Brevet FR2760856A1 — publié le 19980918

I DISPOSITIF D'ÉCLAIREMENT La présente invention concerne un dispositif d'éclairement, plus particulièrement un dispositif d'éclairement pour un appareil de projection ou de visualisation et notamment un dispositif d'éclairement d'une valve optique telle qu'un écran à cristal liquide. Un appareil 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 à l'aide d'un écran à cristal liquide. Dans ce cas, I'image générée est projetée sur un écran par une optique de projection. Dans le cas d'un dispositif de visualisation, I'image est visualisée en direct sur l'écran à cristal liquide. Un dispositif d'éclairement connu utilisé pour ce type d'appareil comporte, comme représenté sur la figure 1, une lampe I qui peut être une lampe à arc, une lampe halogène, à néon ou à filaments et un réflecteur 2, de préférence un réflecteur parabolique pour réfléchir la lumière et concentrer les rayons lumineux vers une surface telle qu'un écran à cristal liquide 3. 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 laquelle 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 45% 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 une perte supplémentaire pouvant atteindre 60 à 70%. De ce fait, avec un dispositif d'éclairement de ce type et comme représenté sur la figure 2 on observe une uniformité d'éclairement faible et une efficacité lumineuse d'environ 30%. L'ouverture d'éclairement moyenne est d'environ + 5 et l'angle solide n'est pas optimisé. Cela signifie que la distribution lumineuse n'est pas uniforme à l'intérieur de l'angle solide. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients en proposant un nouveau dispositif d'éclairement permettant d'obtenir une forme d'éclairement qui correspond au format de la surface à éclairer et donne une uniformité d'éclairement élevée. La présente invention a pour objet un dispositif d'éclairement d'au moins une surface comportant une source lumineuse et un réflecteur pour concentrer les rayons lumineux émis par la source, caractérisé en ce que le plan de focalisation du réflecteur se trouve entre la source lumineuse et ladite surface et en ce qu'il comporte, positionné près du plan de focalisation du réflecteur, un moyen réalisant une seconde source de lumière. Selon un mode de réalisation particulier, le réflecteur a une forme d'ellipsoïde et la surface recevant l'éclairement est constituée par une valve optique telle qu'un écran à cristaux liquides, la valve optique étant associée de préférence en entrée à une lentille de champs qui collimate le faisceau issu de la seconde source de lumière. Selon un premier mode de réalisation, le moyen réalisant une seconde source de lumière est constitué par un réseau de micro-lentilles éventuellement suivi d'une lentille épaisse. Selon un second mode de réalisation, le moyen réalisant une seconde source de lumière est constitué par un diffuseur éventuellement suivi d'une lentille épaisse. 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 déjà décrite est une vue schématique d'un système d'éclairement selon l'art antérieur, - la figure 2 est une courbe associée à une simulation par tracé de rayons optiques donnant la distribution lumineuse dans le plan de l'écran à cristaux liquides du dispositif d'éclairement de la figure 1, - la figure 3 est une vue en coupe schématique d'un dispositif d'éclairement conforme à la présente invention, - la figure 4 représente une courbe associée à une simulation par tracé de rayons optiques donnant la distribution lumineuse dans le plan de l'écran à cristaux liquides du dispositif de la figure 3, - la figure 5 est une vue schématique d'un second moyen réalisant une seconde source, et - les figures 6a et 6b sont des vues schématiques représentant respectivement un dispositif de projection monochrome ou trichrome utilisant un dispositif d'éclairement selon le mode de réalisation de la figure 3. Dans les figures, pour simplifier la description, les mêmes éléments portent les mêmes références. Sur la figure 3, on a représenté un dispositif d'éclairement muni d'un premier mode de réalisation d'un moyen réalisant une seconde source lumineuse. Sur la figure 3, la référence 10 représente une lampe qui, dans le mode de réalisation représenté, est une lampe du type halogénure métallique. La référence 11 représente un réflecteur, plus particulièrement un réflecteur elliptique qui renvoie les rayons r vers un point de focalisation se trouvant dans un plan focal P. Conformément à la présente invention, près de ce plan focal, on a positionné un réseau 12 de micro-lentilles. Dans