Brevet FR2773223A1 — publié le 19990702

SYSTEME DE PROJECTION OU VISUALISATICK D' I MAGES L'invention est relative à un dispositif d'éclairement à intégrateur optique, notamment pour un système de projection ou de visualisation d'images. Elle concerne aussi un tel système. Pour la projection (ou la visualisation) d'images, notamment de type télévision, il est connu d'utiliser une valve optique à cristal liquide dont on commande la transparence de chaque élément formateur d'image en fonction de la luminance de chaque point de l'image à former. L'énergie lumineuse pour la projection est fournie par un dispositif d'éclairement à l'arrière de la valve et un système optique devant la valve projette l'image sur un écran. Il est également possible de visualiser la valve soit directement soit par 1'intermédiaire d'un système optique d'agrandissement. Pour que l'image projetée ou visualisée restitue cor- rectement l'image formée dans la valve, il est nécessaire que l'éclairement de la valve soit uniforme. Ce problème n'est pas aisé à résoudre, notanmment, parce que l'éclairement provient d'une source d'étendue limitée. Une solution consiste à utiliser un intégrateur opti- que. Un exemple de projecteur connu à intégrateur est représenté sur la figure 1. Dans cet exemple, la source 10 est associée à un réflecteur 12 et les pinceaux lumineux réfléchis par ce réflec- teur sont collectés par un premier réseau 14 de petites lentilles 141,142... La forme (contour) et les proportions de chaque len- tille 14i correspondent, de préférence, à la forme et aux propor- tions de la valve optique 16. Par exemple, si la valve est rectangulaire de proportions 4:3 ou 16:9, les lentilles présen- teront les mêmes proportions. A chacune de ces lentilles 14i est associée une autre petite lentille 18i d'un second réseau 18. Cette lentille 18i est disposée de façon telle qu'elle forme l'image de la lentille 14i sur toute l'étendue de la valve 16. Ainsi, nmme si les divers pinceaux lumineux provenant du réflec- teur 12 ont des énergies différentes, cette hétérogénéité ne se traduit pas par une hétérogénéité d'éclairement sur la valve 16, car l'énergie de chaque pinceau est répartie sur toute la surface de la valve. En outre, si la forme et les proportions de chaque lentille 14i correspondent à la forme et aux proportions de la valve 16, les pertes de lumières sont minimisées. Le réflecteur 12 est, par exemple, elliptique et la source 10 est disposée au premier foyer et les pinceaux reçus par les lentilles 14i sont légèrement convergents. A l'aval de la valve 16, on prévoit un objectif de pro- jection 20. Ce système de projection est d'un prix assez élevé, notammnent parce que ses divers composants optiques sont de gran- des dimensions. L'invention permet de réduire les dimensions des compo- sants optiques. Elle part de la constatation que l'ouverture de l'ob- jectif de projection dépend de l'angle c sous lequel le centre O de la valve voit le second réseau 18 de lentilles et qu'on a donc intérêt à diminuer cet angle et, par conséquent, à diminuer l'étendue de l'intégrateur. Partant de cette constatation, les inventeurs ont observé que la surface du réseau 18 n'est pas utilisée de façon optimale. Cette observation apparaît sur la figure la sur laquelle on voit que le réseau 18, de forme générale circulaire, est éclairé en des emplacements localisés 221, 222, etc., c'est- à-dire séparés les uns des autres, la smnme des aires des zones éclairées étant sensiblement inférieure à l'aire du disque formé par le réseau 18. Le dispositif d'éclairement selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend un moyen pour focaliser les pin- ceaux lumineux du réflecteur sur l'intégrateur. Ainsi, chaque lentille du premier réseau est éclairée sous un angle important; il en résulte que la lentille associée du second réseau, destinée à imager la première lentille sur la valve, reçoit aussi un faisceau lumineux d'angle important, ce qui permet d'augmenter, de préférence maximiser, l'aire de la partie éclairée du second réseau de lentilles. En outre on peut minimiser les dimensions de l'intégrateur optique, ce qui en minimise le prix. La diminution des dimensions des réseaux de l'intégrateur entraîne la diminution recherchée de l'angle sous lequel la valve voit l'intégrateur et donc la diminution de l'ou- verture de l'objectif de projection. La diminution de l'ouverture de l'objectif de projec- tion permet d'augmenter le contraste car on sait que l'utilisa- tion des rayons lumineux fortement inclinés par rapport à la normale au plan d'une valve à cristal