Brevet FR2883645A1 — publié le 20060929

Système d'imagerie pour projecteur et projecteur correspondant. 1. Domaine de l'invention. L'invention se rapporte au domaine de la projection d'image. Plus précisément, l'invention concerne un système d'imagerie ou système d'illumination pour imageur dans un vidéo projecteur de type frontal ou dans un rétro-projecteur. 2. Etat de l'art. Selon l'état de la technique, tel qu'illustré en regard de la figure 1, on met en oeuvre un système d'illumination 10 éclairant un imageur 11 de type LCD transmissif de longueur égale à 16 mm et de largeur égale à 10 mm. Classiquement, le système d'illumination 10 comprend: une source d'illumination 100 avec réflecteur elliptique une roue colorée 107; un guide rectangulaire 102 de longueur voisine de 4cm et de section inférieure à 0,5 fois celle de l'imageur 11; et un système de plusieurs lentilles relais 103 à 105. La source d'illumination 100 éclaire par un faisceau lumineux 101 la roue colorée 107 placée à l'entrée du guide rectangulaire 102, au foyer du réflecteur elliptique de la source 100. Le guide rectangulaire 102 est utilisé pour convertir la section circulaire du faisceau d'éclairement en section rectangulaire et uniformiser le faisceau spatialement. Un tel système est, par exemple, décrit dans le document de brevet JP2000-193911 de la société CANON KK publié le 14 juillet 2000. La sortie du guide 102 est imagée sur l'imageur 11 via le système de lentilles relais au nombre minimum de deux, mais souvent au nombre de trois ou quatre, l'éclairement étant de plus de préférence télécentrique. L'imageur éclairé par le faisceau d'illumination émet un faisceau d'imagerie 12 qui est utilisé pour projeter une image sur un écran via un objectif adapté. Si l'imageur 11 est de type DMD ( Appareil à Micromiroirs Numériques de l'anglais Digital Micromirrors Device de la société Texas Instruments 0) Un prisme TIR est placé entre le système d'illumination 10 et l'imageur 11 pour séparer les faisceaux. Le prisme TIR est inutile si l'imageur 11 est du type LCD transmissif (Afficheur à cristaux liquides, de l'anglais Liquid Crystal Display ) ou remplacé par un PBS (ou séparateur de polarisation de l'anglais polarizing beam splitter ) Si l'imageur 11 est du type LCOS (Cristal liquide sur du silicium de l'anglais Liquid Crystal On Silicon ). Les principaux inconvénients de l'état de l'art, sont le nombre de composants optiques (typiquement un guide et au moins deux lentilles relais) et/ou leur taille (lentilles ou prismes). 3. Résumé de l'invention. L'invention a pour but de pallier ces inconvénients de l'art antérieur. Plus particulièrement, l'invention a pour objectif de simplifier la mise en oeuvre d'un système d'illumination dans un projecteur d'images. A cet effet, l'invention propose un système d'imagerie pour projecteur comprenant: une source d'illumination produisant un faisceau d'illumination composé de plusieurs couleurs, dit faisceau blanc, au moins une roue colorée pour transformer le faisceau blanc se focalisant sur la ou les roues colorées en un faisceau séquentiel coloré, un guide intégrateur, un imageur, Le système est remarquable en ce qu'il comprend au moins une lentille collimatrice entre la ou les roues colorées et le guide intégrateur. Avantageusement, l'imageur est placé derrière le guide sans lentille de relais entre le guide et l'imageur. Selon une caractéristique particulière, l'imageur est réflectif et le système comprend un prisme entre la sortie du guide et l'imageur. Selon une caractéristique avantageuse, le prisme est placé immédiatement après la sortie du guide Selon une caractéristique particulière, l'imageur est un imageur DMD et le prisme est un prisme à réflexion totale ne séparant pas la polarisation. Selon une autre caractéristique, l'imageur est un imageur LCOS et le prisme est un prisme à séparation de polarisation. Selon encore une autre caractéristique, l'imageur est transmissif 35 et placé immédiatement après le guide. Selon une caractéristique avantageuse, la ou les lentilles collimatrices comprennent au moins une face convexe % Avantageusement, le système comprend une seule lentille entre la ou les roues colorées et le guide. Préférentiellement, le guide a une longueur supérieure à une valeur déterminée de sorte que l'éclairement à la sortie du guide est sensiblement uniforme. Avantageusement, la longueur optique du guide est supérieure ou égale à 6 cm et, encore plus avantageusement à 8 cm. Selon une caractéristique avantageuse, le guide a une section supérieure ou égale à 0,6 fois la section de l'imageur et inférieure ou égale à 0,9 fois la section de l'imageur. L'invention concerne également un projecteur comprenant un système tel que spécifié précédemment selon l'invention et un objectif de projection. 