EP0880724A1 - Dispositif de visualisation et ecran plat de television utilisant ce dispositif - Google Patents

Dispositif de visualisation et ecran plat de television utilisant ce dispositif

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Publication number
EP0880724A1
EP0880724A1 EP97913252A EP97913252A EP0880724A1 EP 0880724 A1 EP0880724 A1 EP 0880724A1 EP 97913252 A EP97913252 A EP 97913252A EP 97913252 A EP97913252 A EP 97913252A EP 0880724 A1 EP0880724 A1 EP 0880724A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
display device
pixels
light
plane
elementary
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP97913252A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Jean-Pierre Thomson-CSF S.C.P.I. HUIGNARD
Brigitte Thomson-CSF S.C.P.I. LOISEAUX
Cécile Thomson-CSF S.C.P.I. JOUBERT
Anne Thomson-CSF S.C.P.I. DELBOULBE
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Thales SA
Original Assignee
Thomson CSF SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Thomson CSF SA filed Critical Thomson CSF SA
Publication of EP0880724A1 publication Critical patent/EP0880724A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/133—Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
    • G02F1/1333—Constructional arrangements; Manufacturing methods
    • G02F1/1335—Structural association of cells with optical devices, e.g. polarisers or reflectors
    • G02F1/133526—Lenses, e.g. microlenses or Fresnel lenses
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N5/00—Details of television systems
    • H04N5/74—Projection arrangements for image reproduction, e.g. using eidophor
    • H04N5/7416—Projection arrangements for image reproduction, e.g. using eidophor involving the use of a spatial light modulator, e.g. a light valve, controlled by a video signal
    • H04N5/7441—Projection arrangements for image reproduction, e.g. using eidophor involving the use of a spatial light modulator, e.g. a light valve, controlled by a video signal the modulator being an array of liquid crystal cells

Definitions

  • the field of the invention is that of display devices and in particular that of large flat TV screens, consisting of an active matrix liquid crystal matrix addressing (LCD).
  • LCD liquid crystal matrix addressing
  • the present invention provides a display device and in particular a flat television screen, comprising a large matrix with a small pixel size in front of the pitch of the image white dots.
  • the subject of the invention is a display device comprising a lighting source emitting an Ip radiation, and a spatial light modulator illuminated by the Ip radiation, said modulator consisting of a matrix of NxM elementary pixels (Xj ) of dimensions dfsjxdf / j, the pixels Xj; and Xj + -
  • j being separated by a step p j sj, the pixels Xj j and Xjj + being separated by a step p ⁇
  • the device comprises means for collimating the radiation Ip in each pixel and in that the step p ⁇ is at least an order of magnitude greater than the dimension df
  • the pitch p ⁇ is greater by at least an order of magnitude than the dimension d
  • the subject of the invention is also a color display device comprising a display device comprising a light source simultaneously emitting several radiations in ranges of chromatic components (R, G, B) and a spatial light modulator comprising an NxM matrix elementary dots (Dj), each dot comprising at least one elementary sub-pixel per range of chromatic component (XRI; Xvij; X ⁇ i) ⁇ e dimensions d ⁇ xd ⁇ , the sub-pixels XRJ j (Xvjj; X ⁇ jj) being separated from the sub-pixels XR (J + 1) J (Xv (i + 1), j ' ⁇ x B (i + 1), j) by a step pN, the pixels XRJJ (Xvij; X ⁇ j) being separated from the pixels XRJJ + ( Xvij + 1; X ⁇ i, j + 1)
  • a P as PM.
  • the pitch p ⁇ is at least an order of magnitude greater
  • the invention proposes using light sources, more compact than conventional light sources using in particular parabolic reflectors and standard collimators.
  • the subject of the invention is also a display device comprising a lighting source which comprises a light source and a light wave guide coupled to said light source, the light wave guide comprising a diffracting element, located along the guide for collimating emerging light rays from the source, in a direction substantially perpendicular to the surface of the waveguide, said surface of the waveguide being substantially parallel to the plane of the spatial light modulator .
  • the display device comprises a spatial light modulator in a plane (yox), a light source and means for collimating said source so as to create a collimated beam in a plane (zox ), a first mirror M-
  • the anamorphic function can be performed by an index network or a relief network, or even by a set of separating blades.
  • the spatial modulator can include filters R, G, B located on the sub-pixels XRJJ, Xvij, X ⁇ ij-
  • the spatial modulator comprises a lighting source comprising spatio-chromatic means.
  • the spatial modulator does not include filters and, advantageously, the lighting source can comprise a component which can be a diffractive mirror, capable of angularly dispersing the R, G, B components of incident radiation in the case of spatial modulator comprising elementary sub-pixels XRJJ, X JJ, X ⁇ ij. or else another set of dielectric mirrors arranged in a fan shape so as to angularly separate the components R, G, B.
  • the subject of the invention is also a method of producing a display device according to the invention, comprising the manufacture of a spatial light modulator constituted by a matrix of N x M elementary pixels on a substrate using several steps masking using masks adapted to define the N x M elementary pixels, the control electrodes and the switching circuits of the spatial modulator, this method being characterized in that: - it comprises the implementation of a network Rj of lenses on the rear face of the substrate intended for producing the spatial modulator;
  • FIG. 2 illustrates a second configuration of active matrix used in a display device according to the invention
  • FIG. 3 illustrates an example of a display device according to the invention comprising an incident beam of collimated light, two lens arrays and a diffuser;
  • - Figure 4 illustrates a first example of a light source which can in particular be used to light an active matrix of the type shown in Figure 1
  • - Figure 5 illustrates a second example of a light source, which can in particular be used to light an active matrix of the type shown in Figure 2;
  • FIG. 6 illustrates a third example of a light source that can illuminate an active matrix of the type shown in Figure 2;
  • - Figure 7 illustrates a first example of mirror M-
  • FIG. 8 illustrates a second example of an anamorphic mirror M'i
  • FIG. 9 illustrates a third configuration of active matrix used in a three-color display device according to the invention.