liquide entraîne une dimi- nution du contraste. Pour focaliser le faisceau du réflecteur sur l'inté- grateur, on prévoit soit une lentille de focalisation, soit un réflecteur de forme appropriée, par exemple un réflecteur de forme elliptique dans lequel la source est disposée au premier foyer et l'intégrateur au second foyer. La position de l'intégrateur en un point de convergence du faisceau permet d'utiliser cet intégrateur dans un dispositif de projection ou visualisation d'images en couleurs faisant appel à une seule valve dans laquelle chaque point d'image est formé à partir de plusieurs (en général trois) éléments d'images, chacun de ces éléments étant affecté à une couleur déterminée (rouge, verte et bleue, par exemple), le système optique d'éclairage étant tel qu'un faisceau lumineux d'une couleur déterminée atteigne seulement l'élément d'image affecté à cette couleur. Les faisceaux colorés sont créés à partir d'une source de lumière blanche et de moyens de séparation angulaire selon la couleur. La position de l'intégrateur est telle qu'elle ne modifie pas l'orientation relative des rayons et permet ainsi de conserver la séparation angulaire des couleurs. Dans une réalisation, chaque faisceau d'une couleur déterminée éclaire une partie de la surface de l'intégrateur qui lui est affectée. Autrement dit, la surface de l'intégrateur est divisée en plusieurs parties distinctes et chaque partie est uti- lisée pour une seule couleur. En variante, on prévoit des inté- grateurs juxtaposés, le nombre d'intégrateurs étant égal au nombre de couleurs. Pour des réalisations dans lesquelles on désire un éclairement maximum sur la valve, on fait appel à une lentille collectrice entre l'intégrateur et la valve de façon à superposer les divers faisceaux atteignant l'écran. Si on n'utilise pas de lentille collectrice, on peut maximiser l'uniformité d'éclairement et donc le contraste de l'image projetée ou visualisée. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront avec la description de certains de ses modes de réa- lisation, celle-ci étant effectuée en se référant aux dessins ci- annexés sur lesquels: - les figures 1 et la, déjà décrites, représentent un système connu de projection d'images, - la figure 2 est un schéma d'un système de projection conforme à l'invention, - la figure 3 est une vue partielle, à plus grande échelle, de l'intégrateur optique du système de la figure 2, - les figures 4 est un schéma d'un système selon l'in- vention permettant la projection d'images en couleurs à l'aide d'une seule valve, - la figure 4a et 4b montrent des détails du système de la figure 4, et - la figure 5 est un schéma d'un système selon l'inven- tion permettant la projection d'images en couleurs à l'aide de trois valves. Le système de projection représenté sur la figure 2 ccoporte un réflecteur 22 ayant la forme d'une partie d'ellip- soide de révolution d'axe 24. Une source lumineuse 26 est dis- posée au premier foyer F1 de l'ellipsoide. L'intégrateur optique 28 est disposé au voisinage du second foyer F2 de l'ellipsoide. Ainsi, selon l'invention, l'in- tégrateur 28 est disposé au point de convergence du faisceau d'éclairement, ou au voisinage d'un tel point. L'intégrateur 28 comporte, d'une part, un premier réseau 30 de lentilles 301, 302, etc. qui reçoit directement le faisceau 32 provenant de la réflexion du rayonnement de la source 26 sur la surface interne du réflecteur 22, et, d'autre part, un second réseau 34 de lentilles 341, 342, etc. disposé à courte distance du premier réseau 30, à l'opposé de la source 26. Les réseaux 30 et 34 sont disposés dans un plan per- pendiculaire à l'axe 24. A la suite de l'intégrateur 28 est disposée une len- tille collectrice 36, dont le rôle sera expliqué plus loin. La source 26, le réflecteur 22, l'intégrateur 28 et la lentille collectrice 36 permettent d'éclairer de façon uniforme la valve 16. A la suite de cette valve 16 est disposé un objectif 38 de projection sur un écran (non représenté). Les réseaux 30 et 34 sont associés de façon telle qu'à chaque lentille 30i du réseau 30 corresponde une lentille 34i du réseau 34. Les lentilles des réseaux 30 et 34 sont, par exemple, en verre. De façon en soi connue, la disposition des réseaux 30 et 34 et de la valve 16 est telle que chaque lentille 30i soit dans une position conjuguée de position de la valve 16 par rapport à la lentille associée 34i. En d'autres termnes, chaque lentille 34i forme, sur la valve 16, l'image de la lentille asso- ciée 30i. Bien entendu, dans l'exemple, la lentille collectrice 36 participe à la formation de