Brevet FR2857108A1 — publié le 20050107

L'invention concerne un dispositif d'affichage et un moteur optique pour un tel dispositif. Selon une conception connue, un dispositif d'affichage comprend un système d'illumination qui génère un faisceau lumineux dont la couleur 5 varie périodiquement dans le temps, en général selon les trois couleurs utilisées en vidéo, à savoir rouge, vert et bleu. Le faisceau lumineux traverse un séparateur de polarisation qui transmet en direction d'un imageur matriciel (ou modulateur matriciel) une seule polarisation de la lumière, par exemple seulement les 10 faisceaux lumineux polarisés p. L'imageur matriciel réfléchit globalement le faisceau lumineux incident mais la polarisation en chaque point du faisceau réfléchi (induite par les éléments de l'imageur ou pixels) dépend de l'intensité lumineuse que l'on souhaite afficher dans la couleur du faisceau incident à l'instant considéré. Par exemple, un pixel à afficher allumé réfléchira un rayon lumineux polarisé s. Un tel rayon sera ensuite réfléchi par le séparateur de polarisation à destination de moyens d'imagerie pour affichage sur l'écran du dispositif d'affichage. Au contraire, un pixel à afficher noir renverra un rayon lumineux polarisé p. Un tel rayon traversera donc le séparateur de polarisation sans être réfléchi (mais transmis) et n'atteindra donc pas les moyens d'imagerie ni l'écran du dispositif d'affichage. En théorie, on peut ainsi parfaitement contrôler la luminosité de chaque pixel de l'écran, et ce dans la couleur considérée à chaque instant. Naturellement, la mise en oeuvre pratique ne permet pas un résultat aussi parfait. Par exemple, l'étalement angulaire du faisceau diminue la pureté de polarisation, ce qui conduit notamment à une légère fuite de lumière pour un pixel à éteindre et ainsi à un contraste médiocre. 2857108 2 L'invention vise à améliorer la mise en oeuvre pratique d'un tel système pour le rapprocher de ses capacités théoriques, et notamment pour augmenter son contraste. L'invention propose un dispositif d'affichage comportant un système d'illumination générant selon un axe d'illumination un faisceau lumineux ayant une couleur variable, un imageur matriciel dont chaque élément réfléchit le faisceau lumineux avec une polarisation dépendant de l'image à générer dans la couleur reçue, un premier séparateur de polarisation apte à transmettre une polarisation du faisceau lumineux de couleur variable et à réfléchir au moins en partie le faisceau réfléchi par l'imageur et un second séparateur de polarisation apte à transmettre ladite polarisation du faisceau lumineux de couleur variable. Grâce à l'utilisation de deux séparateurs de polarisation, la pureté de polarisation du faisceau reçu par l'imageur matriciel d'un tel dispositif d'affichage est ainsi particulièrement bonne. De préférence, la surface de séparation du premier séparateur de polarisation forme avec le faisceau lumineux un angle d'une valeur déterminée dans un premier plan contenant le faisceau lumineux et dans lequel la surface de séparation du second séparateur de polarisation forme avec le faisceau lumineux un angle d'une valeur opposée à la valeur déterminée dans un second plan contenant le faisceau lumineux et parallèle au premier plan. Cette disposition permet d'améliorer encore la pureté de polarisation comme décrit en détail plus loin. On utilisera par exemple une valeur déterminée égale 45 . Selon une disposition particulièrement pratique, le premier séparateur de polarisation et le second séparateur de polarisation sont disposés de manière symétrique par rapport à un plan perpendiculaire à l'axe d'illumination. De manière préférée, la surface de séparation du premier séparateur de polarisation et la surface de séparation du second 2857108 3 séparateur de polarisation forment ainsi entre elles un angle ayant une valeur absolue d'environ 90 . Selon un mode de réalisation particulièrement simple, l'imageur matriciel est situé sur l'axe d'illumination. De préférence, le premier séparateur de polarisation réfléchit au moins en partie le faisceau réfléchi par I'imageur en direction de moyens d'imagerie pour affichage sur un écran. Selon une solution préférée, la couleur du faisceau lumineux varie périodiquement parmi une pluralité de couleurs et, plus précisément, le faisceau lumineux est successivement de trois couleurs différentes dans chaque période. Selon une possibilité, les moyens d'illumination comprennent au moins deux filtres colorés, chaque filtre coloré étant périodiquement traversé par le faisceau lumineux. L'invention propose également un moteur optique pour un tel dispositif d'affichage. Ce moteur optique est donc apte à recevoir selon un axe d'illumination un faisceau lumineux ayant une couleur variable et comprend un imageur matriciel dont chaque élément réfléchit le faisceau lumineux avec une polarisation dépendant de l'image à générer dans la couleur reçue, un premier séparateur de polarisation apte à transmettre une polarisation du faisceau lumineux de couleur variable et à réfléchir au moins en partie le faisceau réfléchi par l'imageur et un second séparateur de polarisation apte à transmettre ladite polarisation du faisceau lumineux de couleur variable. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lumière de la description détaillée qui suit faite en référence aux figures annexées, dans lesquelles: - la figure 1 représente les éléments principaux d'un dispositif d'affichage incorporant les enseignements de l'invention; - la figure 2 est un schéma explicatif du comportement optique de deux séparateurs de polarisation pour des rayons lumineux horizontaux. 2857108 4 Le dispositif d'affichage représenté à la figure 1 a une source de lumière 2 située au foyer d'un réflecteur 4, par exemple au premier foyer d'un réflecteur du type elliptique. Dans la région du second foyer du réflecteur 4 est disposé un barreau 8 qui joue le rôle de conduit lumineux intégrateur. Avant son entrée dans le barreau 8, le faisceau lumineux issu du réflecteur 4 traverse un filtre coloré 7 porté par une roue 6. La roue 6 porte sur sa périphérie une pluralité de filtres colorés, par exemple des filtres des trois couleurs rouge, vert et bleu utilisées en vidéo. En fonctionnement, la rotation de la roue 6 autour de son axe AA' permet donc une coloration périodique du faisceau lumineux. Le faisceau lumineux de couleur périodiquement variable est donc transmis à travers le barreau 8 afin de former sur la face d'extrémité de celui-ci une source lumineuse secondaire aux dimensions appropriées. Le faisceau lumineux est ensuite transmis au moteur optique du dispositif d'affichage à travers un premier système d'imagerie 10 constitués de lentilles. La source de lumière 2, le réflecteur 4, le filtre 7 (de couleur variable par rotation de la roue 6), le barreau 8 et le premier système d'imagerie 10 réalisent ainsi pour le moteur optique un système d'illumination qui génère un faisceau lumineux de couleur variable. Selon une possibilité de réalisation, le système d'illumination comporte des moyens de polarisation de la lumière afin que le faisceau lumineux de couleur variable qu'il émet soit de plus polarisé, de préférence polarisé p. Le moteur optique transforme le faisceau lumineux émis par le système d'illumination en un faisceau modulé par l'image à afficher, comme décrit plus en détail dans la suite. Le moteur optique comprend un séparateur de polarisation d'entrée 30 20 situé sur l'axe optique ou axe d'illumination (c'est-à-dire selon la direction générale du faisceau lumineux émis par le système 2857108 5 d'illumination) et dont la surface de séparation 21 fait un angle de 45 avec l'axe optique. Dans un mode de réalisation où l'axe optique est horizontal (c'est-à-dire que le faisceau lumineux émis est globalement horizontal), la surface de séparation 21 est plus précisément dans un plan vertical qui fait un angle de -45 avec l'axe optique dans le plan horizontal contenant le faisceau lumineux. (L'angle négatif exprime une rotation dans le sens opposé au sens trigonométrique à partir de l'axe optique, comme bien visible en figure 1.) Les rayons polarisés p du faisceau lumineux sont donc (pour la plupart) transmis par le séparateur de polarisation d'entrée 20 selon l'axe optique alors que les rayons polarisés s sont (pour la plupart) réfléchis par la surface de séparation 21 du séparateur 20 en un flux Fsi et quittent le faisceau lumineux principal. On peut déjà remarquer que, du fait de l'étalement angulaire du faisceau lumineux (nécessaire en pratique), tous les rayons polarisés s du faisceau lumineux ne peuvent pas avoir un angle d'incidence par rapport à la surface de séparation 21 qui permette une réflexion totale et qu'ainsi une faible partie du flux lumineux polarisé s est transmis par le séparateur de polarisation 20. Â l'aval immédiat du séparateur de polarisation d'entrée 20 selon l'axe optique (et de préférence en contact avec le séparateur de polarisation d'entrée 20), le moteur optique comporte un séparateur de polarisation principal 18. La surface de séparation 19 du séparateur de polarisation principal 18 fait un angle de 45 avec l'axe optique et plus précisément, dans la configuration évoquée ci-dessus (axe optique horizontal), la surface de séparation 19 du séparateur principal 18 est comprise dans un plan vertical qui forme un angle de +45 avec l'axe optique dans le plan horizontal contenant l'axe optique. 