EP1625426A2 - Fresnel lens, projection screen, corresponding projection device and system - Google Patents

Fresnel lens, projection screen, corresponding projection device and system

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Publication number
EP1625426A2
EP1625426A2 EP04767828A EP04767828A EP1625426A2 EP 1625426 A2 EP1625426 A2 EP 1625426A2 EP 04767828 A EP04767828 A EP 04767828A EP 04767828 A EP04767828 A EP 04767828A EP 1625426 A2 EP1625426 A2 EP 1625426A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
angle
face
fresnel lens
lens
equal
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Withdrawn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
EP04767828A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Arno Schubert
Pascal Benoit
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THOMSON LICENSING
Original Assignee
Thomson Licensing SAS
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 Licensing SAS filed Critical Thomson Licensing SAS
Publication of EP1625426A2 publication Critical patent/EP1625426A2/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29D—PRODUCING PARTICULAR ARTICLES FROM PLASTICS OR FROM SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE
    • B29D11/00—Producing optical elements, e.g. lenses or prisms
    • B29D11/00009—Production of simple or compound lenses
    • B29D11/00269—Fresnel lenses
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/18—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for optical projection, e.g. combination of mirror and condenser and objective
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/02—Simple or compound lenses with non-spherical faces
    • G02B3/08—Simple or compound lenses with non-spherical faces with discontinuous faces, e.g. Fresnel lens
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/10—Bifocal lenses; Multifocal lenses
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/18—Diffraction gratings
    • G02B5/1866—Transmission gratings characterised by their structure, e.g. step profile, contours of substrate or grooves, pitch variations, materials
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03B—APPARATUS OR ARRANGEMENTS FOR TAKING PHOTOGRAPHS OR FOR PROJECTING OR VIEWING THEM; APPARATUS OR ARRANGEMENTS EMPLOYING ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ACCESSORIES THEREFOR
    • G03B21/00—Projectors or projection-type viewers; Accessories therefor
    • G03B21/54—Accessories
    • G03B21/56—Projection screens
    • G03B21/60—Projection screens characterised by the nature of the surface
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03B—APPARATUS OR ARRANGEMENTS FOR TAKING PHOTOGRAPHS OR FOR PROJECTING OR VIEWING THEM; APPARATUS OR ARRANGEMENTS EMPLOYING ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ACCESSORIES THEREFOR
    • G03B21/00—Projectors or projection-type viewers; Accessories therefor
    • G03B21/54—Accessories
    • G03B21/56—Projection screens
    • G03B21/60—Projection screens characterised by the nature of the surface
    • G03B21/62—Translucent screens

Definitions

  • the invention applies to the field of Fresnel lenses intended for use in a rear projection system. It also applies to projection screens, an overhead projector and corresponding systems.
  • a rear projection screen comprises two main components: a Fresnel lens that focuses or collimates the light and a lens array which distributes light towards the audience.
  • the projector is arranged along the axis of the screen.
  • the limit value for the numerical aperture of a Fresnel lens is approximately 0.6.
  • the main reasons for this limitation are the losses and the shape of the reliefs of the Fresnel lens at high angles of incidence.
  • a system of deflection mirrors (Figure 1) to fold the beam between the projection device and the screen of backprojection.
  • the thickness or depth of such a device can be reduced to a third of the diagonal of the screen. For example, in 16/9 format, we can obtain a thickness of 17 inches for a screen of 50 inches diagonal.
  • a projection is provided, for example off-axis (off-axis) on the rear face of the screen of backprojection. In this way, it is possible to reduce the thickness of the device to only one fifth of the diagonal of the screen.
  • FIGS. 2a and 2b respectively represent overhead projection devices on the axis (on-axis) and off-axis (off-axis).
  • One of the main problems to be solved in an off-axis configuration, or in a configuration where the image to be projected on the screen is off-center relative to the axis of the objective of the projection device, is to obtain that all the light projected on the screen is retransmitted to the spectators and that the emission is as uniform as possible. In particular, it this is to reduce the losses of the Fresnel lens which tend to increase when the angle of incidence of the illuminating light on the Fresnel lens increases.
  • Patent application JP 59-000101 describes a Fresnel lens in which the faces of the prisms constituting the Fresnel lens form sufficiently large angles to allow easy release of the lens during manufacture by molding. More specifically, this document provides that one of the faces of each structure of the lens is parallel to the incident light rays. However, the operation of such a lens is limited when it is illuminated at high angles of incidence and these angles vary over a wide range of angles.
  • the invention therefore relates to a Fresnel lens whose structure is simple and easy to implement industrially, and which makes it possible to operate under significant incidences.
  • the invention therefore relates to a Fresnel lens comprising:
  • each refractive structure is delimited by:
  • the second face has several zones of refractive structures, at least two for example, distributed between the center of the concentric refractive structures and the periphery of the Fresnel lens:
  • the lens comprises a third zone located between the second zone and the periphery of the lens.
  • the first angle ( ⁇ ) of each first surface is such that the refractive structures refract the light in a direction making an angle ( ⁇ out) not zero and equal to the maximum value ( ⁇ max) relative to the determined direction,
  • each first surface forms with each second neighboring surface an etching angle ( ⁇ ), this angle having a value determined in the second and in the third zone, and having a value greater than this value determined in the first zone.
  • the invention makes it possible to produce Fresnel lenses which offer the best compromise between the highest level of optical performance and the lowest level of manufacturing costs thanks to a high etching angle of its refractive structures.
  • the second zone and, where appropriate, the third zone each comprise at least one refracting structure.
  • the first face of the Fresnel lens is preferably planar.
  • This first face is also preferably covered with an anti-reflective layer optimized for a strong angle of incidence, in particular greater than or equal to 42 °.
  • the refractive structures are preferably circular or nearly circular.
  • the illumination radiation of the lens is divergent and comes from a point (in the absence of optical aberrations) or a quasi-point area (in the presence of optical aberrations) located on the axis of the lens or substantially on this axis.
  • said determined value of the etching angle ( ⁇ ) is less than 70 °.
  • the etching angle ( ⁇ ) is substantially between 30 and 50 °. According to an alternative embodiment, it is equal to 60 ° or between 55 ° and 65 °.
  • the Fresnel lens is characterized in that the number of aperture (also called "F-number" in English) is at most double the ratio of the focal distance associated with a point of the lens over the distance from this point to the axis of the lens is less than or equal to 0.55.