l'image. En outre, également de façon classique, chaque lentille i a sensiblement la forme rectangulaire et les proportions de la valve 16 et le grandissement de chaque lentille 34i est tel que l'image de la lentille 30i occupe entièrement la surface de la valve 16. Le premier réseau 30 a une forme générale rectangulaire et le second réseau 34 présente une forme quelconque telle que celle d'un disque, d'un carré ou d'un hexagone. Dans l'exemple représenté sur la figure 3, le réseau 30 est formé sur la première face 52 d'une plaque de verre 50 et le réseau 34 est formé sur la seconde face 54 de la même plaque de verre 50. En variante (non rmontrée), chaque réseau est formé sur une plaque de verre distincte et les deux plaques sont accolées. Le plan focal des lentilles 30i se trouve sensiblement dans le plan des lentilles 34i de façon que toute la lumière provenant de la source traverse les lentilles du second réseau. Selon une autre disposition de l'invention, les len- tilles 30i et 34i ainsi que le réflecteur 22 sont configurés de façon telle qu'un faisceau convergeant 40 (figure 3) sur une len- tille 30i, c'est-à-dire un faisceau dont le sommet passe par le centre optique de la lentille 30i, occupe pratiquement toute la pupille de la lentille associée 34i. Ainsi, les lentilles 34i étant jointives, le flux lumineux occupe au maximum la surface du réseau 34. L'ouverture numérique des lentilles 30 et 34 est, autrement dit, du même ordre de grandeur que l'ouverture numé- rique de l'éclairement dans le plan du foyer F2. Pour un angle d'incidence D de l'ordre de 25 , l'ouverture numérique est de 1:1,5 environ. L'intégrateur 28 étant disposé en un emrplacement o l'énergie est concentrée, les composants de cet intégrateur peu- vent être de taille réduite et donc d'un coût relativement peu élevé. Par ailleurs, l'angle D sous lequel la valve 16 voit 1'intégrateur étant faible, il en résulte que l'ouverture numre- rique de l'objectif 38 à l'aval de la valve 16, est également d'une faible valeur, ce qui permet de minimiser le coût de cet objectif de projection. Il est à noter que la minimisation de l'ouverture angu- laire du faisceau illuminant la valve 16 entraîne aussi une ame- lioration du contraste de l'image projetée, car on élimine les rayons fortement inclinés par rapport à la normale au plan de la valve 16, ces rayons inclinés altérant le contraste. En variante (non représentée), le réflecteur a la forme d'un paraboloide de révolution et la source lumineuse se trouve au foyer de ce paraboloide. Dans ce cas, le faisceau produit par le réflecteur est focalisé à l'aide d'une (ou plusieurs) len- tille(s), l'intégrateur se trouvant alors dans le plan focal, ou au voisinage du plan focal, de cette lentille. Dans l'exenmple décrit en relation avec les figures 2 et 3, la lentille collectrice 36 permet de ramener l'ensemble du flux lumineux sur la valve 16. Dans une variante (également non représentée), cette lentille collectrice 36 n'est pas prévue. Dans ce cas, une perte de flux lumineux peut intervenir, cette perte dépendant des caractéristiques des lampes utilisées. Mais on peut alors maximiser l'uniformisation de l'éclairement et donc le contraste. Le mode de réalisation décrit en relation avec les figures 2 et 3 correspond à la visualisation ou projection d'une image monochrone avec une valve à cristal liquide 16. On va maintenant décrire en relation avec les figures 4, 4a et 5 deux exemples d'application de l'invention à la projection, ou à la visualisation, d'images en couleurs. On se réfère d'abord aux figures 4 et 4a. Dans cet exemple, la valve 60 est telle que les élé- ments formateurs d'images sont groupés par triplets 72R, 72V et 72B (figure 4a) et chacun des éléments d'un triplet est associé à une couleur, en général le rouge R, le vert V, et le bleu B. En outre, le dispositif d'éclairement produit des faisceaux lumineux dans chacune des couleurs qui ont des orientations différentes. On voit ainsi sur la figure 4 que le pinceau central 64 du fais- ceau de couleur verte est selon l'axe 66 du système de projec- tion, tandis que le pinceau central 68 du pinceau de couleur rouge R est incliné par rapport à l'axe 66, et le pinceau central pour la couleur bleue est incliné par rapport à l'axe d'un même angle que le pinceau 68, mais symétriquement par rapport à l'axe 66. Les inclinaisons de ces pinceaux 64, 68 et 70 sont telles que chaque faisceau converge, grâce à un réseau 62 de len- tilles 621,622, etc. (figure 4a), seulement vers les éléments formateurs d'images affectés à la couleur correspondante. Ainsi, le