  • FIG. 10a and 10b illustrate other active matrix configurations used in a three-color display device
  • FIG. 11 illustrates a three-color display device
  • FIG. 12 illustrates a variant of the three-color display device according to the invention, using another possible configuration for the components M-
  • the display device comprises a spatial light modulator of the active matrix liquid crystal type.
  • the invention resides in the fact of using pixels of small dimensions compared to the total surface of all the elementary image points.
  • FIG. 1 illustrates a first possible configuration of an active matrix comprising a matrix addressing obtained by an array of electrodes Ej, E; capable of electrically controlling NxM elementary pixels, Xj; of liquid crystal type electrooptical material via transistors not shown. It may advantageously be thin film transistors produced in Si amorphous or Si polyc ⁇ staliin technology. In this configuration, the entire surface of elementary pixels remains small compared to the size of the matrix. Indeed, the dimension djsg is at least an order of magnitude less than the step p ⁇ , the dimension d ⁇ possibly being of the order of magnitude of the step p ⁇ .
  • Figure 2 illustrates an active matrix similar to that of Figure
  • a light source, collimation means and means for focusing the light in the different pixels Xj are used.
  • FIG. 3 illustrates a display device according to the invention, comprising an R- network
  • may include N cylindrical lenses.
  • the network R- j can comprise NxM spherical lenses, the pitch of the network being of the order of the parameter p j s j (or p ⁇ , PM being close to pj ).
  • the display device can conventionally comprise a second network R2 of lenses, identical to the network R- ⁇ and generating a beam whose intensity has been modulated by each liquid crystal pixel Xj as a function of the signals electrical applied to the electrodes Ej and Ej.
  • This collimated beam towards an observer can be scattered by a diffuser D, so as to adapt the radiation diagram of the display device.
  • the device of the invention comprises means for collimating an incident beam to illuminate the network R ⁇ of lenses, upstream of the liquid crystal matrix.
  • a fairly conventional solution consists in coupling the light source 11 to a light guide 13 using a collimator 12.
  • the rays of the source propagating by total reflection inside the guide.
  • the two faces of the guide not being parallel, the angle ⁇ which they form is calculated so as to gradually reduce the light rays which propagate towards the normal to the guide, so as to extract them from the latter to provide consistent lighting.
  • a set of prisms of index np makes it possible to reflect in the direction perpendicular to the guide of index ng the rays extracted from the latter, which emerge in an oblique direction (the angles at the base of these premiums being very close to 45 e and np>ng> 1) (see figure 4).
  • the light extracted from the guide is collimated in a zox plane. It can therefore be focused in the z direction using a cylindrical lens matrix (cylinder axis // y).
  • the diffracting element located along the guide may advantageously be a holographic element constituted by a layer of material comprising an index network, organized in strata. The strata are oriented at about 45 ° relative to the axis of the light waveguide.
  • FIG. 5 illustrates such a compact collimated source.
  • the light source 21 is coupled to a light guide, by a collimator 22.
  • the diffracting element 24 is placed at the heart of the guide 23 and diffracts from the emerging rays in a direction perpendicular to the plane of the guide, represented by the plane zoy, if the guide is a plan guide in the yox plan.
  • This collimated lighting source is arranged parallel to the active matrix and to the plane array R-j of cylindrical lenses.
  • the diffracting element can advantageously be a holographic element obtained by interference of two coherent beams in the plane of a photosensitive layer.
  • the holographic element can be produced by developing an index network having strata of indices oriented in a z'oy plane making an angle of 45 ° with the zoy plane.
  • the photosensitive layer can typically be dichromate gelatin or photopolymer.
  • the waveguide coupled to the light source can advantageously have a dihedral structure so as to bring emerging rays into the hologram capture cone corresponding to all of the angles of incidence for which the hologram is diffracting in the z'oy plane.
  • This type of lighting source configuration makes it possible to effectively collimate the light flux in the plane zoy on the elementary pixels Xj after focusing by the network R-j, the small dimension df along the axis x represented in FIG. 4.
  • the display device can include another lighting source delivering a light flux collimated in the zoy plane, and also collimated in the zox plane.
  • FIG. 6 illustrates this light source comprising a light source 31, a collimation lens 32, an anamorphic mirror M-j and a second mirror M2.
  • the collimated luminous flux coming from the source 31, is reflected by the mirror M-
  • the mirror M- ⁇ has a particular structure of the relief network or index type with strata oriented at 45 ° from the axis ox.
  • FIG. 7 shows diagrammatically an example of an M-] mirror which can also be of the holographic type with a grating function with high diffraction efficiency, recorded for example in a photopolymer material.
  • a second M2 mirror collimates the light flux spread over the entire surface of the active matrix.
  • This mirror has a structure similar to that of the mirror M-
  • the anamorphic mirror M mentioned above can be replaced by an optical component M'1 consisting of N separating plates at 45 °.
  • the reflection-transmission coefficient RjTj of these plates can be adjusted so that the light intensity is distributed uniformly over the array of microlenses, therefore over the electrooptical pixels after focusing.
  • the position of this element is not critical given the distance between pixels which can typically be of the order of 300 ⁇ m to 1 ⁇ m.
  • Two components of this type M 'and M'2 are used for producing compact collimated lighting from a short arc lamp.
  • the means of producing these components are of molding-pressing techniques (see FIG. 8).
  • the lighting sources described above are particularly advantageous in the case of a color display screen and allow lighting practically perpendicular to the plane of the screen.
