Brevet FR2855273A1 — publié le 20041126

I L'invention concerne une lentille de Fresnel et son application à un appareil de rétroprojection. Un écran de rétroprojection comporte principalement deux composants: une lentille de Fresnel qui focalise ou collimate la lumière et un réseau de lentilles qui distribue la lumière vers les spectateurs. Selon une configuration standard, le projecteur est disposé selon l'axe de l'écran. La valeur limite du nombre de focale d'une lentille de Fresnel est d'environ focale/0.6. Les raisons principales de cette limite sont les pertes et la forme des reliefs de la lentille de Fresnel aux angles d'incidence élevés. 10 Par ailleurs pour obtenir un système de rétroprojection compact on prévoit un système de miroirs de renvoi (figure 1) permettant de replier le faisceau entre l'appareil de projection et l'écran de rétroprojection. L'épaisseur ou profondeur d'un tel appareil peut être réduite à un tiers de la diagonale de l'écran. Par exemple, en format 16/9, on peut obtenir une 15 épaisseur de 17 pouces pour un écran de 50 pouces de diagonale. Si nous voulons réduire encore l'épaisseur d'un appareil de rétroprojection de télévision, on prévoit par exemple une projection hors d'axe (off-axis) sur la face arrière de l'écran de rétroprojection. De cette façon, il est possible de réduire l'épaisseur de l'appareil à un cinquième 20 seulement de la diagonale de l'écran. Les figures 2a et 2b représentent respectivement des appareils de rétroprojection sur l'axe (on-axis) et hors d'axe (off-axis). Un des problèmes principaux à résoudre dans une configuration hors d'axe, ou dans un configuration o l'image à projeter sur l'écran est 25 décentrée par rapport à l'axe de l'objectif de l'appareil de projection, est d'obtenir que toute la lumière projetée sur l'écran soit retransmise aux spectateurs et que l'émission soit la plus uniforme possible. Notamment, il s'agit de réduire les pertes de la lentille de Fresnel qui ont tendance à augmenter lorsque l'angle d'incidence de la lumière d'éclairement sur la lentille de Fresnel augmente. Différente structures de lentilles de Fresnel ont pu être proposées pour résoudre ce problème, mais les structures connues présentent 5 généralement des reliefs compliqués pour la lentille de Fresnel et aboutissent à des lentilles relativement difficiles à mettre en oeuvre et donc coûteuses. La demande de brevet JP 59-000101 décrit une lentille de Fresnel dans laquelle les faces des prismes constituant la lentille de Fresnel forment des angles suffisamment importants pour permettre un démoulage aisé de la 10 lentille lors de la fabrication par moulage. Plus précisément, ce document prévoit que l'une de faces de chaque structure de la lentille est parallèle aux rayons lumineux incidents. Cependant, le fonctionnement d'une telle lentille est limité lorsqu'elle est éclairée sous des angles d'incidence élevés et que ces angles varient dans une large gamme d'angles. L'invention concerne donc une lentille de Fresnel dont la structure est simple et facile à mettre en oeuvre industriellement, et qui permet de fonctionner sous des incidences importantes. L'invention concerne donc une lentille de Fresnel comportant une première face disposée selon un plan et, opposée à cette face, une 20 deuxième face parallèle à la première face et comportant des structures réfractives circulaires et concentriques. Chaque structure réfractive est délimitée par une première surface destinée à former un dioptre de réfraction et faisant un premier angle (a) avec ledit plan (P), et une deuxième surface sans utilité optique et faisant un deuxième angle (3) avec la normale audit 25 plan, chaque dite structure étant destinée à être éclairée par un rayonnement faisant un angle d'entrée (Oint) différent de zéro degré avec la normale audit plan. La deuxième face comporte plusieurs zones de structures réfractives, au moins deux par exemple, réparties entre le centre des structures réfractives concentriques et la périphérie de la lentille de 30 Fresnel: a) une première zone proche du centre dans laquelle: - le premier angle (a) de chaque première surface est tel