Brevet FR2758633A1 — publié le 19980724

DISPOSITIF DE CONCENTRATION DES RAYONS LUMINEUX ET SYSTEME DE PROJECTION UTILISANT UN TEL DISPOSITIF La présente invention concerne un dispositif de concentration des rayons lumineux ainsi qu'un système de projection utilisant un tel dispositif. Un système de projection comporte essentiellement un dispositif d'éclairement permettant d'éclairer par transparence au moins une Image telle que celle réalisée à l'aide d'une valve optique, plus particulièrement un écran à cristal liquide. Dans ce cas, I'image générée est projetée sur un écran par une optique de projection. Un système d'éclairement connu comporte de manière typique une lampe qui peut être une lampe halogène, à néon ou à filament et un réflecteur pour réfléchir la lumière. En général, le réflecteur est un réflecteur parabolique. Ce type de dispositif d'éclairement présente un certain nombre d'inconvénients. En effet, la forme du faisceau réfléchi par le réflecteur parabolique est différente de celle de la valve optique vers lequel il est dirigé. Or, une valve optique demande un éclairement uniforme et Important. Avec un réflecteur parabolique, il se produit donc des pertes de lumière considérables qui peuvent être d'au moins 46% pour l'éclairement d'une valve de forme rectangulaire, notamment d'une valve de type 16/9. D'autre part, lorsque la valve optique est un écran à cristal liquide, celui-ci doit être muni d'un polariseur et d'un analyseur de polarisation puisque la source n'est pas polarisée. Cela entraîne donc une perte supplémentaire pouvant atteindre 60 à 70%. Pour remedier à ces inconvénients, diverses solutions ont été proposées. Ainsi, il est connu d'utiliser des intégrateurs optiques entre le dispositif d'éclairement constitué de la lampe et du réflecteur et la valve optique. Dans le cas d'une intégration optique, une source de lumière est imagée sur un réseau secondaire de lentilles au moyen d'un premier réseau de lentilles. Chaque lentille individuelle du premier réseau est ensuite imagée sur la surface de la valve optique à éclairer par le deuxième réseau de lentilles. La forme et la taille de chaque lentille individuelle sont telles que l'image sur la valve a la forme et la taille de ladite valve. Dans ce cas, on collecte le maximum de lumière fournie par le réflecteur, ce qui permet d'augmenter le flux lumineux et donc l'efficacité. Toutefois, un Intégrateur augmente l'étendue angulaire d'éclairement de l'image ce qui joue sur le contraste. Une autre solution possible pour diminuer les pertes dues à la forme du réflecteur a été proposée dans la demande de brevet française N095 04477. Dans ce cas, le réflecteur n'est plus un réflecteur parabolique mais un réflecteur dit "Free Form" dont la forme est décrite par un ensemble de surfaces élémentaires à chacune desquelles est associée une fonction Z(p) correspondant chacune à un plan médian (R, ss) à éclairer défini par le paramètre r distance du centre de la surface à éclairer à ses bords, et par l'angle ss que fait ce plan avec le plan horizontal, I'inclinaison de chacune des surfaces élémentaires étant obtenue en interpolant ces fonctions Z(p) avec une fonction Z(X,Y). Avec ce type de réflecteur "Free Form", on obtient une optique dans laquelle un champ électromagnétique en forme de disque est imagé sur un rectangle mais sans aucune réflexion guidée. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients en proposant un dispositif de concentration des rayons lumineux de forme particulière. Ainsi, la présente invention a pour objet un dispositif de concentration des rayons lumineux, caractérisé en ce que sa forme est décrite par une génératrice dont une première extrémité suit une courbe plane fermée et dont une seconde extrémité suit les contours d'un polygone. Selon un mode de réalisation préférentiel, la courbe plane fermée est un cercle ou une courbe "free forma et le polygone est un rectangle. D'autre part, le dispositif de concentration des rayons lumineux peut être réalisé soit sous forme d'un tube métallique dont la surface interne est constituée d'un matériau réfléchissant, soit sous forme d'un bloc en matériau transparent. De préférence, le matériau réfléchissant est choisi parmi l'argent et l'aluminium poli. De même, le matériau transparent est choisi parmi le verre, le méthacrylate, le polycarbonate ou tous matériaux transparents. Dans ce cas, les rayons restent à l'intérieur du matériau par réflexion interne totale. Eventuellement, la surface externe peut être recouverte d'une couche réfléchissante dans le même matériau que celui décrit précédemment. La présente invention