Brevet FR3065344A1 — publié le 20181019

Domaine de l'invention La présente invention se rapporte au domaine de l'éclairage et elle 5 concerne plus particulièrement les projecteurs vidéo/cinéma ou les projecteurs lumières de théâtre ou de spectacle comportant une source de lumière laser autorisant une grande puissance d'éclairage. Art antérieur 10 Jusqu'il y a encore quelques années, les projecteurs lumières de spectacle étaient classiquement constitués d'une lampe à incandescence ou d'une lampe à décharge type Xenon, Mercure, HMI ou HTI, et d'un réflecteur pour orienter le faisceau lumineux issu de cette lampe vers un système optique comportant une ou plusieurs lentilles disposées les unes 15 derrière les autres dans le faisceau lumineux. Récemment, sont apparus sur le marché de l'éclairage, notamment cinéma et vidéo numérique, des projecteurs dont les sources lumière, destinées à remplacer ces lampes à décharge ou à incandescence, sont des LEDs ou des diodes lasers, ces dernières étant plus particulièrement 20 utilisées lorsqu'une grande puissance d'éclairage est visée (typiquement des intensités lumineuses supérieures à 10000 lumens). Ces sources lumières lasers sont essentiellement divisées en deux types : les sources dites Phosphore et les sources dites RGB. Les sources phosphores sont alimentées par des diodes laser bleu 25 (430 - 450 nm environ) et comportent une roue de phosphore pour reconstituer les couleurs rouge et vert. Leur plan focal (en général compris dans une fourchette de 4000 à 5000 microns) ne permet pas actuellement de regrouper plusieurs modules individuels (aujourd'hui chacun limité à des puissances de l'ordre de 10000 à 18000 lumens) en un seul sauf à 30 utiliser des renvois de miroir qui engendrent des pertes de puissance 3065344 2 conséquentes. En outre, les sources phosphores doivent être à proximité du moteur de projection (la tête vidéo comportant le modulateur de lumière) et l'association de plusieurs sources phosphores individuelles implique donc des ensembles volumineux, lourds, et bruyants. Les sources RGB sont quant à elles alimentées par des diodes bleu, verte et rouge. Il est en outre facile de focaliser les faisceaux de plusieurs diodes RGB en un seul point, le plan focal de l'ordre de 300 à 1000 microns permettant de collecter la lumière de sortie dans une fibre unique de même diamètre. En regroupant plusieurs fibres en un seul faisceau ou 10 « bundle », il est ainsi possible de générer des puissances conséquentes. Mais cette technique est contraignante et particulièrement couteuse du fait notamment de la constitution actuelle monobloc des projecteurs. Ces raisons font qu'à ce jour les projecteurs, vidéo/cinéma ou lumière alimentés par des sources lumières lasers phosphores, sont tous 15 limités en puissance. Objet et définition de l'invention La présente invention propose de s'affranchir de cette contrainte avec un projecteur permettant de délivrer une grande puissance 20 d'éclairage, typiquement de 25 000 à 60 000 lumens ou équivalente à des lampes à décharge .de 4 à 6 KW (Type HMI - Xenon). Un autre but de l'invention est de pouvoir mettre en oeuvre un tel projecteur à partir de tout type de source lumière. Ces buts sont atteints par un projecteur comportant une source 25 lumière laser et un moteur de projection muni en entrée d'un tunnel intégrateur, caractérisé en ce que ce que la source lumière laser est reliée de façon déportée au moteur de projection au travers d'un faisceau de fibres optiques comportant une entrée et une sortie et en ce que ladite entrée de faisceau de fibres optiques est disposée au niveau d'un plan 30 focal de sortie de la source lumière laser et ladite sortie de faisceau de 3065344 3 fibres optiques est mise en contact du tunnel intégrateur via une plaque d'homogénéisation. Ainsi, en disposant un faisceau de fibres optiques au plan focal de la source lumière laser, il devient possible de recourir à tout type de 5 source et notamment une source phosphore. De préférence, la source lumière laser comporte une pluralité de sources lumières lasers et le faisceau de fibres optiques comporte une même pluralité d'entrée de faisceau