  • the invention is applicable to a rear projection screen of images comprising an input face and an output face to be directed towards viewers.
  • a Fresnel lens as defined above is arranged along the entry face of the screen with the face of the lens carrying the diffraction structures facing the exit face.
  • the invention also relates to a system for projecting images comprising:
  • an imaging beam return mirror adapted to return said imaging beam to said Fresnel lens
  • the Fresnel lens comprises:
  • Each refractive structure is delimited by a first surface
  • a first beam called the direct beam, coming from the imaging beam and which has not been reflected by the first face, the direct beam forming a first incident beam by transmission of the direct beam inside the Fresnel lens;
  • a second beam called the parasitic beam, coming from the imaging beam and which has been reflected by the first face then by the deflecting mirror, the parasitic beam forming a second incident beam by transmission of the parasitic beam inside the Fresnel lens;
  • the second incident beam makes an angle of entry ( ⁇ int ') different from zero degrees with the normal to said plane (P),
  • the second angle ( ⁇ ) of the second face of each structure of the first set is greater than the entry angle ( ⁇ int ') of the second incident ray minus 10 degrees.
  • the second angle ( ⁇ ) of the second face of each structure of the first set is less than an upper bound equal to the entry angle ( ⁇ int ') of the second incident ray plus 2 degrees.
  • the invention allows the joint use of a folding mirror and a Fresnel lens without harming the quality of the projected image.
  • the first incident beams and most of the second incident beams do not directly strike the second surface of the diopter but the first surface.
  • the first incident beam is refracted in a preferred direction towards a potential spectator.
  • the second incident beam corresponding to a stray beam striking the first surface with a different angle of incidence of the incident first beam is refracted in another direction and the viewer does not see generally.
  • the quality of the image is thus improved by eliminating or greatly reducing the ghost images originating in particular from parasitic ray obtained by reflection of a useful imaging beam on the first face of the lens then on the folding mirror, while allowing easy manufacturing of the Fresnel lens.
  • Tooling in English is increased) of the lens while eliminating stray rays.
  • the second angle ( ⁇ ) of the second face of each structure of the first set is greater than five degrees.
  • the second angle ( ⁇ ) of the second face of each structure of the first set is greater than ten degrees.
  • the second angle ( ⁇ ) of the second face of each structure of the first set is equal to the entry angle ( ⁇ int ') of the second incident ray.
  • the Fresnel lens comprises at least two parts, including:
  • the second part is divided into two parts not affected by the parasitic rays obtained by reflection of a ray incident on the first face of the lens and on the folding mirror:
  • the second part is connected and only comprises a peripheral zone.
  • the lens includes then, for example, an area close to the axis of the lens, second angle ( ⁇ ) of the second face of each structure of a second set of structures is less than or equal to a predetermined value or the entry angle ( ⁇ int) of a second incident ray as it would have generated if an imaging beam from the source would have been reflected by a downward extension of the Fresnel lens and an extension, also towards the bottom, of the folding mirror.
  • the second face comprises at least two zones of refractive structures distributed between the center of the concentric refractive structures and the periphery of the Fresnel lens: - a first zone close to the center in which the first angle ( ⁇ ) of each first surface is such that the refractive structures refract the first incident beam in a direction making an angle ( ⁇ out) zero with respect to a direction
  • the system further comprises a lenticular screen itself comprising transparent filtering means for the first refracted incident rays by the Fresnel lens and filter the second incident rays refracted by the Fresnel lens, the filtering means being juxtaposed to the Fresnel lens.
  • the system comprises an image projection screen comprising an entry face and an exit face to be directed towards spectators, the screen comprising the Fresnel lens, this Fresnel lens being arranged along the entry face of the screen with the face of the lens carrying the refractive structures oriented towards the exit face of the screen.
  • the number of aperture (referred to as "F-number" in English) is at most double the ratio of the focal distance associated with a point of the lens on the distance of this point to the axis of said Fresnel lens is less than or equal to 0.55.
  • the invention is particularly well suited to spotlights of shallow depth.
  • the invention is also applicable to a rear projection apparatus comprising such a rear projection screen or such a projection system as well as a projection apparatus emitting a light beam in the direction of the input face.
  • the projection apparatus is preferably arranged along the axis of the Fresnel lens and makes it possible to project an image on only part of the Fresnel lens located on one side of its axis.
  • the pupil of the objective of the projection device is located substantially on the axis of the Fresnel lens and the optical axis of this objective is oriented towards a used part of the Fresnel lens located one side of the axis of the Fresnel lens.
  • FIG. 3a represents a Fresnel lens LF comprising refractive structures of concentric prismatic shapes. As can be seen in this figure, only part of the circular plane of the lens is used, typically less than half.
  • this LF lens comprises a first flat face arranged in a plane and opposite to this face, a second face parallel to the first face and comprising circular and concentric refractive structures. The first face is illuminated by a source PR located on the optical axis XX 'of the lens but of which only part of the lateral field of this source illuminates the lens.
  • this source PR is situated on the axis XX 'of the lens LF and illuminates only part of this lens located above the axis XX'. It illuminates the lens at an oblique angle to the lens.
  • the lower light ray 30 of the illumination beam has a relatively small angle of incidence ⁇ ext on the Fresnel lens while the upper ray 31 of the beam has a higher angle of incidence ⁇ ext.
  • each element of the refractive structure is delimited by a surface b (or face b) constituting the refractive diopter of this structure and a surface c (or face c) which is not used optically in the reference to figures 4a and 4b.
  • the Fresnel lens is delimited by a plane face a serving as an input face parallel to a reference plane P or plane of incidence, and by a face located to the right of the lens and carrying structures refractive each delimited by faces b and c.
  • the faces such as c form an angle ⁇ of approximately 3 ° with the normal to the plane of incidence P.
  • Such a structure has narrow, large prismatic refractive elements height h, ⁇ low angle and therefore difficult to make in large quantities.
  • the angle ⁇ values such that for each refractive structure, the side c is parallel to the light rays that the refractive structure receives.
  • the height of the refractive structures is reduced to a height h ′ and the angle ⁇ is significantly greater; the prismatic elements are then easier to produce.
  • the angle ⁇ between the faces b and c of the prismatic refraction structures has a value greater than or equal to a limit value ⁇ lim of manufacture (FIG. 5a), below which it would become particularly difficult to economically manufacture the prismatic elements.
