Brevet FR2899980A1 — publié le 20071019

L'invention concerne un système d'affichage d'images qui comprend un premier imageur et un deuxième imageurs disposés en série, où le premier imageur est apte à générer une image primaire sur le deuxième imageur via un système relais catadioptrique, et où le deuxième imageur est apte à moduler spatialement ladite image primaire. De tels dispositifs, comme par exemple ceux décrits dans les documents US2006/018040, WO2004/051995, EP1549056 (figures 24-25), WO03/016998, permettent d'élargir considérablement la gamme dynamique d'affichage des images ( High Dynamic Range en langue anglaise). Le document US2003/223044 décrit l'utilisation d'un système catadioptrique dans un dispositif d'affichage par projection à un seul imageur, dans le but de ramener l'image à projeter à une distance suffisamment proche de l'objectif malgré l'encombrement des certains composants optiques, notamment de polarisation. Un but de l'invention est d'améliorer la qualité de l'affichage des images en diminuant, notamment, les défauts qui résultent du système optique qui assure le relais entre les deux imageurs. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif d'affichage d'images par projection d'un rayonnement, comprenant, : - en série sur le trajet dudit rayonnement, un premier imageur apte à moduler spatialement un rayonnement à projeter pour générer une image primaire, et un deuxième imageur apte à moduler spatialement ladite image primaire pour générer une image secondaire, - et un système relais catadioptrique qui est intercalé entre le premier et le deuxième imageur et qui est apte à relayer ladite image primaire sur ce 25 deuxième imageur, où le système catadioptrique relais est du type Dyson . Un système catadioptrique de type Dyson est un système optique qui comprend au moins un groupe de lentilles et un miroir concave dont la surface réfléchissante est confondue avec la pupille d'ouverture ( aperture stop en 30 langue anglaise) ; la structure de ce système lorsqu'il est déplié est symétrique par rapport au point d'intersection entre son axe optique et la pupille de ce système, de sorte que les aberrations d'ordre impair, notamment d'ordre 3 (aberrations dites de Seidel ), comme les aberrations de coma, de distorsion, ou les aberrations latérales de couleurs, sont éliminées. On entend par système déplié un système reconstitué symétriquement par rapport au miroir. Le grandissement d'un système catadioptrique de type Dyson est toujours 5 de 1, de sorte que l'objet et l'image au travers de ce système respectent les mêmes symétries que le système lui-même. Un avantage des systèmes catadioptriques de type Dyson est qu'ils sont télécentriques, comme les systèmes optiques d'autre types qui sont décrits, pour d'autres applications, dans les documents US5625488 et EP0798585 ; 10 avantageusement, la télécentricité du système catadioptrique relais selon l'invention assure une bonne uniformité des couleurs sur toute l'image affichée. Les systèmes catadioptriques de type Dyson sont décrits notamment dans la publication intitulée : "Unit Magnification Optical System Without Seidel Aberrations", par J. Dyson, publiée en juillet 1959 dans le Journal of the 15 Optical Society of America , Vol. 49, n 7, p.713. Des tels systèmes catadioptriques sont notamment utilisés dans des dispositifs de photolithographie ou de scannérisation ; des systèmes catadioptriques sont notamment décrits dans les documents US4171870, US4334300, US5808805, US5943171. 20 Comme système catadioptrique relais, on peut également utiliser le système Dyson décrit dans le document US5559629 : l'axe optique (ou rayon moyen) du faisceau incident pénétrant dans ce système est décalé par rapport à l'axe optique (ou rayon moyen) du faisceau émergeant de ce système, l'axe optique de ce système étant parallèle et équidistant à ces deux précédents 25 axes optiques (ou rayons moyens). De préférence, le système catadioptrique relais de type Dyson comprend : - un miroir comprenant, d'un côté, une surface réfléchissante concave ; - un groupe de lentilles disposé du même côté que la surface réfléchissante par rapport audit miroir, 30 - des moyens pour diriger sur ledit groupe de lentilles le rayonnement incident qui provient du premier imageur et pour diriger sur le deuxième imageur le rayonnement réfléchi qui provient dudit groupe de lentilles, ledit groupe de lentilles et lesdits moyens de direction du rayonnement étant adaptés pour que ledit rayonnement qui provient du premier imageur traverse ledit groupe de lentilles jusqu'à ladite surface réfléchissante, et soit réfléchi par ladite surface réfléchissante au travers dudit groupe de lentilles jusqu'au dit deuxième imageur. La concavité du miroir est tournée vers les faisceaux lumineux