de fibres optiques qui sont fusionnées en une unique sortie de faisceau de fibres optiques. En fusionnant ces fibres, on peut alors obtenir sans difficulté une grande puissance d'éclairage. Avantageusement, les différentes entrées de faisceau de fibres optiques ont chacune une section circulaire et l'unique sortie de faisceau de fibres optiques a une section rectangulaire. De préférence, la section circulaire présente un diamètre supérieur au diamètre du plan focal de sortie de la source lumière laser considérée et la section rectangulaire présente une longueur égale ou inférieure à une section d'entrée du tunnel intégrateur. Avantageusement, le faisceau de fibres optiques comporte plusieurs 20 milliers à plusieurs dizaines de milliers de fibres optiques de diamètre standard compris entre 100 et 200 microns. De préférence, la plaque d'homogénéisation comporte un angle de diffusion compris entre 2 et 100. Avantageusement, la plaque d'homogénéisation est fixée sur un 25 support solidaire du moteur de projection et pris en sandwich entre la sortie du faisceau de fibres optiques et l'entrée du tunnel intégrateur. De préférence, la source lumière laser est de type RGB ou phosphore et le moteur de projection comporte l'un des modulateurs de lumière suivants : matrice DMD, matrice LCD, matrices tri-LCD, matrices 30 Tri-DMD, matrice Lcos et matrice D-ILA. 3065344 4 Brève description des dessins Les caractéristiques et avantages de la présente invention 5 ressortiront mieux de la description suivante, faite à titre indicatif et non limitatif, en regard des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est un schéma de principe d'un projecteur à source lumière déportée conforme à l'invention, - la figure 2 est une vue de détail d'un faisceau de fibres optiques 10 déportant les sources lumières lasers du moteur de projection, - les figures 2A et 2B sont des vues en bout d'une entrée et de la sortie unique du faisceau de fibres optiques de la figure 2, et - la figure 3 illustre la fixation d'une plaque d'homogénéisation relayant la sortie unique du faisceau de fibres optiques en entrée du moteur de 15 projection. Description détaillée d'un mode de réalisation préférentiel L'invention repose sur le principe de séparer la source lumière laser, qu'elle soit de type phosphore ou RGB, du moteur de projection par un faisceau (ou bundle) de fibres optiques formé de plusieurs centaines à plusieurs milliers de petites fibres optiques standards (100/200 microns) et offrant une ouverture numérique importante (0,37 et au-delà), le diamètre d'entrée du faisceau étant adapté au plan focal de la source lumière laser utilisée (au moins 4 mm pour une source lumière phosphore par exemple) et ce faisceau étant préférentiellement de très grande longueur (jusqu'à plusieurs centaines de mètres) afin de permettre un déport du bruit de ventilation des sources lumières lasers. Le couplage de plusieurs sources lumières de petites puissances permet d'atteindre des intensités lumineuses égales voire supérieures à 3 06 53 4 4 5 60 000 lumens pour des projecteurs vidéo/cinéma, ou des puissances optiques égales ou supérieures à 4 à 6 kW pour des projecteurs lumière. En associant ainsi plusieurs fibres optiques standard en un faisceau de fibres, il devient possible d'atteindre des diamètre de fibre impossibles 5 à obtenir avec une seule fibre (les fibres uniques ont des diamètres de 1.500 microns maximum) et de conjuguer une large étendue de longueur d'onde dans le visible (420 - 640 nm). Toutefois, un simple regroupement de fibres optiques standard ne permet pas d'optimiser le rendement du fait de l'épaisseur des gaines qui Io laisse des interstices entre les fibres engendrant une perte conséquente de rendement. Aussi, l'invention propose de fusionner ces fibres en un faisceau à sortie unique ayant une section de sortie appropriée à la section d'entrée du condenseur (ou rod intégrateur) du moteur de projection et, en intercalant un unique diffuseur/homogénéisateur entre ces deux 15 parties, d'optimiser la puissance délivrée et le rendement obtenu. Par fusion de fibres on entend un regroupement de plusieurs fibres silice