que les structures réfractives réfractent la lumière selon une direction faisant un angle (Gout) nul par rapport à une direction déterminée, - le deuxième angle (18) de chaque deuxième surface est égal audit angle d'entrée (Oint), b) une deuxième zone dans laquelle - le premier angle (a) de chaque première surface est tel que les structures réfractives réfractent la lumière selon une direction faisant un angle (Gout) non nul et inférieur à une valeur maximale 10 (Omax) par rapport à la direction déterminée, - le deuxième angle (ó) de chaque deuxième surface est égal audit angle d'entrée (Oint). Selon une variante de réalisation, la lentille comporte une troisième zone située entre la deuxième zone et la périphérie de la lentille de 15 Fresnel et dans laquelle: - le premier angle (a) de chaque première surface est tel que les structures réfractives réfractent la lumière selon une direction faisant un angle (Oout) non nul et égal à ladite valeur maximale (Omax) par rapport à la direction déterminée, - le deuxième angle (f) de chaque deuxième surface est supérieur audit angle d'entrée (Oint). Selon un mode de réalisation préférentiel, chaque première surface fait avec chaque deuxième surface voisine un angle de gravure (Q), cet angle ayant une valeur déterminée dans la deuxième et dans la troisième 25 zone, et ayant une valeur supérieure à cette valeur déterminée dans la première zone. Des définitions ci-dessus des angles ( , D et,, il découle directement la relation suivante: ( = p + n/2 - a. Dans la première zone, l'invention permet d'obtenir l'angle de gravure le plus élevé possible selon les 30 impératifs de fabrication, tout en maintenant une colimation parfaite ("out = O), car o reste relativement petit dans cette zone. Dans cette zone, I'angle de gravure reste supérieur à la valeur déterminée. En pratique, cet angle est généralement compris entre 40 et 70 . Dans la deuxième zone, on tolère un angle o un peu plus faible que l'angle qui serait nécessaire pour obtenir une 5 colimation parfaite (on tolère (out non nul mais inférieur à Omax) de manière à ce que l'angle de gravure, reste supérieur ou, de préférence, égal à la valeur déterminée. Dans la troisième zone, alors que l'angle a s'écarte de l'angle qui serait nécessaire pour obtenir une colimation parfaite d'une valeur maximum correspondant à un angle de sortie Oout = Omax, on tolère au 10 contraire un écart au niveau de l'angle: par rapport à l'angle d'entrée, toujours de manière à ce que l'angle de gravure reste également supérieur ou, de préférence, égal à la valeur déterminée Ainsi, l'invention permet de réaliser des lentilles de Fresnel qui offrent le meilleur compromis entre le niveau le plus élevé des performances optiques et le niveau le plus bas de coûts de fabrication grâce à un angle de gravure élevé de ses structures réfractives. La deuxième zone et, le cas échéant, la troisième zone, comprennent chacune au moins une structure réfractante. Dans cette lentille de Fresnel, la première face est de préférence plane. Cette première face est aussi de préférence recouverte d'une couche antiréfléchissante optimisée pour un angle d'incidence fort. Les structures réfractives sont de préférence circulaires ou quasi circulaires. Dans un mode d'application, le rayonnement d'illumination de la 25 lentille est divergent et provient d'un point quasi-ponctuel situé sur l'axe de la lentille. Préférentiellement, ladite valeur déterminée de l'angle de gravure (,) est comprise entre 40 et 70 . Préférentiellement, I'angle de gravure () est sensiblement égal à 60 . L'invention est applicable à un écran de rétroprojection d'images comprenant une face d'entrée et une face de sortie à orienter vers des spectateurs. Une lentille de Fresnel telle que définie précédemment est disposée selon la face d'entrée de l'écran avec la face de la lentille portant les structures de diffraction orientée vers la face de sortie. Elle est également applicable à un appareil de rétroprojection comprenant un tel écran de rétroprojection ainsi qu'un appareil de projection émettant un faisceau lumineux en direction de ladite face d'entrée. L'appareil de projection est préférentiellement disposé selon l'axe de la lentille de 10 Fresnel et permet de projeter une image sur une partie seulement de la lentille de Fresnel située d'un côté de son axe. Selon une variante de réalisation, la pupille de l'objectif de l'appareil de projection est situé sensiblement sur l'axe de la lentille de Fresnel et l'axe optique de cet objectif est orienté vers une partie utilisée de 15 la lentille de Fresnel située d'un côté de l'axe de la lentille de Fresnel. 