Brevet FR2787591A1 — publié le 20000623

La présente invention concerne un appareil de projection donnant une image de grandes dimensions et notam- ment un appareil de projection d'image à laser sur un écran de grandes dimensions, à une distance relativement courte, par augmentation de l'angle horizontal de balayage de l'appareil de projection à laser. Art antérieur Les moyens caractéristiques connus pour afficher une image sont des éléments plans tels que des tubes cathodi- ques (CRT) de récepteur de télévision ou des affichages à cristaux liquide (LCD). Toutefois, plus l'écran du tube cathodique ou de l'affichage à cristaux liquide est grand et plus il est dif- ficile de le fabriquer et moins bonne sera la réalisation de sorte que finalement l'intérêt commercial d'un tel dispositif est limité. C'est pourquoi, l'art antérieur réalise une image de grandes dimensions en développant l'image par des len- tilles et en la projetant sur un écran. Toutefois, ce procédé présente des difficultés car la qualité de l'image projetée sur un écran n'est pas bonne; sa clarté est faible à cause de la puissance limitée de la source électrique à cause des caractéristiques de température de l'appareil d'affichage d'images. Un appareil de projection d'image à laser a été développé avec un laser comme solution alternative. Toutefois, l'appareil de projection à laser, d'image agrandie, demande une distance de projection impor- tante à cause de l'étroitesse de l'angle horizontal de ba- layage. Cela provient du fait que dans cet appareil, les dimensions de l'image sont définies par le nombre de facettes d'un miroir polygonal en rotation. Il en résulte que l'appareil à structure classique ne peut donner une grande image sans disposer d'une distance importante de projection. La figure 1 est un schéma montrant un appareil d'affichage ou de projection à laser, classique. La source lumineuse 10 est celle d'un laser de lumière blanche. Sur le chemin de la source lumineuse 10, un système optique 20 formé TU- - 1T -' d'un miroir très réfléchissant 21 modifie le chemin du fais- ceau laser de la source lumineuse; une lentille de focalisa- tion 22 transforme le faisceau laser en un faisceau de lumière parallèle et un système de lentille télescopique rè- gle le grossissement du faisceau de lumière parallèle. Le système de lentille télescopique comprend une première lentille 23 à grande distance focale et une seconde lentille 24 également télescopique à distance focale relati- vement courte. Un sous-système de division du faisceau lumineux divise le faisceau laser de lumière blanche fournie par le système de lentilles télescopiques du système optique 20 en des faisceaux de lumière monochromatique correspondant aux couleurs "rouge", "vert" et "bleu". Le sous-système de division du faisceau laser 25 se compose de deux miroirs dichroiques 67a, 68a et d'un mi- roir très réfléchissant 69a. Les miroirs dichroiques 67a, 68a divisent le faisceau de lumière blanche en faisceaux de lumière "rouge", "vert" et "bleu"; le miroir très réfléchissant 69a modifie le chemin du faisceau lumineux monochromatique. Les faisceaux de lumière "rouge", "vert" et "bleu" issus de la division du faisceau laser, sont focalisés sur des modulateurs opto- acoustiques 61, 62, 63 par les lentilles de focalisation 64a, 65a, 66a. Ces modulateurs sont modulés par un signal d'image. Les lentilles de focalisation 64b, 65b, 66b sont placées respectivement derrière les modulateurs de lumière 61, 62, 63 pour rétablir le faisceau laser et donner un fais- ceau de lumière parallèle avant que celui-ci n'arrive sur les lentilles de focalisation 64a, 65a, 66a respectives. Un sous-système de combinaison de faisceaux lumi- neux 65, combine les faisceaux de lumière monochromatique mo- dulés par le modulateur opto-acoustique pour donner un seul faisceau lumineux. Le sous-système de combinaison de faisceaux lumi- neux 65 se compose de deux miroirs dichroiques 67b, 68b et d'un miroir très réfléchissant 69b; ce miroir 69b modifie le chemin du faisceau lumineux monochromatique. U I1Tr Le faisceau lumineux combiné provenant des mi- roirs dichroïques est dévié par un galvanomètre 