Brevet FR2755530A1 — publié le 19980507

DISPOSITIF DE VISUALISATION ET ECRAN PLAT DE TELEVISION UTILISANT CE DISPOSITIF Le domaine de l'invention est celui des dispositifs de visualisation et notamment celui des écrans plats de télévision de grande dimension, constitué par une matrice active à cristal liquide à adressage matriciel (LCD). Actuellement, la réalisation d'écrans plats de télévision de grandes dimensions (épaisseur inférieure à 5 cm et surface supérieure à 1 m2) constitue un objectif prioritaire pour la présentation d'images couleurs TV à haute définition. Les applications de ces écrans sont extrêmement variées et couvrent à la fois le domaine professionnel et le domaine grand public. A ce jour, I'obtention d'images de télévision de grandes dimensions est réalisée par projection sur un écran de l'image, d'une matrice cristal liquide de petite taille (de diagonale inférieure à 5 cm). Plusieurs sociétés réalisent et commercialisent aujourd'hui des systèmes de projection frontale ou de rétroprojection. Ces systèmes présentent cependant des performances limitées compte tenu des paramètres suivants: - l'encombrement de la structure globale: projection plus écran; - la faible efficacité optique d'un système de projection; - une luminance insuffisante de l'image projetée lorsque celle-ci est de grande dimension. Dans ces conditions, il serait particulièrement intéressant de s'orienter vers un véritable écran plat à matrice active cristal liquide, de grande taille à vision directe sans dispositif de projection. Néanmoins, l'extension des technologies actuelles des matrices actives à cristal liquide de grande taille est essentiellement limitée par la dimension des pixels élémentaires desdites matrices actives, nécessaires à la réalisation de l'écran plat. En effet, lorsque l'on envisage des tailles de pixels de l'ordre du mm2, une telle surface de l'élément électrooptique cristal liquide conduit à une capacité importante du pixel. Cette capacité importante nuit au fonctionnement de l'écran de grande taille à la cadence vidéo. A l'heure actuelle, on arrive à adresser l'ensemble des points d'une ligne (environ 800 points) en 60 IJS, ceci est rendu possible grâce à la faible taille des pixels (100 pm x 100 pm). Un tel adressage devient difficile lorsqu'on augmente la taille des pixels élémentaires au-delà de cette dimension. Pour résoudre ce problème, la présente invention propose un dispositif de visualisation et notamment un écran plat de télévision, comprenant une matrice de grande dimension avec une taille de pixels petite devant le pas des points blancs images. En utilisant un dispositif d'éclairage compact compatible avec un éclairage collimaté qui exploite le maximum de flux lumineux, il devient possible d'obtenir un écran de visualisation plat et de grandes dimensions, en vision directe (sans optique de projection encombrante) et adressable à la cadence vidéo en raison de faibles dimensions des pixels élémentaires. Plus précisément, I'invention a pour objet un dispositif de visualisation comprenant une source d'éclairage émettant un rayonnement Ip, et un modulateur spatial de lumière éclairé par le rayonnement Ip, ledit modulateur étant constitué d'une matrice de NxM pixels élémentaires (Xi j) de dimensions dNxdM, les pixels Xi j et Xi+1 ,j étant séparés d'un pas pN, les pixels Xi,j et Xi il étant séparés d'un pas pM caractérisé en ce que le dispositif comprend des moyens de collimation du rayonnement lp dans chaque pixel et en ce que le pas pN est supérieur d'au moins un ordre de grandeur à la dimension dN. Selon une variante préférentielle de l'invention le pas pM est supérieur d'au moins un ordre de grandeur à la dimension dM. L'invention a aussi pour objet un dispositif de visualisation couleur comprenant un dispositif de visualisation comprenant une source de lumière émettant simultanément plusieurs rayonnements dans des gammes de composantes chromatiques (R, V, B) et un modulateur spatial de lumière comprenant une matrice de NxM dots élémentaires (Dij), chaque dot comportant au moins un sous-pixel élémentaire par gamme de composante chromatique (XRj ; XVi,j XBij) de dimensions dNxdM, les