  • This manufacturing limit value ⁇ lim depends in particular on the manufacturing processes used and the size of the lens.
  • FIG. 5d represents a Fresnel lens incorporating the three structures of FIGS. 5a to 5c.
  • a structure of the type shown in Figure 5a located near the optical center of the Fresnel lens where the incident angle of the light from the source PR is smallest. Then in an intermediate zone Z2, a structure such as that of FIG. 5b is provided. And finally in a distal area of the optical center of the lens, wherein the angle of incidence of the light PR is highest, there is provided a structure of the type shown in FIG 5c.
  • angles ⁇ , ⁇ , and ⁇ according to the incidence angle of light ⁇ int on the second face of the Fresnel lens are the following:
  • the output beam is parallel to the axis XX '.
  • the angle ⁇ is less than a threshold value ⁇ lim.
  • the output beam is slightly divergent with respect to the direction of the axis XX 'with an angle of divergence ⁇ out which is less than a maximum value ⁇ max which is fixed in advance. And the angle ⁇ is equal to the limit value ⁇ lim.
  • On the abscissa axis 600), we have plotted the values of the angles incidence ⁇ ext. Ordinate (axes respectively 601, 611 and 621) was carried respectively the values of the angles ⁇ , ⁇ , ⁇ .
  • zone Z2 The zone where ⁇ ext is between 28 ° and 35 ° corresponds to zone Z2.
  • zone Z3 The zone where ⁇ ext is between 35 ° and 63 ° corresponds to zone Z3.
  • FIG. 7 provides curves illustrating the efficiency of transmission of the p and s polarizations by the Fresnel lens according to the invention.
  • the two upper curves 73 and 75 represent the transmission of the polarization p.
  • the lower two curves 72 and 74 represent the transmission of s-polarized.
  • the curve in solid line 72 relates to a standard lens and the curve 74 surrounded by circles relates to the lens according to the invention. We see that up to 30 ° the efficiencies are the same. Between 30 ° and 45 °, the efficiency of the lens according to the invention is better. Beyond 45 ° the efficiencies are the same.
  • the Fresnel lens according to the invention operates under high incidence illumination and its manufacture does not pose any delicate problem because of the angle ⁇ which is relatively large (of the order of 60 °).
  • the Fresnel lens is more particularly applicable to a rear projection screen.
  • Figure 8 shows an overhead projector.
  • the Fresnel lens LF according to the invention arranged parallel to a plane P, is attached to the rear projection screen EC with its face carrying the refractive structures arranged towards the screen.
  • the flat face of the LF lens is illuminated by a PR projection device. This is located along the optical axis XX 'of the lens and below it, of which only the useful part has been shown, that is to say the part illuminated by the projection apparatus PR which therefore illuminates the lens under relatively large incidence.
  • the optical axis of the objective is collinear with the axis XX 'of the lens.
  • the pupil of the objective is located on the axis XX 'of the Fresnel lens.
  • the axis of the objective is not collinear with the axis XX 'of the lens.
  • the objective can be oriented so that its axis passes through the center of the part used of the Fresnel lens, that is to say through the center of the screen.
  • the lens is of course located at the level of the image provided by the objective and along the plane of this image. This configuration is, for example, illustrated by Figure 8.
  • FIG. 9 illustrates a rear projection apparatus 5 according to a variant of the invention particularly well suited to the suppression of parasitic images which may be visible when parasitic rays are generated by reflection on the plane face of the Fresnel lens 54 and then on a folding mirror 53.
  • This variant of the invention is also well suited to the production of particularly compact rear projection devices and offering good quality images as well as to corresponding Fresnel lenses which are easy to produce.
  • backprojection unit 5 comprises imaging means 50 comprising a lens 51 which emits an imaging beam from a source CS of imaging (pupil center) to a first folding mirror 52 then a second folding mirror 53 (so as to make compact the apparatus 5) and the Fresnel lens 54.
  • the display device 5 includes the Fresnel lens 54, a black matrix 58 (forming filtering means of stray rays) and a diffuser 59.
  • the imaging beam has a rectangular section adapted to the projection screen and is limited in its lower part by a radius 57 and in its upper part by a radius 56 around the axis of the beam 52 offset from the lens optical axis 51.
  • the angles of incidence of the imaging beam are particularly high.
  • FIG. 10 specifies the propagation path of certain rays of the imaging beam.
  • a direct incident ray 62 belonging to the imaging beam shown in solid lines
  • a parasitic incident ray 60 belonging to a parasitic beam represented in dotted lines.
  • the direct incident ray 60 comes from the source PR through the objective 51 after two successive reflections on the folding mirrors 52 and 53 respectively.
  • the parasitic incident ray 60 is obtained by reflection of a direct incident ray 61 on the flat face from the Fresnel lens 54 at point N 'then on the folding mirror 53 at point N ".
  • FIG. 11 represents a detail of an area of the Fresnel lens 54. According to this figure, the notations for the faces a, b and c, as well as for the angles ⁇ , ⁇ , ⁇ , ⁇ lim are the same as those presented with reference to Figure 4b.
  • the face c of a diopter of this zone is parallel to the input beam of a parasitic incident ray 1120 obtained by refraction d a parasitic incident ray 112 on the flat face 110 of the Fresnel lens 54.
  • the angle ⁇ is equal to the entrance angle of ⁇ 'int parasitic incident ray 1120.
  • an incident ray of imagery 113 is divided into two rays by incidence on the flat face 110: an incident ray of imagery 1130 obtained by refraction of the ray 113 on the flat face 110 and a stray ray 1132 obtained by reflection on the flat face 110.
  • the incident ray 113 and the parasitic ray 1132 make the same angle ⁇ extl with the normal to the flat face 110.
  • the incident ray 112 makes an angle ⁇ 'extl smaller than ⁇ extl.
  • the incident imaging ray 1130 makes an entry angle ⁇ int greater than ⁇ 'int ( ⁇ int and ⁇ 'int directly dependent on the angles ⁇ extl and ⁇ 'extl depending on the index of the material used for the Fresnel lens). It therefore strikes face b of the diopter considered and is refracted by face b by forming an exit radius 1131 parallel to the axis XX '(the exit angle ⁇ out is zero).