  • the active matrix has a dot consisting of sub pixels XjRj, Xjvj and XjRj as illustrated in FIG. 9. It should be noted that the invention is compatible with a distribution of the pixels such as that proposed in FIGS. 10a and 10b.
  • the active matrix is then made up of pixels of square shape (50 ⁇ 50 ⁇ m typically), or of rectangular shape (50 ⁇ m ⁇ 300 ⁇ m) with a spatial period in the horizontal direction of the order of 300 ⁇ m. In the vertical direction, the spatial period of these elementary pixels is 1 mm.
  • a “white” pixel then consists of three equidistant RGB elementary pixels whose pitch is 300 ⁇ m. Color image case with color filters
  • the device of the invention can associate with the various aforementioned lighting systems, a spatial modulator which includes RGB filters located on the sub-pixels XV, B, R.
  • a spatial modulator which includes RGB filters located on the sub-pixels XV, B, R.
  • RGB filters located on the sub-pixels XV, B, R.
  • the realization of an efficient lighting system requires the implementation of a matrix of cylindrical or spherical lenses according to the geometry of the pixels to focus the lighting in the transparent zone of the pixels.
  • the pitch of this lens matrix will either be equal to the period of the white pixels when the sub-pixels are grouped according to an organization of the grouped sub-pixel type, or equal to the period of the sub-pixels when the latter are equally distributed in the white sub-pixel.
  • the microlens array and the means of chromatic dispersions by diffractive grating and / or by three-color separator of the dielectric mirror type are adapted to the generation of the RGB spectral components focused selectively in the pixels of the LCD screen.
  • the microlens array is used to selectively focus the collimated light from the compact lighting system in the electrooptical pixels.
  • a first type of three-color separator can consist of a set of dielectric mirrors arranged in a fan so as to angularly separate the RGB components. This separator is placed at the output of the light source and upstream of a collimation assembly of the Mi and / or M2 components type mentioned above.
  • the component Mi or M2 has a chromatic separation function.
  • a light source 20 comprising the red, green and blue spectral components
  • the collimated and then spread out light flux is diffracted on the mirror M2 which can have a diffracting structure such that it also performs the function of chromatic separation as illustrated in FIG. 11.
  • the beams of red, green, blue light can illuminate the network R-
  • the second array of lenses with focal length f / 2 generates the image of a “white” pixel in a symmetrical plane of the liquid crystal screen by compared to the second microlens array. In this plane, the diffuser D or a Fresnel type screen is placed which directs the light towards the observer.
  • the beams thus generated are focused respectively on the elementary sub pixels XRJ J, X ⁇ ⁇ j and X ⁇ j j.
  • Such a configuration is particularly compact insofar as the network of lenses R ⁇ is in contact with the diffractive component M'2.
  • can be combined in a com posing a single diffractive effect performing both the focusing function and the dispersion function.
  • This type of component has been described by the applicant in a previous patent application (publication no. 2,711,878).
  • an extremely compact structure typically a thickness of the order of 50 mm
  • large dimensions typically greater than 800 x 600 mm 2 .
  • the invention also proposes an original and direct method for producing the active matrix by using masking steps directly through the lens array R-
  • the elementary pixels of the active matrix had a surface, equivalent to the pupil of the lenses of the array Ri, it was therefore not possible with prints close to the thickness of the substrate of the active matrix, d '' imaging large areas from the lenses used. According to the invention this becomes possible due to the areas of elementary pixels clearly smaller than those of the pupils of the lenses.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif de visualisation comprenant une source d'éclairage émettant un rayonnement Is et un modulateur spatial de lumière éclairé par le rayonnement Is, ledit modulateur étant constitué d'une matrice de N x M pixels élémentaires (Xi,j) de dimensions dNxdM, les pixels Xi,j et Xi+1,j étant séparés d'un pas pN. Le dispositif comprend en outre, des moyens de collimation du rayonnement Is dans chaque pixel et le pas pN est supérieur d'au moins un ordre de grandeur à la dimension dM. Application: Ecran plat de télévision.

Description

DISPOSITIF DE VISUALISATION ET ECRAN PLAT DE TELEVISION
UTILISANT CE DISPOSITIF
Le domaine de l'invention est celui des dispositifs de visualisation et notamment celui des écrans plats de télévision de grande dimension, constitué par une matrice active à cristal liquide à adressage matriciel (LCD). Actuellement, la réalisation d'écrans plats de télévision de grandes dimensions (épaisseur inférieure à 5 cm et surface supérieure à 1 m2) constitue un objectif prioritaire pour la présentation d'images couleurs TV à haute définition. Les applications de ces écrans sont extrêmement variées et couvrent à la fois le domaine professionnel et le domaine grand public.
A ce jour, l'obtention d'images de télévision de grandes dimensions est réalisée par projection sur un écran de l'image, d'une matrice cristal liquide de petite taille (de diagonale inférieure à 5 cm). Plusieurs sociétés réalisent et commercialisent aujourd'hui des systèmes de projection frontale ou de rétroprojection. Ces systèmes présentent cependant des performances limitées compte tenu des paramètres suivants :
- l'encombrement de la structure globale : projection plus écran ;
- la faible efficacité optique d'un système de projection ;
- une luminance insuffisante de l'image projetée lorsque celle-ci est de grande dimension.
Dans ces conditions, il serait particulièrement intéressant de s'orienter vers un véritable écran plat à matrice active cristal liquide, de grande taille à vision directe sans dispositif de projection.
Néanmoins, l'extension des technologies actuelles des matrices actives à cristal liquide de grande taille est essentiellement limitée par la dimension des pixels élémentaires desdites matrices actives, nécessaires à la réalisation de l'écran plat.