sous-pixels XRi,j (XVi,j ; XBi,j) étant séparés des sous-pixels XR(i+1 ),j (XV(i+1 ),j XB(i+1 ),j) par un pas pN, les pixels XRi1j (XVi,j ; XBi,j) étant séparés des pixels XRi,j+1 (XVi,j+1 ; XBi,j+1) par un pas pM, caractérisé en ce que le pas pN est supérieur d'au moins un ordre de grandeur à la dimension dN. De manière préférentielle, la source d'éclairage est focalisée par un réseau de lentilles dans chaque pixel élémentaire, la pupille étant de l'ordre de grandeur du paramètre PNxpM. Pour collimater efficacement, le flux lumineux dans les petits pixels de ia grande matrice, I'invention propose d'utiliser des sources d'éclairage, plus compacte que les sources d'éclairage classique utilisant notamment des réflecteurs paraboliques et des collimateurs standard. C'est pourquoi, I'invention a aussi pour objet un dispositif de visualisation comprenant une source d'éclairage qui comporte une source lumineuse et un guide d'onde de lumière couplé à ladite source lumineuse, le guide d'onde de lumière comportant un élément diffractant, situé le long du guide pour diffracter des rayons lumineux émergents issus de la source, dans une direction sensiblement perpendiculaire à la surface du guide d'onde, ladite surface du guide d'onde étant sensiblement parallèle au plan du modulateur spatial de lumière. Selon une autre variante de l'invention, le dispositif de visualisation comprend un modulateur spatial de lumière dans un plan (yox), une source de lumière et des moyens de collimation de ladite source de manière à créer un faisceau collimaté dans un plan (zox), un premier miroir M1 anamorphoseur dont la surface fait un angle Ol avec le plan (zoy) pour étaler le faisceau collimaté dans un plan (yox) et un second miroir M2 faisant un angle e2 avec le plan (yox) pour renvoyer le faisceau collimaté en direction du modulateur spatial de lumière. La fonction d'anamorphose peut être réalisée par un réseau d'indice ou un réseau de relief. Avantageusement, le miroir M2 peut être un miroir diffractif capable de disperser angulairement les composantes R, V, B d'un rayonnement incident dans le cas de modulateur spatial comprenant des sous-pixels élémentaires XRi,j, Xvi,j, Xi;,;. L'invention a aussi pour objet un procédé de réalisation d'un dispositif de visualisation selon l'invention, comprenant la fabrication d'un modulateur spatial de lumière constitué d'une matrice de N x M pixels élémentaires sur un substrat en utilisant plusieurs étapes de masquage à l'aide de masques adaptés pour définir les N x M pixels élémentaires, les électrodes de commande et les circuits de commutation du modulateur spatial, ce procédé étant caractérisé en ce que: - il comprend la mise en oeuvre d'un réseau R1 de lentilles en face arrière du substrat destiné à la réalisation du modulateur spatial; - les différents masques sont imagés directement au travers du réseau R1 de lentilles pour réaliser en face avant du substrat les pixels élémentaires, les électrodes et les circuits de commande. 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. une première configuration de matrice active utilisée dans un dispositif de visualisation selon l'invention; - la figure 2 illustre une deuxième configuration de matrice active utilisée dans un dispositif de visualisation selon l'invention; - la figure 3 illustre un exemple de dispositif de visualisation selon l'invention comprenant un faisceau incident de lumière collimatée, deux réseaux de lentilles et un diffuseur; - la figure 4 illustre un premier exemple de source d'éclairage pouvant notamment être utilisée pour éclairer une matrice active du type de celle représentée en figure 1; - la figure 5 illustre un second exemple de source d'éclairage, pouvant notamment être utilisée pour éclairer une matrice active du type de celle représentée en figure 2; - la figure 6 illustre un exemple de miroir M1 anamorphoseur utilisé dans la source d'éclairage schématisé en figure 5; - la figure 7 illustre une troisième configuration de matrice active utilisée dans un dispositif de visualisation trichrome selon l'invention; - la figure 8 illustre un dispositif de visualisation trichrome - la figure 9 illustre