Brevet FR2764086A1 — publié le 19981204

PERFECTIONNEMENT AU SYSTEME D'ECLAIRAGE ARRIERE POUR MODULATEUR ELECTRO-OPTIQUE TRANSMISSIF La présente invention concerne un perfectionnement au système d'éclairage arrière pour modulateur électro-optique transmissif, plus particulièrement pour ceux fonctionnant en vision directe. Il est connu de l'homme de l'art que les afficheurs transmissifs tels que les afficheurs à cristaux liquides ont des caractéristiques électrooptiques qui dépendent fortement des conditions angulaires d'observation. Pour remédier à cet inconvénient, on a proposé d'utiliser une source de lumière collimatée pour éclairer le modulateur électro-optique. Plusieurs systèmes permettant d'obtenir une lumière collimatée sont connus de l'homme de l'art. Ainsi, dans l'article du SID 94 Applications Digest intitulé: "Flat collimator a back lighting assembly utilizing microprism for energy efficiency" est décrit un système dé collimation comportant un tube fluorescent, un réflecteur sensiblement parabolique entourant le tube, une section de collimation prolongeant le réflecteur et un conduit lumineux ou guide d'ondes muni sur sa surface inférieure d'une structure microprismatique. Dans ce cas, la lumière émise par le tube est envoyée par le réflecteur à l'intérieur de la section de collimation, puis dans le conduit lumineux o, par reflection spéculaire, sur la structure microprismatique, sensiblement toute la lumière injectée dans le conduit lumineux est envoyée en étant collimatée de manière appropriée en direction du modulateur prévu parallèlement à la surface supérieure du conduit lumineux. Un système de ce type est représenté schématiquement sur la figure 1 dans laquelle la référence 1 correspond au tube formant la source lumineuse, la référence 2 à la section de collimation, la référence 3 au conduit lumineux ou guide d'ondes, la référence 4 à la structure microprismatique. Dans ce cas, et comme représenté sur la figure 1, le guide d'onde ou conduit lumineux 3 comporte une face supérieure 3a sur laquelle est réalisée la structure prismatique 4, une face inférieure 3b ou face de sortie et une face arrière 3c. Cette structure de guide d'onde présente un certain nombre de défauts. Ainsi, certains rayons lumineux sensiblement horizontaux tels que le rayon r, se réfléchissent sur la face arrière 3c et sont envoyés vers la source. Ils ne servent pas à éclairer le modulateur. Il en résulte donc une efficacité moyenne du système. D'autre part, la structure prismatique étant une structure homogène, à savoir tous les microprismes étant identiques, on observe une inhomogénéêté spatiale de la direction du lobe de sortie ainsi qu'un certain nombre de lobes parasites dûs à l'utilisation d'un collimateur uni-directionnel parallèle au guide d'ondes. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients en proposant différents perfectionnements au système d'éclairage du type de celui décrit ci-dessus. En conséquence, la présente invention a pour objet un système d'éclairage arrière pour modulateur électro-optique transmissif comportant - au moins une source de rayons lumineux; - au moins un réflecteur pour renvoyer les rayons lumineux selon une première direction référencée z; - un moyen de transmission de la lumière positionné en sortie du réflecteur de manière à transporter les rayons lumineux selon la direction z, une des faces du moyen de transmission s'étendant selon la direction z comportant une structure micro-prismatique réfléchissant spéculairement les rayons lumineux et les extrayant du moyen de transmission sensiblement selon une deuxième direction référencée x perpendiculaire à la première direction, caractérisé en ce que la face du moyen de transmission comportant la structure micro-prismatique est une surface courbe. De préférence, la surface courbe est incurvée de manière à rejoindre la face opposée ou face de sortie du moyen de transmission. Avec cette structure particulière, I'ensemble des rayons lumineux incluant les rayons les plus horizontaux, est intercepté par les microprismes et réfléchi vers la face de sortie, ce qui entraîne un accroissement du flux lumineux. Selon une autre caractéristique de la présente invention, I'angle des prismes de la structure micro-prismatique est adapté, en fonction de leur position le long de la surface courbe, pour que les rayons réfléchis soient sensiblement perpendiculaires à la face de sortie. Avec cette structure particulière, les microprismes se trouvant à l'extrémité du moyen de transmission ou guide d'ondes reçoivent des rayons beaucoup moins inclinés. Les inclinaisons des prismes étant adaptée, cela entraîne une homogénéisation spatiale de la direction des lobes de sortie. Selon un mode de réalisation particulier, les équations donnant l'évolution de la surface courbe et de l'angle des prismes sont respectivement les suivantes: X(z) = az4 + bz3 + cz2 + dz B(z) = Az4 + Bz3 + Cz2 + Dz + E (deg) avec z = i. p i = [0, N] pour X(z) z = (i - 0,5). p i = [1, N]pourB(z) p représentent le pas des