Brevet FR2769382A1 — publié le 19990409

SYSTEME D'ECLAIRAGE ARRIERE POUR MODULATEUR ELECTRO-OPTIQUE TRANSMISSIF UTILISANT L'EFFET DE POLARISATION DE LA LUMIERE La présente invention concerne un système d'éclairage arrière pour modulateur électro-optique transmissif utilisant l'effet de polarisation de la lumière. Les modulateurs électro-optiques transmissifs utilisant l'effet de polarisation de la lumière, tels que par exemple les écrans à cristaux liquides du type nématique twisté en hélice, nécessitent pour leur fonctionnement un couple de polariseurs positionnés respectivement en entrée et en sortie du modulateur. Lorsque le modulateur électro-optique transmissif est utilisé en vision directe, le polariseur 1 positionné en entrée du modulateur est éclairé par une lumière non polarisée 2 comme schématisé sur la figure 1. Le polariseur ne transmettant que des rayons lumineux correctement polarisés, on observe une absorption d'environ 60% du flux lumineux total. D'autre part, lorsque les modulateurs électro-optiques transmissifs utilisant l'effet de polarisation de la lumière sont utilisés en vision directe, on observe une variation importante des caractéristiques de contraste et de luminosité en fonction de l'angle de vue. Pour remédier à ces inconvénients, on a proposé d'éclairer le modulateur électro-optique par une lumière collimatée. Un système de ce type est représenté schématiquement sur la figure 2. Dans cette figure, la référence 10 désigne la source lumineuse qui peut être réalisée par un tube fluorescent à cathode froide ou similaire. La référence 11 désigne un réflecteur renvoyant les rayons lumineux selon la direction référencée x, la référence 12 un conduit lumineux ou guide d'onde, la référence 13 une structure microprismatique et la référence 14 I'angle de vue des rayons lumineux en sortie. D'autre part, une section de collimation 15 peut être prévue entre le réflecteur et l'entrée du guide d'ondes 12. Avec cette structure, comme représenté sur la figure 3, la lumière émise par le tube 10 est renvoyée par le réflecteur 11 dans la direction x à l'intérieur du guide d'ondes 12. Dans ce cas, les rayons lumineux réfléchis par le réflecteur 11 passent dans la section de collimation réalisant une première collimation dans le plan xy, puis ils sont envoyés à l'intérieur du guide d'ondes 12. Dans le guide, les rayons issus de la région de collimation se réfléchissent par réflexion totale sur la face supérieure opposée à la structure microprismatique 13 en direction de cette structure, puis ils se réfléchissent par réflexion spéculaire sur ladite structure microprismatique 13 de manière à sortir du guide d'ondes sensiblement perpendiculairement à travers la face supérieure, en direction du modulateur électro-optique non représenté. Le trajet des rayons lumineux est représenté par les flèches I et I'. Avec cette structure, le flux lumineux est diffusé mono- directionnellement en sortie du modulateur électro-optique, ce qui permet d'améliorer les caractéristiques de contraste. La présente invention a pour but de perfectionner, notamment mais pas exclusivement, ce type de structure de manière à obtenir un nouveau système présentant un gain de luminance élevé. La présente invention a donc pour objet un système d'éclairage arrière pour modulateur électro-optique transmissif utilisant l'effet de polarisation de la lumière comportant au moins un moyen de génération de rayons lumineux, au moins un réflecteur pour renvoyer les rayons lumineux dans une première direction x et des moyens pour guider les rayons lumineux vers le modulateur électro-optique, caractérisé en ce qu'il comporte un film polarisant linéaire réflectif positionné avant lesdits moyens pour guider les rayons lumineux. De préférence, I'orientation du film polarisant linéaire réflectif et les moyens pour guider les rayons lumineux sont choisis pour que l'état de polarisation de la lumière reste inchangé depuis l'entrée jusqu'à la sortie desdits moyens. En effet, d'après les lois de réflexion, il existe une polarisation qui n'est pas trop perturbée par les multiples réflexions à l'intérieur des moyens de guidage. D'après le repère choisi, si la sortie des rayons est selon z, cette polarisation privilégiée est la polarisation suivant y. Avec ce système, on créé un éclairage arrière tel que les rayons lumineux présentent une polarisation linéaire favorable à la transmission du polariseur. De plus, les rayons issus du moyen de génération de rayons lumineux ou source lumineuse, dès qu'ils possèdent cette polarisation, la conserve durant toute la propagation dans les moyens pour guider les rayons lumineux vers le modulateur électro- optique, les rayons qui ne possèdent pas cet état étant recyclés. Selon un mode de réalisation préférentiel de la présente invention, le film polarisant linéaire réflectif, qui constitue un moyen de prépolarisation et de retour de polarisation, est un film en couche mince qui transmet une polarisation linéaire d'axe optique donné et qui réfléchit toutes les autres. De préférence, ce film est constitué par le film vendu par la société 3M sous la marque "DBEF". Selon une autre caractéristique de la présente invention, les moyens pour guider les rayons lumineux sont constitués par un guide d'ondes positionné en sortie du réflecteur de manière à transporter les rayons lumineux