  • the side c being parallel to the parasitic incident ray 1120, the latter also strikes the side b of the diopter considered and is refracted by the side b by forming an exit radius 1121 not parallel to the axis XX ' ( ⁇ 'out the exit angle is not zero).
  • the ⁇ angle is between a lower limit equal to ⁇ 'int least 10 degrees and an upper limit equal to ⁇ 'int plus 2 degrees.
  • a tolerance of 10 degrees is provided for the opening of the beam.
  • the angle ⁇ being less than the entry angle ⁇ 'int plus 2 °, most of the stray rays are eliminated.
  • the upper bound is equal to the entry angle ⁇ ′ int to eliminate all the parasitic rays obtained by reflection on the folding mirror 53.
  • the angle ⁇ is greater than 5 degrees and preferably greater than 10 degrees.
  • stray rays are taken into account for medium or high values of angles of incidence of stray rays.
  • FIG. 15 illustrates the path of the refracted rays 1121 and 1131 in a top view of a detail of the black matrix 58 and of the diffuser
  • the black matrix includes:
  • the imaging beam is diffused towards a spectator by the diffuser 59 while most of the stray rays are eliminated.
  • the diffuser makes it possible in particular to eliminate certain parasitic rays by diffusing them downwards or upwards so that they are not seen by a spectator situated in front of the projection apparatus.
  • the means for filtering stray rays comprises, in addition to or in place of the black matrix 58, a filter comprising concentric circular black bands separated by transparent zones.
  • This filter is placed between the lens 54 and the black matrix 58 or between the lens 54 and the diffuser 59 (in the absence of black matrix 58).
  • a transparent area is placed opposite each diopter face b so as to allow the rays of the imaging beam refracted by the Fresnel lens to pass.
  • An absorbent strip or black strip is placed between two transparent zones to eliminate parasitic rays (such as ray 118 or 1121) which could be transmitted in this zone.
  • the lens 54 comprises three zones dependent on the angles ⁇ and ⁇ , similar to those described with reference to FIGS. 5a to 5d. It is noted, however, that the value of the angle ⁇ depends on the entry angle of a parasitic incident ray and not on the entry angle of a direct incident ray. Thus, the following zones are provided:
  • the angle ⁇ is less than a limit value ⁇ lim.
  • the output beam is slightly divergent with respect to the direction of the axis XX 'with an angle of divergence ⁇ out which is less than a predetermined maximum value ⁇ max.
  • the angle ⁇ is equal to the limit value ⁇ lim.
  • the values of the angles ⁇ , ⁇ , and ⁇ are therefore the following:
  • the angle ⁇ is equal to the limit value ⁇ lim.
  • the values of the angles ⁇ , ⁇ , and ⁇ are therefore the following:
  • Figures 13 and 14 illustrate respectively a side view and a front view of the Fresnel lens 54 and folding mirror 53 according to a variant of the apparatus of backprojection 5 in a particular mode of realization of the invention.
  • the zone Z1 of the Fresnel lens 54 is divided into three parts:
  • the intermediate part 541 corresponds to a part of the Fresnel lens 54 capable of receiving parasitic incident rays as defined above: thus the lower part is defined by an arc of a circle to which a point G belongs.
  • the point G is the point of impact on the Fresnel lens 54 of a parasitic ray 130 obtained by reflection of a direct incident ray 57 on the lower limit of the Fresnel lens 54
  • the upper part of the intermediate zone 541 is defined by an arc of a circle to which points D and D "belong.
  • the point D (respectively D") is the point of impact on the Fresnel lens 54 of a parasitic ray 141 obtained by reflection of a direct incident ray 140 on the Fresnel lens 54 at point B (respectively point B ”) then on an upper angle of the folding mirror 53 at point C (respectively C").
  • the point D ' is located inside the part 541 below a point E' marking the upper limit of the portion 541.
  • the point E is set on the same circular diopter that points D and D '. the folding mirror 53 being rectangular, point D 'is therefore not located on the limit of area 540.
  • the intermediate part 541 extends beyond the possible target area of a parasitic radius.
  • it can cover the entire lower part of the lens 54 and include the equivalent of the parts 542 and / or 540 and of the part 541 previously defined.
  • the angle ⁇ is then equal to the angle ⁇ ′ int of a parasitic ray obtained by reflection of a beam coming from the illumination source PR on a plane to which the plane face of the Fresnel lens 54 belongs and then on a plane to which the folding mirror 53 belongs.
  • FIG. 12 illustrates the angles (expressed in degrees along the axis 121) representative of a diopter as a function of the radius, r, of the circular refractive structure to which it belongs, along the axis 120 where the distances are expressed in millimeters.
  • Curves 126 and 124 respectively represent the values of ⁇ and ⁇ int.
  • the system being preferably off-axis, the object to be projected and the projected image are not on the axis.
  • the curves are therefore defined for values of the radius r which are strictly positive.
  • the invention is not limited to the embodiments described above.
  • the Fresnel lens comprises at least one part where the angles ⁇ (made by the faces c of the dioptres, not optically useful with the normal to the plane of incidence) are equal to the entry angles of the stray rays obtained by reflection on the Fresnel lens and then on the last reflecting mirror.
  • the angles of entry of these parasitic rays are therefore unambiguously defined as a function of the incoming imaging beam, of the positioning of the last fall-back mirror with respect to the Fresnel lens and of the shape of the last fall-back mirror.
  • the folding mirror is plane, it is not necessarily parallel to the Fresnel lens.
  • the Fresnel lens comprises, as a function of the maximum machining angles, ⁇ lim, diopters either a combination of the zones Z1, Z2 and Z3 as defined above, or a combination of the zones Z1 and Z2, or preferentially the zone Z1 alone when the machining limit value ("jogging" in English) allows it, the zone Z1 can be divided into several parts (each of the parts corresponding to a value of the angle ⁇ as a function of l 'angle of entry of an incident ray either direct or parasitic).

Abstract

The invention relates to a Fresnel lens. Each refractive structure of the lens is defined by two surfaces, the second surface creates a second angle (ß) with the normal on the plane of incidence (P). At least two refractive structure area are provided, wherein the second angle (ß) is equal to the entrance angle (thetaint) of a beam. Each first surface refracts the light according to a direction which is parallel to or which is not parallel to the axis of the lens according to the area in question. The invention also relates to a system comprising a folding mirror and a Fresnel lens wherein the second angle is equal to the entrance angle of a parasitic ray obtained by reflection on the Fresnel lens and subsequently on the mirror. The invention further relates to a screen and to a corresponding overhead projection device.