une variante du dispositif trichrome de visualisation selon l'invention, utilisant une autre configuration possible pour les composants M1 et M2. Le dispositif de visualisation selon l'invention comprend un modulateur spatial de lumière de type matrice active à cristal liquide. L'invention réside dans le fait d'utiliser des pixels de faibles dimensions par rapport à la surface totale de l'ensemble des points images élémentaires. La figure 1 illustre une première configuration possible de matrice active comprenant un adressage matriciel obtenu par un réseau d'électrodes Ei, Ej capables de commander électriquement NxM pixels élémentaires, X de matériau électrooptique type cristal liquide via des transistors non représentés. Il peut avantageusement s'agir de transistors couche mince réalisé en technologie Si amorphe ou Si polycristallin. Dans cette configuration l'ensemble de la surface de pixels élémentaires reste faible devant la taille de la matrice. En effet, la dimension dN est inférieure d'au moins un ordre de grandeur au pas pN, la dimension dM pouvant être de l'ordre de grandeur du pas pM. La figure 2 illustre une matrice active similaire à celle de la figure 1, dans laquelle la taille des pixels élémentaires est davantage réduite puisque dans cette configuration les paramètres dN et dM sont du même ordre de grandeur. Pour illuminer une matrice active utilisée dans l'invention, on cherche à focaliser un rayonnement incident dans chaque pixel élémentaire Xi in Pour cela on utilise une source de lumière, des moyens de collimation et des moyens de focalisation de la lumière dans les différents pixels Xi,j. La figure 3 illustre un dispositif de visualisation selon l'invention, comprenant un réseau R1 de NxM lentilles permettant de focaliser un rayonnement incident collimaté Ip, sur chaque pixel élémentaire Xij. La matrice active présentant une épaisseur e de substrat S, il est possible de rapporter ou réaliser en face arrière de ladite matrice (côté opposé au pixel) un réseau de lentilles (par moulage notamment) dont le tirage t = f/n avec n indice du milieu (air ou substrat de la matrice active) serait supérieure ou égale à l'épaisseur e de manière à disposer d'un ensemble réseau R1 de lentilles/matrice active, très compact. Lorsque la matrice active qui doit être adressée est celle de la figure 1, le réseau R1 peut comprendre N lentilles cylindriques. Lorsque la matrice active est du type de celle représentée en figure 2, le réseau R1 peut comprendre NxM lentilles sphériques, le pas du réseau étant de l'ordre du paramètre pN (ou pM, pM étant voisin de PN) En sortie de la matrice active, le dispositif de visualisation peut comprendre de manière classique un second réseau R2 de lentilles, identique au réseau R1 et générant un faisceau dont l'intensité a été modulée par chaque pixel cristal liquide Xi,j en fonction des signaux électriques appliqués sur les électrodes Ei et Ej. 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. Le dispositif de l'invention comprend des moyens de collimation d'un faisceau incident pour éclairer le réseau R1 de lentilles1 en amont de la matrice cristal liquide. Le problème de l'adressage à cadence vidéo étant résolu, pour réaliser un écran de visualisation le plus plat possible malgré les grandes dimensions de la matrice active, plusieurs solutions concernant l'éclairage peuvent être retenues. Dans le cas de matrice active telle que celle illustrée en figure 1, la source d'éclairage peut comprendre une source de lumière, couplée à un guide de lumière plan, le guide comprenant un élément de réfraction, capable d'extraire une partie du faisceau incident issu de la source et se propageant en réflexion totale dans le guide, en direction de la matrice active. Cet élément diffractant situé le long du guide, peut typiquement être un élément holographique constitué par une couche de matériau comprenant un réseau d'indice, organisé en strates. Les strates sont orientées à environ 45" par rapport à l'axe du guide d'onde de lumière. La figure 4 illustre une telle source collimatée compacte. La source de lumière 11 est couplée à un guide de lumière, par un collimateur 12. L'élément