Brevet FR2813675A1 — publié le 20020308

L'invention est relative à un dispositif d'affichage en couleurs à cristaux liquides du genre de ceux qui comprennent - une source de lumière polychromatique, notamment blanche; - des moyens pour former, à partir de cette source de lumière, des faisceaux de lumière complémentaires dont les plages de longueurs d'onde sont différentes et correspondent respectivement aux trois couleurs fondamentales bleu B, vert V et rouge R; - au moins une matrice à cristaux liquides équipée de moyens optiques pour focaliser, sur des cristaux liquides affectés respectivement à chacune des couleurs fondamentales, les faisceaux complémentaires de lumière correspondants, des moyens électroniques étant prévus pour agir sur les cristaux liquides et moduler la lumière émise par ceux-ci, selon les intensités souhaitées, - et un système optique pour projeter sur un écran les images des cristaux liquides en les fusionnant par points élémentaires. On connaît des dispositifs d'affichage en couleurs de ce type, appelés communément "projecteurs spatiochromatiques", dans lesquels la lumière blanche émise par la source est formée suivant un faisceau parallèle dirigé sur trois miroirs dichroïques présentant des inclinaisons différentes par rapport à la direction moyenne du faisceau de lumière blanche. Les trois miroirs dichroïques permettent de réaliser trois faisceaux complémentaires de lumière correspondant aux couleurs fondamentales B, V et R . Ces trois faisceaux ont des directions d'incidence légèrement différentes sur la matrice à cristaux liquides de sorte que la focalisation de chaque faisceau élémentaire s'effectue en des points différents où se trouvent des cristaux liquides affectés aux couleurs fondamentales. On rappelle que les cristaux liquides ne sont pas auto-lumineux et qu'ils doivent être éclairés pour constituer des points lumineux. Dans un tel dispositif, chaque ligne horizontale de la matrice de cristaux liquides comporte donc une succession de cristaux liquides, également désignés comme pixels , affectés B, V, R ; B, V, R; .... A trois pixels élémentaires B, V, R de la matrice va correspondre, sur l'écran où la projection a lieu, un seul point élémentaire dont la couleur dépendra de l'intensité de chaque pixel B, V, R élémentaire correspondant. II apparaît donc immédiatement que la définition dans le sens horizontal de l'image projetée sur l'écran est réduite. Par exemple, si la matrice à cristaux liquides comporte 999 pixels selon une ligne horizontale, il n'y aura que 999I3 = 333 points colorés sur une ligne horizontale projetée sur l'écran. On pourrait penser à améliorer la définition horizontale en augmentant le nombre de pixels par ligne horizontale de la matrice à cristaux liquides. Toutefois, il peut en résulter un déséquilibre vertical/horizontal, et des problèmes d'ouverture optique concernant les moyens prévus avec la matrice à cristaux liquides pour former l'image des faisceaux sur les pixels. En outre, on sait que la sensibilité de l'oeil humain n'est pas uniforme pour toutes les fréquences et qu'elle est maximale pour le vert. II serait donc souhaitable de prendre en compte cette donnée pour améliorer le rendu des couleurs. L'invention a ainsi pour but, surtout, de fournir un dispositif d'affichage en couleurs à cristaux liquides qui permet d'améliorer la résolution de l'image projetée sur l'écran et le rendu des couleurs, sans pour autant compliquer la fabrication de la matrice à cristaux liquides. Selon l'invention, un dispositif d'affichage en couleurs à cristaux liquides, du genre défini précédemment, est caractérisé par le fait qu'il comprend - des moyens de séparation optique pour former, à partir de la source de lumière polychromatique, au moins deux sources élémentaires ayant des plages de longueurs d'onde différentes qui contiennent cependant un mélange des couleurs fondamentales B, V, R, ces sources élémentaires étant écartées géométriquement, - et au moins deux voies optiques comportant chacune une matrice à cristaux liquides, l'une des voies étant affectée