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, 2a et 2b, des exemples de systèmes de rétroprojection connus dans la technique et déjà décrits précédemment; - la figure 3a et 3b, un exemple de lentille de Fresnel auquel s'applique l'invention, - les figures 4a et 4b, des figures explicatives de l'invention, - les figures 5a à 5d, un exemple de lentille de Fresnel réalisée selon l'invention, - les figures 6a à 6c, des courbes illustrant les valeurs des angles caractérisant la lentille de Fresnel selon l'invention, - la figure 7, des courbes illustrant la transmission des 30 polarisations p et s par la lentille de Fresnel selon l'invention ? - la figure 8, un exemple d'application de la lentille de Fresnel selon l'invention à un appareil de rétroprojection. On va donc décrire maintenant une lentille de Fresnel selon l'invention. La figure 3a représente une lentille de Fresnel LF comportant des structures réfractives de formes prismatiques concentriques. Comme on peut le voir sur cette figure une partie seulement du plan circulaire de la lentille est utilisée, typiquement moins de la moitié. Sur la figure 3b, on voit que cette lentille LF est éclairée par une source PR située sur l'axe optique XX' de la 10 lentille mais dont une partie seulement du champ latéral de cette source éclaire la lentille. Sur la figure 3b, cette source PR est située sur l'axe XX' de la lentille LF et n'éclaire qu'une partie de cette lentille située au dessus de l'axe XX'. Elle éclaire la lentille sous incidence oblique par rapport à la lentille. Le rayon lumineux inférieur du faisceau d'éclairement a un angle 15 d'incidence Gext sur la lentille de Fresnel relativement faible tandis que le rayon supérieur du faisceau a un angle d'incidence plus élevé. Comme représenté en figures 4a et 4b, chaque élément de structure réfractive est délimité par une face b constituant le dioptre de réfraction de cette structure et une face c qui n'est pas utilisée optiquement 20 dans le cadre des figures 4a et 4b. Selon ce mode de réalisation la lentille de Fresnel est délimitée par une face plane a servant de face d'entrée parallèle à un plan de référence P ou plan d'incidence, et par une face située à droite de la lentille et portant des structures de réfraction délimitées chacune par des faces b et c. Dans la suite de la description, on désignera par: a, I'angle de la face b avec le plan d'incidence de la lentille de Fresnel, 3, I'angle de la face c avec la normale au plan d'incidence, eext, I'angle d'incidence d'un rayon lumineux sur la face plane 30 d'entrée a de la lentille de Fresnel, Oint, I'angle d'un rayon lumineux avec la normale au plan d'incidence (ou face d'entrée de la lentille de Fresnel) après réfraction au travers de la face plane d'entrée a de la lentille de Fresnel, l'angle entre les deux faces b et c qu'on pourra appeler angle d'usinage ou angle de fabrication, h, la hauteur des structures réfractives. Dans une structure conventionnelle, représentée en pointillés sur la figure 4a, les faces telles que c forment un angle ó d'environ 3 avec la normale au plan d'incidence P. Une telle structure présente des éléments o10 prismatiques de réfraction étroits, de grande hauteur h, d'angle ( faible et donc difficile à réaliser en grandes quantités. On prévoit donc de façon générale de donner à l'angle 1 des valeurs telles que pour chaque structure réfractive, la face c soit parallèle aux rayons lumineux que la structure réfractive reçoit. Comme cela est 15 représenté sur la figure 4a, on réduit la hauteur des structures réfractives à une hauteur h' et l'angle, est nettement plus grand; les éléments prismatiques