faisceau de couleur verte atteint seulement les éléments d'images 72v. De même, les faisceaux de couleurs, respectivement rouge et bleue, n'atteignent que les éléments d'images 72R et 72B prévus pour ces couleurs respectives. Dans l'exemple, le réflecteur 80 a la forme d'un para- boloide de révolution autour de l'axe 66 et la source 82, au foyer de ce paraboloide, produit une lumière blanche. Le faisceau parallèle réfléchi par le réflecteur 80 atteint un dispositif 84 de séparation des couleurs. Ce disposi- tif 84 est par exemple du type de celui décrit dans le brevet français N 9308470 au nom de Thomson CSF, c'est-à-dire qu'il comprend un moyen pour disperser les couleurs au moyen d'un réseau holographique et un cache avec des ouvertures. Les ouver- tures sont disposées par triplets; chaque ouverture correspond à une couleur déterminée et est associée à un élément formateur d'images correspondant de la valve 60. Lorsque les couleurs sont correctement séparées, les ouvertures du cache ne comportent pas de filtres. Si la réparti- tion des couleurs n'est pas satisfaisante on prévoit des filtres sur les ouvertures. Le faisceau provenant du dispositif 84 est focalisé par une lentille 86. Comme on peut le voir sur la figure 4 les fais- ceaux lumineux issus de cette lentille 86 ont des orientations différentes et atteignent des zones différentes de l'intégrateur 90. Ainsi, l'intégrateur 90 est séparé en trois parties, une partie centrale 92 pour le faisceau vert, une partie latérale 94 pour le faisceau rouge et une autre partie latérale 96 pour le faisceau bleu. La séparation en trois parties de l'intégrateur 90 est réalisée à l'aide d'un masque 89 disposé, dans l'exemple, du côté de l'intégrateur tourné vers la valve 60. Ce masque est représenté en plan sur la figure 4b. Sur cette figure, la direc- tion dl correspond à la direction d sur la figure 4. Il comrporte des ouvertures 92, 94 et 96 de formes rectangulaires. Ces ouvertures, et donc les zones 92, 94 et 96, présen- tent des contours homothétiques des contours des zones correspon- dantes des pixels, chaque zone étant imagée, par une lentille 62i, dans le plan des pixels de la couleur correspondante. Autrement dit, les zones 92, 94 et 96 sont homothétiques des triplets de pixels (éléments d'image) 72B, 72V et 72R. Ccane dans l'exemple de la figure 2, on prévoit une lentille collectrice 98. Par ailleurs, une lentille de champ 100 est disposée devant le réseau 62. Avec cet intégrateur, on obtient une uniformité d'éclairement pour chaque couleur, les intégrateurs par couleurs étant séparés. Dans ces conditions, sur la valve 60, la qualité des couleurs est optimale. Par ailleurs, ce système de projection permet aussi une saturation correcte des couleurs. Comme dans le mode réalisation de la figure 2, on obtient une bonne uniformité d'éclairement et une utilisation optimale du flux lumineux. Le mode de réalisation représenté sur la figure 5 est un système de projection d'images en couleurs dans lequel on superpose les images provenant de trois valves, respectivement pour la couleur verte, 112 pour la couleur rouge et 114 pour la couleur bleue. Dans cet exemple, on prévoit un intégrateur pour chaque couleur, c'est-à-dire pour chaque valve. Les couleurs sont séparées grâce à des miroirs dichro- iques qui sont placés en anmont des intégrateurs. Il en résulte ainsi un gain de place, c'est-à-dire, par rapport à des systèmes classiques, une réduction d'encombrement. La source 116 émet une lumière blanche qui est réflé- chie, par le réflecteur 118 vers un premier miroir 120 dichro- ique. Ainsi, le miroir 120 transmet un faisceau rouge sur l'inté- grateur 122 et réfléchit les composantes restantes, verte et bleue, vers un second miroir 124 dichroique. Le faisceau pro- venant du miroir 120 est ainsi partiellement réfléchi vers l'intégrateur 126 affecté à la couleur verte et est partiellement transmis vers l'intégrateur 128 affecté à la couleur bleue. A chaque intégrateur est associée une lentille collec- trice, comne dans la réalisation représentée sur les figures 2 et 3, ainsi qu'une lentille de projection, respectivement 130, 132 et 134. Des miroirs de renvoi permettent de combiner 1' ensemble des faisceaux sur un même axe 140, qui est, dans l'exemple, l'axe du faisceau bleu. Ainsi, le faisceau rouge est renvoyé à 90 par un miroir 142 disposé entre la lentille collectrice affectée à l'intégrateur 122 et l'objectif de projection 132. Le faisceau réfléchi par le miroir 142 traverse un miroir semi-réfléchissant 144 pour être réfléchi par un autre miroir semi-réfléchissant 146 qui