Description

Lentille de Fresnel, écran de projection, système et appareil de projection correspondants. Fresnel lens, projection screen, corresponding projection system and apparatus.
1. Domaine de l'invention. L'invention s'applique au domaine des lentilles de Fresnel destinées à être utilisées dans un système de rétroprojection. Elle s'applique également à des écrans de projection, à un appareil de rétroprojection et à des systèmes correspondant.1. Field of the Invention. The invention applies to the field of Fresnel lenses intended for use in a rear projection system. It also applies to projection screens, an overhead projector and corresponding systems.
2. Etat de l'art. Un écran de rétroprojection comporte principalement deux composants : une lentille de Fresnel qui focalise ou collimate la lumière et un réseau de lentilles qui distribue la lumière vers les spectateurs.2. State of the art. A rear projection screen comprises two main components: a Fresnel lens that focuses or collimates the light and a lens array which distributes light towards the audience.
Selon une configuration standard, le projecteur est disposé selon l'axe de l'écran. La valeur limite de l'ouverture numérique d'une lentille de Fresnel est d'environ 0,6. Les raisons principales de cette limite sont les pertes et la forme des reliefs de la lentille de Fresnel aux angles d'incidence élevés.According to a standard configuration, the projector is arranged along the axis of the screen. The limit value for the numerical aperture of a Fresnel lens is approximately 0.6. The main reasons for this limitation are the losses and the shape of the reliefs of the Fresnel lens at high angles of incidence.
Par ailleurs pour obtenir un système de rétroprojection compact, on prévoit un système de miroirs de renvoi (figure 1) permettant de replier le faisceau entre l'appareil de projection et l'écran de rétroprojection. L'épaisseur ou profondeur d'un tel appareil peut être réduite à un tiers de la diagonale de l'écran. Par exemple, en format 16/9, on peut obtenir une épaisseur de 17 pouces pour un écran de 50 pouces de diagonale.Furthermore to obtain a compact rear projection system, there is provided a system of deflection mirrors (Figure 1) to fold the beam between the projection device and the screen of backprojection. The thickness or depth of such a device can be reduced to a third of the diagonal of the screen. For example, in 16/9 format, we can obtain a thickness of 17 inches for a screen of 50 inches diagonal.
Si nous voulons réduire encore l'épaisseur d'un appareil de rétroprojection de télévision, on prévoit par exemple une projection hors d'axe (off-axis) sur la face arrière de l'écran de rétroprojection. De cette façon, il est possible de réduire l'épaisseur de l'appareil à un cinquième seulement de la diagonale de l'écran. Les figures 2a et 2b représentent respectivement des appareils de rétroprojection sur l'axe (on-axis) et hors d'axe (off-axis).If we want to further reduce the thickness of a rear projection television apparatus, a projection is provided, for example off-axis (off-axis) on the rear face of the screen of backprojection. In this way, it is possible to reduce the thickness of the device to only one fifth of the diagonal of the screen. FIGS. 2a and 2b respectively represent overhead projection devices on the axis (on-axis) and off-axis (off-axis).
Un des problèmes principaux à résoudre dans une configuration hors d'axe, ou dans une configuration où l'image à projeter sur l'écran est décentrée par rapport à l'axe de l'objectif de l'appareil de projection, est d'obtenir que toute la lumière projetée sur l'écran soit retransmise aux spectateurs et que l'émission soit la plus uniforme possible. Notamment, il s'agit de réduire les pertes de la lentille de Fresnel qui ont tendance à augmenter lorsque l'angle d'incidence de la lumière d'éclairement sur la lentille de Fresnel augmente.One of the main problems to be solved in an off-axis configuration, or in a configuration where the image to be projected on the screen is off-center relative to the axis of the objective of the projection device, is to obtain that all the light projected on the screen is retransmitted to the spectators and that the emission is as uniform as possible. In particular, it this is to reduce the losses of the Fresnel lens which tend to increase when the angle of incidence of the illuminating light on the Fresnel lens increases.
Différentes structures de lentilles de Fresnel sont proposées pour résoudre ce problème, mais les structures connues présentent généralement des reliefs compliqués pour la lentille de Fresnel et aboutissent à des lentilles relativement difficiles à mettre en oeuvre et donc coûteuses.Different Fresnel lens structures are proposed to solve this problem, but the known structures generally have complicated reliefs for the Fresnel lens and result in lenses that are relatively difficult to implement and therefore costly.
La demande de brevet JP 59-000101 décrit une lentille de Fresnel dans laquelle les faces des prismes constituant la lentille de Fresnel forment des angles suffisamment importants pour permettre un démoulage aisé de la lentille lors de la fabrication par moulage. Plus précisément, ce document prévoit que l'une de faces de chaque structure de la lentille est parallèle aux rayons lumineux incidents. Cependant, le fonctionnement d'une telle lentille est limité lorsqu'elle est éclairée sous des angles d'incidence élevés et que ces angles varient dans une large gamme d'angles.Patent application JP 59-000101 describes a Fresnel lens in which the faces of the prisms constituting the Fresnel lens form sufficiently large angles to allow easy release of the lens during manufacture by molding. More specifically, this document provides that one of the faces of each structure of the lens is parallel to the incident light rays. However, the operation of such a lens is limited when it is illuminated at high angles of incidence and these angles vary over a wide range of angles.
