Brevet FR2856156A1 — publié le 20041217

I L'invention concerne un objectif pour appareil de projection ou de rétroprojection permettant d'obtenir un grand angle de projection sans déformation. L'invention concerne également l'application d'un tel objectif à des appareils de projection et de rétroprojection. La figure 1 représente une conception conventionnelle d'un rétroprojecteur. Dans cette conception, le faisceau d'éclairement émis par le projecteur est replié par un miroir de renvoi. Ce miroir fait avec l'écran un angle d'environ 36 . Le système optique du rétroprojecteur peut atteindre 45 10 centimètres d'épaisseur pour un écran de dimensions 1106 sur 622 millimètres. L'angle d'ouverture selon la diagonale de l'écran doit être d'environ 38 . Une distorsion et un MTF acceptables peuvent être obtenus avec un objectif d'une dizaine de lentilles à un coût modéré. L'épaisseur de l'appareil est alors, par exemple, de 50 centimètres. Une autre conception est de replier deux fois le faisceau comme cela est représenté en figure 2. On utilise alors deux miroirs disposés face à face qui sont parallèles à l'écran et un objectif de projection qui travaille avec un champ décentré par rapport à son axe optique. La figure 3 représente comment est déterminée la distance entre 20 le centre de l'écran et l'axe optique de l'objectif. Sur la figure 2, le miroir ml est situé selon le plan de l'écran. Un rayon qui doit atteindre le haut de l'écran (à gauche sur la figure 2), doit d'abord être réfléchi par le haut du miroir ml et donc passer par un point situé en dessous de l'écran. L'angle maximum du champ dépend de l'épaisseur e du projecteur, de la hauteur H 25 de l'écran, et du diamètre p de la pupille de l'objectif selon la formule suivante: a = arctan[(H + p/3)/2e] Pour réaliser un projecteur dont l'épaisseur du système optique est de 200 millimètres, avec des valeurs H=622 mm, p=4 mm, on devra avoir 30 un angle a de valeur 57,36 et la distance D entre le centre de l'écran et l'axe optique de l'objectif sera de 591 mm. Pour augmenter ces valeurs, le système doit utiliser le champ latéral de l'objectif. C'est-à-dire que la source d'image permettant d'éclairer l'écran est décentrée par rapport à l'axe de l'objectif. Un but de l'invention est de réaliser un objectif permettant de projeter une image plane à une distance encore plus proche que dans les systèmes connus. Cet objectif permet, de plus, de corriger les distorsions que pourraient induire le système. Notamment, I'objet de l'invention est 5 d'utiliser un miroir hyperbolique dans cet objectif. On connaît un système, tel que décrit dans le brevet US 5716118, utilisant un miroir hyperbolique, mais le miroir utilisé est concave et doit être de grandes dimensions pour obtenir une image de grandes dimensions. Un tel système est donc difficilement viable industriellement en raison des difficultés à réaliser un tel miroir de 10 grandes dimensions. L'invention concerne un objectif pour projecteur ou pour rétroprojecteur viable industriellement et permettant d'obtenir des images projetées de grandes dimensions. L'invention concerne donc un objectif de projection destiné à émettre un faisceau lumineux divergent vers un écran plan et comportant au 15 moins une lentille et au moins un miroir de forme hyperbolique, orienté de façon à recevoir, sur sa face convexe, la lumière provenant de la lentille. Préférentiellement, ledit miroir hyperbolique est situé entièrement d'un côté d'un plan passant par l'axe de symétrie de l'hyperbole; cet axe de symétrie joint les foyers de l'hyperbole. L'axe optique de la lentille est situé selon l'axe de symétrie de l'hyperbole passant par les foyers de l'hyperbole. La lentille de l'objectif est généralement constituée d'un ensemble de lentilles, et forme donc une lentille complexe. Selon une variante de réalisation, un miroir supplémentaire est 25 disposé à proximité de la lentille de l'objectif selon une première direction correspondant à la direction du faisceau émis par la lentille et réfléchit ledit faisceau selon une deuxième direction non colinéaire avec la première direction. Le miroir hyperbolique est situé sur la deuxième direction et est orienté pour