à la seule couleur fondamentale V, la ou les autre voie (s) étant affectée(s) aux deux autres couleurs fondamentales B et R. De préférence, seulement deux voies optiques sont prévues et les matrices à cristaux liquides affectées à chaque voie sont identiques, avec un même nombre de pixels, de sorte que la résolution sur la voie V (vert) est double de la résolution pour les deux autres couleurs fondamentales B et R qui se partagent les pixels de l'autre matrice. Avantageusement, les moyens de séparation optique pour former les deux sources élémentaires comprennent un moyen de déviation de la lumière en fonction de la longueur d'onde, en particulier un réseau , et de préférence un prisme correctif, placé en sortie de la source de lumière blanche. Deux guides de lumière reçoivent une partie du faisceau dispersé, chaque guide donnant en sortie une source élémentaire dont la plage de longueurs d'onde diffère de celle de l'autre source élémentaire. Une première source élémentaire peut correspondre à une plage de longueurs d'onde inférieure, par exemple la partie basse du spectre visible de 420 nm à 550 nm, l'autre source élémentaire correspond à une plage de longueurs d'onde supérieure, par exemple la partie haute du spectre visible de 550 nm à 680 nm. Un moyen de division optique est prévu sur la sortie des deux guides de lumière pour réaliser deux voies optiques l'une affectée à la seule couleur verte V, l'autre aux couleurs bleue B et rouge R. Le moyen de division peut être constitué par un filtre dichroïque à réflexion de B et R et à transmission de V, ou inversement par un filtre dichroïque à transmission de B et R et à réflexion de V. De préférence, les deux voies optiques sont disposées à 90 de même que les deux matrices affectées à chacune de ces voies, Le filtre dichroïque est incliné à 45 sur l'axe optique. La fusion des deux voies est ensuite réalisée à l'aide d'un miroir dichroïque de recombinaison ou d'un miroir semi-transparent incliné à 45 . Les sorties des deux guides de lumière correspondent aux deux sources complémentaires et sont espacées de quelques millimètres, ces sources permettant d'éclairer les matrices à cristaux liquides sous deux angles distincts de sorte que les faisceaux sont focalisés sur deux pixels voisins ; dans le cas de la voie verte les deux pixels voisins sont éclairés par deux faisceaux de lumière verte tandis que dans le cas de la voie rouge et bleue, les deux pixels voisins sont affectés respectivement au rouge et au bleu. De préférence une lentille de Fresnel est disposée entre les moyens de division optique et les matrices à cristaux liquides. De préférence également un miroir simple est prévu entre la lentille de Fresnel et les matrices à cristaux liquides pour replier le faisceau de préférence à 90 . L'invention consiste, mises à part les dispositions exposées ci- dessus, en un certain nombre d'autres dispositions dont il sera plus explicitement question ci-après à propos d'un exemple décrit avec référence aux dessins ci-annexés, mais qui n'est nullement limitatif. La figure 1, de ces dessins, est un schéma d'ensemble d'un dispositif d'affichage en couleurs à cristaux liquides selon l'invention. La figure 2 est un schéma à plus grande échelle d'une partie de la matrice à cristaux liquides avec microlentilles, pour le vert. La figure 3,enfin, montre semblablement à la figure 2 la matrice à cristaux liquides avec microlentilles pour le bleu et le rouge. En se reportant à Fig. 1, on peut voir un dispositif A d'affichage en couleurs à cristaux liquides. Ce dispositif comprend une source de lumière blanche 1, formée par exemple par un arc électrique, équipée d'un réflecteur ellipsoïdal 2. La lumière de la source 1 est un mélange des trois couleurs fondamentales bleu B , vert V et rouge R. Des moyens de séparation optique S sont prévus pour former, à partir de la source de lumière blanche 1, deux sources élémentaires la, 1 b ayant des plages de longueurs d'onde différentes. Les deux sources élémentaires la, 1 b sont écartées géométriquement. Les moyens de séparation optique