En effet, lorsque l'on envisage des tailles de pixels de l'ordre du mm2, une telle surface de l'élément électrooptique cristal liquide conduit à une capacité importante du pixel. Cette capacité importante nuit au fonctionnement de l'écran de grande taille à la cadence vidéo. A l'heure actuelle, on arrive à adresser l'ensemble des points d'une ligne (environ 800 points) en 60 μs, ceci est rendu possible grâce à la faible taille des pixels (100 μm x 100 μm). Un tel adressage devient difficile lorsqu'on augmente la taille des pixels élémentaires au-delà de cette dimension.
Pour résoudre ce problème, la présente invention propose un dispositif de visualisation et notamment un écran plat de télévision, comprenant une matrice de grande dimension avec une taille de pixels petite devant le pas des points blancs images.
En utilisant un dispositif d'éclairage compact compatible avec un éclairage collimaté qui exploite le maximum de flux lumineux, il devient possible d'obtenir un écran de visualisation plat et de grandes dimensions, en vision directe (sans optique de projection encombrante) et adressable à la cadence vidéo en raison de faibles dimensions des pixels élémentaires.
Plus précisément, l'invention a pour objet un dispositif de visualisation comprenant une source d'éclairage émettant un rayonnement Ip, et un modulateur spatial de lumière éclairé par le rayonnement Ip, ledit modulateur étant constitué d'une matrice de NxM pixels élémentaires (Xj ) de dimensions dfsjxdf/j, les pixels Xj ; et Xj+-| j étant séparés d'un pas pjsj, les pixels Xj j et Xjj+ étant séparés d'un pas p^ caractérisé en ce que le dispositif comprend des moyens de collimation du rayonnement Ip dans chaque pixel et en ce que le pas p^ est supérieur d'au moins un ordre de grandeur à la dimension df
Selon une variante préférentielle de l'invention le pas p^ est supérieur d'au moins un ordre de grandeur à la dimension d|\/].
L'invention a aussi pour objet un dispositif de visualisation couleur comprenant un dispositif de visualisation comprenant une source de lumière émettant simultanément plusieurs rayonnements dans des gammes de composantes chromatiques (R, V, B) et un modulateur spatial de lumière comprenant une matrice de NxM dots élémentaires (Dj ), chaque dot comportant au moins un sous-pixel élémentaire par gamme de composante chromatique (XRI ; Xvij ; Xβi ) ^e dimensions d^xd^, les sous-pixels XRJ j (Xvjj ; Xβjj) étant séparés des sous-pixels XR(J+1 )J (Xv(i+1 ),j '< xB(i+1 ),j) par un pas pN, les pixels XRJJ (Xvij ; Xβj ) étant séparés des pixels XRJJ+ (Xvij+1 ; Xβi,j+1 ) Par un Pas PM. caractérisé en ce que le pas p^ est supérieur d'au moins un ordre de grandeur à la dimension df De manière préférentielle, la source d'éclairage est focalisée par un réseau de lentilles dans chaque pixel élémentaire, la pupille étant de l'ordre de grandeur du paramètre PNXP -
Pour collimater efficacement, le flux lumineux dans les petits pixels de la grande matrice, l'invention propose d'utiliser des sources d'éclairage, plus compacte que les sources d'éclairage classique utilisant notamment des réflecteurs paraboliques et des collimateurs standard.
C'est pourquoi, l'invention a aussi pour objet un dispositif de visualisation comprenant une source d'éclairage qui comporte une source lumineuse et un guide d'onde de lumière couplé à ladite source lumineuse, le guide d'onde de lumière comportant un élément diffractant, situé le long du guide pour collimater des rayons lumineux émergents issus de la source, dans une direction sensiblement perpendiculaire à la surface du guide d'onde, ladite surface du guide d'onde étant sensiblement parallèle au plan du modulateur spatial de lumière.
Selon une autre variante de l'invention, le dispositif de visualisation comprend un modulateur spatial de lumière dans un plan (yox), une source de lumière et des moyens de collimation de ladite source de manière à créer un faisceau collimaté dans un plan (zox), un premier miroir M-| anamorphoseur dont la surface fait un angle θ-| avec le plan (zoy) pour étaler le faisceau collimaté dans un plan (yox) et un second miroir M2 faisant un angle Θ2 avec le plan (yox) pour renvoyer le faisceau collimaté en direction du modulateur spatial de lumière. La fonction d'anamorphose peut être réalisée par un réseau d'indice ou un réseau de relief, ou bien encore par un ensemble de lames séparatrices.
Pour réaliser une image couleur, le modulateur spatial peut comporter des filtres R, V, B situés sur les sous-pixels XRJJ, Xvij, Xβij-
Selon une autre variante, le modulateur spatial comprend une source d'éclairage comportant des moyens spatio-chromatiques. Par exemple, le modulateur spatial ne comporte pas de filtres et avantageusement, la source d'éclairage peut comprendre un composant qui peut être un miroir diffractif, capable de disperser angulairement les composantes R, V, B d'un rayonnement incident dans le cas de modulateur spatial comprenant des sous-pixels élémentaires XRJJ, X JJ, Xβij. ou bien encore un ensemble de miroirs diélectriques disposés en éventail de manière à séparer angulairement les composantes R, V, B.