recevoir le faisceau réfléchi par le premier miroir. Selon un mode 30 de réalisation, la deuxième direction fait un angle inférieur à 60 degrés avec la première direction. Par ailleurs, on peut prévoir deux ménisques (ME1, ME2) dont les parties concaves sont situées de part et d'autre de la pupille de ladite lentille. Un tel objectif est applicable à un appareil de projection ou de 35 rétroprojection. Un afficheur tel qu'un modulateur spatial de lumière permet d'émettre un faisceau modulé de lumière uniquement vers une zone de ladite lentille située d'un côté de l'axe de la lentille. Pour cela, I'afficheur, du moins sa surface optiquement active, est situé entièrement d'un côté de l'axe optique de la lentille, c'est à dire de la 5 lentille complexe de l'objectif. L'afficheur est adapté d'une manière connue en elle-même pour émettre un faisceau modulé de lumière vers cette lentille, c'est à dire vers l'entrée de l'objectif. Ainsi, I'objectif est utilisé en champ décalé de manière à ce que le faisceau issu du miroir hyperbolique ou, le cas échéant, du miroir supplémentaire ne soit pas intercepté par la ou les 10 lentille(s) de l'objectif. De plus, I'afficheur est de préférence de forme plane. L'invention est applicable à un appareil de rétroprojection dans lequel, au moins un miroir de renvoi reçoit la lumière réfléchie par le miroir hyperbolique et la réfléchit sur la face arrière de l'écran de rétroprojection. Dans une telle disposition, le miroir de renvoi peut faire un angle non nul avec le plan de l'écran. Selon une variante de réalisation de l'invention, ledit premier miroir est situé selon le même plan que ledit miroir de renvoi. De préférence, I'objectif est alors associé mécaniquement au 20 premier miroir par une pièce support. Les différents aspects et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre et dans les figures annexées qui représentent: - les figures 1 à 3, des systèmes de rétroprojection connus dans la technique et déjà décrit précédemment, les figures 4a à 4c, des exemples de réalisation d'un objectif selon l'invention, - la figure 5, un exemple de réalisation d'un appareil de rétroprojection 30 selon l'invention, _ la figure 6, un autre exemple de réalisation d'un appareil de rétroprojection selon l'invention, - les figures 7a et 7b, des schémas décrivant de façon plus précise la marche des rayons lumineux, - les figures 8 à 10 représentant différentes positions et orientations des miroirs utilisés dans le cadre de l'invention, _ la figure 11, un exemple d'application de l'invention à un appareil de projection frontal, - les figures 12a et 12b, une variante de réalisation d'un objectif selon l'invention. En se reportant à la figure 4a, on va donc décrire un exemple de 10 réalisation de base d'un objectif selon l'invention. Cet objectif comporte une lentille L1 qui est en réalité une lentille constituée d'un ensemble de lentilles, c'est-à-dire une lentille complexe. Un miroir M1 ayant une forme hyperbolique HYP est disposé du côté de la sortie de l'objectif et est disposé de telle façon que l'axe de l'hyperbole passant par les foyers de l'hyperbole 15 coïncide avec l'axe optique XX' de la lentille L1. La lumière émise par la lentille est réfléchie par le miroir hyperbolique et semble provenir d'un point p' qui est un point conjugué de la pupille de l'objectif. Comme on peut le voir sur la figure 4a, le miroir hyperbolique 20 permet de rendre plus divergent le faisceau qu'il réfléchit. De plus pour éviter que la lentille L1 perturbe la transmission du faisceau réfléchi par le miroir hyperbolique, on peut prévoir de n'utiliser que la partie M1 de la forme hyperbolique située d'un côté d'un plan passant par l'axe de symétrie de l'hyperbole. Cet axe passe par les foyers de l'hyperbole. La lumière utilisable 25 issue de la lentille L1 est donc celle située d'un côté d'un plan passant par l'axe optique de l'objectif. Une image éclairée par une source lumineuse et que l'on se propose de projeter sur l'écran sera donc décentrée par rapport à l'axe de l'objectif. Une telle disposition peut dans certain cas induire des distorsions 30 et de la détérioration de la MTF (Modulation Transfert Fonction) c'est-àdire