4. Liste des figures. L'invention sera mieux comprise, et d'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, la description faisant référence aux dessins annexés parmi lesquels: la figure 1 illustre un système d'illumination connu en soi; la figure 2 est un synoptique très schématique d'un projecteur selon l'invention; la figure 3 décrit un système d'illumination mis en oeuvre dans le projecteur de la figure 2; la figure 4 illustre un prisme du système d'illumination de la figure 3, la figure 5 montre l'intensité du faisceau d'illumination dans le plan de l'imageur du projecteur de la figure 2; - la figure 6 présente un système d'illumination mettant en oeuvre un LCOS selon une variante de l'invention; et - la figure 7 présente un système d'illumination mettant en oeuvre un LCD réflectif selon une autre variante de l'invention. 5. Description détaillée de l'invention. L'invention permet donc de s'affranchir des lentilles relais en sortie du guide, de diminuer la taille des éléments optiques (prismes notamment) proches de l'imageur et donc de réduire le coût des systèmes de d'illumination pour projecteurs. Un prisme PBS (ou séparateur de polarisation de l'anglais polarizing beam splitter ), par exemple, placé avant un imageur LCOS pourra être plus petit que selon l'état de l'art puisque, la lentille relais selon l'état de l'art doit être télécentrique et donc de grande taille pour un imageur réflectif. La simplicité de la mise en oeuvre mécanique et des ajustages permet également de réduire les coûts de fabrication. La figure 2 est un synoptique très schématique d'un rétro-projecteur 2 selon un premier mode de réalisation de l'invention. Le projecteur 2 comprend: un système d'illumination 20 éclairant un imageur 208 (le tout formant un système d'imagerie) ; un objectif 21 recevant un faisceau d'illumination 26 créé par le système d'illumination 20 et produisant un faisceau 25 un écran de rétroprojection 24 éclairé par le faisceau 25; et deux miroirs de repli 22 et 23 repliant le faisceau 25 et permettant de réduire la profondeur P du projecteur 2. L'objectif 21, les miroirs 22 et 23 et l'écran 24, ainsi que leur agencement sont bien connus de l'homme du métier et ne sont pas détaillés davantage. La figure 3 présente plus en détail, dans un plan xy, le système d'illumination 20 éclairant l'imageur 208 et qui comprend: une source d'illumination 200 avec réflecteur elliptique présentant un degré de focalisation (pour une ouverture f/1) d'environ 30 ; une roue colorée 202; un groupe de lentilles collimatrices 2030 et 2031; un guide rectangulaire 204 creux avec faces externes réfléchissantes (hormis l'entrée 2041 et la sortie 2042) ; et un prisme TIR 205. L'imageur 208 est de type DMD réflectif ( Appareil à Micromiroirs Numériques de l'anglais Digital Micromirrors Device de la société Texas Instruments ) et a, par exemple, une longueur égale à 16 mm et une largeur égale à 10 mm. Il produit un faisceau d'imagerie 26 lorsqu'il est éclairé par un faisceau d'illumination 207 (la partie du faisceau non utilisée correspondant aux pixels noirs est représentée en pointillés). La source d'illumination 200 éclaire par un faisceau lumineux 201 la roue colorée 202 placée au foyer du réflecteur elliptique de la source 200. Le faisceau lumineux 201 est également focalisé sur la roue colorée 202. Les lentilles 2030 et 2031 sont préférentiellement de petite taille, ce qui permet d'en réduire le coût. Leur section est préférentiellement légèrement supérieure à la section du guide 204 pour assurer un maintien mécanique (par exemple leur diamètre est supérieur à la diagonale du guide plus 