diffractant 14 est placé au coeur du guide et diffracte des rayons émergents dans une direction perpendiculaire au plan du guide, représentée par le plan zoy, si le guide est un guide plan dans le plan yox. Cette source d'éclairage collimatée est disposée parallèlement à la matrice active et au réseau plan R1 de lentilles cylindriques. A l'entrée du guide, la lumière occupe toutes les incidences susceptibles de se propager dans un milieu d'indice (angle limite). L'élément diffractant peut avantageusement être un élément holographique obtenu par interférence de deux faisceaux cohérents dans le plan d'une couche photosensible. Pour diffracter des rayons émergents dans un plan zoy, I'élément holographique peut être réalisé en élaborant un réseau d'indice présentant de strates d'indices orientées dans un plan z'oy faisant un angle de 45" avec le plan zoy. La couche photosensible peut typiquement être de la gélatine bichromaté ou du photopolymère. Le guide d'onde couplé à la source de lumière, peut avantageusement présenter une structure de dièdre de manière à ramener des rayons émergents dans le cône de capture de l'hologramme correspondant à l'ensemble des angles d'incidence pour lesquels l'hologramme est diffractant dans le plan z'oy. Ce type de configuration de source d'éclairage permet de collimater efficacement le flux lumineux dans le plan zoy sur les pixels élémentaires Xi,j après focalisation par le réseau R1, la petite dimension dN selon l'axe x représenté en figure 4. Pour éclairer une matrice active du type de celle représentée en figure 2, le dispositif de visualisation peut comprendre une autre source d'éclairage délivrant un flux lumineux collimaté dans le plan zoy, et également collimaté dans le plan zox. La figure 5 illustre cette source d'éclairage comprenant une source de lumière 20, une lentille de collimation 21, un miroir anamorphoseur M1 et un second miroir M2. Le flux lumineux collimaté issu de la source 20, est réfléchi par le miroir M1 pour être renvoyé dans le plan yox parallèle au plan de la matrice active. Pour assurer cette fonction, le plan du miroir M1 fait un angle 0 avec le plan zoy de manière à intercepter l'ensemble des rayons lumineux collimatés. Pour assurer le renvoi de l'ensemble de ces rayons dans le plan souhaité, le miroir M1 présente une structure particulière de type réseau de relief ou d'indices avec des strates orientées à 45" de l'axe ox. La figure 6 schématise un exemple de miroir M1 qui peut également être de type holographique avec une fonction réseau à efficacité de diffraction élevée, enregistrée par exemple dans un matériau photopolymère. Après relecture par une onde plane, en l'occurrence le faisceau incident issu de la source, le réseau ainsi réalisé permet d'étaler le faisceau collimaté sur la hauteur H de la matrice active avec H = ctog 8 + étant le diamètre de la lentille de collimation 21. Un second miroir M2 assure la collimation du flux lumineux étalé sur l'ensemble de la surface de la matrice active. Ce miroir présente une structure similaire à celle du miroir M1 et est placé dans un plan faisant un angle +1 avec le plan yox comme indiqué en figure 5. La source d'éclairage précédemment décrite est particulièrement intéressante dans le cas d'écran de visualisation couleur et permet un éclairage pratiquement perpendiculaire au plan de l'écran. Dans ces applications la matrice active présente un dot constitué de sous pixels XiR,j, Xiv,j et XiR,j comme illustrée en figure 7. Dans ce cas on peut utiliser une source lumineuse 20 comportant les composantes spectrales rouge, vert, bleu, le flux lumineux collimaté puis étalé, est diffracté sur le miroir M2 qui peut présenter une structure diffractante telle qu'elle assure également la fonction de séparation chromatique comme illustrée en figure 8. Pour cela, le miroir M2 peut être avantageusement de type holographique dispersif, la dispersion angulaire étant obtenue par inclinaison des strates dans le volume du matériau photosensible ou par superposition de trois couches indépendantes diffractant selon des angles OR. ev = 0 et OB par rapport à la normale au plan de l'écran. Ainsi les faisceaux