une détérioration de la réponse en fréquence spatiale du système optique. On prévoit de corriger ces défauts en éloignant le miroir hyperbolique de l'objectif et en interposant une lentille L9 entre l'objectif et le miroir hyperbolique qui permet d'équilibrer les puissances optiques de part et d'autre du diaphragme de la dite lentille et de réduire l'angle d'incidence des rayons du faisceaux sur le miroir hyperbolique et notamment pour réduire l'incidence des rayons les plus écartés de l'axe de l'hyperbole. Une telle disposition est représentée en figure 4b. Ainsi, plus le miroir hyperbolique est écarté de l'objectif, plus celui-ci fonctionne sur un champ réduit. L'invention prévoit également de corriger l'astigmatisme qui 10 pourrait être induit par le miroir hyperbolique. Pour cela il est prévu une ou deux lames en forme de ménisques ME1 et ME2 disposées à proximité de la pupille PU de l'objectif constituée par la lentille L1. Dans le cas de deux ménisques, on prévoit de les placer de part et d'autre de la pupille PU de l'objectif. Comme cela est représenté sur la figure 4c, les ménisques sont 15 disposés avec leur faces concaves se faisant face et les centres C1 et C2 des ménisques sont situés également de part et d'autre de la pupille PU de telle façon que la distance entre les deux faces concaves soient inférieure à la somme des rayons des deux faces concaves. De préférence, on prévoira deux ménisques de courbures équivalentes. La figure 5a représente un exemple de réalisation d'un appareil de rétroprojection mettant en oeuvre l'objectif de l'invention ainsi décrit. Un dispositif d'affichage SML tel qu'un modulateur spatial de lumière permet de transmettre un faisceau qui véhicule au moins une image en raison de la modulation spatiale. Ce faisceau est transmis par la lentille L1 25 (lentille complexe) au miroir Hyperbolique M1 qui réfléchit la lumière vers un miroir plan M2 situé de préférence dans le plan de l'écran EC. Le faisceau est réfléchi par le miroir M2 vers un deuxième miroir plan M3 qui réfléchit la lumière sur la face arrière de l'écran de rétroprojection EC. L'afficheur SML est situé d'un côté d'un plan passant par l'axe 30 optique XX' de la lentille L1 de façon à n'éclairer que le miroir hyperbolique M1 qui n'occupe qu'une partie de l'hyperbole HYP située d'un côté d'un plan passant par l'axe de celle-ci. On voit donc que pour des dimensions données d'image sur l'écran (et donc pour des dimensions d'écran), l'épaisseur du système 5 optique du rétroprojection peut être encore réduite en utilisant l'architecture de la figure 5. La figure 6 représente un autre mode de réalisation d'un rétroprojecteur selon l'invention. Un miroir M4 est prévu entre la sortie de la lentille et le miroir hyperbolique. Cette disposition permet d'éloigner le miroir 10 hyperbolique de la lentille de façon à réduire l'angle de champ du faisceau. Cette disposition de rétroprojecteur applique donc l'objectif décrit en relation avec la figure 4b. On trouve donc sur la figure 6 la lentille L9 permettant de réduire l'angle de champ de l'objectif. La figure 7a représente de façon plus précise la marche d'un 15 faisceau dans la configuration de la figure 5. La figure 7b illustre de façon plus précise, en " dépliant " le faisceau qui a été " plier" par le miroir M2, I'intérêt en matière de divergence du faisceau d'utiliser un miroir hyperbolique. Le pliage présente l'intérêt, combiné avec le miroir hyperbolique de réduire l'épaisseur du 20 système optique du rétroprojecteur et un double pliage réduit encore plus, à fortiori, cette épaisseur. Divers angles sont possibles tant que les faisceaux et les composants ne se chevauchent pas mutuellement. Pour le grand miroir M3 I'angle peut varier de 0 à 12 environ, 25 Pour le petit miroir M4 I'angle peut varier de 12 à 35 environ, Des exemples sont donnés par les figures 8 et 9. La figure 8 illustre une inclinaison du miroir M4. La figure 9 illustre une inclinaison du miroir M3 par rapport au plan de l'écran. La figure 10 représente une variante de réalisation dans laquelle on a diminué la distance entre l'écran et le grand miroir M3, et on a augmenté la distance entre le miroir hyperbolique