L'invention a aussi pour objet un procédé de réalisation d'un dispositif de visualisation selon l'invention, comprenant la fabrication d'un modulateur spatial de lumière constitué d'une matrice de N x M pixels élémentaires sur un substrat en utilisant plusieurs étapes de masquage à l'aide de masques adaptés pour définir les N x M pixels élémentaires, les électrodes de commande et les circuits de commutation du modulateur spatial, ce procédé étant caractérisé en ce que : - il comprend la mise en oeuvre d'un réseau R-j de lentilles en face arrière du substrat destiné à la réalisation du modulateur spatial ;
- les différents masques sont imagés directement au travers du réseau R-^ de lentilles pour réaliser en face avant du substrat les pixels élémentaires, les électrodes et les circuits de commande. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles : - la figure 1 illustre une première configuration de matrice active utilisée dans un dispositif de visualisation selon l'invention ;
- la figure 2 illustre une deuxième configuration de matrice active utilisée dans un dispositif de visualisation selon l'invention ;
- la figure 3 illustre un exemple de dispositif de visualisation selon l'invention comprenant un faisceau incident de lumière collimatée, deux réseaux de lentilles et un diffuseur ;
- la figure 4 illustre un premier exemple de source d'éclairage pouvant notamment être utilisée pour éclairer une matrice active du type de celle représentée en figure 1 ; - la figure 5 illustre un second exemple de source d'éclairage, pouvant notamment être utilisée pour éclairer une matrice active du type de celle représentée en figure 2 ;
- la figure 6 illustre un troisième exemple de source d'éclairage pouvant éclairer une matrice active du type de celle représentée en figure 2 ; - la figure 7 illustre un premier exemple de miroir M-| anamorphoseur utilisé dans la source d'éclairage schématisé en figure 5 ;
- la figure 8 illustre un second exemple de miroir M'i anamorphoseur ;
- la figure 9 illustre une troisième configuration de matrice active utilisée dans un dispositif de visualisation trichrome selon l'invention ;
- les figures 10a et 10b illustrent des autres configurations de matrice active utilisées dans un dispositif de visualisation trichrome ;
- la figure 11 illustre un dispositif de visualisation trichrome ;
- la figure 12 illustre une variante du dispositif trichrome de visualisation selon l'invention, utilisant une autre configuration possible pour les composants M-| et M2".
Le dispositif de visualisation selon l'invention comprend un modulateur spatial de lumière de type matrice active à cristal liquide. L'invention réside dans le fait d'utiliser des pixels de faibles dimensions par rapport à la surface totale de l'ensemble des points images élémentaires. La figure 1 illustre une première configuration possible de matrice active comprenant un adressage matriciel obtenu par un réseau d'électrodes Ej, E; capables de commander électriquement NxM pixels élémentaires, Xj ; de matériau électrooptique type cristal liquide via des transistors non représentés. Il peut avantageusement s'agir de transistors couche mince réalisé en technologie Si amorphe ou Si polycπstaliin. Dans cette configuration l'ensemble de la surface de pixels élémentaires reste faible devant la taille de la matrice. En effet, la dimension djsg est inférieure d'au moins un ordre de grandeur au pas p^, la dimension d^ pouvant être de l'ordre de grandeur du pas p^. La figure 2 illustre une matrice active similaire à celle de la figure
1 , dans laquelle la taille des pixels élémentaires est davantage réduite puisque dans cette configuration les paramètres d|\j et df/| sont du même ordre de grandeur.
Pour illuminer une matrice active utilisée dans l'invention, on cherche à focaliser un rayonnement incident dans chaque pixel élémentaire Xjj. Pour cela on utilise une source de lumière, des moyens de collimation et des moyens de focalisation de la lumière dans les différents pixels Xj .
La figure 3 illustre un dispositif de visualisation selon l'invention, comprenant un réseau R-| de NxM lentilles permettant de focaliser un rayonnement incident collimaté Ip, sur chaque pixel élémentaire Xj j. La matrice active présentant une épaisseur e de substrat S, il est possible de rapporter ou réaliser en face arrière de ladite matrice (côté opposé au pixel) un réseau de lentilles (par moulage notamment) dont le tirage t = f/n avec n indice du milieu (air ou substrat de la matrice active) serait supérieure ou égale à l'épaisseur e de manière à disposer d'un ensemble réseau R-| de lentilles/matrice active, très compact.
Lorsque la matrice active qui doit être adressée est celle de la figure 1 , le réseau R-| peut comprendre N lentilles cylindriques.
Lorsque la matrice active est du type de celle représentée en figure 2, le réseau R-j peut comprendre NxM lentilles sphériques, le pas du réseau étant de l'ordre du paramètre pjsj (ou p^, PM étant voisin de pj ).
En sortie de la matrice active, le dispositif de visualisation peut comprendre de manière classique un second réseau R2 de lentilles, identique au réseau R-^ et générant un faisceau dont l'intensité a été modulée par chaque pixel cristal liquide Xj en fonction des signaux électriques appliqués sur les électrodes Ej et Ej. Ce faisceau collimaté en direction d'un observateur peut être diffusé par un diffuseur D, de manière à adapter le diagramme de rayonnement du dispositif de visualisation.
Le dispositif de l'invention comprend des moyens de collimation d'un faisceau incident pour éclairer le réseau R^ de lentilles, en amont de la matrice cristal liquide.
Le problème de l'adressage à cadence vidéo étant résolu, pour réaliser un écran de visualisation le plus plat possible malgré les grandes dimensions de la matrice active, plusieurs solutions concernant l'éclairage peuvent être retenues.
Il existe plusieurs moyens, certains étant connus, pour extraire progressivement le faisceau incident issu de la source, et générer un éclairage collimaté dans une direction. Collimateur guide à prisme externe
Une solution assez classique consiste à coupler la source de lumière 11 à un guide de lumière 13 à l'aide d'un collimateur 12. Les rayons de la source se propageant par réflexion totale à l'intérieur du guide. Les deux faces du guide n'étant pas parallèles, l'angle α qu'elles forment est calculé de manière à rabattre, progressivement les rayons lumineux qui se propagent, vers la normale au guide, de manière à les extraire de celui-ci pour fournir un éclairage homogène. On est amené à placer sur le guide un élément réfractant de manière à rediriger la lumière extraite du guide dans une direction quasi perpendiculaire à la surface du guide. Un ensemble de prismes d'indice np permet de réfléchir dans la direction perpendiculaire au guide d'indice ng les rayons extraits de celui-ci, qui en émergent dans une direction oblique (les angles à la base de ces primes étant très voisins de 45e et np > ng > 1 ) (voir figure 4).