3. Résumé de l'invention.3. Summary of the invention.
L'invention concerne donc une lentille de Fresnel dont la structure est simple et facile à mettre en oeuvre industriellement, et qui permet de fonctionner sous des incidences importantes. L'invention concerne donc une lentille de Fresnel comportant :The invention therefore relates to a Fresnel lens whose structure is simple and easy to implement industrially, and which makes it possible to operate under significant incidences. The invention therefore relates to a Fresnel lens comprising:
- une première face disposée selon un plan et,- a first face arranged in a plane and,
- opposée à cette face, une deuxième face parallèle à la première face et comportant des structures réfractives circulaires et concentriques. Chaque structure refractive est délimitée par :- opposite this face, a second face parallel to the first face and comprising circular and concentric refractive structures. Each refractive structure is delimited by:
- une première surface destinée à former un dioptre de réfraction et faisant un premier angle (α) avec ledit plan (P), eta first surface intended to form a refractive diopter and making a first angle (α) with said plane (P), and
- une deuxième surface sans utilité optique et faisant un deuxième angle (β) avec la normale audit plan, chaque dite structure étant destinée à être éclairée par un rayonnement faisant un angle d'entrée (θint) différent de zéro degré avec la normale audit plan. La deuxième face comporte plusieurs zones de structures réfractives, au moins deux par exemple, réparties entre le centre des structures réfractives concentriques et la périphérie de la lentille de Fresnel :- a second surface without optical purpose and making a second angle (β) with the normal to said plane, each said structure being intended to be illuminated by radiation forming an inlet angle (θint) different from zero degrees with the normal to said plane . The second face has several zones of refractive structures, at least two for example, distributed between the center of the concentric refractive structures and the periphery of the Fresnel lens:
- une première zone, proche du centre dans laquelle : o le premier angle (α) de chaque première surface est tel que les structures réfractives réfractent le rayonnement selon une direction faisant un angle (θout) nul par rapport à une direction déterminée, o le deuxième angle (β) de chaque deuxième surface est égal audit angle d'entrée (θint),- a first zone, close to the center in which: o the first angle (α) of each first surface is such that the refractive structures refract the radiation in a direction making an angle (θout) zero relative to a determined direction, o the second angle (β) of each second surface is equal to said entry angle (θint),
- une deuxième zone dans laquelle : o le premier angle (α) de chaque première surface est tel que les structures réfractives réfractent le rayonnement selon une direction faisant un angle (θout) non nul et inférieur à une valeur maximale (θmax) par rapport à la direction déterminée, o le deuxième angle (β) de chaque deuxième surface est égal audit angle d'entrée (θint). Selon une variante de réalisation, la lentille comporte une troisième zone située entre la deuxième zone et la périphérie de la lentille de- a second zone in which: o the first angle (α) of each first surface is such that the refractive structures refract the radiation in a direction making an angle (θout) not zero and less than a maximum value (θmax) relative to the determined direction, where the second angle (β) of each second surface is equal to said entry angle (θint). According to an alternative embodiment, the lens comprises a third zone located between the second zone and the periphery of the lens.
Fresnel et dans laquelle :Fresnel and wherein:
- le premier angle (α) de chaque première surface est tel que les structures réfractives réfractent la lumière selon une direction faisant un angle (θout) non nul et égal à la valeur maximale (θmax) par rapport à la direction déterminée,the first angle (α) of each first surface is such that the refractive structures refract the light in a direction making an angle (θout) not zero and equal to the maximum value (θmax) relative to the determined direction,
- le deuxième angle (β) de chaque deuxième surface est supérieur à l'angle d'entrée (θint).- the second angle (β) of each second surface is greater than the entry angle (θint).
Selon un mode de réalisation préférentiel, chaque première surface fait avec chaque deuxième surface voisine un angle de gravure (ζ), cet angle ayant une valeur déterminée dans la deuxième et dans la troisième zone, et ayant une valeur supérieure à cette valeur déterminée dans la première zone.According to a preferred embodiment, each first surface forms with each second neighboring surface an etching angle (ζ), this angle having a value determined in the second and in the third zone, and having a value greater than this value determined in the first zone.
Des définitions ci-dessus des angles α, β et ζ, il découle directement la relation suivante : ζ = β + π/2 - α . Dans la première zone, l'invention permet d'obtenir l'angle de gravure le plus élevé possible selon les impératifs de fabrication, tout en maintenant une collimation parfaite (θout = 0), car α reste relativement petit dans cette zone. Dans cette zone, l'angle de gravure reste supérieur à la valeur déterminée. En pratique, cet angle est généralement inférieur à 70°. Il peut être également généralement supérieur à 40°. Selon une caractéristique particulière de l'invention, particulièrement bien adaptée à des projections de faible encombrement, il est compris entre 30° et 40°.From the above definitions of the angles α, β and ζ, it follows directly the following relation: ζ = β + π / 2 - α. In the first zone, the invention makes it possible to obtain the highest possible engraving angle according to the manufacturing requirements while maintaining perfect collimation (θout = 0), because α is relatively small in this area. In this area, the engraving angle remains greater than the determined value. In practice, this angle is generally less than 70 °. It can also generally be greater than 40 °. According to a particular characteristic of the invention, particularly well suited to compact projections, is between 30 ° and 40 °.
Dans la deuxième zone, on tolère un angle α un peu plus faible que l'angle qui serait nécessaire pour obtenir une collimation parfaite (on tolère θout non nul mais inférieur à θmax) de manière à ce que l'angle de gravure ζ reste supérieur ou, de préférence, égal à la. valeur déterminée. Dans la troisième zone, alors que l'angle α s'écarte de l'angle qui serait nécessaire pour obtenir une collimation parfaite d'une valeur maximum correspondant à un angle de sortie θout valant θmax, on tolère au contraire un écart au niveau de l'angle β par rapport à l'angle d'entrée, toujours de manière à ce que l'angle de gravure ζ reste également supérieur ou, de préférence, égal à la valeur déterminée. Ainsi, l'invention permet de réaliser des lentilles de Fresnel qui offrent le meilleur compromis entre le niveau le plus élevé des performances optiques et le niveau le plus bas de coûts de fabrication grâce à un angle de gravure élevé de ses structures réfractives. La deuxième zone et, le cas échéant, la troisième zone, comprennent chacune au moins une structure réfractante.In the second zone, we tolerate an angle α slightly smaller than the angle that would be necessary to obtain perfect collimation (we tolerate θout not zero but less than θmax) so that the engraving angle ζ remains greater or, preferably, equal to the. determined value. In the third zone, while the angle α deviates from the angle which would be necessary to obtain perfect collimation of a maximum value corresponding to an exit angle θout being equal to θmax, on the contrary, a deviation is tolerated at the level of the angle β relative to the entry angle, always so that the etching angle ζ also remains greater or, preferably, equal to the determined value. Thus, the invention makes it possible to produce Fresnel lenses which offer the best compromise between the highest level of optical performance and the lowest level of manufacturing costs thanks to a high etching angle of its refractive structures. The second zone and, where appropriate, the third zone, each comprise at least one refracting structure.