incident et réfléchi sur ce miroir. De préférence, ladite surface réfléchissante est approximativement sphérique. Selon une première variante, le premier imageur est formé par un réseau de valves optiques modulables. Ces valves sont aptes à moduler spatialement un rayonnement à projeter ; il peut s'agir notamment de valves à micromiroirs ( DMD - Digital Micromirror Device en langue anglaise) ou des valves à cristaux liquides (par exemple LCOS - Liquid Crystal On Silicon en langue anglaise) ; dans ce cas, le dispositif d'affichage d'images comprend un système d'illumination doté d'une source de rayonnement ; ce système d'illumination est de préférence apte à éclairer de manière homogène la surface du premier imageur. La modulation spatiale de cet éclairement homogène par le premier imageur génère alors l'image primaire, qui est reportée par le système optique relais sur le deuxième imageur ; la modulation spatiale de l'image primaire par le deuxième imageur génère alors l'image secondaire, qui, à la taille près, correspond généralement à l'image à afficher. Les systèmes d'illumination d'imageurs sont connus en eux-mêmes et ne seront pas décrits ici en détail. Selon une deuxième variante, le premier imageur est formé par un réseau d'émetteurs modulables de lumière formant la source du rayonnement à projeter ; il peut s'agir notamment d'un réseau de LED ( Light Emitting Diode en langue anglaise) ; la modulation spatiale des émetteurs du premier imageur génère alors l'image primaire ; la combinaison du réseau d'émetteurs et du système catadioptrique relais forme un système d'illumination pour le deuxième imageur. De préférence, le deuxième imageur est formé par un réseau de valves optiques modulables. Ces valves optiques sont éclairées par le premier imageur via le système catadioptrique relais ; les valves optiques sont par exemple des valves à micromiroirs ( DMD ) ou des valves à cristaux liquides (par exemple LCOS ). De préférence, les valves optiques du deuxième imageur sont des valves à cristaux liquides et lesdits moyens de direction du rayonnement comprennent au moins un séparateur de polarisation. Ce séparateur de polarisation ou PBS ( polarisation beam splitter en langue anglaise) est notamment apte : - à transmettre vers ledit miroir le rayonnement provenant du premier imageur, et à réfléchir le rayonnement réfléchi par ledit miroir vers le deuxième imageur ; - ou à réfléchir vers ledit miroir le rayonnement provenant du premier imageur, et à transmettre le rayonnement réfléchi par ledit miroir vers le deuxième imageur. Selon une variante préférentielle, le premier et le deuxième imageurs sont coplanaires. Le système catadioptrique relais comprend alors généralement une lame quart d'onde disposé entre le miroir et le groupe de lentilles. Les moyens de direction du rayonnement peuvent également comprendre des lentilles, notamment une première lentille de champ disposée entre le premier imageur et le séparateur de polarisation, et une deuxième lentille de champ disposée entre le séparateur de polarisation et le deuxième imageur. Selon une variante préférentielle, la définition du premier imageur est égale la définition du deuxième imageur. La définition d'un imageur correspond au nombre de valves optiques ou d'émetteurs utilisés pour composer l'image à générer par cet imageur. Plus le nombre de valves optiques ou d'émetteurs est important, meilleure sera la définition de l'image générée. Elle est généralement exprimée en nombre de pixels horizontaux et verticaux. Selon une autre variante, les définitions des imageurs sont différentes ; à chaque valve optique ou à chaque émetteur du premier imageur correspond alors, via le système catadioptrique relais, un groupe de valves optiques du deuxième imageur. La définition du deuxième imageur correspond généralement à celle de l'image à afficher, et le dispositif selon l'invention comprend de préférence un écran de projection et un objectif de projection apte à imager l'image secondaire générée par le deuxième imageur sur ledit écran. L'image finale est alors affichée sur l'écran. L'objectif de projection apporte généralement un grandissement supérieur à 10 de l'image secondaire. Les écrans et les objectifs de projection sont connus en eux-mêmes et ne seront pas décrits ici en détail. Selon une variante, c'est l'écran de projection lui-même qui incorpore le deuxième imageur, tel que décrit notamment dans le document WO03/077013. Pour l'affichage d'une image par le dispositif selon l'invention, les valves optiques ou émetteurs du premier imageur, et les valves optiques du deuxième imageur, sont pilotées de manière à ce que le deuxième imageur forme l'image à afficher ; la modulation de ces valves optiques ou émetteurs est réalisée d'une manière connue en elle-même en amplitude et/ou en durée ; les documents US2006/018040, WO2004/051995, EP1549056, déjà cités, et les documents EP1269756, US2005/195223 décrivent des moyens pour piloter le premier et le deuxième imageur d'un dispositif selon l'invention. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, et en référence aux figures annexées sur lesquelles : - la figure 1 illustre un mode de réalisation du dispositif d'affichage selon l'invention ; - les figures 2, 3 et 4 représentent des variantes du mode de réalisation de la figure 1. En référence à la figure 1, on va maintenant décrire un mode de réalisation d'un dispositif d'affichage d'images selon l'invention, qui comprend : - un système d'illumination 1, non représenté, comprenant une source de 25 rayonnement à projeter ; - un premier imageur 3, formé par un réseau de valves optiques modulables par transmission, à cristaux liquides, qui sont éclairées par le système d'illumination 1 et qui sont aptes à moduler spatialement le faisceau de cet éclairement pour former une image primaire ; 30 - un deuxième imageur 6, formé également par un réseau de valves optiques modulables par transmission, également à cristaux liquides ; - un système relais catadioptrique (4) de type Dyson , intercalé entre le premier imageur 3 et le deuxième imageur 6, apte à relayer sur le deuxième imageur 6 l'image primaire générée par le premier imageur 3 ; - un objectif de projection 7 (non représenté) et un écran de projection (non référencé) ; - des moyens de pilotage des valves optiques du premier imageur et du 5 deuxième imageur, non référencés et non représentés. Le système d'illumination 1 est adapté pour éclairer de manière homogène la surface du premier imageur 3 ; il comprend par exemple une source lumineuse dotée d'un miroir parabolique formant un premier faisceau, un polariseur et un système de recyclage de polarisation pour générer un deuxième faisceau 10 polarisé, des moyens d'intégration comme un intégrateur barreau pour former une surface d'éclairement homogène polarisée à partir du deuxième faisceau, et un premier groupe de lentilles apte à imager cette surface d'éclairement homogène polarisée sur le premier imageur. Le système d'illumination 1 est adapté pour éclairer séquentiellement la surface du premier 15 imageur 3 par différentes couleurs primaires, généralement rouge, vert et bleu ; à cet effet, le système d'illumination 1 comprend par exemple une roue colorée coupant le faisceau d'illumination, généralement à l'entrée de l'intégrateur barreau ; cette roue colorée est segmentée en une successions de filtres optiques correspondant aux différentes couleurs primaires ; la rotation de cette 20 roue implique que chaque filtre coupe successivement le faisceau d'éclairement, ce qui provoque l'éclairage séquentiel du premier imageur par les différentes couleurs que les filtres transmettent. Le deuxième imageur 6 est éclairé par le premier imageur 3 via le système catadioptrique relais 4 ; ce deuxième imageur 6 est apte à moduler 25 spatialement le faisceau de cet éclairement pour former une image secondaire, qui est, au grandissement près, identique à l'image projetée sur l'écran de projection par l'objectif de projection. Le système catadioptrique relais 4 de type Dyson comprend : - un miroir 44 comprenant, d'un côté, une surface réfléchissante concave 30 approximativement sphérique ; - un deuxième groupe de lentilles 42, disposé du même côté de ce miroir que la surface réfléchissante, - un séparateur de polarisation 41 de type PBS , positionné pour diriger le rayonnement modulé issu du premier imageur 3 sur le deuxième groupe de lentilles 42 et pour diriger le rayonnement provenant du groupe de lentilles 42 sur le deuxième imageur 6. Le groupe de lentilles 42 et le séparateur de polarisation 41 sont adaptés pour que le rayonnement issu du premier imageur 3 traverse le deuxième groupe de lentilles 42 jusqu'à la surface réfléchissante du miroir 44, et soit réfléchi par cette surface réfléchissante au travers du groupe de lentilles 42 jusqu'au deuxième imageur 6. A cette fin, le système catadioptrique relais 4 comprend une lame quart d'onde 43 apte à obtenir une polarisation adaptée pour que le séparateur de polarisation 41 renvoie effectivement le rayonnement réfléchi sur le deuxième imageur 6, et non pas vers le premier imageur 3. Le premier imageur et le deuxième imageur ont la même taille ; plus précisément, les deux imageurs ont une surface de modulation spatiale identique, de manière à produire des images de format identique. Le nombre de valves optiques du premier imageur est égale au nombre de valves optiques du deuxième imageur ; à chaque valve optique du premier imageur correspond alors, via le système catadioptrique relais, une valve optique