70 à balayage vertical sur un miroir polygonal 80 à balayage horizontal pour former ainsi une image sur l'écran 90. Le galvanomètre 70 vibre en montant et en descendant à la vitesse synchroni- sée par le signal de synchronisation verticale et le miroir polygonal 80 tourne à grande vitesse en étant synchronisé par le signal de synchronisation horizontal. La direction du chemin balayé par le faisceau lu- mineux modulé par le faisceau de combinaison du sous-système est modifiée verticalement par le galvanomètre 70; le chemin de balayage est modifié horizontalement par le miroir polygo- nal 80 pour former l'image sur l'écran 90. Un système de lentilles-relais est disposé entre le galvanomètre 70 et le miroir polygonal 80 pour concentrer le faisceau lumineux pour que le faisceau laser à balayage vertical arrive dans la zone effective de la facette du mi- roir polygonal 80 pour le balayage horizontal. Le système de lentilles-relais se compose de deux lentilles 31, 32 de même distance focale pour être placé dans l'intervalle correspondant à la somme totale de leur distance focale respective. Le faisceau lumineux traversant le miroir polygo- nal est affiché par la lentille 34 sur un écran. Dans la structure décrite ci-dessus, les dimen- sions de l'image affichée sur l'écran sont définies par l'angle de balayage et ce dernier est déterminé par l'angle de balayage horizontal. L'angle de balayage horizontal dépend du nombre de facettes composant le miroir polygonal rotatif. L'angle de balayage horizontal est donné par l'équation 1 suivante: 0 = 720 / (nombre de facettes du miroir polygonal) A titre d'exemple, l'angle de balayage horizontal est égal à 30 pour un miroir polygonal à 24 côtés. Par ailleurs, le galvanomètre vibre en montant et en descendant permettant de régler arbitrairement l'angle de -r 1':T. balayage vertical. Dans la structure décrite ci-dessus, l'angle de balayage vertical du galvanomètre doit être réglé en fonction de l'angle de balayage horizontal du miroir poly- gonal pour obtenir une image correspondant au rapport 4/3, car l'angle de balayage horizontal du miroir polygonal est fixe. Pour réaliser et afficher une image mobile selon le signal de norme NTSC (National Television System Commit- tee), il faut 30 balayages par seconde et 525 lignes horizon- tales par balayage. On a ainsi 15.750 lignes par seconde et une vitesse horizontale de balayage de 15,75 kHz. Pour un mi- roir polygonal à 24 côtés, on a 24 lignes de balayage par ro- tation. Ce miroir polygonal à 24 côtés doit tourner 656,24 fois pour donner 15.750 lignes par seconde ce qui correspond à une vitesse de rotation de 39.375 tours par minute. Comme indiqué ci-dessus, on augmente l'angle de balayage horizontal pour augmenter la taille de l'affichage et on utilise un miroir polygonal ayant un nombre réduit de facettes rotatives pour augmenter l'angle de balayage hori- zontal. Par ailleurs, pour traiter le signal image NTSC, il faut augmenter le nombre de rotations du miroir polygonal. Mais comme on ne peut augmenter que de manière limitée la vitesse de rotation du miroir polygonal, il n'est pas intéressant de diminuer le nombre de facettes du miroir polygonal. En conséquence, pour avoir un affichage ou une image de grandes dimensions, il faut augmenter la distance de projection. Un système optique développé comme amplificateur peut être placé sur le chemin du faisceau lumineux pour aug- menter la distance de projection, mais cela se traduit par une conception compliquée et un encombrement important. Résumé de la présente invention La présente invention a pour but de développer un appareil de projection donnant une image de grandes dimen- sions avec une grande résolution et une grande clarté. A cet effet, l'invention concerne un appareil de projection du type défini ci-dessus, caractérisé en ce que le moyen de projection comprend: - un miroir polygonal pour le balayage horizontal de la lu- mière modulée, - une première lentille-relais ayant une distance focale fl, devant le miroir polygonal, - une seconde lentille-relais de distance focale relativement plus courte que la première distance focale et placée