M1 et le grand miroir M3. De plus, on utilise un champ périphérique plus loin de l'axe optique. On obtient ainsi un projecteur plus plat au niveau de l'écran et qui présente une assise acceptable. La figure 11 représente un projecteur frontal selon lequel le projecteur est situé au dessus de l'écran. Par exemple, il est fixé au plafond pour effectuer des projections sur un mur de la pièce. Les systèmes de rétroprojection selon l'invention sont tels que l'on puisse obtenir des écrans dont l'épaisseur puisse descendre à une valeur 10 moindre de 20 centimètres pour des écrans d'environ 1100 sur 620 millimètres (diagonale de l'écran d'environ 1280 millimètres). Ceci permet d'avoir des écrans qui puissent être accrochés à un mur. Les figures 12a et 12b représentent une variante de réalisation de l'objectif selon l'invention appliquée à un système de rétroprojection. Selon 15 cette variante, l'objectif L1 est associé matériellement au miroir M1 et le miroir M2 est situé sensiblement selon le même plan que le miroir M3. Selon une forme de réalisation, les miroirs M2 et M3 forment un même miroir. Comme cela est représenté sur la figure 12b, I'objectif L1 est monté dans une ouverture 01 d'une pièce support de montage S1 ayant une 20 forme sensiblement hyperbolique. A proximité de l'ouverture 01, la pièce support S1 possède une surface réfléchissante qui constitue le miroir M1. Selon une forme de réalisation, l'ouverture 01 est situé selon l'axe YY' de la forme hyperbolique de la pièce support S1. REVENDICATIONS 1) Objectif de projection comportant au moins une lentille (L1 à L8) et destiné à émettre un faisceau lumineux divergent vers un écran plan (EC), caractérisé en ce qu'il comporte au moins un miroir de forme hyperbolique (M1) orienté de façon à recevoir, sur sa face convexe, la lumière provenant de la lentille. 2) Objectif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit miroir hyperbolique (M1) est situé entièrement d'un côté d'un plan passant par l'axe de symétrie de l'hyperbole. 3) Objectif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte un premier miroir (M4) disposé à proximité de la lentille (L1 à L8) selon une première direction correspondant à la direction du faisceau émis par la lentille et réfléchissant ledit faisceau selon une deuxième direction, ledit 15 miroir de forme hyperbolique (M1) étant situé sur la deuxième direction et étant orienté pour recevoir le faisceau réfléchi par le premier miroir (M4). 4) Objectif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la deuxième direction fait un angle inférieur à 60 degrés avec la première direction. 20 5) Objectif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte deux ménisques (ME1, ME2) dont les parties concaves sont situées de part et d'autre de la pupille de ladite lentille. 6) Appareil de projection ou de rétroprojection appliquant l'objectif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte un afficheur (MSL) permettant d'émettre un faisceau modulé de lumière uniquement vers une zone de ladite lentille (L1) située d'un côté de l'axe 30 (XX') de la lentille. 7) Appareil de projection ou de rétroprojection appliquant l'objectif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte un afficheur (MSL) qui permet d'émettre un faisceau modulé de lumière vers ladite lentille (L1 à L8) et qui est situé entièrement d'un côté de l'axe optique (XX') de ladite lentille (L1 à L8). 8) Appareil de projection ou de rétroprojection selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que ledit afficheur est de forme plane. 9) Appareil de retroprojection selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un miroir de renvoi (M3) recevant la lumière réfléchie par le miroir hyperbolique (M1) et la réfléchissant sur la 10 face arrière de l'écran de rétroprojection. 10) Appareil de rétroprojection selon la revendication 9, caractérisé en ce que le miroir de renvoi (M3) fait un angle non nul avec le plan de l'écran (EC). 11) Appareil de rétroprojection selon la revendication 9 appliquant l'objectif selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que ledit premier miroir (M4) est situé selon le même plan que ledit miroir de renvoi (M3).