2857108 6 De préférence, et comme expliqué en détail plus loin, le séparateur d'entrée 20 et le séparateur principal 18 sont disposés de façon symétrique par rapport à un plan perpendiculaire à l'axe optique (comme le plan de contact des deux séparateurs 18, 20), c'est-à-dire que leurs plans de séparation respectifs 19, 21 sont symétriques par rapport à un plan perpendiculaire à l'axe optique. De façon plus simple, on pourra dire que les séparateurs 18, 20 sont opposés ou tête-bêche. Comme bien visible sur la figure 1, les plans de séparation 21, 19 du séparateur d'entrée 20 et du séparateur principal 18 forment donc entre eux un angle d'environ 90 en projection dans un plan horizontal. Le faisceau lumineux polarisé p reçu du séparateur d'entrée 20 est ainsi pour l'essentiel transmis par le séparateur principal 18 à un ensemble lame quart d'onde 17 - imageur 16, situé sur la face du séparateur principal 18 opposée au séparateur d'entrée 20 et qui forme la partie optiquement active du moteur optique. De manière analogue à ce qui a déjà été décrit pour le séparateur d'entrée 20, la partie du flux lumineux polarisé s est pour l'essentiel réfléchie par le séparateur principal 18 en un faisceau FS2 qui quitte l'axe optique et n'est pas utilisé ensuite, mais une faible partie du flux polarisé s qui entre dans le séparateur principal 18 est transmis par celui-ci en direction de l'imageur 16. Toutefois, cette partie représente une partie infime du flux polarisé s généré initialement par le système d'illumination grâce au passage à travers les deux séparateurs 18, 20. Le ratio de la quantité de lumière polarisée p rapportée à la quantité de lumière polarisée s est donc très élevé en sortie du séparateur principal 18, ce qui garantit un bon contraste du dispositif d'affichage, comme on le comprendra dans la suite. L'imageur 16 est un imageur réflectif matriciel à cristaux liquides. Chaque élément (ou pixel) de l'imageur 16 est commandé par un système électronique (non représenté) de telle sorte que la 2857108 7 configuration des cristaux liquides de l'élément imprime au rayon qu'il réfléchit une polarisation déterminée, qui dépend de la luminosité que doit avoir le pixel correspondant dans l'image à afficher. Le système électronique est notamment synchronisé avec le système d'illumination (ici avec la roue 6) de telle sorte qu'à chaque instant l'imageur 16 génère grâce à ses multiples éléments l'image (monochrome) à afficher dans la couleur du faisceau lumineux émis par les moyens d'illumination à cet instant. Les images des différentes couleurs (ici rouge, vert, bleu) sont ainsi générées à des instants successifs très rapprochés, indiscernables par l'oeil humain, de telle sorte que celui-ci ne voit que la superposition des différentes images, qui correspond à l'image en couleurs à afficher. Plus précisément, au niveau d'un élément de l'imageur 16, un rayon lumineux incident polarisé p sera réfléchi en un rayon lumineux polarisé s par l'ensemble lame quart d'onde 17 - imageur 16 si le pixel correspondant de l'image (dans la couleur du faisceau lumineux à l'instant considéré) doit être allumé (luminance maximum). Ainsi, le rayon lumineux réfléchi sera ensuite réfléchi par la surface de séparation 19 du séparateur principal 18 à destination de seconds moyens d'imagerie 12 (flux RS perpendiculaire à l'axe optique). Les seconds moyens d'imagerie 12, qui comprennent principalement des lentilles, permettent d'imager l'ensemble du flux réfléchi Rs (qui correspond à l'ensemble des rayons polarisés s renvoyés par l'imageur 16) sur l'écran 14 du dispositif d'affichage. Au contraire, lorsqu'un pixel doit être éteint (c'est-à-dire noir, au moins dans la couleur du faisceau lumineux à l'instant considéré), l'élément de l'imageur 16 combiné à la lame quart d'onde 17 réfléchit un rayon incident polarisé p tel quel, de telle sorte qu'il n'est pas réfléchi par le séparateur principal 18 à destination des seconds moyens d'imagerie 12 mais transmis selon l'axe optique, dans une direction opposée à celle du faisceau lumineux généré par le système d'illumination. Un tel rayon lumineux ne participe donc pas à l'éclairement de l'écran, comme cela est d'ailleurs souhaité. Un des avantages du système qui vient d'être décrit va à présent être expliqué plus en détail en référence à la figure 2, qui représente le passage d'un premier rayon lumineux horizontal Io et d'un second rayon lumineux horizontal I à travers