S comprennent un réseau 3, par exemple de 220 t/mm (traits/millimètre), qui dévie différemment la lumière selon la longueur d'onde . Dans un plan P distant du réseau, il y a étalement de la lumière suivant une direction orthogonale à la direction de propagation . Schématiquement, et pour simplifier, trois zones B , V et R ont été représentées. En réalité la séparation des longueurs d'ondes n'est pas brutale mais progressive, en particulier dans le cas d'un spectre continu. Pour éviter les aberrations générées par le réseau 3 (coma chromatique), on prévoit avantageusement un prisme 4, disposé entre le réseau 3 et la source 1, qui permet une bonne correction et le maintien de l'axe optique dans l'axe de la lampe 1. Deux guides de lumière 5a, 5b accolés sont disposés de part et d'autre de l'axe optique de la lampe 1, avec une face sur cet axe. Chaque guide 5a, 5b peut être formé par un tronc de pyramide en verre ou en matière plastique transparente, à bases parallèles perpendiculaires à la direction de l'axe optique ; la petite base est tournée vers le réseau 3. Les faces d'entrée des guides 5a, 5b sont situées dans le plan P. Le guide 5a, situé au-dessus selon la représentation de Fig.1, recueille essentiellement les longueurs d'ondes allant du vert au bleu, par exemple de 550 nm à 420 nm, tandis que le guide 5b reçoit essentiellement les longueurs d'onde allant du vert au rouge, par exemple de 550 nm à 680 nm . Chaque guide 5a, 5b est équipé en sortie d'un condenseur 6a, 6b formant la source élémentaire la, lb. Les centres des deux sources la, 1 b sont espacés perpendiculairement à l'axe optique de la lampe 1. La lumière émise par chaque source élémentaire la, 1 b contient un mélange des couleurs fondamentales. Un filtre dichroïque à gradient F1 est disposé à la suite des guides 5a, 5b, en étant incliné d'un angle de 45 par rapport à l'axe optique. La direction moyenne des rayons lumineux provenant des sources la, 1 b au voisinage d' une extrémité du filtre F1 forme un angle a1 avec ce filtre tandis que vers l'autre extrémité, l'angle de la direction moyenne des rayons avec le filtre F1 est égal à a2. Le filtre F1 est conçu de manière à ce que la fréquence de coupure, dans les longueurs d'ondes, soit la même ou sensiblement la même pour les deux angles al et (x2. Le filtre dichroïque à gradient F1 est prévu, par exemple, pour assurer la transmission du vert V, et la réflexion du bleu B et du rouge R. Le schéma de Fig.1 correspond à un tel filtre dichroïque F1. En variante, le filtre dichroïque à gradient pourrait être prévu à réflexion pour V et à transmission pour B et R. Le filtre F1 donne naissance à deux voies optiques Cv et Crb comportant chacune une matrice à cristaux liquides Mv, Mrb. La voie Cv, avec sa matrice Mv est affectée à la seule couleur fondamentale V, tandis que l'autre voie Crb avec sa matrice Mrb est affectée aux deux autres couleurs fondamentales R et B. La voie Cv comporte à la suite du filtre F1 une lentille de Fresnel L, par exemple en matière plastique, perpendiculaire à l'axe optique de la source 1 et donnant un faisceau de lumière parallèle. A la suite de la lentille de Fresnel L est disposé un miroir simple 7, incliné à 45 sur l'axe optique, pour une déviation à 90 . La matrice à cristaux liquides Mv est disposée à la suite du miroir 7, à angle droit par rapport à la lentille L. Comme visible sur Fig.2, la matrice Mv comporte des cristaux liquides ou pixels élémentaires 8a, 8b, 9a, 9b ...transmissifs disposés dans un même plan perpendiculaire à la direction moyenne de la lumière. Des lignes de pixels parallèles et semblables à celle représentée sur Fig.2 se succèdent dans une direction perpendiculaire au plan de Fig.2 . Les pixels sont associés par paires 8a, 8b... chaque pixel d'une paire correspondant à l'une des sources élémentaires la, lb. Une image de la source 1 a ; 1 b est formée sur les pixels correspondants 8a , 9a ; 8b , 9b- A cette fin, la matrice à cristaux liquides (matrice LCD) est équipée d'une lame transparente 10 en matière plastique ou verre, sur une face de