2mm). Le guide rectangulaire 204 est utilisé pour convertir la section circulaire du faisceau d'éclairement en section rectangulaire et uniformiser le faisceau spatialement. Sa longueur est égale à environ 8 cm. Elle est ainsi adapté à la taille de l'imageur 208 et au degré de focalisation de la source 200 pour éclairer l'imageur 208 de manière sensiblement uniforme. D'une manière générale, le guide rectangulaire a une longueur au moins deux fois plus longue que selon l'état de l'art afin d'obtenir une bonne uniformité du faisceau 207 éclairant l'imageur. En effet, les angles des rayons du faisceau d'illumination 201 sont généralement plus petits que selon l'état de l'art. Avantageusement, la longueur et la section du guide 204 sont adaptées à la taille de l'imageur 208 et au degré de focalisation de la source 200. Préférentiellement, la longueur du guide 204 est supérieure ou égale à 6 cm et encore, plus préférentiellement, à 8 cm Selon une variante de l'invention, le guide 204 est plein, le guide étant constitué d'un matériau transparent avec faces externes réfléchissantes. Sa longueur dépend de l'indice n de son matériau. Typiquement, elle correspond au produit de l'indice par la longueur du guide creux. Ainsi, avec un indice n égal à 1,5, sa longueur est préférentiellement égale à 9 cm (soit 6x1,5 cm) et encore plus préférentiellement à 12 cm (soit 8cmx1,5). Selon le mode illustré en figure 3 ou selon des variantes, préférentiellement, la section s du guide 204 est comprise entre 0,6 et 0, 9 fois la section S de l'imageur 208 (0,6 S s 0,9S). Encore plus préférentiellement, la section s du guide 204 est comprise entre 0,7 et 0, 9 fois la section S de l'imageur 208 (0,7S s 0,9S). Les lentilles 2030 et 2031 sont préférentiellement plan-convexes ou biconvexes et permettent d'obtenir des rayons quasi-télécentriques dans le guide 204 avec préférentiellement une ouverture maximale de faisceau inférieure ou égale à 12 . Encore plus préférentiellement, l'ouverture maximale du faisceau est inférieure ou égale à celle de l'objectif. Les lentilles 2030 et 2031 rendent inutile une lentille relais en sortie du guide 204 (telle qu'utilisée selon l'état de l'art). Leur fonction est essentiellement de collimater sensiblement le faisceau pénétrant dans le guide 204 par l'entrée 2041. Aussi, le prisme TIR 205 est préférentiellement placé immédiatement après la sortie 2042 du guide 204 et est préférentiellement accolé à la sortie 2042 pour éviter l'étalement du faisceau d'illumination entre le guide 204 et le prisme 205 et donc une perte d'efficacité. Cela permet aussi de réduire l'encombrement du système d'illumination et d'en faciliter la fabrication. Le prisme TIR 205 permet notamment d'éviter le retour du faisceau d'imagerie produit par le DMD réflectif dans le guide 204. Aucune lentille relais n'est donc présente entre le guide 204 et le prisme 205 ce qui permet de réduire les coûts et la taille du prisme TIR en sortie du guide. En outre, l'architecture du système selon l'invention permet aussi de réduire la taille du prisme TIR utilisé par rapport à l'état de l'art. Selon une variante de réalisation de l'invention, les deux lentilles 2030 et 2031 sont remplacées par une seule lentille collimatrice qui est biconvexe ou plan convexe et qui assure la même fonction de collimation. Selon encore une autre variante de réalisation, les deux lentilles collimatrices 2030 et 2031 sont remplacées par au moins trois lentilles collimatrices (par exemple trois, quatre, ...). La figure 4 présente une perspective du prisme 205 dans un espace xyz. Le prisme 205 a notamment une hauteur h (selon l'axe y) et une largeur 1 (selon l'axe z) plus grandes respectivement que la hauteur et la largeur de la sortie 2042 du guide 204 de sorte que tout le flux lumineux sortant du guide 204 pénètre dans le prisme 205, et que la réflexion sur la surface de séparation, puis sur le miroir 206 se fasse sensiblement sans perte de flux. Par ailleurs, le prisme 205 a une profondeur p (selon l'axe x). A titre illustratif, selon un mode particulier de réalisation, on considère un imageur 206 de section S égale à 17,51 mmx9,85 mm et un guide 204 de section s égale à 11,38mmx6,40mm (le rapport