ramène le faisceau rouge dans la direction de l'axe 140. Le il faisceau vert provenant de la valve 110 est réfléchi par le miroir 144 ainsi que par le miroir 146. Un miroir 150 ramne le faisceau bleu dans la direction de l'axe 140, parallèle à l'axe du réflecteur 118. REVEDICATIONS 1. Système de projection ou de visualisation d'images comportant une valve (16) présentant une pluralité d'éléments formateurs d'images de coefficient de transmission de lumière pouvant être commandé pour représenter l 'image, et un moyen d'éclairement de la valve (16) comprenant une source lumineuse (26) et un intégrateur (28) à deux réseaux (30, 34) de lentilles associés de façon telle que chaque lentille du second réseau répartit sur la valve la lumière reçue d'une lentille correspon- dante du premier réseau, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen (22; 86, 118) pour focaliser le faisceau d'éclairement sur l' intégrateur. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le faisceau d'éclairement est produit par un réflecteur (22) qui réfléchit la lumière produite par la source (26) et en ce que l'intégrateur est disposé sensiblement dans le plan focal du réflecteur (22). 3. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'énergie lumineuse fournie par la source (82) se réfléchit sur un réflecteur (80) et en ce que le faisceau lumineux réfléchi est focalisé par une lentille (86), l'intégrateur se trouvant sensiblement dans le plan focal de cette lentille. 4. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens d'éclairement de l'intégra- teur et les deux réseaux de ce dernier sont tels que l'ouverture numérique du faisceau d'éclairement (40) est sensiblement égale à l'ouverture numérique de chaque lentille (34i) du second intégra- teur (34). 5. Système selon une quelconque des revendications pré- cédentes, caractérisé en ce que chaque lentille du second réseau (34) est disposée sensiblement dans le plan focal d'une lentille associée du premier réseau (30). 6. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les lentilles de second réseau (34) sont toutes jointives. 7. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la forme de chaque lentille du premier réseau (30) correspond à la forme de la valve (16). 8. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les deux réseaux de lentilles sont disposés de part et d'autre d'une plaque de verre (50). 9. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les réseaux de lentilles (30 et 34) sont disposés sur des plaques de verre accolées. 10. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une lentille collectrice (36) est disposée entre l'intégrateur (28) et la valve (16) de façon que l'ensemble du faisceau atteigne la valve. 11. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la valve (60) comporte des éléments formateurs d'images associés en multiplets (72V, 72R, 72B), chaque élément d'un multiplet étant affecté à une couleur déterminée, des moyens optiques (84) étant prévus pour séparer angulairement les couleurs du moyen d'éclairement de façon qu'un élément affecté à une couleur déterminée reçoive seulement un faisceau de cette couleur, et en ce que l'intégrateur (90) est séparé en un nombre de parties distinctes égal au nombre de couleurs, chaque partie (92, 94, 96) étant affectée à une couleur déterminée. 12. Système selon la revendication 11, caractérisé en ce que les contours des parties distinctes (92, 94, 96) de l'inté- grateur sont homothétiques des éléments d'images de chaque multi- plet. 13. Système selon la revendication 11 ou 12, caractérisé en ce que le pinceau central d'un faisceau d'une couleur est sensiblement selon l'axe (66) du système et en ce que les pin- ceaux centraux de deux autres faisceaux sont inclinés par rapport à l'axe d'un même angle et symétriquement par rapport à cet axe (66). 14. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'étant destiné à la projection ou la visualisation d'images en couleurs, il comporte n valves, de pré- férence trois, une par couleur, des premiers moyens pour renvoyer les faisceaux lumineux sur des intégrateurs correspondants (122, 126, 128) disposés en des emplacements de focalisation de la lumière et des seconds moyens à miroirs pour ranener les fais- ceaux provenant de chacune des valves sur un même axe (140). 15. Système selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comporte une source de lumière blanche et des miroirs dichroiques (120 et 124) pour séparer les couleurs, ces miroirs dichroiques étant disposés entre la source (116) et les intégra- teurs (122, 126, 128).