laquelle sont formées des microlentilles 11 constituées de surfaces cylindriques convexes avec génératrices perpendiculaires au plan de Fig. 2. Une même microlentille 11 reçoit, sous deux angles différents, deux faisceaux parallèles provenant des sources la, lb. La différence des angles d'incidence provient de l'écartement géométrique des sources la, lb. Chaque faisceau d'inclinaison différente va être focalisé sur un pixel respectif. Dans le cas de la matrice Mv, deux pixels d'une paire 8a, 8b seront éclairés en vert V ( avec cependant de légères différences dans les longueurs d'onde moyennes ), ce qui est indiqué sur Fig. 2 par la lettre V affectée à chaque pixel . La matrice Mrb est de préférence identique à la matrice Mv , avec même nombre de pixels.Le faisceau parallèle de lumière bleue B provient de 1 a et son inclinaison est différente de celle du faisceau de lumière rouge R qui provient de 1b. La focalisation du faisceau de lumière bleue B se produit par exemple sur les pixels 8a, 9a, ... affectés de la lettre B tandis que la focalisation du faisceau de lumière rouge R se produit sur les pixels 8b, 9b, ...affectés de la lettre R. Le nombre de points B et de points R sera deux fois moins important que le nombre de points V. Des moyens électroniques E sont prévus pour commander chaque pixel élémentaire 8a, 8b, 9a, 9b... en fonction de l'intensité lumineuse souhaitée pour ce pixel en réponse à l'éclairement assuré par les microlentilles 10. En résumé, les deux sources complémentaires la, 1 b espacées de quelques millimètres, constituées par les sorties des guides de lumière 5a, 5b permettent d'éclairer les cristaux liquides sous deux angles distincts de sorte que l'énergie provenant d'une source 1a est focalisée sur un pixel 8a et l'énergie provenant de l'autre source 1 b est focalisée sur le pixel voisin 8b, ce schéma se répétant tous les deux pixels sur une même ligne. Juste avant la matrice à cristaux liquides Mv ou Mrb, est placé un filtre avec polariseur 12 pour réduire la lumière parasite. Un filtre analyseur 13 est placé en sortie de la matrice à cristaux liquides. La deuxième voie Crb est déviée à angle droit par le filtre F1 relativement à l'axe optique de la source 1. Cette voie Crb comporte également une lentille de Fresnel L suivie d'un miroir simple 7 incliné à 45 pour renvoyer la lumière suivant un axe parallèle à celui de la source 1 sur la matrice Mrb disposée à angle droit par rapport à la matrice Mv. La fusion des faisceaux émis par les cristaux liquides des matrices Mv et Mrb est assurée par un miroir semi-transparent 14 incliné à 45 suivant la bissectrice des plans des deux matrices Mv et Mrb. Le miroir 14 peut être aligné avec le filtre F1. Le miroir 14 peut aussi être avantageusement un miroir dichrôique de recombinaison. A la suite du miroir 14 est prévu un objectif grand angle 15 (par exemple de rapport F/D sensiblement 1,6) qui projette sur un écran 16 les points élémentaires de l'image obtenus par fusion des pixels V, B et R modulés. L'écran 16 peut être translucide, pour observation de l'image du côté opposé à l'objectif 15. Le fonctionnement du projecteur résulte des explications qui précèdent. A travers le guide de lumière 5a se propage un faisceau lumineux constitué essentiellement de B et V tandis qu'à travers le guide de lumière 5b se propage un faisceau composé essentiellement de V et R. Les deux sources élémentaires 1 a et 1 b espacées géométriquement émettent des faisceaux lumineux dont les plages de longueur d'onde diffèrent. Le filtre dichroïque F1 laisse passer la composante V des faisceaux issus des sources 1 a et lb. Ces faisceaux parviennent sur la matrice Mv à cristaux liquides sous deux angles légèrement différents. Chaque faisceau est focalisé sur un cristal liquide associé. Chaque cristal liquide ou pixel 8a,8b,... de la matrice Mv ainsi éclairé, émet ou transmet une lumière verte dont l'intensité est modulée par la commande fournie par les moyens électriques E relativement au pixel considéré . La composante B du faisceau issu de la source 1 a est réfléchie