microprismes et a, b, c, d, A, B, C, D étant des coefficients choisis en fonction des paramètres du collimateur, tels qu' épaisseur, inclinaison, angles de collimation, etc... et des dimensions de répartition du flux. B(z) prenant des valeurs de l'ordre de 35 à 50 Selon encore une autre caractéristique de la présente invention, un moyen de collimation est situé entre la source de rayons lumineux et le moyen de transmission, ce moyen de collimation étant soit un collimateur linéaire à face d'entrée inclinée, soit un concentrateur à élément parabolique connu sous le terme -CPC" à face d'entrée inclinée. Dans ce cas, le collimateur est incliné de telle sorte que sa face inférieure soit quasiment alignée avec la face de sortie du moyen de transmission. Les différentes images de la source issues des reflections sur la face de sortie et sur les faces du collimateur ainsi que la source elle-môme sont donc adjacentes et ne génèrent pas de trous dans le spectre angulaire des rayons incidents sur les prismes, ce qui entraîne une suppression des lobes parasites. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description d'un mode de réalisation préférentiel, cette description étant faite avec référence aux dessins ci-annexés dans lesquels: - la figure 1, déjà décrite, est une représentation schématique d'un système d'éclairage selon l'art antérieur; - la figure 2 est une représentation schématique d'un moyen de transmission conforme à la présente invention avec un agrandissement de certains des microprismes; la figure 3 est une vue en coupe schématique d'un collimateur utilisable dans la présente invention; - la figure 4 est un élément de la figure 2 montrant les variables des équations; - les figures 5 et 6 représentent respectivement l'évolution de la courbe de la face extractrice et l'évolution de l'angle des prismes pour un système particulier. Pour simplifier la description, dans les figures les mêmes éléments portent les mêmes références. Sur la figure 2, on a représenté un système d'éclairage conforme à la présente invention. De manière connue, ce système d'éclairage comporte une source lumineuse 10 qui peut être constituée par un tube fluorescent. Ce tube fluorescent est normalement entouré par un réflecteur, de préférence sensiblement parabolique, qui renvoie les rayons lumineux vers un moyen de collimation 20 qui sera décrit de manière plus détaillée avec référence à la figure 3. En sortie du moyen de collimation 20, est prévu un moyen de transmission de la lumière 30 ou guide d'ondes. Comme représenté sur la figure 2, le guide d'ondes 30 comporte une première face 31 ou face supérieure sur laquelle est réalisée une structure microprismatique 40 dont le rôle est de réfléchir spéculairement les rayons lumineux en sortie du moyen de collimation vers la face inférieure 32 du guide d'ondes appelée aussi face de sortie. Conformément à la présente invention, la face supérieure 31 sur laquelle est réalisée la structure microprismatique est une surface courbe. Cette surface courbe est telle qu'elle rejoint à son extrémité opposée à la source lumineuse, la face de sortie 32. La définition de la forme de la surface courbe est telle qu'elle permet une répartition uniforme du flux. La forme de cette courbe peut être donnée par une équation polynomiale de la forme: X(z) = az4 + bz3 + cz2 + dz dans laquelle z = ip avec i = [o, NI, p le pas d'un microprisme et a, b, c, d sont des coefficients fonction des paramètres du collimateur et des dimensions de répartition du flux, comme représenté sur la figure 4. A titre d'exemple, l'équation peut être la suivante X(z) = - 1,92e 7z4 + 6,51e'5z3- 2,46e3z2 + 1,77e-2z les coefficients de l'équation polynomiale étant choisis par simulation de manière à optimiser le flux en sortie. D'autre part, selon une autre caractéristique de la présente invention, comme représenté clairement en 41, 42, 43 sur la figure 2, la structure microprismatique n'est pas une strucutre homogène, mais l'angle d'inclinaison des prismes évolue en fonction de leur position sur la surface courbe. L'angle des prismes est adapté pour que les rayons réfléchis sortent tous à peu près sous la même incidence, comme représenté par les flèches F sur la figure 2. L'évolution de l'angle des prismes peut être donnée par l'équation B(z) = Az4 +Bz3 + Cz2 + Dz + 35,7 (deg) avec z = (i - 0,5). p i = [1, N] pour B(z), p étant le pas entre deux microprismes, comme représenté clairement sur la figure 4 et A, B, C, D étant des coefficients fonction des paramètres ci-dessus. A titre d'exemple, l'équation utilisée peut être la suivante: B(z) = 2,30e*z4 + 2,12e5z3 - 4,01eSz2 + 9,61e-2z + 35,7 (deg), les coefficients étant choisis comme ci-dessus, par simulation. Avec cette structure, les prismes se trouvant à l'extrémité du guide d'ondes ou moyen de transmission, tel que le prisme 43, reçoivent des rayons beaucoup moins inclinés que ceux se trouvant au début du moyen de transmission, tel que le prisme référencé 41. Cette structure particulière permet une homogénéisation