concerne aussi un système de projection à travers une valve optique comprenant un dispositif d'éclairement comportant une lampe et un réflecteur réfléchissant la lumière de la lampe vers la valve optique, caractérisé en ce qu'il comprend, entre le réflecteur et la valve optique, un dispositif de concentration des rayons lumineux tels que décrits ci-dessus. Selon un mode de réalisation préférentiel, le réflecteur est un réflecteur elliptique ou un réflecteur "free-form". De préférence, la surface de sortie du réflecteur est délimitée par une courbe plane fermée identique à la courbe plane fermée en entrée du dispositif de concentration des rayons lumineux. D'autre part, la surface de la valve optique est adaptée aux contours du polygone de sortie du dispositif de concentration des rayons lumineux. Dans le cas d'un réflecteur elliptique, ses différentes dimensions sont données par les équations suivantes Do S(1+L) f2 =h+L+1 R 1J 2 fI+i2 dans laquelle - fl est une première distance focale - L : la distance entre la surface de sortie du réflecteur et la valve optique - I : la distance entre la valve optique et la pupille d'entrée de l'objectif de projection associé au dispositif; - S : la dimension de la valve optique - Do : le diamètre le plus grand du réflecteur; - h : la profondeur du réflecteur; - R : le rayon de courbure au sommet; - f2 : une seconde distance focale - E: la conicité; h étant calculé de manière récursive. Selon d'autres caractéristiques de la présente invention, le point focal secondaire est positionné soit dans le plan de la valve optique, soit dans le plan de la pupille d'entrée de l'objectif de projection. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée de différents modes de réalisation, cette description étant faite avec référence aux dessins ciannexés, dans lesquels - la figure 1 représente une vue en perspective schématique d'un dispositif de concentration conforme à la présente invention; - la figure 2 représente une vue en coupe schématique du réflecteur, du dispositif de concentration et de la valve optique permettant de déterminer les dimensions optimisées du système de projection conforme à la présente invention - la figure 3 représente une vue schématique d'une valve optique conforme à la présente invention permettant de déterminer sa dimension - les figures 4 et 5 sont des courbes donnant respectivement l'efficacité en fonction de la distance L pour différentes valeurs de f1 et l'uniformité en fonction de la distance L pour différentes valeurs de fl; - les figures 6A et 6B sont des vues en coupe schématique de deux systèmes de projection conforme à la présente invention. Pour simplifier la description dans les figures, les mêmes éléments portent les mêmes références. Sur la figure 1, on a représenté une vue en perspective d'un dispositif de concentration des rayons lumineux conforme à la présente invention. Ce dispositif de concentration 1 est associé à un réflecteur 2 de forme élliptique, à savoir, la section du réflecteur est un morceau d'ellipse comme représenté sur la figure 2 et sa surface de sortie en coupe est un cercle comme représenté par la courbe 3. Conformément à la présente invention, le dispositif de concentration 1 présente une forme décrite par une génératrice telle que la droite 4 dont une première extrémité 4a suit une courbe plane fermée, à savoir le cercle 3 dans le mode de réalisation représenté, et dont une seconde extrémité 4b suit les contours d'un polygone, à savoir un rectangle 5. Ce dispositif de concentration peut être réalisé sous forme d'un tube métallique dont la surface interne constitue ou est revêtue d'un matériau réfléchissant. II peut être aussi réalisé sous forme d'un bloc en matériau transparent. De préférence, le matériau de la couche réfléchissante est choisie parmi l'argent ou l'aluminium poli, ces deux matériaux donnant des résultats particulièrement intéressants, comme cela sera décrit ci-après. D'autre part, le matériau transparent est choisi parmi le verre, le méthacrylate tel que le matériau connu sous la marque "plexiglass" ou un polycarbonate. Dans ce cas, les rayons lumineux restent à l'intérieur du dispositif de concentration par réflexion interne totale. On décrira maintenant, avec référence plus particulièrement aux figures 2 et 3, un système de projection au travers d'une valve optique utilisant le dispositif de concentration décrit ci-dessus. La figure 2 représente schématiquement un réflecteur 2 dont le rôle est de renvoyer la lumière de la lampe non représentée en direction de la valve optique 5. Le réflecteur utilisé peut être un réflecteur elliptique