Selon une variante de l'invention, la première face de la lentille de Fresnel est de préférence plane. Cette première face est aussi de préférence recouverte d'une couche anti-réfléchissante optimisée pour un angle d'incidence fort, notamment supérieur ou égal à 42°.According to a variant of the invention, the first face of the Fresnel lens is preferably planar. This first face is also preferably covered with an anti-reflective layer optimized for a strong angle of incidence, in particular greater than or equal to 42 °.
Les structures réfractives sont de préférence circulaires ou quasi circulaires. Dans un mode d'application, le rayonnement d'illumination de la lentille est divergent et provient d'un point (en l'absence d'aberrations optiques) ou d'une zone quasi-ponctuelle (en présence d'aberrations optiques) situés sur l'axe de la lentille ou sensiblement sur cet axe.The refractive structures are preferably circular or nearly circular. In one application mode, the illumination radiation of the lens is divergent and comes from a point (in the absence of optical aberrations) or a quasi-point area (in the presence of optical aberrations) located on the axis of the lens or substantially on this axis.
Préférentiellement, ladite valeur déterminée de l'angle de gravure (ζ) est inférieur à 70°. Préférentiellement, l'angle de gravure (ζ) est sensiblement compris entre 30 et 50°. Selon une variante de réalisation, il est égal à 60° ou compris entre 55° et 65°. Selon une caractéristique préférentielle de l'invention, la lentille de Fresnel est remarquable en ce que le nombre d'ouverture(appelé également « F-number » en anglais) est égale au maximum au double du rapport de la distance focale associée à un point de la lentille sur la distance de ce point à l'axe de la lentille est inférieure ou égale à 0,55. Ainsi, on peut obtenir un angle maximum d'incidence du faisceau optique d'imagerie utile relativement élevé (par exemple supérieur ou égal à 42° pour un nombre d'ouverture inférieure ou égale à 0,55), ce qui permet la fabrication d'appareils de rétroprojection relativement plats. L'invention est applicable à un écran de rétroprojection d'images comprenant une face d'entrée et une face de sortie à orienter vers des spectateurs. Une lentille de Fresnel telle que définie précédemment est disposée selon la face d'entrée de l'écran avec la face de la lentille portant les structures de diffraction orientée vers la face de sortie. L'invention concerne également un système destiné à la projection d'images comprenant :Preferably, said determined value of the etching angle (ζ) is less than 70 °. Preferably, the etching angle (ζ) is substantially between 30 and 50 °. According to an alternative embodiment, it is equal to 60 ° or between 55 ° and 65 °. According to a preferred feature of the invention, the Fresnel lens is characterized in that the number of aperture (also called "F-number" in English) is at most double the ratio of the focal distance associated with a point of the lens over the distance from this point to the axis of the lens is less than or equal to 0.55. Thus, it is possible to obtain a relatively high maximum angle of incidence of the useful imaging optical beam (for example greater than or equal to 42 ° for a number of apertures less than or equal to 0.55), which allows the manufacture of relatively flat rear projection devices. The invention is applicable to a rear projection screen of images comprising an input face and an output face to be directed towards viewers. A Fresnel lens as defined above is arranged along the entry face of the screen with the face of the lens carrying the diffraction structures facing the exit face. The invention also relates to a system for projecting images comprising:
- une source générant un faisceau d'imagerie ;- a source generating an imaging beam;
- une lentille de Fresnel ; et- a Fresnel lens; and
- un miroir de renvoi du faisceau d'imagerie adapté à renvoyer ledit faisceau d'imagerie vers ladite lentille de Fresnel ;- an imaging beam return mirror adapted to return said imaging beam to said Fresnel lens;
La lentille de Fresnel comporte :The Fresnel lens comprises:
- une première face (f1 ) disposée selon un plan (P) et,- a first surface (f1) lying in a plane (P) and,
- opposée à cette face, une deuxième face parallèle à la première face et comportant des structures réfractives circulaires et concentriques.- opposite this face, a second face parallel to the first face and comprising circular and concentric refractive structures.
Chaque structure refractive est délimitée par une première surfaceEach refractive structure is delimited by a first surface
(b) destinée à former un dioptre de réfraction et faisant un premier angle (α) avec ledit plan (P), et une deuxième surface sans utilité optique et faisant un deuxième angle (β) avec la normale audit plan (P). Le système est remarquable en ce qu'au moins une partie desdites structures, formant un premier ensemble de structures, est destinée à être éclairée par :(b) intended to form a refractive diopter and making a first angle (α) with said plane (P), and a second surface without optical utility and making a second angle (β) with the normal to said plane (P). The system is remarkable in that at least part of said structures, forming a first set of structures, is intended to be illuminated by:
- un premier faisceau, dit faisceau direct, issu du faisceau d'imagerie et qui n'a pas été réfléchi par la première face, le faisceau direct formant un premier faisceau incident par transmission du faisceau direct à l'intérieur de la lentille de Fresnel ; - un second faisceau, dit faisceau parasite, issu du faisceau d'imagerie et qui a été réfléchi par la première face puis par le miroir de renvoi, le faisceau parasite formant un second faisceau incident par transmission du faisceau parasite à l'intérieur de la lentille de Fresnel ; Le second faisceau incident fait un angle d'entrée (θint') différent de zéro degré avec la normale audit plan (P), Préférentiellement, le deuxième angle (β) de la deuxième face de chaque structure du premier ensemble est supérieur à l'angle d'entrée (θint') du second rayon incident moinslO degrés. De plus, le deuxième angle (β) de la deuxième face de chaque structure du premier ensemble est inférieur à une borne supérieure égale à l'angle d'entrée (θint') du second rayon incident plus 2 degrés.a first beam, called the direct beam, coming from the imaging beam and which has not been reflected by the first face, the direct beam forming a first incident beam by transmission of the direct beam inside the Fresnel lens; a second beam, called the parasitic beam, coming from the imaging beam and which has been reflected by the first face then by the deflecting mirror, the parasitic beam forming a second incident beam by transmission of the parasitic beam inside the Fresnel lens; The second incident beam makes an angle of entry (θint ') different from zero degrees with the normal to said plane (P), Preferably, the second angle (β) of the second face of each structure of the first set is greater than the entry angle (θint ') of the second incident ray minus 10 degrees. In addition, the second angle (β) of the second face of each structure of the first set is less than an upper bound equal to the entry angle (θint ') of the second incident ray plus 2 degrees.