de- vant la première lentille-relais, - un galvanomètre pour assurer le balayage vertical de la lu- mière provenant de la seconde lentille-relais. Suivant d'autres caractéristiques avantageuses: - l'angle horizontal de balayage du miroir polygonal est ré- glé par le rapport des distances focales des deux len- tilles-relais, - la distance entre la première lentille-relais et le miroir polygonal est égale à la distance focale de la première lentille-relais, - la distance entre la première lentille-relais et la seconde lentille-relais est la somme des distances focales de la première et de la seconde lentille-relais, - la distance entre la seconde lentille-relais et le miroir de galvanomètre est égale à la distance focale de la se- conde lentille-relais, - la première et la seconde lentille-relais sont des len- tilles convexes, - la source de lumière est un laser émettant de la lumière blanche. Description des dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide des dessins annexés dans les- quels: - la figure 1 est un schéma d'un appareil de projection d'image classique, - la figure 2 est un schéma d'un appareil de projection cor- respondant à un mode de réalisation de la présente inven- tion, - la figure 3 est une vue à échelle agrandie d'un sous- système de balayage d'un appareil de projection d'image de grandes dimensions. Description détaillée de la présente invention Dans le mode de réalisation préférentiel de l'invention, la disposition du sous-système de balayage est modifiée pour que le faisceau laser combiné, modulé par le signal image et commandé en balayage horizontal par le miroir polygonal avant le balayage vertical. Le faisceau laser à balayage horizontal traverse un système de lentilles-relais pour être concentré sur un mi- roir de galvanomètre et subir un balayage vertical donnant l'image. L'angle de balayage horizontal est déterminé par le nombre de facettes du miroir polygonal rotatif et corres- pond à une valeur fixe alors que la vibration du galvanomètre (mouvement ascendant et descendant) et l'angle balayage ver- tical peuvent être réglés. Le système de lentilles-relais selon l'invention est utilisé pour augmenter l'angle de balayage horizontal et concentrer le faisceau de balayage vertical sur le sous- système de balayage horizontal ou pour concentrer un faisceau à balayage horizontal d'un sous-système de balayage vertical. Le système de lentilles-relais se compose de deux lentilles convexes et l'une de ces deux lentilles convexes (première lentille-relais) est placée à proximité du miroir polygonal; l'autre lentille (seconde lentille-relais) est placée à proximité du miroir de galvanomètre. La distance en- tre les deux lentilles-relais est la somme totale des distan- ces focales des deux lentilles-relais. Les lentilles-relais classiques ont la même dis- tance focale, alors que selon la présente invention, la dis- tance focale de la première lentille-relais fl est plus grande que celle de la seconde lentille-relais f2. Cela per- met d'augmenter l'angle de balayage horizontal d'un rapport correspondant à celui des distances focales fl/f2, ce qui donne une image de grandes dimensions sur l'écran. L'angle de balayage vertical du galvanomètre est augmenté en fonction du rapport d'image souhaité à proportion de l'angle de balayage horizontal lui-même augmenté, ce qui permet de former sur un écran une image de grandes dimensions et avec une distance de projection courte. Selon la figure 2, on décrira un appareil de pro- jection d'image à laser mettant en oeuvre les caractéristi- ques de la présente invention. Une source lumineuse 100 est constituée par un laser de lumière blanche. Cette source lumineuse donne un faisceau de lumière parallèle en sortie d'une lentille de collimation 220. Le chemin du faisceau de lumière parallèle est dévié par un miroir très réfléchissant 210 et le grossisse- ment du faisceau de lumière parallèle est développée par un coefficient d'amplification assuré par le système de len- tilles d'expansion 230, 240. Cette expansion est destinée à permettre de traiter le signal avec un modulateur opto- acoustique 610, 620, 630 dans les meilleures