du deuxième imageur. La définition des imageurs correspond à celle de l'image à afficher sur l'écran de projection. On va maintenant décrire un exemple de mise en oeuvre du dispositif selon l'invention, pour l'affichage d'une image sur l'écran, composée du même nombre de pixels que le deuxième imageur û et aussi ici le premier imageur - compte de valves optiques. Chaque valve du deuxième imageur û et aussi ici le premier imageur - correspond à un pixel de l'image à afficher. Chaque image à afficher est subdivisée d'une manière connue en elle-même en trois sous-images primaires, rouge, verte et bleu, qui sont adaptées pour que leur fusion temporelle par un oeil regardant l'écran de projection produise l'image à afficher ; l'intervalle de temps entre l'affichage de chaque sous-image est donc suffisamment court pour obtenir ce phénomène de fusion des couleurs. Pour l'affichage d'une image par le dispositif précédemment décrit, on affiche donc successivement une sous-image rouge, une sous-image verte, puis une sous-image verte, dans l'ordre de couleur des filtres de la roue colorée, à la cadence de rotation de cette roue. Dans une première séquence d'illumination où le système d'illumination 1 éclaire le premier imageur par une lumière homogène de teinte rouge, les moyens de pilotage délivrent au premier imageur des signaux de modulation aptes à générer une sous-image primaire rouge ; les valves du premier imageur 3 modulent donc spatialement le rayonnement provenant du système d'illumination 1 ; la sous-image primaire rouge est relayée avec un grandissement de 1 sur le deuxième imageur, via le système catadioptrique relais 4 ; les moyens de pilotage délivrent au deuxième imageur des signaux de modulation de cette sous-image primaire rouge qui sont aptes à générer une sous-image secondaire rouge, qui est ensuite projetée sur l'écran de projection par l'objectif de projection ; on obtient ainsi l'affichage de la sous-image rouge. Dans une deuxième séquence d'illumination où le système d'illumination 1 éclaire le premier imageur par une lumière homogène de teinte verte, les moyens de pilotage délivrent au premier imageur des signaux de modulation aptes à générer une sous-image primaire verte et délivrent au deuxième imageur des signaux de modulation de cette sous-image primaire verte qui sont aptes à générer une sous-image secondaire verte, qui est ensuite projetée sur l'écran de projection par l'objectif de projection ; on obtient ainsi l'affichage de la sous-image verte. On procède d'une manière analogue pour l'affichage de la sous-image bleue. On obtient alors, par fusion temporelle des trois sous-images affichées, rouge, verte et bleue, l'affichage global de l'image. Grâce au système catadioptrique relais 4, dans le transfert d'image entre le premier imageur et le deuxième imageur, les aberrations d'ordre impair comme les aberrations de coma, de distorsion, ou les aberrations latérales de couleurs, sont éliminées. Par ailleurs, un tel système présente l'avantage d'être télécentrique tant du côté objet que du côté image. On obtient ainsi une meilleure qualité d'affichage des images. Les figures 2 à 4 présentent des variantes du dispositif d'affichage de la figure 30 1 Les variantes représentées aux figures 2 et 3 se différentient essentiellement par le fait que les deux imageurs 3', 4' fonctionnent par réflexion, et non pas par transmission ; les deux imageurs sont alors ici des réseaux de valves optiques de type LCOS. De ce fait, ces variantes se différentient également par : - un cube PBS séparateur de polarisation 2, disposé entre le système d'illumination 1 et le système catadioptrique relais 4, apte à diriger le rayonnement polarisé provenant du système d'illumination 1 sur le premier imageur 3 et à diriger le rayonnement modulé provenant du premier imageur 3 vers le système catadioptrique relais 4 ; - un cube PBS séparateur de polarisation 5, disposé entre le système catadioptrique relais 4 et l'objectif de projection 7, apte à diriger sur le deuxième imageur 6 le rayonnement modulé par le premier imageur 3 et issu du système catadioptrique relais 4 et à diriger le rayonnement modulé par le deuxième imageur sur l'objectif de projection 7. Dans le mode de réalisation de la figure 2, le cube PBS séparateur de polarisation 2 réfléchit le rayonnement provenant du système d'illumination 1 sur le premier imageur 1 et transmet au système catadioptrique relais 4 le rayonnement modulé par cet imageur ; le cube PBS séparateur de polarisation 5 réfléchit le rayonnement provenant du système catadioptrique relais 4 sur le deuxième imageur 6 et transmet à l'objectif de projection 7 le rayonnement modulé par cet imageur. Dans le mode de réalisation de la figure 3, le cube PBS séparateur de polarisation 2 transmet