s/S vaut alors 0,65). On considère également un prisme TIR de hauteur h valant 45,50 mm, une profondeur p égale à 29,50 mm et une largeur 1 valant 28,40 mm. Ces dimensions sont environ 20% plus petites que celle d'un TIR utilisé dans un système d'illumination selon l'état de l'art. La figure 5 montre l'intensité du faisceau 207 dans le plan de l'imageur 208. Ainsi, on constate que le flux éclairant l'imageur est très uniforme, les zones 51 et 52 correspondant respectivement à 70% et à 50% de l'éclairement étant sensiblement rectangulaires et coïncidant pratiquement avec la surface de l'imageur 208. Une zone 50 correspondant à 90% est également sensiblement rectangulaire et centrée sur l'imageur 208. L'invention s'applique également à des imageurs qui ne sont pas nécessairement des imageurs de type LCD (Afficheur à cristaux liquides, de l'anglais Liquid Crystal Display ) transmissif mais est compatible avec tout type d'imageur, notamment de type DMD ( Appareil à Micromiroirs Numériques de l'anglais Digital Micromirrors Device de la société Texas Instruments 0) ou LCOS (Cristal liquide sur du silicium de l'anglais Liquid Crystal On Silicon ). La figure 6 présente un système d'illumination 60 mettant en oeuvre un imageur 62 de type LCOS (Cristal liquide sur du silicium de l'anglais Liquid Crystal On Silicon ). Dans le cas d'un LCOS, le prisme TIR est remplacé par un PBS 61 (ou séparateur de polarisation de l'anglais polarizing beam splitter ). Plus précisément, le système 60 comprend: une source d'illumination 200; - une roue colorée 202; un groupe de lentilles collimatrices 2030 et 2031; - un guide rectangulaire 204; et un prisme PBS (séparateur de polarisation) 61. Les éléments communs aux systèmes 20 et 60 portent les mêmes noms et références et ne seront pas décrits davantage. L'imageur LCOS 62 a, par exemple, une longueur égale à 16 mm et une largeur égale à 10 mm. Il produit un faisceau d'imagerie 63 lorsqu'il est éclairé par un faisceau d'illumination 64. Le faisceau d'imagerie 63 renvoyé par l'imageur 62 est renvoyé par la surface de séparation du PBS 61 vers l'objectif 21. La section s du guide 204 est comprise entre 0,6 et 0,9 fois la section S de l'imageur 62 (0,6S s 0,9S). Encore plus préférentiellement, la section s du guide 204 est comprise entre 0,7 et 0,9 fois la section S de l'imageur 62 (0,7S s 0,9S). Le prisme PBS 61 est placé immédiatement après la sortie 2042 du guide 204 et est préférentiellement accolé à la sortie 2042 du guide 204 pour éviter l'étalement du faisceau d'illumination entre le guide 204 et le prisme 61 et donc une perte d'efficacité. Aucune lentille relais n'est donc présente entre le guide 204 et le prisme 61 ce qui permet de réduire les coûts et la taille du prisme PBS en sortie du guide. En outre, l'architecture du système selon l'invention permet aussi de réduire la taille du prisme PBS utilisé par rapport à l'état de l'art. La figure 7 présente un système d'illumination 70 mettant en oeuvre un imageur 71 de type LCD transmissif. Ce mode de réalisation ne comprend pas de prisme en sortie du guide. Plus précisément, le système 70 comprend: une source d'illumination 200; une roue colorée 202; un groupe de lentilles collimatrices 2030 et 2031; et un guide rectangulaire 204. Les éléments communs aux systèmes 20 et 70 portent les mêmes noms et références et ne seront pas décrits davantage. L'imageur LCD transmissif 71 a, par exemple, une longueur égale à 16 mm et une largeur égale à 10 mm. Il produit un faisceau d'imagerie 72 lorsqu'il est éclairé par un faisceau d'illumination. L'imageur LCD transmissif 71 est placé immédiatement après la sortie 2042 du guide 204 et est préférentiellement accolé à la sortie 2042 du guide 204 pour éviter l'étalement du faisceau d'illumination entre le guide 204 et l'imageur 71 et donc une perte d'efficacité. Aucune lentille relais n'est donc présente entre le guide 204 et l'imageur 71, ce qui permet de réduire les coûts du système. Bien entendu, l'invention ne se limite pas aux modes de réalisation décrits précédemment. L'invention est compatible avec des imageurs de type, de taille et de forme variables. Ainsi, l'invention s'applique aux systèmes d'illumination associés