de lumière rouge, vert, bleu peuvent éclairer le réseau R1 de lentilles, qui focalisent les faisceaux respectivement dans les sous pixels élémentaires XRi,j XVi,j et XBi,j; lesdits faisceaux étant ensuite collimatés par le second réseau de lentilles R2 en direction du diffuseur D. Une telle configuration remplace avantageusement les filtres colorés, classiquement utilisés. Une variante du dispositif de visualisation trichrome permettant d'obtenir une dispersion chromatique élevée et plus particulièrement intéressant pour l'éclairage d'image de plus petite taille, consiste à placer la matrice active selon la diagonale AB représentée en figure 9 et un réseau holographique par transmission à haute efficacité, M'2 diffracte dans la direction moyenne e = 0 par rapport à la normale au plan de la matrice active. Comme dans le dispositif de visualisation trichrome précédemment décrits ce réseau assure la dispersion du faisceau collimaté de lumière blanche dans des directions angulaires ER, ev = O et OB. Les faisceaux ainsi générés sont focalisés respectivement sur les sous pixels élémentaires XRi,j, XVi,j et Xg; j. Une telle configuration est particulièrement compacte dans la mesure où le réseau de lentilles R1 est en contact avec le composant diffractif M'2. Dans ce cas, les composants M'2 et R1 peuvent être réunis en un composant diffractif unique effectuant à la fois la fonction focalisation et la fonction dispersion. Ce type de composant a été décrit par la demanderesse dans une précédente demande de brevet (n" de publication 2 711 878). Le dispositif de visualisation trichrome de l'invention permet ainsi de concevoir un écran cristal liquide de grande dimension à matrice active ayant les caractéristiques suivantes: - une faible dimension des pixels élémentaires, assurant le fonctionnement à cadence vidéo, et compatible avec les technologies classiques de réalisation des transistors et électrodes de commande; - un pas de la matrice (typiquement pN - pM = 1 mm) grand devant les dimensions des pixels élémentaires (typiquement dN ~ dM = 60 m) - des conditions d'éclairage efficace de la matrice cristal liquide, réalisé par des moyens d'anamorphose du faisceau incident et des moyens de focalisation spatio-chromatique dans chaque sous pixel élémentaire; - une structure extrêmement compacte (typiquement une épaisseur de l'ordre de 50 mm) et de grandes dimensions (typiquement supérieure à 800 x 600 mm2). Invention propose aussi un procédé original et direct pour réaliser la matrice active en utilisant des étapes de masquage directement au travers du réseau de lentilles R1. Dans l'art antérieur, les pixels élémentaires de la matrice active présentaient une surface, équivalente à la pupille des lentilles du réseau R1, il n'était donc pas envisageable avec des tirages voisins de l'épaisseur du substrat de la matrice active, d'imager des grandes surfaces à partir des lentilles utilisées. Selon l'invention cela devient possible en raison des surfaces de pixels élémentaires nettement plus petites que celles des pupilles des lentilles, Exemple de réalisation d'un dispositif de visualisation monochrome - Une matrice active à cristal liquide avec des pixels élémentaires de dimensions: dNxdM=60umx60pm séparés par des pas pN = pM = 1 mm la surface totale de la matrice active étant de 80 x 60 cm2 - une source de lumière type lampe à arc court par exemple une lampe à halogénures métalliques d'étendue d'arc environ 1 mm etdetiraget=6mm; deux réseaux de lentilles R1 et R2 de pupille carrée avec un pas de lentilles de 1 mm; - une lentille de collimation de la lampe à arc court de focale f = 100 mm et de diamètre + = 50 mm; - deux réseaux holographiques M1 et M2 fonctionnant en réflexion ou en transmission, réalisés sur un photopolymère d'épaisseur voisine de 10 pm. REVENDICATIONS 1. Dispositif de visualisation comprenant une source d'éclairage émettant un rayonnement Is, et un modulateur spatial de lumière éclairé par le rayonnement Is, ledit modulateur étant constitué d'une matrice de NxM pixels élémentaires (Xi,j) de dimensions dNxdM, les pixels Xi,j et Xi+1 ,j étant séparés d'un pas pN, les pixels Xi,j et Xi,j+1 étant