les séparateurs de polarisation 18, 20. Le rayon lumineux Io (généré par le système d'illumination) est dirigé suivant l'axe optique est attaque donc les surfaces de séparation 21, 19 du séparateur d'entrée 20 et du séparateur principal 18 avec un angle Oo égal à 45 (en valeur absolue). Le rayon lumineux I (également généré par le système d'illumination) est lui aussi horizontal mais forme un angle non nul avec le rayon I. Le rayon lumineux I a donc une légère inclinaison dans le plan horizontal par rapport à l'axe optique. Grâce à la disposition symétrique du séparateur de polarisation d'entrée 20 et du séparateur de polarisation principal 18 par rapport au plan PP' de contact des séparateurs 18, 20 perpendiculaire à l'axe optique, le rayon I tombe sur la surface de séparation 21 du séparateur d'entrée 20 avec un angle 01 légèrement supérieur à Oo = 45 et sur la surface de séparation 19 du séparateur principal 18 avec un angle 02 légèrement inférieur à Oo = 45 . De manière similaire, un rayon incident traversant la surface de séparation 21 du séparateur d'entrée 20 avec un angle d'incidence légèrement inférieur à 45 attaquera la surface de séparation 19 du séparateur principal 18 avec un angle légèrement supérieur à 45 . Ceci permet de s'affranchir de la dissymétrie du comportement des séparateurs de polarisation en réflexion et en transmission autour de 45 . Le passage successif des deux séparateurs de polarisation 18, 20 disposés comme indiqué ci-dessus symétrise le comportement des rayons incidents autour de 45 , en particulier si les deux séparateurs 18, 20 ont des comportements optiques identiques. 2857108 9 Par exemple, si les séparateurs 18, 20 ont un angle d'extinction de 47 (c'est-à-dire que les rayons polarisés s sont totalement réfléchis pour une incidence de 47 et donc très faiblement transmis pour des valeurs d'incidence entre 45 et 50 ), un rayon lumineux faisant un angle compris entre 0 et 5 avec l'axe optique attaquera nécessairement l'un des deux séparateurs 18, 20 avec un angle d'incidence compris entre 45 et 50 , ce qui garantit une transmission très faible des rayons polarisés s par la combinaison des deux séparateurs 18, 20. La pureté de polarisation du faisceau est donc assurée non seulement par la juxtaposition des deux séparateurs 18, 20 mais aussi par leur disposition avantageuse décrite ci-dessus. On peut en outre remarquer que cette solution est particulièrement avantageuse dans le cadre du dispositif décrit ci-dessus, dans lequel le séparateur principal 18 est aussi utilisé pour la réflexion des rayons lumineux polarisés s issus de l'imageur en direction des seconds moyens d'imagerie 12. En effet, l'amélioration de la pureté de polarisation générée par l'invention autorise une plus grande tolérance sur l'extinction de la polarisation s en transmission, ce qui permet de choisir un séparateur principal 18 ayant une très bonne extinction de la polarisation p en réflexion. Afin de vérifier l'analyse développée ci-dessus, on a calculé par simulation le contraste pour diverses configurations relatives du séparateur de polarisation d'entrée et du séparateur de polarisation principal. Dans les trois configurations testées ici, sont situés sur l'axe d'illumination horizontal du système d'illumination, dans cet ordre, : le séparateur de polarisation d'entrée; - le séparateur de polarisation principal; - l'imageur matriciel. 2857108 10 De plus, la surface de séparation du séparateur principal forme avec l'axe d'illumination un angle de 45 dans le plan horizontal contenant cet axe. Dans la configuration 1 (T2-0), la surface de séparation du 5 séparateur d'entrée est parallèle à la surface de séparation du séparateur principal. Dans la configuration 2 (T2-180), le séparateur d'entrée a subi une rotation de 180 autour de l'axe d'illumination par rapport à la configuration 1 et sa surface de séparation fait donc un angle de -45 avec l'axe d'illumination, c'est-à-dire que les surfaces de séparation des deux séparateurs sont symétriques par rapport à un plan perpendiculaire à l'axe d'illumination, comme proposé de manière préférée par l'invention. Dans la configuration 3 (RT-90), le séparateur d'entrée a subi une 15 rotation de 90 autour de l'axe d'illumination par rapport à la configuration 1. Les résultats ci-dessous sont donnés en l'absence de pré-polarisation de la lumière par le système d'illumination. Les simulations ont été réalisées avec plusieurs types de séparateur 20 de polarisation: - type I: forte extinction, fabricant I; - type II: forte extinction, fabricant II; - type III: forte transmission, fabricant I; type IV: forte extinction, fabricant II. Les contrastes obtenus (rapport de luminosité pixel allumé sur pixel éteint, intégrés sur la plage -10 , 10 , i.e. ouverture 2,8) sont regroupés dans le tableau ci-dessous. Type du Configuration 1 Configuration 2 Configuration 3 séparateur Type I 5 397 8 627 4 072 2857108 11 Type II 1 752 2 382 1 454 Type III 2 841 5 353 1 160 Type IV 1 600 2 387 752 Même si ces valeurs sont des contrastes théoriques calculés dans le cas d'un imageur parfait et d'un faisceau monochromatique, elles illustrent clairement l'intérêt de la configuration 2. 