à tout type d'imageur et aux moyens d'adaptation nécessaires au bon fonctionnement de l'imageur (par exemple prisme de type TIR ou PBS ou tout autre prisme adapté). L'invention s'applique également à d'autre type de filtres colorés qu'une roue colorée comprenant des segments colorés transmissifs. Elle s'applique notamment au cas où la roue colorée est utilisée selon un mode réflectif ou plus généralement à tout filtre coloré adapté à la projection d'image (notamment, au cas où la roue colorée est remplacée par deux (ou plus) roues colorées. Selon une variante de réalisation, l'invention s'applique également au cas où des éléments optiques additionnels sont placés entre la sortie du guide et l'imageur ou un prisme, ou entre un prisme et l'imageur. L'invention s'applique aussi à tout type de source (par exemple, lampe avec réflecteur, LED (diodes électroluminescente de puissance) produisant un faisceau comprenant plusieurs couleurs (par exemple faisceau blanc comprenant tout le spectre ou simplement une partie du spectre visible), se focalisant sur une ou plusieurs roues colorées. Ainsi, le faisceau comprenant plusieurs couleurs est transformé en un faisceau séquentiel coloré lorsque la ou les roues colorées tournent. En outre, l'invention s'applique à tout type de projecteur mettant en oeuvre un système d'illumination tel que décrit précédemment et, en particulier, aux projecteurs frontaux ou aux rétroprojecteurs mettant en oeuvre des imageurs (notamment micro-afficheurs de type LCOS, DMD ou LCD transmissifs). REVENDICATIONS 1. Système d'imagerie (20, 60, 70) pour projecteur (2) comprenant: une source d'illumination (200) produisant un faisceau d'illumination (201) composé de plusieurs couleurs, dit faisceau blanc, au moins une roue colorée (202) pour transformer ledit faisceau blanc se focalisant sur la ou les roues colorées en un faisceau séquentiel coloré, un guide intégrateur (204), un imageur (206, 62, 71), caractérisé en ce que ledit système comprend au moins une lentille collimatrice (2030, 2031) entre la ou les roues colorées et ledit guide intégrateur. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'imageur est placé derrière le guide sans lentille de relais entre le guide et l'imageur. 3. Système selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ledit imageur (206, 62) est réflectif et que ledit système comprend un prisme (205, 61) entre la sortie dudit guide et ledit imageur. 4. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit prisme est placé immédiatement après la sortie dudit guide 5. Système selon l'une quelconque des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que ledit imageur (206) est un imageur DMD et que ledit prisme (205) est un prisme à réflexion totale ne séparant pas la polarisation. 6. Système selon l'une quelconque des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que ledit imageur (62) est un imageur LCOS et que ledit prisme (61) est un prisme à séparation de polarisation. 7. Système selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, 30 caractérisé en ce que ledit imageur (71) est transmissif et placé immédiatement après ledit guide. 8. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ladite ou lesdites lentilles collimatrices (2030, 2031) comprennent au moins une face convexe 9. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend une seule lentille entre ladite ou lesdites roues colorées et ledit guide. 10. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que ledit guide a une longueur supérieure à une valeur déterminée de sorte que l'éclairement à la sortie du guide est sensiblement uniforme. 11. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la longueur optique dudit guide est supérieure ou égale à 6 cm. 12. Système selon la revendication 11, caractérisé en ce que la longueur optique dudit guide est supérieure ou égale à 8 cm. 13. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que ledit guide a une section supérieure ou égale à 0,6 fois la section dudit imageur et inférieure ou égale à 0,9 fois la section dudit imageur. 14. Projecteur (2) comprenant un système (20, 60, 70) selon l'une quelconque des revendications 1 à 13 et un objectif de projection (21).