conditions pos- sibles. Le système de lentilles d'expansion comprend une première lentille d'expansion à grande distance focale et une seconde lentille d'expansion à distance focale relativement courte. Le faisceau laser de lumière blanche en sortie du système de lentilles d'expansion arrive dans un sous-système de séparation de faisceau lumineux 250 comprenant deux mi- roirs dichroïques 670a, 680a et un miroir très réfléchissant 690a. Les miroirs dichroiques divisent le faisceau de lumière blanche en un faisceau de lumière "rouge", "vert" et "bleu" et le miroir très réfléchissant 690a modifie le chemin du faisceau de lumière monochromatique. Les faisceaux laser, divisés sont focalisé par les lentilles de focalisation 640a, 650a, 660a sur des modu- lateurs opto-acoustiques 610, 620, 630 pour être modulés cha- cun par un signal d'image, respectif. Les lentilles de collimation 640b, 650b, 660b sont placées derrière les modulateurs opto-acoustiques pour recombiner les faisceaux laser modulés en un faisceau de lu- -r- ' IT - mière parallèle comme celui existant avant leur entrée dans les lentilles de focalisation. Le sous-système de combinaison de faisceaux lumi- neux 650 combine les faisceaux de lumière "rouge", "vert", "bleu" modulés par les modulateurs opto-acoustiques en fonc- tion du signal image pour donner un seul faisceau lumineux. Ce sous-système comprend deux miroirs dichroïques 670a, 680a et un miroir très réfléchissant 690a. Le faisceau de lumière combiné arrive sur un mi- roir polygonal 800 par l'intermédiaire de miroirs très réflé- chissants 710, 720 pour un balayage horizontal. Le faisceau à balayage horizontal est focalisé sur la surface d'un miroir de galvanomètre par un système de lentilles-relais 310, 320 disposé entre le galvanomètre et le miroir polygonal pour un balayage vertical. Le système de lentilles-relais comprend une pre- mière lentille-relais 310 et une seconde lentille-relais 320. Ces lentilles sont des lentilles convexes distantes d'un in- tervalle correspondant à la somme des distances focales des deux lentilles. Selon l'invention, la première lentille-relais 310 a une distance focale plus grande que la seconde len- tille-relais 320, alors que les distances focales des len- tilles convexes classiques sont identiques. La seconde lentille- relais développe l'angle de balayage horizontal du rapport correspondant aux distances focales. L'image balayée par le miroir polygonal et le mi- roir de galvanomètre est projetée sur un écran 900 par un mi- roir réfléchissant 850 prévu à l'extrémité supérieure du galvanomètre. La figure 3 est une vue à échelle agrandie d'un sous-système de balayage d'un appareil de projection d'image laser selon la figure 2. Le principe de fonctionnement du sous-système de balayage sera donné ciaprès en liaison avec la figure 3. Le faisceau de lumière combiné arrive sur le miroir polygonal 800. Ce miroir tourne dans le sens contraire des aiguilles d'une montre et le faisceau de lumière combiné tombe sur la r1 1 Y 1T-7 première lentille-relais 310 dans l'ordre des chemins O, O, . Le faisceau lumineux arrivant par le chemin O tombe sur la lentille- relais 320 en passant par le chemin , pour être réfracté sur le chemin 0 et arriver sur le miroir de galvanomètre 700. Le faisceau lumineux arrivant du chemin tombe sur le miroir de galvanomètre en passant dans l'ordre par les chemins O et . Le faisceau lumineux du chemin arrive sur le miroir de galvanomètre par les chemins et G dans cet or- dre. Le système de lentilles-relais correspond aux distances focales fl, f2 de la première et seconde lentille- relais 310, 320. La première lentille-relais 310, est à la dis- tance focale fl du miroir polygonal 800 et à la distance égale à la somme des distances focales fl, f2 de la seconde lentille-relais 320. La seconde lentille-relais se trouve à la dis- tance focale f2 du miroir de galvanomètre. Le système de lentilles-relais réalisé comme in- diqué ci-dessus permet de déplacer le faisceau laser suivant le chemin indiqué à la figure 3. Le développement de l'angle de balayage horizon- tal est défini par le rapport des distances focales des deux