tout le document, par réseau de micro-lentilles, on entend une structure de petites lentilles qui peuvent être disposées selon un réseau régulier ou non, la forme des micro-lentilles et leur ouverture numérique sont liées à certains paramètres tels que le format de la surface à éclairer, notamment le format de l'écran à cristaux liquides, les caractéristiques de la source lumineuse 10 et l'uniformité d'éclairement. Les dimensions des micro-lentilles sont comprises entre 2mm et moins de 50 pm. Le réseau 12 de micro-lentilles est associé à une lentille épaisse 13 dont le rôle sera expliqué ci-après. Cet ensemble joue le rôle de source lumineuse secondaire et les rayons r' émis par cette source éclairent une surface qui, dans le mode de réalisation représenté, est constituée par une valve optique 14, plus particulièrement un écran à cristaux liquides. Dans le mode de réalisation de la figure 3, devant l'écran 14 à cristaux liquides, est positionnée une lentille de champ 15 dont le rôle est de collimater la lumière issue de l'ensemble réseau 12 de micro-lentilles et lentille 13 sur l'écran 14 à cristaux liquides. Lorsque l'écran à cristaux liquides est utilisé dans un système de projection du type télévision, il est de forme rectangulaire De ce fait, le réseau de micro-lentilles est constitué, de préférence, par des micro-lentilles de forme rectangulaire. On expliquera, de manière un peu plus détaillée, le principe de fonctionnement du système représenté à la figure 3. Ainsi, lorsqu'un réseau de micro-lentilles de forme rectangulaire est positionné près du plan de focalisation d'un réflecteur elliptique, tel que le réflecteur 11, suivi par une lentille épaisse 13, il est possible d'éclairer l'écran 14 à cristaux liquides avec le bon format et avec une bonne uniformité. En effet, le format rectangulaire de préférence légèrement plus grand que celui de l'écran à cristaux liquides du réseau de micro-lentilles joue le rôle d'un élément de mise en forme de la lumière. L'image de chaque micro-lentille est amplifiée sur une grande surface de l'écran à cristaux liquides. Les contributions de chaque micro-lentille sont ainsi superposées et/ou juxtaposées pour donner un éclairage uniforme avec un format correspondant à celui de l'écran à cristaux liquides. D'autre part, pour éviter des pertes lumineuses et selon une autre caractéristique de la présente invention, le nombre F du réseau de micro-lentilles est choisi pour être du même ordre que le nombre F de la lentille de champ 15 prévue devant l'écran 14 à cristaux liquides et qui collimate la lumière provenant de la nouvelle source ponctuelle. De plus, l'angle du cône d'éclairage sur les micro-lentilles peut aussi être ajusté de manière à obtenir le meilleur compromis entre une diminution aussi petite que possible de l'image de la lampe à arc et une diminution de l'angle du cône d'éclairage pour éviter les pertes de lumière à l'intérieur du nombre F du réseau de micro-lentilles. Ces deux conditions peuvent être légèrement modifiées en fonction de la forme de l'image de la source lumineuse et dépendent aussi de l'uniformité et de l'efficacité que l'on veut obtenir. A titre d'exemple, pour un écran à cristaux liquides de format 16/9 présentant des dimensions de 90 mm x 50 mm, on utilise un réseau de micro- lentilles à courbure sphérique, les micro-lentilles étant rectangulaires et présentant des dimensions de 210 x 80 pm et une longueur focale d'environ 300 IpJm dans l'air. Le réseau de micro-lentilles est suivi par une lentille épaisse, à savoir une lentille présentant une épaisseur d'environ 10 mm et de longueur focale 50 mm. La lentille de champ est une lentille asphérique et présente une longueur focale d'environ 160 mm. Les simulations du système ci-dessus ont donné les courbes représentées sur la figure 4. Cette figure représente la distribution lumineuse dans le plan de l'écran à cristaux liquides. On obtient une efficacité d'environ 40%. Dans ce cas, la distribution lumineuse à l'intérieur de l'angle solide est optimisée, ce qui signifie que l'angle solide est complètement rempli par le faisceau lumineux et ne présente pas de zone morte. Selon un second mode de réalisation de la présente invention, à la place d'un réseau de micro-lentilles pour réaliser le moyen formant une seconde source de lumière, on peut utiliser un diffuseur 20 comme représenté sur la figure 5. Ce diffuseur peut être du type holographique. Dans ce cas, I'hologramme peut être un hologramme de volume ou un hologramme de surface. Pour des raisons de coût, on utilise de préférence un hologramme de