selon la direction x, une des faces du guide d'ondes parallèle à la direction x comportant une structure microprismatique réfléchissant spéculairement les rayons lumineux et les extrayant du guide d'ondes selon une deuxième direction référencée z, perpendiculaire à la première direction. Ainsi, à l'intérieur du guide d'ondes, la lumière se propage par réflexion totale sur la surface plane supérieure du guide d'ondes et est extraite du guide d'ondes par réflexion sur les structures microprismatiques. Les réflexions se faisant majoritairement dans le plan, la polarisation linéaire la moins affectée lors de la propagation est donc celle suivant l'axe y, soit la polarisation p pour les microprismes. Selon une autre caractéristique de la présente invention, le système comporte un film prismatique orienté perpendiculairement aux moyens de génération de rayons lumineux et positionné entre ces moyens de génération et le film polarisant linéaire réflectif. Ce film a pour but d'augmenter la luminance au centre. Le film utilisé dans ce cas peut être le film vendu par 3M sous la marque "BEF" ou des films similaires vendus par des sociétés japonaises. D'autre part, une lame retard demi-onde est positionnée en sortie des moyens pour guider les rayons lumineux. Cette lame retard demi-onde permet de conserver la linéarité de la polarisation en sortie et assure la rotation vers l'axe optique du polariseur d'entrée d'azimut 45 . D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture détaillée faite ci-après d'un mode préférentiel de réalisation, cette description étant faite avec référence aux dessins ci- annexés dans lesquels: - la figure 1 déjà décrite est un schéma expliquant le fonctionnement d'un polariseur sur une lumière non polarisée; - les figures 2 et 3 sont respectivement une vue en perspective et une vue en coupe d'un système d'éclairage arrière conforme à l'art antérieur; - la figure 4 est une vue en perspective d'un système d'éclairage arrière conforme à la présente invention; - la figure 5 est une vue schématique de dessus montrant la disposition d'une lame demi-onde sur le guide d'onde représenté à la figure 4, et - les figures 6A et 6B sont des conoscopes donnant la luminance pour respectivement les systèmes d'éclairage arrière de la figure 2 et de la figure 4. Sur la figure 4, on a représenté une vue en perspective d'un système d'éclairage arrière conforme à un mode de réalisation préférentiel de la présente invention. Dans cette figure, la référence 20 représente un réflecteur de forme sensiblement cylindrique de manière à entourer un tube lumineux 21 réalisant la source lumineuse. De manière connue, ce tube lumineux 21 peut être une lampe fluorescente à cathode froide ou tous systèmes équivalents. Les rayons émis par le tube lumineux 21 sont renvoyés par le réflecteur 20 selon la direction x, comme symbolisé par le repère orthonormé x, y, z représenté sur la figure. Selon une caractéristique de l'invention, un film prismatique 22 orienté perpendiculairement au tube lumineux 21 est prévu après le tube sur le trajet des rayons lumineux. Ce film prismatique a pour but d'augmenter la luminance au centre du système. A titre d'exemple, on peut utiliser le film vendu par 3M sous la marque "BEF" comme film prismatique. Conformément à la caractéristique principale de la présente invention, un film polarisant linéaire réflectif 23 est positionné parallèlement au film prismatique et après ledit film sur le chemin des rayons lumineux. Le film polarisant réflectif 23 est orienté selon la flèche F de sorte que les rayons issus du tube 21 possédant la polarisation F passe à travers le film, les autres étant recyclés. Les rayons ayant traversés le film 23 sont alors envoyés dans un moyen pour guider les rayons lumineux constitué, comme représenté sur la figure 4, par une section de collimation 24 suivi d'un guide d'ondes proprement dit 25 de section parallèlèpipèdique dans le mode de réalisation de la figure 4. Le guide d'ondes 25 comporte sur sa face supérieure une structure microprismatique non représentée de telle sorte que les rayons sont renvoyés selon la direction z donnée par le repère orthonormé en direction d'un modulateur électro-optique non représenté. Dans la présente description, I'on utilise un guide d'ondes parallèlépipèdique, mais il est évident pour l'homme de l'art que des guides d'ondes présentant d'autres formes peuvent être utilisés, notamment des guides dans lesquels la surface comportant les microprismes, est incurvée comme décrit dans la demande de brevet français N 97 06462 du 27 Mai 1997 au nom de la Demanderesse. A titre d'exemple, un film polarisant linéaire réflectif, pouvant être utilisé dans la présente invention et donnant des résultats particulièrement intéressants, est le film vendu par la Société 3M sous la marque DBEF. Pour montrer les avantages du système d'éclairage arrière conforme à la présente invention par rapport à un système du type de celui représenté à la figure 2, un certain nombre de mesures a été réalisé avec un analyseur de polarisation. Les paramètres suivants ont été comparés: - pourcentage de lumière polarisée contenue dans le faisceau de sortie - ellipticité de la polarisation - azimut par rapport à Oy de la polarisation. Les résultats obtenus sont donnés dans le tableau 1 ci-après. Structure % lumière Ellipticité Azimut/Oy polarisée ......................................................................... DTD: ..........................................................