sont alors plus faciles à réaliser. Par ailleurs, dans une configuration d'utilisation telle que représentée en figure 3b, si on veut obtenir, en sortie de la lentille de 20 Fresnel, à partir du faisceau divergent émis par la source PR, un faisceau collimaté, par exemple, selon une direction XX', la face b de chaque structure réfractive doit former un angle a qui soit fonction de l'angle Oint des rayons lumineux qu'elle reçoit. Pour obtenir un tel résultat, à chaque face b de structure réfractive 25 est associée une valeur de l'angle a telle que: a = arcsin { (n.sin Oint) / [(1-n.cos Oint)2 + (n.sin Oint)2]12} L'angle, entre les faces b et c des structures prismatiques de réfraction a une valeur supérieure ou égale à une valeur limite,lim de fabrication (figure 5a), en deçà de laquelle il deviendrait particulièrement 30 difficile de fabriquer économiquement les éléments prismatiques. Cette valeur limite (lim de fabrication dépend notamment des procédés de fabrication utilisés et de la taille de la lentille. Cependant lorsque Oint devient trop important, la valeur de l'angle risque de devenir inférieure à la valeur,lim. Pour ne pas descendre en 5 dessous de cette valeur limite, on doit ajuster l'angle a des faces b des structures réfractives même lorsque l'angle Oint des rayons qu'elles reçoivent augmente. La lumière réfractée n'est alors plus parallèle à la direction XX'. On obtient le fonctionnement représenté en figure 5b. La divergence ainsi obtenue en sortie doit être cependant 10 maintenue dans une limite acceptable pour ne pas détériorer la qualité du faisceau transmis. On doit donc pour des angles d'incidence Oint qui deviennent plus importants admettre un angle a qui dépende de l'angle d'incidence Oint et qui limite l'angle de divergence Omax du faisceau de sortie. Par contre, pour maintenir l'angle, à sa valeur limite de fabrication 1 5,lim, on doit admettre que les faces c fassent un angle ó avec la normale au plan d'incidence qui soit fonction de l'angle a. On doit avoir ó = ,lim 90 + a. (figure 5c) La figure 5d représente une lentille de Fresnel incorporant les trois structures des figures 5a à 5c. Dans une première zone Zl située à proximité du centre optique de la lentille de Fresnel o l'angle d'incidence de la lumière provenant de la source PR est le plus faible, on prévoit une structure du type représenté en figure 5a. Puis dans une zone intermédiaire Z2, on prévoit une structure telle que celle de la figure 5b. Et enfin dans une zone la plus éloignée du centre 25 optique de la lentille, o l'angle d'incidence de la lumière de PR est le plus élevé, on prévoit une structure du type de la figure 5c. Les valeurs des angles a, ô, et, en fonction de l'angle d'incidence de la lumière 0 sont donc les suivantes ZONE Z1: a = arc sin { (n.sin Oint) / [(1-n.cos Oint)2 + (n.sin Oint)2]1/2} 13 = Oint =90-a+Pet >_lim. Dans cette zone Zl le faisceau est sin selon une direction parallèle à l'axe XX'. On a l'angle de sortie du faisceau par rapport à la 5 normale au plan P: eout = 0 . Et on a l'angle, inférieur à une valeur limite,lim. ZONE Z2 a = 90 - ,lim + 3 3 = Oint ( = ,lim Dans cette zone Z2 le faisceau est légèrement divergent par rapport à la direction de l'axe XX' avec un angle de divergence Oout qui est inférieur à une valeur maximale Omax que l'on se fixe d'avance. Et on 15 a l'angle, égal à la valeur limite (lim. ZONE Z3: a = arc tan [ (n.sin Oint - sin Omax) / (n.cos Oint - cos Omax) ] avec Omax la valeur maximale admissible de l'angle de divergence du faisceau de sortie, 20 3= ( -90+a = ,lim Dans cette zone Z3 le faisceau est légèrement divergent par rapport à la direction de l'axe XX' avec un angle de divergence Oout qui 25 est égal à une valeur maximale de divergence Omax que l'on se fixe d'avance. Et on a l'angle 4 égal à la valeur limite,lim. Il est à noter que dans cette dernière zone, on a une légèrement perte due à une réflexion d'une faible partie de la lumière sur les faces c des structures réfractives. A titre d'exemple de réalisation, pour une lentille de Fresnel de format 16/9 et des dimensions de 1107mm sur 622mm réalisée dans une " lentille " (moule) de diamètre 1,81mètres et de distance focale de 462mm, avec un désaxement de la source d'éclairement PR par rapport à l'axe de l'écran de 410mm, on peut avoir des angles d'incidence Oint qui varient entre 12 et 63 . Sur les figures 6a, 6b et 6c, on a représenté en traits continus, des courbes fournissant respectivement les valeurs des angles ( , a, f3 en fonction des angles Oint. Ces courbes ont été représentées pour une valeur de 0out inférieures à Omax = 5 et pour une valeur de ólim égale à 60 . En abscisses on a porté les valeurs des angles d'incidence Oint. En 10 ordonnées on a porté les valeurs des angles, a, 3. En traits hachurés, on a représenté des courbes de variations correspondant à une lentille de Fresnel classique. En trait pointillés pour les courbes en, et en P3, les parties tronquées des courbes de variations. Comme on peut le voir sur ces courbes la zone o 0 La zone o Oint est compris entre 28 et 35 correspond à la zone Z2. La zone o Oint est compris entre 35 et 63 correspond à la zone Z3. La figure 7 fournit des courbes illustrant l'efficacité de transmission des polarisations p et s par la lentille de Fresnel selon l'invention. En abscisses on indiqué les angles d'incidences Oint et en ordonnées les efficacité de transmission. Les deux courbes supérieures représentent la transmission de la 25 polarisation p. La courbe en pointillés représente la transmission avec une lentille standard et la courbe hachurée représente la transmission à travers la lentille selon l'invention. On voit que jusqu'à Oint = 40 , les efficacités sont les mêmes et qu'elle se détériore légèrement mais dans des proportions admissibles avec la lentille selon l'invention. Les deux courbes inférieures représentent la transmission de la polarisation s. La courbe en trait continu concerne une lentille standard et la courbe entourée de cercle concerne la lentille selon l'invention. On voit que jusqu'à 30 les efficacités sont les mêmes. Entre 30 et 45 , l'efficacité de la lentille selon l'invention est meilleure. Au-delà de 45 les efficacités sont les mêmes. Globalement, I'efficacité de la lentille selon l'invention est aussi bonne qu'une lentille classique. Par contre, la lentille de Fresnel selon l'invention fonctionne sous éclairement à incidence élevée et sa fabrication ne pose pas de problème délicat en raison de l'angle ó qui est relativement important (-60 ). La lentille de Fresnel est applicable plus particulièrement à un écran de rétroprojection. La figure 8 représente un appareil de rétroprojection. La lentille de Fresnel LF selon l'invention, disposée parallèlement à un plan P, est accolée à l'écran de rétroprojection EC avec sa face portant les structures réfractives disposée vers l'écran. La 15 face plane de la lentille LF est éclairée par un appareil de projection PR. Celui-ci est situé selon l'axe optique XX' de la lentille et au dessous de celle-ci dont on n'a représenté que la partie utile c'est-à-dire la partie éclairée par l'appareil de projection PR qui éclaire donc la lentille sous incidence relativement importante. Selon un mode de réalisation de l'invention, I'axe optique de l'objectif est colinéaire avec l'axe XX' de la lentille. Selon une variante de réalisation de l'invention, la pupille de l'objectif est localisée sur l'axe XX' de la lentille de Fresnel. Cependant l'axe de l'objectif n'est pas colinéaire avec l'axe XX' de la lentille de 25 Fresnel. Par exemple, I'objectif peut être orienté de façon que son axe passe par le centre de la partie utilisée de la lentille de Fresnel, c'est-àdire par le centre de l'écran. La lentille est bien entendu située au niveau de l'image fournie par l'objectif et selon le plan de cette image. Cette configuration est, par exemple, illustrée par la figure 8. REVENDICATIONS 1) Lentille de Fresnel comportant une première face (fl) disposée selon un plan (P) et, opposée à cette face, une deuxième face parallèle à la première face et comportant des structures réfractives circulaires et concentriques, chaque structure réfractive étant délimitée par une première surface (b) 5 destinée à former un dioptre de réfraction et faisant un