par le filtre dichroïque F1. II en est de même pour la composante R du faisceau issu de la source lb. Les deux faisceaux B et R sont dirigés sur la matrice à cristaux liquides Mrb suivant des angles légèrement différents. Le faisceau B sera focalisé, par exemple, sur les cristaux liquides 8a, 9a... de la matrice Mrb , tandis que le faisceau R sera focalisé, par exemple, sur les cristaux liquides 8b, 9b... de la matrice Mrb. Les pixels élémentaires B et R auront une intensité lumineuse qui dépendra des instructions fournies par les moyens électroniques E. II y a ensuite fusion des points lumineux formés par les pixels de la matrice Mb et par les pixels de la matrice Mrb. L'objectif 15 projette les points élémentaires fusionnés sur l'écran 16. L'ensemble est prévu pour que chaque point coloré de l'image projetée sur l'écran 16 résulte de la fusion de deux pixels V, par exemple 8a, 8b de la matrice Mv et d'un pixel B et d'un pixel R, par exemple respectivement 8a, 8b de la matrice Mrb. De préférence, les deux matrices Mv et Mrb sont identiques et constituées par exemple par des matrices LCD XGA (1024 x 768), c'est-à- dire 1024 pixels suivant la direction horizontale et 768 pixels dans la direction verticale. Le système utilise deux guides 5a, 5b qui réalisent la séparation spectrale et l'intégration. La séparation est réalisée par la limitation physique de l'entrée des deux guides tel que l'un transmet la partie basse du spectre visible de 550 nm à 420 nm et l'autre la partie haute de 680 nm à 550 nm. Les guides 5a, 5b intègrent les spectres concernés, la sortie des guides réalisant la séparation angulaire destinée au spatio-chromatisme. Deux objectifs, ou condenseurs, 6a, 6b sont utilisés en sortie des guides pour former l'image de cette sortie dans le plan des LCD. Dans un projecteur avec deux LCD transmissifs Mv, Mrb, dont l'un est destiné au vert V et l'autre au bleu B et au rouge R, la séparation se fait par un miroir ou filtre F1 à 45 et la recombinaison de même par un miroir 14, lies deux miroirs étant dans l'alignement l'un de l'autre, et les LCD à 45 par rapport à ces miroirs et à 90 l'un par rapport à l'autre. Un objectif de projection 15 d'une ouverture suffisante est prévu pour admettre l'étendue du faisceau généré par le système d'éclairement. Le dispositif de projection selon l'invention permet d'améliorer la résolution globale par rapport à un projecteur dans lequel les trois couleurs fondamentales B, V et R sont décomposées suivant une seule ligne de pixels d'une seule matrice. En outre, le rendu des couleurs est meilleur car le vert, auquel l'oeil est le plus sensible, bénéficie d'un coefficient de rendement plus élevé. L'ouverture de l'objectif de projection 15 est plus faible, cet objectif est donc moins cher et plus facile à réaliser. La séparation spectrale est améliorée et on évite la pollution d'une voie par une autre dans le cas où des miroirs sont utilisés, Les pertes, relativement à un projecteur spatiochromatique à deux miroirs, sont réduites car la distance de sortie après la lentille est plus courte. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'affichage en couleurs à cristaux liquides comprenant - une source (1) de lumière polychromatique, notamment blanche ; - des moyens pour former, à partir de cette source de lumière, des faisceaux de lumière complémentaires dont les plages de longueurs d'onde sont différentes et correspondent respectivement aux trois couleurs fondamentales bleu B, vert V et rouge R; - au moins une matrice à cristaux liquides équipée de moyens optiques pour focaliser, sur des cristaux liquides affectés respectivement à chacune des couleurs fondamentales, les faisceaux complémentaires (B,V,R) de lumière correspondants, des moyens électroniques (E) étant prévus pour agir sur les cristaux liquides et moduler la lumière émise par ceux-ci, selon les intensités souhaitées, - et un système optique (15) pour projeter sur un écran les images des cristaux liquides en les fusionnant par points élémentaires, caractérisé par le fait qu'il comprend - des moyens de