au premier imageur 1 le rayonnement provenant du système d'illumination 1 et réfléchit vers le système catadioptrique relais 4 le rayonnement modulé par cet imageur ; le cube PBS séparateur de polarisation 5 transmet au deuxième imageur 6 le rayonnement provenant du système catadioptrique relais 4 et réfléchit vers l'objectif de projection 7 le rayonnement modulé par cet imageur. La variante représentée à la figure 4 se différentie essentiellement par le fait que les moyens pour diriger sur le groupe de lentilles 42 le rayonnement incident qui provient du premier imageur 3' et pour diriger sur le deuxième imageur 6' le rayonnement réfléchi qui provient du groupe de lentilles 42 sont formés par deux cubes PBS séparateur de polarisation 2', 5', l'un 2' spécifiquement pour diriger sur le groupe de lentilles 42 le rayonnement incident qui provient du premier imageur 3', l'autre 5' pour diriger sur le deuxième imageur 6' le rayonnement réfléchi qui provient du groupe de lentilles 42 ; avantageusement, ces deux cubes PBS sont disposés de façon à ce que le premier 3' et le deuxième 6' imageurs soient coplanaires ; une paroi opaque 8 sépare les deux cubes, ce qui limite avantageusement les risques de pollution lumineuse des imageurs entre eux. On aboutit ainsi à un système catadioptrique relais tel que décrit dans le document US5559629 : l'axe optique (ou rayon moyen) du faisceau incident pénétrant dans ce système est décalé par rapport à l'axe optique (ou rayon moyen) du faisceau émergeant de ce système, l'axe optique de ce système étant parallèle et équidistant à ces deux précédents axes optiques (ou rayons moyens). La présente invention a été décrite en se référant à des imageurs à valves optiques à cristaux liquides ; il est évident pour l'homme du l'art qu'elle peut s'appliquer à d'autres types d'imageurs sans sortir du cadre des revendications ci-après. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'affichage d'images par projection d'un rayonnement, comprenant : - en série sur le trajet dudit rayonnement, un premier imageur (3 ; 3') apte à moduler spatialement un rayonnement à projeter pour générer une image primaire, et un deuxième imageur (6 ; 6') apte à moduler spatialement ladite image primaire pour générer une image secondaire, - et un système relais catadioptrique (4 ; 4') qui est intercalé entre le premier (3) et le deuxième imageur (6 ; 6') et qui est apte à relayer ladite image primaire sur ce deuxième imageur (6 ; 6'), caractérisé en ce que en ce que ledit système catadioptrique relais (4 ; 4') est du type Dyson . 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit système catadioptrique relais (4 ; 4') de type Dyson comprend : - un miroir (44) comprenant, d'un côté, une surface réfléchissante concave ; - un groupe de lentilles (42) disposé du même côté que la surface réfléchissante par rapport audit miroir (44), - et des moyens pour diriger sur ledit groupe de lentilles (42) le rayonnement incident qui provient du premier imageur (3 ; 3') et pour diriger sur le deuxième imageur (6 ; 6') le rayonnement réfléchi qui provient dudit groupe de lentilles (42), ... ledit groupe de lentilles (42) et lesdits moyens de direction du rayonnement étant adaptés pour que ledit rayonnement qui provient du premier imageur traverse ledit groupe de lentilles jusqu'à ladite surface réfléchissante, et soit réfléchi par ladite surface réfléchissante au travers dudit groupe de lentilles jusqu'au dit deuxième imageur. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 2 caractérisé en ce que le premier imageur (3 ; 6') est formé par un réseau de valves optiques modulables. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 2 caractérisé en ce que le premier imageur (3 ; 3') est formé par un réseau d'émetteurs modulables de lumière formant la source du rayonnement à projeter. 5. Dispositif selon la revendication 3 ou 4 caractérisé en ce que le deuxième imageur (6 ; 6') est formé par un réseau de valves optiques modulables. 6. Dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce que lesdites valves optiques du deuxième imageur (6 ; 6') sont des valves à cristaux liquides et en ce que lesdits moyens de direction du rayonnement comprennent au moins un séparateur de polarisation (41). 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 6 caractérisé en ce que le premier (3') et le deuxième (6') imageurs sont coplanaires. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 7 caractérisé en ce que la définition du premier imageur est égale la définition du deuxième imageur. 9. Dispositif d'affichage d'images selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend un écran de projection et un objectif de projection apte à imager l'image secondaire générée par le deuxième imageur sur ledit écran.