lentillesrelais. L'angle de balayage augmenté 02 est lié à l'angle initial de balayage horizontal 01 selon l'équation 2 donnée ci-après: 01 / 02 = f2/fl équation 2 Dans l'équation 2 ci-dessus, le rapport d'augmentation du balayage horizontal est défini par le rap- port des distances focales des deux lentilles-relais si bien que l'angle de balayage est plus important du côté gauche si le rapport des distances focales correspond au côté droit. Le miroir de galvanomètre augmente l'angle de ba- layage vertical en proportion de l'angle augmenté de balayage horizontal de façon à donner un rapport longueur/largeur égal à 4/3. L'image projetée sur le miroir de galvanomètre arrive en face sur un écran 900 par un miroir réfléchissant 850. La présente invention réalise un appareil de pro- jection d'images laser avec des longueurs focales différentes pour les deux lentilles-relais du système de lentilles- relais, un miroir polygonal et un miroir de galvanomètre re- posant sur la mesure des distances focales de façon à augmen- ter l'angle de balayage horizontal et faciliter la réalisation d'une image de grandes dimensions malgré une15 courte distance de projection. Il Nomenclature ,100 Sources lumineuses Système de la source lumineuse 21,69a,69b,210,690a,690b,710,720 Miroirs très réfléchissants 22,64b,65b,66b,220,640b,650b,660b Lentilles de focalisation 23,24 Lentilles télescopiques 230,240 Lentilles d'expansion ,250 Sous-systèmes de division du faisceau de lu- mière 67a,68a,670a,680a Miroirs dichroïques 64a,65a,66a,640a,650a,660a Lentilles de focalisation 61,62,63,610,620,630 Modulateurs opto-acoustiques (AOM) ,650 Sous-système de combinaison des faisceaux lu- mineux 67b,68b,670b,680b Miroirs dichroïques ,700 Galvanomètres ,800 Miroirs polygonaux ,900 Ecrans 31,32,310,320 Systèmes de lentilles-relais 34 f0 système de lentilles 850 Miroir réfléchissant 01 Angle de balayage horizontal initial 02 Angle de balayage horizontal développé fl Distance focale de la première lentille- relais f2 Distance focale de la seconde lentille-relais R E V E N D I C A T I ON S 1 ) Appareil de projection d'images laser de grandes dimen- sions comprenant, une source de lumière et un moyen pour mo- duler la lumière en fonction des signaux d'image vidéo ainsi qu'un moyen pour projeter la lumière modulée sur un écran, appareil caractérisé en ce que le moyen de projection comprend: - un miroir polygonal (800) pour le balayage horizontal de la lumière modulée, - une première lentille-relais (310) ayant une distance fo- cale fl, devant le miroir polygonal (800), - une seconde lentille-relais (320) de distance focale (f2) relativement plus courte que la première distance focale (fl) et placée devant la première lentille-relais (310), un galvanomètre (700) pour assurer le balayage vertical de la lumière provenant de la seconde lentille-relais (320). 2 ) Appareil de projection selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'angle horizontal de balayage du miroir polygonal (800) est réglé par le rapport des distances focales (fl, f2) des deux lentilles-relais (310, 320). 3 ) Appareil de projection selon l'une quelconque des reven- dications 1 ou 2, caractérisé en ce que la distance entre la première lentille-relais (310) et le mi- roir polygonal (800) est égale à la distance focale (fi) de la première lentille-relais (310). 4 ) Appareil de projection selon la revendication 3, caractérisé en ce que la distance entre la première lentille-relais (310) et la se- conde lentille-relais (320) est la somme des distances foca- les (fi, f2) de la première et de la seconde lentille-relais (310, 320). ) Appareil de projection selon la revendication 4, IrT yT. caractérisé en ce que la distance entre la seconde lentille-relais (320) et le mi- roir de galvanomètre (700) est égale à la distance focale (f2) de la seconde lentille-relais (320). 6 ) Appareil de projection selon la revendication 5, caractérisé en ce que la première et la seconde lentille-relais (310, 320) sont des lentilles convexes. 7 ) Appareil de projection selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source de lumière est un laser émettant de la lumière blanche.