Dans ces conditions, la lumière extraite du guide est collimatée dans un plan zox. Elle peut donc être focalisée dans la direction z à l'aide d'une matrice de lentille cylindrique (d'axe de cylindre // y).
Collimateur à élément diffractant intégré
L'élément diffractant situé le long du guide, peut avantageusement être un élément holographique constitué par une couche de matériau comprenant un réseau d'indice, organisé en strates. Les strates sont orientées à environ 45° par rapport à l'axe du guide d'onde de lumière. La figure 5 illustre une telle source collimatée compacte. La source de lumière 21 est couplée à un guide de lumière, par un collimateur 22. L'élément diffractant 24 est placé au coeur du guide 23 et diffracte des rayons émergents dans une direction perpendiculaire au plan du guide, représentée par le plan zoy, si le guide est un guide plan dans le plan yox. Cette source d'éclairage collimatée est disposée parallèlement à la matrice active et au réseau plan R-j de lentilles cylindriques.
A l'entrée du guide, la lumière occupe toutes les incidences susceptibles de se propager dans un milieu d'indice (angle limite). L'élément diffractant peut avantageusement être un élément holographique obtenu par interférence de deux faisceaux cohérents dans le plan d'une couche photosensible. Pour diffracter des rayons émergents dans un plan zoy, l'élément holographique peut être réalisé en élaborant un réseau d'indice présentant de strates d'indices orientées dans un plan z'oy faisant un angle de 45° avec le plan zoy. La couche photosensible peut typiquement être de la gélatine bichromate ou du photopolymère.
Le guide d'onde couplé à la source de lumière, peut avantageusement présenter une structure de dièdre de manière à ramener des rayons émergents dans le cône de capture de l'hologramme correspondant à l'ensemble des angles d'incidence pour lesquels l'hologramme est diffractant dans le plan z'oy.
Ce type de configuration de source d'éclairage permet de collimater efficacement le flux lumineux dans le plan zoy sur les pixels élémentaires Xj après focalisation par le réseau R-j , la petite dimension df selon l'axe x représenté en figure 4.
Pour éclairer une matrice active du type de celle représentée en figure 2, le dispositif de visualisation peut comprendre une autre source d'éclairage délivrant un flux lumineux collimaté dans le plan zoy, et également collimaté dans le plan zox. La figure 6 illustre cette source d'éclairage comprenant une source de lumière 31 , une lentille de collimation 32, un miroir anamorphoseur M-j et un second miroir M2. Le flux lumineux collimaté issu de la source 31 , est réfléchi par le miroir M-| pour être renvoyé dans le plan yox parallèle au plan de la matrice active. Pour assurer cette fonction, le plan du miroir M-| fait un angle θ avec le plan zoy de manière à intercepter l'ensemble des rayons lumineux collimatés. Pour assurer le renvoi de l'ensemble de ces rayons dans le plan souhaité, le miroir M-^ présente une structure particulière de type réseau de relief ou d'indices avec des strates orientées à 45° de l'axe ox.
La figure 7 schématise un exemple de miroir M-] qui peut également être de type holographique avec une fonction réseau à efficacité de diffraction élevée, enregistrée par exemple dans un matériau photopolymère. Après relecture par une onde plane, en l'occurrence le faisceau incident issu de la source, le réseau ainsi réalisé permet d'étaler le faisceau collimaté sur la hauteur H de la matrice active avec H = φ ctog θ φ étant le diamètre de la lentille de collimation 21. Un second miroir M2 assure la collimation du flux lumineux étalé sur l'ensemble de la surface de la matrice active. Ce miroir présente une structure similaire à celle du miroir M-| et est placé dans un plan faisant un angle φ-| avec le plan yox comme indiqué en figure 6.
Autre configuration pour réaliser un éclairage collimaté compact
Le miroir M anamorphoseur évoqué ci-dessus peut être remplacé par un composant optique M'1 constitué de N lames séparatrices à 45°. Le coefficient de réflexion-transmission RjTj de ces lames peut être ajusté pour que l'intensité lumineuse soit répartie de façon uniforme sur le réseau de microlentilles donc sur les pixels électrooptiques après focalisation. On note par ailleurs que la position de cet élément n'est pas critique compte tenu de la distance entre pixels pouvant typiquement être de l'ordre de 300 μm à 1 μm. Deux composants de ce type M' et M'2 servent à la réalisation d'un éclairage compact collimaté à partir d'une lampe à arc court. Les moyens de réalisation de ces composants sont de type techniques de moulage-pressage (voir figure 8). Les sources d'éclairage précédemment décrites sont particulièrement intéressantes dans le cas d'écran de visualisation couleur et permettent un éclairage pratiquement perpendiculaire au plan de l'écran. Dans ces applications la matrice active présente un dot constitué de sous pixels XjRj, Xjvj et XjRj comme illustrée en figure 9. Il est à noter que l'invention est compatible avec une répartition des pixels telle que celle proposée sur les figures 10a et 10b. La matrice active est alors constituée de pixels de forme carrée (50 x 50 μm typiquement), ou de forme rectangulaire (50 μm x 300 μm) avec une période spatiale dans la direction horizontale de l'ordre de 300 μm. Selon la direction verticale, la période spatiale de ces pixels élémentaires vaut 1 mm. Un pixel « blanc » est alors constitué de trois pixels élémentaires R.G.B. équidistants dont le pas est 300 μm. Cas d'image couleur avec filtres colorés
Pour réaliser une image couleur, le dispositif de l'invention peut associer aux différents systèmes d'éclairage précités, un modulateur spatial qui comporte des filtres RVB situés sur les sous-pixels XV, B, R. Dans ces conditions, la réalisation d'un système d'éclairage efficace nécessite la mise en oeuvre d'une matrice de lentilles cylindriques ou sphériques suivant la géométrie des pixels pour focaliser l'éclairage dans la zone transparente des pixels. Le pas de cette matrice de lentille sera soit égal à la période des pixels blancs lorsque les sous-pixels sont regroupés suivant une organisation du type sous-pixels regroupés, soit égal à la période des sous- pixels lorsque ceux-ci sont équirépartis dans le sous-pixel blanc.