surface. D'autre part, le diffuseur peut aussi être réalisé à l'aide d'un arrangement aléatoire de micro- lentilles ou de microstructures ayant un lobe de diffusion macroscopique connu. Dans ce cas, le lobe de diffusion doit avoir une ouverture numérique proche de celle du faisceau incident, de manière à ne pas dégrader l'étendue du faisceau, mais le diffuseur ne doit pas avoir de lobe de révolution de manière à ne pas modifier le format d'éclairement. De préférence, le lobe de diffusion est elliptique et l'angle de diffusion est d'environ 20" selon l'horizontale et 10 selon la verticale pour obtenir un format d'éclairement dans le plan de l'écran à cristaux liquides sensiblement proche du 16/9. Les dispositifs d'éclairement décrits ci-dessus présentent de nombreux avantages, notamment ils comportent peu d'éléments ce qui entraîne peu de pertes de Fresnel. On obtient aussi une uniformité d'environ 95%, cette uniformité dépendant de la distribution de la source lumineuse, du nombre de micro-lentilles et du nombre F des micro-lentilles. On obtient aussi une uniformité élevée des couleurs sur tout l'écran. De plus l'ouverture d'éclairement peut être contrôlée en obturant l'image de la source lumineuse. Comme représenté sur les figures 6a et 6b, ce dispositif d'éclairement peut être utilisé avec des systèmes de projection utilisant un seul écran à cristaux liquides (monovalve), comme représenté sur la figure 6a. Dans ce cas, le dispositif de la figure 3 référencé 20 est associé à une lentille de focalisation 21 qui envoie le faisceau lumineux sur une lentille de projection 22 puis sur un écran de projection 23. Le dispositif d'éclairement, conforme à la présente invention, peut aussi être utilisé dans des systèmes de projection à plusieurs écrans à cristaux liquides (trivalve) tels que représentés à la figure 6b. Dans ce cas, trois écrans 14a, 14b, 14c sont associés avec des miroirs 16 disposés de manière connue de l'homme de l'art, en sortie de la lentille de champ 15 et envoient le faisceau lumineux sur une lentille de projection 22, comme dans le mode de réalisation ci-dessus. La présente invention peut être modifiée sans sortir du cadre des revendications ci-après. Le moyen réalisant une seconde source, constitué soit par un réseau de micro-lentilles ou un diffuseur peut être utilisé sans lentille de champ. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'éclairement d'au moins une surface (14) comportant une source lumineuse (10) et un réflecteur (11) pour concentrer les rayons lumineux émis par la source, caractérisé en ce que le plan (P) de focalisation du réflecteur se trouve entre la source lumineuse et ladite surface (14) et en ce qu'il comporte, positionné près du plan de focalisation du réflecteur, un moyen (12) réalisant une seconde source de lumière. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le réflecteur (11) a une forme d'ellipsoïde. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface (14) recevant l'éclairement est constituée par une valve optique telle qu'un écran à cristaux liquides. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la valve optique est associée en entrée à une lentille de champs (15). 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le moyen réalisant une seconde source de lumière est constitué par une réseau (12) de micro-lentilles. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le réseau de micro-lentilles est suivi d'une lentille épaisse (13). 7. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le réseau de micro-lentilles a un format adapté à la surface à éclairer. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que le nombre F du réseau de micro-lentilles est du même ordre que le nombre F de la lentille de champs. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le moyen réalisant une seconde source de lumière est constitué par un diffuseur (20). 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le diffuseur est suivi d'une lentille épaisse. 11. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le diffuseur présente un lobe de diffusion ayant une ouverture numérique proche de celle du faisceau incident. 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 8 et 9, caractérisé en ce que le diffuseur est constitué par un élément choisi parmi les hologrammes de volume, les hologrammes de surface, un arrangement aléatoire de micro-lentilles ou de microstructures ayant un lobe de diffusion macroscopique connu. 13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'il est utilisé dans un dispositif de projection du type monovalve ou trivalve.