-.............. DTD: .....................................,..DTD: Collimaté (Fig.2) 2- 4 % 40 0 - 10 Coll. + pré-Pol. + retour 85 - 90% 0.40 - 40 0 - 2 pol. (Fig.4) Les résultats donnés dans le tableau montrent donc que l'effet de polarisation recherché est bien obtenu puisque plus de 85 de la lumière en sortie est polarisée. D'autre part, I'azimut très proche de 0 et l'ellipticité très faible montrent qu'en sortie du guide, la lumière est quasiment linéaire et bien orientée. De plus, pour analyser le gain de luminance obtenu par l'effet "retour de polarisation" du film polarisant linéaire réflectif, un polariseur est collé sur la face de sortie du guide d'ondes avec son axe passant parallèle à la polarisation extraite du guide. Les résultats obtenus dans le cas d'un système de l'art antérieur, tel que celui de la figure 2 et dans le cas d'un système conforme à la présente invention sont représentés par les conoscopes donnés en figures 6a et 6b. Sur les courbes, l'échelle donne les valeurs mix et max montrant que pour la courbe 6b, le max est beaucoup plus important. D'autre part, la courbe centrale représente les performances de deux systèmes à 50%. Le fonctionnement du système conforme à la présente invention est donc le suivant. La lumière est émise par le tube 21 puis recentrée par le film prismatique croisé 22. Environ 42% de la lumière est transmise sous forme de polarisation linéaire suivant Oy qui pénètre dans le guide d'onde tandis que le reste est réfléchi vers le tube et le réflecteur pour y être recyclé. Il y a donc renvoi au travers du film polarisant linéaire 23 et du film prismatique 22 et à nouveau 42% de l'énergie sera transmise sous forme de polarisation linéaire orientée Oy et ainsi de suite. De ce fait, on observe comme représenté sur les conoscopes une augmentation de la luminance. Selon une autre caractéristique de la présente invention, une lame retardatrice demi-onde 26, qui conserve la linéarité de la polarisation de sortie orientée Oy et en assure la rotation vers l'axe optique du polariseur d'entrée d'azimut 45 , est laminée sur la surface de sortie du guide de lumière, comme représentée sur la figure 5. Cela permet une meilleure adaptation aux modulateurs électro- optiques constitués en général par des écrans à cristaux liquides dont les directions de brossage, à savoir l'alignement des molécules de bords, sont orientés à 45 et 1350 par rapport à Il'axe Oy. Ainsi, avec le système d'éclairage arrière, conforme à la présente invention, on observe un angle de vue très large avec un bon niveau de contraste et une élimination des inversions de niveau de gris en vertical. D'autre part, on observe une augmentation de plus de 40% de la luminance de l'écran, ce qui donne une image plus agréable et une possibilité de réduire la puissance de la source lumineuse, à savoir la consommation électrique. De même, il est aussi possible d'augmenter le contraste maximum de l'écran à cristaux liquides de plus de 20%, notamment en utilisant la lame retardatrice demi-onde. REVENDICATIONS 1. Système d'éclairage arrière pour modulateur électro-optique transmissif utilisant l'effet de polarisation de la lumière comportant au moins un moyen (21) de génération de rayons lumineux, au moins un réflecteur (20) pour renvoyer les rayons lumineux dans une première direction x et des moyens (25) pour guider les rayons lumineux vers le modulateur électro- optique, caractérisé en ce qu'il comporte un film polarisant linéaire réflectif (23) positionné avant lesdits moyens pour guider les rayons lumineux. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'orientation du film polarisant linéaire réflectif (23) et les moyens (24) pour guider les rayons lumineux sont choisis pour que l'état de polarisation de la lumière reste inchangé depuis l'entrée jusqu'à la sortie desdits moyens. 3. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le film polarisant linéaire réflectif (23) est constitué par le film vendu par la société 3M sous la marque "DBEF". 4. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour guider les rayons lumineux sont constitués par un guide d'onde (25) positionné en sortie du réflecteur de manière à transporter les rayons lumineux selon la direction x, une des faces du guide d'onde parallèle à la direction x comportant une structure microprismatique réfléchissant spéculairement les rayons lumineux et les extrayant du guide d'onde selon une deuxième direction référencée z, perpendiculaire à la première direction. 5. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'un moyen de collimation (24) est situé entre le film polarisant linéaire réflectif et les moyens pour guider les rayons lumineux. 6. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte un film prismatique (22) orienté perpendiculairement aux moyens de génération de rayons lumineux et positionné entre ces moyens de génération et le film polarisant linéaire réflectif. 7. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'une lame retard demi-onde (26) est positionnée en sortie des moyens pour guider les rayons lumineux. 8. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le modulateur électro-optique est un écran à cristaux liquides.