séparation optique (S) pour former, à partir de la source de lumière polychromatique, au moins deux sources élémentaires (1 a,1 b) ayant des plages de longueurs d'onde différentes qui contiennent cependant un mélange des couleurs fondamentales B, V, R, ces sources élémentaires (la, 1 b) étant écartées géométriquement, - et au moins deux voies optiques (Cv,Crb) comportant chacune une matrice à cristaux liquides (Mv, Mrb), l'une des voies (Cv) étant affectée à la seule couleur fondamentale V, la ou les autre voie (s) étant affectée(s) aux deux autres couleurs fondamentales B et R. 2. Dispositif d'affichage selon la revendication 1, caractérisé par le fait que seulement deux voies optiques (Cv,Crb) sont prévues. 3. Dispositif d'affichage selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les matrices à cristaux liquides (Mv, Mrb) affectées à chaque voie sont identiques, avec un même nombre de pixels, de sorte que la résolution sur la voie V (vert) est double de la résolution pour les deux autres couleurs fondamentales B et R qui se partagent les pixels de l'autre matrice. 4. Dispositif d'affichage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les moyens de séparation optique (S) comprennent un moyen de déviation de la lumière en fonction de la longueur d'onde, en particulier un réseau (3). 5. Dispositif d'affichage selon la revendication 4, caractérisé par le fait qu'un prisme correctif (4) est placé en sortie de la source de lumière (1). 6. Dispositif d'affichage selon la revendication 4 ou 5, caractérisé par le fait que deux guides de lumière (5a,5b) reçoivent une partie du faisceau, chaque guide (5a, 5b) donnant en sortie une source élémentaire (la, 1 b) dont la plage de longueurs d'onde diffère de celle de l'autre source élémentaire. 7. Dispositif d'affichage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'une première source élémentaire (1a) correspond à une plage de longueurs d'onde inférieure , l'autre source élémentaire (1b) correspond à une plage de longueurs d'onde supérieure. 8. Dispositif d'affichage selon la revendication 7, caractérisé par le fait que la première source élémentaire (1a) correspond à la partie basse du spectre visible de 420 nm à 550 nm , et l'autre source élémentaire (1 b) correspond à la partie haute du spectre visible de 550 nm à 680 nm. 9. Dispositif d'affichage selon la revendication 6 , caractérisé par le fait qu'un moyen de division optique (F1) est prévu sur la sortie des deux guides de lumière pour réaliser deux voies optiques l'une (Cv) affectée à la seule couleur verte V, l'autre (Crb) aux couleurs bleue B et rouge R. 10. Dispositif d'affichage selon la revendication 9, caractérisé par le fait le moyen de division est constitué par un filtre dichroïque (F1) à réflexion de B et R et à transmission de V, ou inversement. 11. Dispositif d'affichage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les deux voies optiques (Cv, Crb) sont disposées à 90 de même que les deux matrices (Mv, Mrb) affectées à chacune de ces voies, la fusion des deux voies étant réalisée à l'aide d'un miroir semi-transparent (14) ou d'un miroir dichroïque de recombinaison incliné à 45 . 12. Dispositif d'affichage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que pour la voie verte (Cv) deux pixels (8a,8b) voisins sont éclairés par deux faisceaux de lumière verte V tandis que dans le cas de la voie rouge et bleue (Crb), deux pixels voisins (8a,8b) sont affectés respectivement au rouge R et au bleu B. 13. Dispositif d'affichage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu' une lentille de Fresnel (L) est disposée entre les moyens de division optique (F1) et les matrices à cristaux liquides. 14. Dispositif d'affichage selon la revendication 13, caractérisé par le fait qu'un miroir simple (7) est prévu entre la lentille de Fresnel (L) et les matrices à cristaux liquides (Mv, Mrb) pour replier le faisceau de préférence à 90 . 15. Dispositif d'affichage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la source de lumière (1) est équipée d'un réflecteur ellipsoïdal (2).