en un seul faisceau. Les faisceaux de fibres silice sont fusionnées à chaque extrémité afin d'éliminer les espaces inter-fibre, sans avoir recours à des colles, ou autres types de matières dont les propriétés inhérentes sont 20 limitantes, tout en conservant l'ouverture numérique des fibres. Les faisceaux ainsi fusionnés augmentent généralement la transmission de 50% et sont utilisés dans des applications avec des températures allant jusqu'à 1500°C. La figure 1 illustre une structure de projecteur conforme à la 25 présente invention. Ce projecteur 10 est formé de trois parties : une ou plusieurs sources lumières lasers 12, un moteur de projection 14 et un faisceau fusionné de fibres optiques 16 pour assurer le transport de la lumière blanche de la source lumière au moteur de projection ainsi déporté de la source. 3065344 6 La source lumière laser 12 peut être une source lumière phosphore du type de celle commercialisée par la société Digital Projection UK et délivrant en sortie un faisceau de lumière blanche en un point focal déterminé. Il peut s'agir également d'une source lumière laser RGB telle 5 que décrite dans la demande W02016/113490 ou la demande W02016/156759, l'une et l'autre déposées au nom de la demanderesse et permettant de concentrer différents faisceaux de lumière issus de diodes RGB en un point focal déterminé en sortie de cette source lumière laser. Le moteur de projection 14 est organisé classiquement autour d'un 10 modulateur de lumière 140, d'un prisme 142 et d'un bloc optique 144 comportant notamment des lentilles de projection 146 formant l'objectif du projecteur. Le modulateur de lumière est classiquement une matrice DMD (digital micromirror device) mais d'autres configurations peuvent aussi être utilisées comme une matrice LCD, Lcos ou D-ILA et des 15 matrices tri-LCD ou tri-DMD. Quelle que soit la configuration retenue un tunnel intégrateur ou rod 148 est toujours présent en entrée du chemin optique pour assurer un meilleur alignement et une uniformité spatiale comme dans les systèmes à lampe de l'art antérieur. Le faisceau fusionné de fibres optiques 16 illustré plus en détail 20 figure 2 permet le couplage d'une ou plusieurs sources lumières lasers en fonction des besoins de puissance. Notamment, le nombre des entrées 16A, 16B, 16C, 16D du faisceau dépend de la puissance totale souhaitée et de celle de chacune des sources lumières lasers phosphore ou RGB. Par exemple, une source 25 lumière laser RGB du type de celle décrite dans la demande W02016/156759 précitée délivrant une puissance optique de 20 à 40W (voire plus) par couleur RGB permettra d'obtenir une puissance de projection de 60 à 120W ou plus par entrée, soit en sortie des puissances de 240 à 480W et plus. 3065344 7 Le diamètre d'entrée du faisceau (voir la figure 2A) dépend du type de source lumière lasers utilisé donc des dimensions du plan focal. Ainsi, on choisira au moins un diamètre d'entrée de 6mm pour une source lumière laser phosphore dont le plan focal est au minimum compris entre 5 4 et 5 mm. Ce diamètre d'entrée définira le nombre de fibres nécessaires de plusieurs centaines (soit environ 400 fibres de 200 microns pour un diamètre de 4 mm) à plusieurs milliers (soit environ 3500 fibres de 100 microns pour un diamètre de 6 mm) pour un diamètre de fibre unitaire standard de 100 à 200 microns par exemple. 10 De même, la taille du faisceau de sortie 16E dépend du nombre total de fibres unitaires fusionnées (14000 fibres dans l'exemple à quatre entrées immédiatement précédent) et de la section du tunnel intégrateur 148. Enfin, pour augmenter la performance, la forme du faisceau de sortie est adaptée à celle de la matrice de projection (puce DMD par exemple) et 15 donc préférentiellement avec une section rectangulaire (voir la figure 2B) proportionnelle à celle de la matrice et de longueur égale ou inférieure à la section du tunnel intégrateur. Toutefois, une section ovale/elliptique ou de tout type de forme géométrique, dès lors que le diamètre le plus large est égal ou inférieur à la section du tunnel intégrateur, est aussi possible. 