Cas d'éclairage du type spatio-chromatique
Le réseau de microlentilles et les moyens de dispersions chromatiques par réseau diffractifs et/ou par séparateur trichrome du type miroir diélectrique sont adaptés à la génération des composantes spectrales RVB focalisées sélectivement dans les pixels de l'écran LCD. On utilise le réseau de microlentilles pour focaliser sélectivement dans les pixels électrooptiques la lumière collimatée issue du système compact d'éclairage.
Un premier type de séparateur trichrome peut être constitué d'un ensemble de miroirs diélectriques disposés en éventail de manière à séparer angulairement les composantes RVB. Ce séparateur est placé en sortie de la source lumineuse et en amont d'un ensemble de collimation de type composants Mi et/ou M2 précités.
Selon une autre variante, le composant Mi ou M2 possède une fonction de séparation chromatique. Par exemple, on peut utiliser une source lumineuse 20 comportant les composantes spectrales rouge, vert, bleu, le flux lumineux collimaté puis étalé, est diffracté sur le miroir M2 qui peut présenter une structure diffractante telle qu'elle assure également la fonction de séparation chromatique comme illustrée en figure 11. Pour cela, le miroir M2 peut être avantageusement de type holographique dispersif, la dispersion angulaire étant obtenue par inclinaison des strates dans le volume du matériau photosensible ou par superposition de trois couches indépendantes diffractant selon des angles ΘR, θ\/ = 0 et θβ par rapport à la normale au plan de l'écran. Ainsi les faisceaux de lumière rouge, vert, bleu peuvent éclairer le réseau R-| de lentilles, qui focalisent les faisceaux respectivement dans les sous pixels élémentaires XRJ J, X j J et Xβj j ; lesdits faisceaux étant ensuite collimatés par le second réseau de lentilles R2 en direction du diffuseur D. Le second réseau de lentilles de focale f/2 génère l'image d'un pixel « blanc » dans un plan symétrique de l'écran cristal liquide par rapport au second réseau de microlentilles. Dans ce plan, on place le diffuseur D ou un écran de type Fresnel qui dirige la lumière vers l'observateur.
Une variante du dispositif de visualisation trichrome permettant d'obtenir une dispersion chromatique élevée et plus particulièrement intéressant pour l'éclairage d'image de plus petite taille, consiste à placer la matrice active selon la diagonale AB représentée en figure 12 et un réseau holographique par transmission à haute efficacité, M"2 diffracte dans la direction moyenne θ = 0 par rapport à la normale au plan de la matrice active. Comme dans le dispositif de visualisation trichrome précédemment décrit, ce réseau assure la dispersion du faisceau collimaté de lumière blanche dans des directions angulaires ΘR, Q = 0 et θβ. Les faisceaux ainsi générés sont focalisés respectivement sur les sous pixels élémentaires XRJ J, X\ \ j et Xβj j. Une telle configuration est particulièrement compacte dans la mesure où le réseau de lentilles R^ est en contact avec le composant diffractif M'2. Dans ce cas, les composants M'2 et R-| peuvent être réunis en un composant diffractif unique effectuant à la fois la fonction focalisation et la fonction dispersion. Ce type de composant a été décrit par la demanderesse dans une précédente demande de brevet (n° de publication 2 711 878).
Le dispositif de visualisation trichrome de l'invention permet ainsi de concevoir un écran cristal liquide de grande dimension à matrice active ayant les caractéristiques suivantes :
- une faible dimension des pixels élémentaires, assurant le fonctionnement à cadence vidéo, et compatible avec les technologies classiques de réalisation des transistors et électrodes de commande ; - un pas de la matrice (typiquement p^ ~ P = 1 mm) grand devant les dimensions des pixels élémentaires (typiquement dN ~ dM = 60 um)
- des conditions d'éclairage efficace de la matrice cristal liquide, réalisé par des moyens d'anamorphose du faisceau incident et des moyens de focalisation spatio-chromatique dans chaque sous pixel élémentaire ;
- une structure extrêmement compacte (typiquement une épaisseur de l'ordre de 50 mm) et de grandes dimensions (typiquement supérieure à 800 x 600 mm2).
L'invention propose aussi un procédé original et direct pour réaliser la matrice active en utilisant des étapes de masquage directement au travers du réseau de lentilles R-| . Dans l'art antérieur, les pixels élémentaires de la matrice active présentaient une surface, équivalente à la pupille des lentilles du réseau R-i , il n'était donc pas envisageable avec des tirages voisins de l'épaisseur du substrat de la matrice active, d'imager des grandes surfaces à partir des lentilles utilisées. Selon l'invention cela devient possible en raison des surfaces de pixels élémentaires nettement plus petites que celles des pupilles des lentilles.