séparés d'un pas pM caractérisé en ce que le dispositif comprend des moyens de collimation du rayonnement Is dans chaque pixel et en ce que le pas pN est supérieur d'au moins un ordre de grandeur à la dimension dN. 2. Dispositif de visualisation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le pas pM est supérieur d'au moins un ordre de grandeur à la dimension dM. 3. Dispositif de visualisation comprenant une source de lumière émettant simultanément plusieurs rayonnements dans des gammes de composantes chromatiques (R, V, B) et un modulateur spatial de lumière comprenant une matrice de NxM dots élémentaires (Di,j), chaque dot comportant au moins un sous-pixel élémentaire par gamme de composante chromatique (XRi,j; XVi,j ; XBi,j) de dimensions dNxdM, les sous-pixels XRi,j (XVi,j ; XBi,j) étant séparés des sous-pixels XR(i+1)i(XV(i+1),j ; XB(i+1),j) par un pas pN, les pixels XRi,j (XVi,j ; X8i,j) étant séparés des pixels XRi,j+1 (XVi,j+1 ; XBjj+1) par un pas PM, caractérisé en ce que le pas PN est supérieur d'au moins un ordre de grandeur à la dimension dN. 4. Dispositif de visualisation selon la revendication 3, caractérisé en ce que le pas pM est supérieur d'au moins un ordre de grandeur à la dimension dM. 5. Dispositif de visualisation selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte un réseau (R1) de lentilles, entre le dispositif d'illumination et le modulateur spatial de lumière de manière à focaliser le rayonnement Is (R, V, B) dans le pixel Xi j (XRi,j; XVi,j ; Xbi,j). 6. Dispositif de visualisation selon la revendication 5, caractérisé en ce que le réseau (R1) comprend N x M lentilles sphériques dont la pupille est de l'ordre de grandeur du paramètre pN x pM. 7. Dispositif de visualisation selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les dimensions de pixels dNxdM sont de l'ordre de 100 x 100 pm2, les pas pN et pM étant de l'ordre de 1 mm2. 8. Dispositif de visualisation selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source d'éclairage comporte une source lumineuse et un guide d'onde de lumière couplé à ladite source lumineuse, le guide d'onde de lumière comportant un élément diffractant situé le long du guide, pour diffracter des rayons lumineux émergents issus de la source, dans une direction sensiblement perpendiculaire à la surface du guide d'onde, ladite surface du guide d'onde étant sensiblement parallèle au plan du modulateur spatial de lumière. 9. Dispositif de visualisation selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la source d'éclairage comporte une source de lumière émettant un faisceau de lumière, des moyens de collimation dudit faisceau, un miroir (M1) anamorphoseur dont la surface fait un angle e1 avec un plan orthogonal au plan de la matrice active, le miroir (M1) ayant pour fonction d'étaler dans un plan parallèle au plan de la matrice active le faisceau de lumière collimatée, et un composant anamorphoseur (M2) réfléchissant ou transparent, capable de collimater le flux lumineux dans un plan sensiblement perpendiculaire au plan de la matrice active. 10. Dispositif de visualisation trichrome selon la revendication 9, caractérisé en ce que le composant (M2) diffracte le rouge selon une direction OR, le vert selon une direction ev sensiblement égale à O, le bleu selon une direction OB, lesdites directions étant définies par rapport à la normale au plan de la matrice active. 11. Procédé de réalisation d'un dispositif de visualisation selon l'une des revendications 1 à 10, comprenant la fabrication d'un modulateur spatial de lumière constitué d'une matrice de N x M pixels élémentaires sur un substrat en utilisant plusieurs étapes de masquage à l'aide de masques adaptés pour définir les N x M pixels élémentaires, les électrodes de commande et les circuits de commutation du modulateur spatial caractérisé en ce que: - il comprend la mise en oeuvre d'un réseau R1 de lentilles en face arrière du substrat destiné à la réalisation du modulateur spatial; - les différents masques sont imagés directement au travers du réseau R1 de lentilles pour réaliser en face avant du pixel, les pixels élémentaires, les électrodes et les circuits de commande.