnant le composant optique M2 et la matrice active dans le même plan défini par les directions Dx et Dy, la direction Dx faisant un angle 62 avec la direction Dx. Dans cette configuration, le composant M2 est un composant diffractif fonctionnant en transmission. Le réseau de lentilles R1 peut être intégré au composant M2, en réalisant un réseau de lentilles holographiques en transmission, inscrites par interférence d'une onde plane et d'une onde sphérique. Application visuel de casque II s'agit de réaliser un dispositif de visualisation très léger et très compact pouvant être intégré dans un casque. Pour cela, le dispositif d'illumination peut comprendre une source laser solide dont l'étendue géométrique est très faible (inférieure à 1 mm2.sr), permettant la focalisation de la source laser dans des pixels de très petites tailles (environ 20 um x 20 pm) avec des matrices de micro-lentilles situées sur la contre-lame de la matrice LCD. Ces conditions d'utilisation permettent de réaliser des afficheurs à très haute résolution et compte tenu de la taille réduite de ces dispositifs, les puissances des sources laser mises en jeu sont faibles (de l'ordre de 10 mW). REVENDICATIONS 1. Dispositif compact d'illumination, comprenant au moins une source et des moyens de collimation pour délivrer une direction d'éclairement de la source suivant une direction dite verticale (Dy), caractérisé en ce qu'il comprend: - un composant optique (M1) assurant l'anamorphose de l'éclairage dans une direction sensiblement parallèle à la direction dite verticale; - un composant optique (M2) assurant l'anamorphose de l'éclairage dans une direction dite horizontale (Dz) sensiblement perpendiculaire à la direction dite verticale1 de manière à adapter l'étendue de la source à l'illumination d'un format rectangulaire. 2. Dispositif compact d'illumination selon la revendication 1, caractérisé en ce que le composant optique (M1) réfléchissant est incliné d'un angle 61 par rapport à la direction (Dy). 3. Dispositif compact d'illumination selon la revendication 2, caractérisé en ce que le composant optique (M1) fonctionnant en réflexion est constitué de micro prismes chacun faisant un angle d'environ 45" avec la direction (Dy). 4. Dispositif compact d'illumination selon la revendication 2, caractérisé en ce que le composant optique (M1) fonctionnant en réflexion est constitué de micro strates d'indices inclinées à environ 45" avec la direction (Dy). 5. Dispositif compact d'illumination selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le composant optique (M2) est un composant réfléchissant, incliné d'un angle 62 par rapport à une direction (Dx), sensiblement perpendiculaire aux directions (Dy) et (Dz). 6. Dispositif compact d'illumination selon la revendication 5, caractérisé en ce que le composant optique (M2) réfléchissant est constitué de micro-prismes faisant chacun un angle d'environ 45" avec la direction (Dx). 7. Dispositif compact d'illumination selon la revendication 5, caractérisé en ce que le composant optique (M2) réfléchissant est constitué de micro-strates d'indices inclinées à environ 45" de la direction (Dx). 8. Dispositif compact d'illumination trichrome selon l'une des revendications 4 ou 7, caractérisé en ce que les composants (M1) ou (M2) comprennent une superposition de trois réseaux, un premier réseau assurant l'anamorphose pour le rouge, un second réseau assurant l'anamorphose pour le vert, un troisième réseau assurant l'anamorphose pour le bleu. 9. Dispositif compact d'illumination trichrome selon l'une des revendications 4 ou 7, caractérisé en ce que les composants (M1) ou (M2) comprennent une superposition d'au moins deux réseaux constitués de micro-strates d'indices inclinées selon des directions différentes et voisines de 45C de manière à disperser selon trois directions OR. OV et 68, les couleurs rouge, vert, bleu. 10. Dispositif compact d'illumination selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le composant optique (M2) est un composant fonctionnant en transmission, diffractif parallèle à la direction (Dx). 11. Dispositif compact d'illumination trichrome selon la revendication 10, caractérisé en ce que le composant optique (M2) comprend un réseau de micro-strates d'indice capable de disperser le rouge selon une direction OR. le vert selon une direction Ov et le bleu selon une direction e8. 12. Dispositif compact d'illumination selon la revendication 10, caractérisé en ce que le composant diffractif (M2), fonctionnant en transmission est constitué d'un réseau de lentilles holographiques. 13. Dispositif de visualisation comprenant un modulateur spatial de lumière et un dispositif compact d'illumination selon l'une des revendications 1 à 12, pour éclairer ledit modulateur spatial de lumière. 14. Dispositif de visualisation trichrome selon les revendications 12 et 13, caractérisé en ce que le composant optique (M2) diffractif est superposé au modulateur spatial de lumière.