Exemple de réalisation d'un dispositif de visualisation monochrome
- Une matrice active à cristal liquide avec des pixels élémentaires de dimensions : dfsj x d|\/| = 60 μm x 60 μm séparés par des pas p^ = p^/j = 1 mm la surface totale de la matrice active étant de 80 x 60 cm2
- une source de lumière type lampe à arc court par exemple une lampe à halogénures métalliques d'étendue d'arc environ 1 mm et de tirage t = 6 mm ;
- deux réseaux de lentilles R-| et R2 de pupille carrée avec un pas de lentilles de 1 mm ;
- une lentille de collimation de la lampe à arc court de focale f = 100 mm et de diamètre φ = 50 mm ; - deux réseaux holographiques M-| et M2 fonctionnant en réflexion ou en transmission, réalisés sur un photopolymère d'épaisseur voisine de 10 μm.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de visualisation comprenant une source d'éclairage émettant un rayonnement Is, et un modulateur spatial de lumière éclairé par le rayonnement Is, ledit modulateur étant constitué d'une matrice de NxM pixels élémentaires (Xjj) de dimensions d^xd^, les pixels Xjj et Xj+-| j étant séparés d'un pas p^, les pixels Xjj et Xjj+1 étant séparés d'un pas pj^ caractérisé en ce que le dispositif comprend des moyens de collimation du rayonnement Is dans chaque pixel et en ce que le pas p^ est supérieur d'au moins un ordre de grandeur à la dimension dfsj.
2. Dispositif de visualisation selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le pas p \ est supérieur d'au moins un ordre de grandeur à la dimension df^.
3. Dispositif de visualisation comprenant une source de lumière émettant simultanément plusieurs rayonnements dans des gammes de composantes chromatiques (R, V, B) et un modulateur spatial de lumière comprenant une matrice de NxM dots élémentaires (Dj j), chaque dot comportant au moins un sous-pixel élémentaire par gamme de composante chromatique (XRJJ ; Xvij ' < xBi,j) de dimensions dfvjxdf^, les sous-pixels XRJ J (xVi,j ! xBi,j) étant séparés des sous-pixels XR(J+1 )J (Xv(j+l )j ; XB(i+1 ),j) par un pas pN, les pixels XRJJ (X\ i,j ; xBi,j) étant séparés des pixels XRJJ+-| est supérieur d'au moins un ordre de grandeur à la dimension d|sj.
4. Dispositif de visualisation selon la revendication 3, caractérisé en ce que le pas p$ \ est supérieur d'au moins un ordre de grandeur à la dimension
5. Dispositif de visualisation selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte un réseau (R-| ) de lentilles, entre le dispositif d'illumination et le modulateur spatial de lumière de manière à focaliser le rayonnement Is (R, V, B) dans le pixel Xjj (XRJJ ; X\/i,j ; xbi,j)-
6. Dispositif de visualisation selon la revendication 5, caractérisé en ce que le réseau (R^ ) comprend N x M lentilles sphériques dont la pupille est de l'ordre de grandeur du paramètre p^ x pj^.
7. Dispositif de visualisation selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les dimensions de pixels ^xd^ sont de l'ordre de 100 x 100 μm2, les pas p^ et p^ étant de l'ordre de 1 mm2.
8. Dispositif de visualisation selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la source d'éclairage comporte une source lumineuse et un guide d'onde de lumière couplé à ladite source lumineuse, le guide d'onde de lumière comportant un élément diffractant situé le long du guide, pour diffracter des rayons lumineux émergents issus de la source, dans une direction sensiblement perpendiculaire à la surface du guide d'onde, ladite surface du guide d'onde étant sensiblement parallèle au plan du modulateur spatial de lumière.
9. Dispositif de visualisation selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la source d'éclairage comporte une source lumineuse, un guide d'onde de lumière couplé à ladite source lumineuse et un réseau de prismes, les angles à la base des prismes étant voisins de 45° avec l'axe du guide.
10. Dispositif de visualisation selon l'une des revendications 3 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des filtres R, V, B.
11. Dispositif de visualisation selon l'une des revendications 3 à 9, caractérisé en ce que la source d'éclairage comprend des moyens spatiochromatiques.
12. Dispositif de visualisation selon la revendication 11 , caractérisé en ce que la source d'éclairage comporte une source de lumière émettant un faisceau de lumière, des moyens de collimation dudit faisceau, un miroir (M-j ) anamorphoseur dont la surface fait un angle θ-| avec un plan orthogonal au plan de la matrice active, le miroir (M-\ ) ayant pour fonction d'étaler dans un plan parallèle au plan de la matrice active le faisceau de lumière collimatée, et un composant anamorphoseur (M2) réfléchissant ou transparent, capable de collimater le flux lumineux dans un plan sensiblement perpendiculaire au plan de la matrice active.
13. Dispositif de visualisation trichrome selon la revendication 12, caractérisé en ce que le composant (M2) diffracte le rouge selon une direction ΘR, le vert selon une direction θ\/ sensiblement égale à 0, le bleu selon une direction θβ, lesdites directions étant définies par rapport à la normale au plan de la matrice active.
14. Procédé de réalisation d'un dispositif de visualisation selon l'une des revendications 1 à 10, comprenant la fabrication d'un modulateur spatial de lumière constitué d'une matrice de N x M pixels élémentaires sur 16
un substrat en utilisant plusieurs étapes de masquage à l'aide de masques adaptés pour définir les N x M pixels élémentaires, les électrodes de commande et les circuits de commutation du modulateur spatial caractérisé en ce que : - il comprend la mise en oeuvre d'un réseau R-| de lentilles en face arrière du substrat destiné à la réalisation du modulateur spatial ; - les différents masques sont imagés directement au travers du réseau R-i de lentilles pour réaliser en face avant du pixel, les pixels élémentaires, les électrodes et les circuits de commande.
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