premier angle (a) avec ledit plan (P), et une deuxième surface sans utilité optique et faisant un deuxième angle ([3) avec la normale audit plan (P), chaque dite structure étant destinée à être éclairée par un rayonnement faisant un angle d'entrée (Oint) différent de zéro degré avec la normale audit plan (P), caractérisé en 10 ce que la deuxième face comporte au moins deux zones de structures réfractives réparties entre le centre des structures réfractives concentriques et la périphérie de la lentille de Fresnel: une première zone proche du centre dans laquelle: o le premier angle (a) de chaque première surface est tel que les 15 structures réfractives réfractent la lumière selon une direction faisant un angle (Oout) nul par rapport à une direction (XX') déterminée, o le deuxième angle (ó) de chaque deuxième surface est égal audit angle d'entrée (Oint), a une deuxième zone dans laquelle: o le premier angle (a) de chaque première surface est tel que les structures réfractives réfractent la lumière selon une direction faisant un angle (Qout) non nul et inférieur à une valeur maximale (Omax) par rapport à la direction (XX') déterminée, o le deuxième angle (3) de chaque deuxième surface est égal audit angle d'entrée (Oint). 2) Lentille de Fresnel selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'elle comporte également au moins une troisième zone située entre la deuxième zone et la périphérie de la lentille dans laquelle: Le premier angle (a) de chaque première surface est tel que les 5 structures réfractives réfractent la lumière selon une direction faisant un angle (eout) non nul et égal à ladite valeur maximale (Omax) par rapport à la direction (XX') déterminée, Le deuxième angle (3) de chaque deuxième surface est supérieur audit angle d'entrée (eint). 3) Lentille de Fresnel selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque première surface fait avec chaque deuxième surface voisine un angle de gravure (), cet angle ayant une valeur déterminée (,lim) dans la deuxième et dans la troisième zone, et ayant une valeur supérieure à cette valeur 15 déterminée dans la première zone. 4) Lentille de Fresnel selon la revendication 3, caractérisé en ce que la première face est plane. 5) Lentille de Fresnel selon la revendication 4, caractérisé en ce que la première face est traitée anti-réfléchissante de façon optimisée pour des angles d'incidence élevés d'un rayonnement incident. 6) Lentille de Fresnel selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit 25 rayonnement est divergent et provient d'un point situé sur l'axe de la lentille. 7) Lentille de Fresnel selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite valeur déterminée (,lim) de l'angle de gravure (,) est comprise entre 40 et 70 0. 8) Lentille de Fresnel selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'angle de gravure () est sensiblement égal à 60 . 9) Ecran de rétroprojection d'images comprenant un face d'entrée et une 5 face de sortie à orienter vers des spectateurs, caractérisé en ce qu'il comprend une lentille de Fresnel selon l'une quelconque des revendications précédentes, et en ce que cette lentille de Fresnel est disposée selon la face d'entrée de l'écran avec la face de la lentille portant les structures de diffraction orientée vers la face de sortie de l'écran. 10 10) Appareil de rétroprojection caractérisé en ce qu'il comprend un écran de rétroprojection selon la revendication 9 et un appareil de projection (PR) émettant un faisceau lumineux en direction de ladite face d'entrée. 11) Appareil de rétroprojection selon la revendication 10 caractérisé en ce que l'appareil de projection est placé selon l'axe de la lentille de Fresnel et permet de projeter une image sur une partie seulement de la lentille de Fresnel située d'un côté de son axe. 12) Appareil de rétroprojection selon la revendication 11, caractérisé en ce que la pupille de l'objectif de l'appareil de projection est situé sensiblement sur l'axe de la lentille de Fresnel et l'axe optique de cet objectif est orienté vers une partie utilisée de la lentille de Fresnel située d'un côté de l'axe de la lentille de Fresnel.