12 REVENDICATIONS 1. Dispositif d'affichage comportant: - un système d'illumination générant selon un axe d'illumination un faisceau lumineux ayant une couleur variable; - un imageur matriciel (16) dont chaque élément réfléchit le faisceau lumineux avec une polarisation dépendant de l'image à générer dans la couleur reçue; - un premier séparateur de polarisation (18) apte à transmettre une polarisation du faisceau lumineux de couleur variable et à réfléchir au moins en partie le faisceau réfléchi par l'imageur (16) ; caractérisé par - un second séparateur de polarisation (20) apte à transmettre ladite 15 polarisation du faisceau lumineux de couleur variable. 2. Dispositif d'affichage selon la revendication 1, dans lequel la surface de séparation (19) du premier séparateur de polarisation (18) forme avec le faisceau lumineux un angle d'une valeur déterminée dans un premier plan contenant le faisceau lumineux et dans lequel la surface de séparation (21) du second séparateur de polarisation (20) forme avec le faisceau lumineux un angle d'une valeur opposée à la valeur déterminée dans un second plan contenant le faisceau lumineux et parallèle au premier plan. 3. Dispositif d'affichage selon la revendication 2, dans lequel la valeur déterminée est égale 45 . 4. Dispositif d'affichage selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel 30 le premier séparateur de polarisation (18) et le second séparateur de 2857108 13 polarisation (20) sont disposés de manière symétrique par rapport à un plan perpendiculaire (PP') à l'axe d'illumination. 5. Dispositif d'affichage selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel la surface de séparation (19) du premier séparateur de polarisation (18) et la surface de séparation (21) du second séparateur de polarisation (20) forment entre elles un angle ayant une valeur absolue d'environ 90 . 6. Dispositif d'affichage selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel l'imageur matriciel (16) est situé sur l'axe d'illumination. 7. Dispositif d'affichage selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel le premier séparateur de polarisation (18) réfléchit au moins en partie le faisceau réfléchi par l'imageur en direction de moyens d'imagerie (12) pour affichage sur un écran (14). 8. Dispositif d'affichage selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel la couleur du faisceau lumineux varie périodiquement parmi une 20 pluralité de couleurs. 9. Dispositif d'affichage selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel les moyens d'illumination comprennent au moins deux filtres colorés (7), chaque filtre coloré (7) étant périodiquement traversé par le faisceau lumineux. 10. Dispositif d'affichage selon l'une des revendications 8 ou 9, dans lequel le faisceau lumineux est successivement de trois couleurs différentes dans chaque période. 2857108 14 11. Moteur optique apte à recevoir selon un axe d'illumination un faisceau lumineux ayant une couleur variable comprenant: - un imageur matriciel (16) dont chaque élément réfléchit le faisceau lumineux avec une polarisation dépendant de l'image à générer dans la 5 couleur reçue; - un premier séparateur de polarisation (18) apte à transmettre une polarisation du faisceau lumineux de couleur variable et à réfléchir au moins en partie le faisceau réfléchi par l'imageur; caractérisé par - un second séparateur de polarisation (20) apte à transmettre ladite polarisation du faisceau lumineux de couleur variable. 12. Moteur optique selon la revendication 11, dans lequel la surface de séparation (19) du premier séparateur de polarisation (18) forme avec le faisceau lumineux un angle d'une valeur déterminée dans un premier plan contenant le faisceau lumineux et dans lequel la surface de séparation (21) du second séparateur de polarisation (20) forme avec le faisceau lumineux un angle d'une valeur opposée à la valeur déterminée dans un second plan contenant le faisceau lumineux et parallèle au premier plan. 13. Moteur optique selon la revendication 12, dans lequel la valeur déterminée est égale 45 .