ou un réflecteur "free-form" notamment du type de celui décrit dans la demande de brevet français N095 04477 au nom de la demanderesse. De préférence, le réflecteur 2 utilisé sera un réflecteur élliptique parce qu'il induit peu de réflexions à l'intérieur du dispositif de concentration, de telles réflexions ayant l'inconvénient d'accrottre les pentes des rayons. Dans le cadre de la présente invention, la forme du réflecteur nécessite de connaître certains paramètres, à savoir la première distance focale f1 et la distance L du réflecteur à la valve optique. Ces deux paramètres peuvent être modifiés afin d'optimiser le système. Le système nécessite aussi quelques dimensions préréglées, telle que la distance de la valve optique 5 à la pupille d'entrée I de l'objectif de projection ainsi que la dimension S de la valve optique. Avec les éléments ci-dessus, les dimensions inconnues sont alors obtenues par l'ensemble des relations suivantes S(l+L) Do = l f2 =h+L+I R= 2f1 f2 fi +f2 Les valeurs calculées sont donc le diamètre Do, la profondeur h, la seconde distance focale fi, le rayon R de courbure au sommet du réflecteur, et la conicité E. D'autre part, la profondeur h, qui apparaît comme variable des deux côtés d'une équation, est calculée de manière récursive, comme représenté par l'équation ci-dessous avec ho = 100. La dimension S de la valve optique qui peut être, par exemple, un écran à cristaux liquides, est choisie de diverses manières pour un écran de taille et de type donné. En fait, si l'on considère les solutions représentées par la largeur 1, la diagonale 3, la longueur 5, on peut faire les considérations suivantes. Si la forme du réflecteur est telle que les rayons issus des bords frappent le point le plus externe sur la diagonale 3, il y aura un nombre important de rayons dans les autres sections qui seront réfléchis par les côtés du concentrateur, ce qui conduira à des angles plus grands et les rayons arriveront à l'extérieur de l'ouverture de la pupille d'entrée. Un autre inconvénient sera la taille du réflecteur. En fait, les simulations ont montrées que, pour un écran à cristaux liquides de 1,35" de type 4/3 et en optimisant l'efficacité des réflecteurs aux dimensions 1 et 5 de la valve, on obtient difficilement pour la dimension 5 une efficacité de 67%, tandis que l'efficacité peut atteindre 75% si la forme du réflecteur est adaptée au petit côté de l'écran à cristaux liquides. De ce fait, la dimension S doit être égale au petit côté yy sur la figure 3. On donnera maintenant les résultats obtenus par simulation en optimisant un système de projection comportant un écran à cristaux liquides de 1,35" de type 4/3. La lentille de projection positionnée en 6 présente un nombre f de valeur 2,0 et sa pupille d'entrée est positionnée à une longueur I égale à 80,5 mm derrière l'écran à cristaux liquides. On a modifié deux paramètres pour obtenir l'optimisation, à savoir la première distance focale fl du réflecteur et la distance L entre le réflecteur et l'écran à cristaux liquides. La première distance focale a été modifiée dans une gamme comprise entre 8 mm et 17 mm pour éviter des réflecteurs trop petits et inéfficaces pour les petites valeurs et des réflecteurs volumineux pour les valeurs plus élevées. La distance L a été modifiée pour les mêmes raisons dans une gamme comprise entre 100 mm et 400 mm. La forme du réflecteur est telle que les rayons isus du bord frappent l'extrémité du petit côté de l'écran LCD. La lampe utilisée a les dimensions d'un brûleur typique de 3 mm mais ne correspond pas à un modèle de lampe particulier. L'uniformité a été automatiquement calculée pour chaque couple (fur, L). 350 000 rayons par système sont utilisés et l'uniformité a été évaluée avec une méthode classique en 5 points où la zone du cristal liquide est détectée par 7 x 5 détecteurs. Les détecteurs ont la forme d'un disque avec un rayon de 1 mm et ils correspondent à 2,2% de la surface totale de l'écran à cristaux liquides. Les courbes représentées sur les figures 4 et 5 donnent respectivement l'efficacité en fonction de la distance réflecteur-valve optique L pour diverses valeurs de f1 et l'uniformité comme une fonction de f1 et de L. Pour des analyses supplémentaires, on a choisi un système présentant une efficacité de 75%, une uniformité supérieure à 50% et raisonnablement compact. Les caractéristiques d'un tel système sont les suivantes : diamètre du réflecteur, à savoir Do = 97,25 mm, profondeur h = 50 mm, longueur L du dispositif de concentration = 300 mm et première distance focale f1 = 13,75 mm. Avec ce système, l'efficacité a été simulée pour divers