20 En sortie de la fibre fusionnée est disposée une plaque d'homogénéisation 20 destinée à assurer une répartition parfaite des couleurs ainsi qu'une parfaite répartition de la lumière. Il convient de noter que cette plaque d'homogénéisation n'a pas pour objet de rendre «divergente» la lumière cohérente issue du de la fibre fusionnée, cette 25 divergence étant assurée en aval par le biais du prisme du moteur de projection, mais de permettre un étalement régulier du flux lumineux sur la surface de projection (95% centre/périphérie de la surface de projection). Comme le montre la figure 3, la plaque d"homogénéisation 30 avantageusement fixée sur un support 150 solidaire du moteur de 3065344 8 projection est prise en sandwich entre la sortie de la fibre fusionnée 16E et l'entrée du tunnel intégrateur 148. Pour l'optimisation du rendement lumineux, elle doit présenter un angle de diffusion compris entre 2° et 100 en entrée du tunnel intégrateur et doit pouvoir accepter un angle de 5 divergence de la fibre fusionnée de 6° à 15°. Une telle plaque d'homogénéisation est disponible par exemple chez la société Holo-OR Ltd sous la référence RH-215-I-Y-A. La configuration aussi obtenue est simple avec des rendements de 60 à 75% supérieurs à ceux des dispositifs de l'art antérieur tout en 10 présentant des couts particulièrement réduits. Elle est soumise à peu de contrainte, seul l'alignement dans l'axe du tunnel intégrateur étant requis et encore avec une tolérance assez souple. A noter également que ce montage permet de raccourcir physiquement la longueur de ce tunnel intégrateur. 15 REVENDICATIONS1. Projecteur comportant une source lumière laser (12) et un moteur de projection (14) muni en entrée d'un tunnel intégrateur (148), 5 caractérisé en ce que ce que la source lumière laser est reliée de façon déportée au moteur de projection au travers d'un faisceau de fibres optiques (16) comportant au moins une entrée et une sortie et en ce que ladite au moins une entrée de faisceau de fibres optiques est disposée au niveau d'au moins un plan focal de sortie de la source lumière laser et 10 ladite sortie de faisceau de fibres optiques est mise en contact du tunnel intégrateur via une plaque d'homogénéisation (20). 2. Projecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source lumière laser comporte une pluralité de sources lumières lasers et le faisceau de fibres optiques comporte une même pluralité d'entrée de 15 faisceau de fibres optiques (16A, 16B, 16C, 16D) qui sont fusionnées en une unique sortie de faisceau de fibres optiques (16E). 3. Projecteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les différentes entrées de faisceau de fibres optiques ont chacune une section circulaire et l'unique sortie de faisceau de fibres optiques a une section 20 rectangulaire. 4. Projecteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la section circulaire présente un diamètre supérieur au diamètre du plan focal de sortie de la source lumière laser considérée. 5. Projecteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la 25 section rectangulaire présente une longueur égale ou inférieure à une section d'entrée du tunnel intégrateur. 6. Projecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le faisceau de fibres optiques (16) comporte plusieurs milliers à plusieurs dizaines de milliers de fibres optiques de 30 diamètre standard compris entre 100 et 200 microns. 3065344 10 7. Projecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la plaque d'homogénéisation (20) comporte un angle de diffusion compris entre 2 et 100. 8. Projecteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que la plaque d'homogénéisation est fixée sur un support (150) solidaire du moteur de projection et pris en sandwich entre la sortie du faisceau de fibres optiques (16E) et l'entrée du tunnel intégrateur (148). 9. Projecteur d'éclairage selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que la source lumière laser est de type RGB ou io phosphore. 10. Projecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le moteur de projection comporte l'un des modulateurs de lumière suivants : matrice DMD, matrice LCD, matrices triLCD, matrices Tri-DMD, matrice Lcos et matrice D-ILA.