spatiale de la direction du lobe de sortie. D'autre part, comme représenté sur les figures 2 et 3 par la référence , on voit que le moyen de collimation 20 présente une surface d'entrée 21 inclinée par rapport à l'horizontal. Les différents paramètres du collimateur peuvent être calculés en utilisant les équations suivantes 9,F(9o-) o- 29) i9coLr(.9-6) - 29e) Le_ P - Ap(cosg- sinc8tanO,) tan - av + tan $s Ainsi, le collimateur présente une face d'entrée 21 inclinée de telle sorte que la face inférieure 22 soit presque horizontale, à savoir dans l'alignement de la face de sortie du moyen de transmission. De ce fait, on obtient une collimation importante. De plus, les différentes images de la source issues des réflections sur la face de sortie et sur les faces 22, 23 du collimateur, ainsi que la source elle- même, sont donc adjacentes et ne génèrent pas de trous dans le spectre angulaire des rayons incidents sur les prismes, ce qui entraîne une suppression des lobes parasites. Le collimateur utilisé peut être soit un collimateur linéaire, comme représenté sur la figure 3, soit un concentrateur connu sous le sigle CPC pour Compound Parabolic Concentrator". L'utilisation d'un collimateur avec sa face d'entrée inclinée génère un flux fort en début de guide. Toutefois, I'excès d'éclairement en entrée du guide d'ondes peut être atténué avec la forme de la surface courbe contenant les microprismes, cette surface pouvant être choisie de telle sorte que la courbe soit montante en début pour diminuer la surface efficace de cette zone, puis plongeante vers la face de sortie pour récupérer le maximum de flux. Ce phénomène est évité lorsqu'on utilise un collimateur CPC dont la face d'entrée est inclinée, car ce collimateur a une répartition en sortie, dans un plan transversal, plus homogène. La courbe de la surface extractrice est alors plus tendue Les courbes des figures 5 et 6 ont été obtenues en utilisant un système d'éclairage arrière ayant les caractéristiques suivantes - collimateur: demie-face entrée = 1,5 mm épaisseur = 9 mm longueur L - 14,6 mm angle de collimation = 19 angle maximum = 33,6 inclinaison = 23 - moyen de transmission ou guide d'ondes: longueur = 75 mm profondeur = 90 mm épaisseur = 9 mm le matériau utilisé est du matériau acrylique présentant un indice de réfraction n = 1,49. Dans ce cas, les courbes X et B sont données par les valeurs associées mentionnées en haut des deux courbes. Il est évident pour l'homme de l'art que la structure de base décrite ci- dessus peut être utilisée pour obtenir plus de flux et améliorer l'angle de vue. Ainsi, on peut utiliser deux structures avec plusieurs tubes sources, telles que décrites ci- dessus, déposées symétriquement par rapport à la face de sortie ou superposées l'une sur l'autre. REVENDICATIONS 1. Système d'éclairage arrière pour modulateur électro-optique transmissif comportant: - au moins une source de rayons lumineux (10); - au moins un réflecteur pour renvoyer les rayons lumineux selon une première direction référencée z; - un moyen (30) de transmission de la lumière positionné en sortie du réflecteur de manière à transporter les rayons lumineux selon la direction z, une des faces du moyen de transmission s'étendant selon la direction z comportant une structure micro-prismatique (40) réfléchissant spéculairement les rayons lumineux et les extrayant du moyen de transmission sensiblement selon une deuxième direction référencée x perpendiculaire à la première direction, caractérisé en ce que la face (31) du moyen de transmission comportant la structure micro-prismatique (40) est une surface courbe. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface courbe (31) est incurvée de manière à rejoindre la face opposée ou face de sortie (32) du moyen de transmission. 3. Système selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'angle des prismes de la structure micro-prismatique est adapté, en fonction de leur position le long de la surface courbe, pour que les rayons réfléchis soient sensiblement perpendiculaires à la face de sortie. 4. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les équations de l'évolution de la surface courbe et de l'angle des prismes sont respectivement: X(z) = az4 + bz3 + cz2 + dz B(z) = Az4 + Bz3 + Cz2 +Dz + E (deg) avec z = i. p i = [O, NI pour X(2) z = (i - 0,5). p i = [1, N] pourB(z) p représente le pas des microprismes et a, b, c, d, A, B, C, D sont des coefficients choisis en fonction des paramètres du collimateur tels qu'épaisseur, inclinaison, angles de collimation et des dimensions de répartition du flux. 5. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un moyen de collimation (20) est situé entre la source de rayons lumineux et le moyen de transmission. 6. Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que le moyen de collimation est un collimateur linéaire à face d'entrée inclinée. 7. Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que le moyen de collimation est un concentrateur à élément parabolique ou "CPC" à face d'entrée inclinée.