états de surface interne et on a obtenu les performances données dans le tableau ci-après Etat de la surface interne du Efficacite dispositif de concentration Réflectivité 100% 74,7% Argent 98% 74,2% Aluminium surpoli 93% 73,0% Aluminium poli 88% 71,7% D'autre part, comme représenté sur les figures 6A et 6B, le réflecteur peut être dessiné avec une seconde distance focale f2 qui se tient soit dans le plan de la valve optique, comme représenté sur la figure 6B, soit dans le plan de la pupille d'entrée 6 de l'objectif de projection, comme représenté sur la figure 6A. Dans le premier cas, tous les rayons émis par le réflecteur 2 sont focalisés en sortie du concentrateur optique 4 sur la valve optique 5, tandis que, dans le second cas, tous les rayons Issus du réflecteur sont focalisés sur la pupille d'entrée 6. Toutefois, le premier cas présente deux inconvénients : une uniformité inférieure et le réflecteur doit être plus important et plus profond, comme cela est montré dans le tableau ci-après Point focal LCD Point focal pupilie f 13,50 mm 13,75 mm f 313,2 mm 350,0 mm Diamètre 108,44 mm 97,25 mm Profondeur 103,2 mm 50,0 mm Longueur total du 393,7 mm 430,5 mm système Efficacité 76,3% 74,8% Les éléments concernant la focalisation dans la pupille d'entrée correspondent au système optimisé décrit ci-dessus tandis que les valeurs données pour la focalisation sur la valve optique correspond à un système optimisé de manière similaire. La présente invention a été décrite en se référant à un réflecteur elliptique et à une valve optique formée par un écran à cristaux liquides. II est évident pour l'homme de l'art que d'autres formes et d'autres types de valve peuvent être utilisés sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif de concentration des rayons lumineux, caractérisé en ce que sa forme (1) est décrite par une génératrice (a) dont une première extrémité (4a) suit une courbe (3) plane fermée et dont une seconde extrémité (4b) suit les contours d'un polygone (5). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la courbe (3) plane fermée est un cercle ou une courbe "free form". 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le polygone (5) est un rectangle. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il est réalisé sous forme d'un tube métallique dont la surface interne est constituée d'un matériau réfléchissant. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le matériau réfléchissant est choisi parmi l'argent ou l'aluminium poli. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il est réalisé sous forme d'un bloc en matériau transparent. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le matériau transparent est choisi parmi le verre, le méthacrylate, le polycarbonate. 8. Système de projection au travers d'une valve comprenant un dispositif d'éclairement comportant une lampe et un réflecteur (2) réfléchissant la lumière de la lampe vers la valve optique, caractérisé en ce qu'il comprend, entre le réflecteur et la valve optique, un dispositif de concentration des rayons lumineux selon l'une quelconque des revendications 18 7. 9. Système selon la revendication 8, caractérisé en ce que le réflecteur (2) est un réflecteur elliptique ou un réflecteur free-form. 10. Système de projection selon la revendication 9, caractérisé en ce que la surface de sortie du réflecteur est délimitée par une courbe plane fermée identique à la courbe plane (3) fermée en entrée du dispositif (1) de concentration des rayons lumineux. 11. Système selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que la surface de la valve optique est adaptée aux contours du polygone (5) de sortie du dispositif (1) de concentration des rayons lumineux. 12. Système selon l'une quelconque des revendications 8 à 11, caractérisé en ce que les différentes dimensions du réflecteurs sont données par les équations suivantes Do S(i+L) f2 = h + L + l R= 2f1f2 fl+f2 dans laquelle - f, est une première distance focale - L : la distance entre la surface de sortie du réflecteur et la valve optique - I : la distance entre la valve optique et la pupille d'entrée de l'objectif de projection associée au système; - S : la dimension de la valve optique - Do : le diamètre le plus grand du réflecteur; - h : la profondeur du réflecteur; - R : le rayon de courbure au sommet; - f2 : une seconde distance focale - # : la conicité; h étant calculé de manière récursive. 13. Système selon la revendication 12, caractérisé en ce que le point focal secondaire est positionné soit dans le plan de la valve optique, soit dans le plan de la pupille d'entrée de l'objectif de focalisation.