Ainsi, l'invention permet l'utilisation conjointe d'un miroir de repli et d'une lentille de Fresnel sans nuire à la qualité de l'image projetée.Thus, the invention allows the joint use of a folding mirror and a Fresnel lens without harming the quality of the projected image.
De plus, les premiers faisceaux incidents et la plupart des seconds faisceaux incidents ne frappent pas directement la deuxième surface du dioptre mais la première surface. De cette manière, le premier faisceau incident est réfracté selon une direction privilégiée vers un spectateur potentiel. En revanche, le second faisceau incident correspondant à un faisceau parasite frappant la première surface avec un angle d'incidence différent du premier faisceau incident est réfracté selon une autre direction et un spectateur ne le verra généralement pas. On améliore ainsi la qualité de l'image en supprimant ou réduisant fortement les images fantômes issues notamment de rayon parasites obtenus par réflexion d'un faisceau d'imagerie utile sur la première face de la lentille puis sur le miroir de repli, tout en permettant une fabrication aisée de la lentille de Fresnel. En outre, ainsi, on facilite l'usinage (dont la valeur limite ouIn addition, the first incident beams and most of the second incident beams do not directly strike the second surface of the diopter but the first surface. In this way, the first incident beam is refracted in a preferred direction towards a potential spectator. However, the second incident beam corresponding to a stray beam striking the first surface with a different angle of incidence of the incident first beam is refracted in another direction and the viewer does not see generally. The quality of the image is thus improved by eliminating or greatly reducing the ghost images originating in particular from parasitic ray obtained by reflection of a useful imaging beam on the first face of the lens then on the folding mirror, while allowing easy manufacturing of the Fresnel lens. Moreover, as the machining is facilitated (the limit value or
« tooling » en anglais est augmenté) de la lentille tout en éliminant les rayons parasites."Tooling" in English is increased) of the lens while eliminating stray rays.
Selon une caractéristique particulière de l'invention, le deuxième angle (β) de la deuxième face de chaque structure du premier ensemble est supérieur à cinq degrés. Préférentiellement, le deuxième angle (β) de la deuxième face de chaque structure du premier ensemble est supérieur à dix degrés.According to a particular characteristic of the invention, the second angle (β) of the second face of each structure of the first set is greater than five degrees. Preferably, the second angle (β) of the second face of each structure of the first set is greater than ten degrees.
Selon une caractéristique préférentielle, le deuxième angle (β) de la deuxième face de chaque structure du premier ensemble est égal à l'angle d'entrée (θint') du second rayon incident.According to a preferred characteristic, the second angle (β) of the second face of each structure of the first set is equal to the entry angle (θint ') of the second incident ray.
Préférentiellement, la lentille de Fresnel comprend au moins deux parties, dont :Preferably, the Fresnel lens comprises at least two parts, including:
- une première partie où le deuxième angle (β) de la deuxième face de chaque structure du premier ensemble est inférieur ou égal à l'angle d'entrée (θint) du second rayon incident ; et- a first part where the second angle (β) of the second face of each structure of the first set is less than or equal to the entry angle (θint) of the second incident ray; and
- une seconde partie où le deuxième angle (β) de la deuxième face de chaque structure d'un second ensemble de structures est égal à l'angle d'entrée (θint) du premier rayon incident.- a second part where the second angle (β) of the second face of each structure of a second set of structures is equal to the entry angle (θint) of the first incident ray.
Selon une variante de l'invention, la seconde partie est divisée en deux parties non frappées par des rayons parasites obtenus par réflexion d'un rayon incident sur la première face de la lentille puis sur le miroir de repli :According to a variant of the invention, the second part is divided into two parts not affected by the parasitic rays obtained by reflection of a ray incident on the first face of the lens and on the folding mirror:
- une zone proche de l'axe de la lentille située en dessous (dans une configuration où le faisceau d'imagerie est orienté du bas vers le haut) du rayon réfléchi le plus bas correspondant à faisceau incident inférieur ;- a zone close to the axis of the lens located below (in a configuration in which the imaging beam is directed from bottom to top) of the reflected ray corresponding to the lowest lower incident beam;
- une zone périphérique de la lentille située au dessus du dernier rayon réfléchi par le miroir de repli, dont la taille est préférentiellement limitée par la partie utile pour le repli du faisceau d'imagerie.- a peripheral area of the lens located above the last ray reflected by the folding mirror, the size of which is preferably limited by the useful part for the withdrawal of the imaging beam.
Selon une autre variante de l'invention, la seconde partie est connexe et comprend uniquement une zone périphérique. La lentille comprend alors, par exemple, une zone proche de l'axe de la lentille dont deuxième angle (β) de la deuxième face de chaque structure d'un second ensemble de structures est inférieur ou égal à une valeur prédéterminée ou à l'angle d'entrée (θint) d'un second rayon incident tel qu'il aurait généré si un faisceau d'imagerie en provenance de la source aurait été réfléchi par un prolongement vers le bas de la lentille de Fresnel et un prolongement, également vers le bas, du miroir de repli. Selon une caractéristique particulière de l'invention, la deuxième face comporte au moins deux zones de structures réfractives réparties entre le centre des structures réfractives concentriques et la périphérie de la lentille de Fresnel : - une première zone proche du centre dans laquelle le premier angle (α) de chaque première surface est tel que les structures réfractives réfractent le premier faisceau incident selon une direction faisant un angle (θout) nul par rapport à une directionAccording to another variant of the invention, the second part is connected and only comprises a peripheral zone. The lens includes then, for example, an area close to the axis of the lens, second angle (β) of the second face of each structure of a second set of structures is less than or equal to a predetermined value or the entry angle (θint) of a second incident ray as it would have generated if an imaging beam from the source would have been reflected by a downward extension of the Fresnel lens and an extension, also towards the bottom, of the folding mirror. According to a particular characteristic of the invention, the second face comprises at least two zones of refractive structures distributed between the center of the concentric refractive structures and the periphery of the Fresnel lens: - a first zone close to the center in which the first angle ( α) of each first surface is such that the refractive structures refract the first incident beam in a direction making an angle (θout) zero with respect to a direction
(XX') déterminée ; et - une deuxième zone dans laquelle le premier angle (α) de chaque première surface est tel que les structures réfractives réfractent le premier faisceau incident selon une direction faisant un angle (θout) non nul et inférieur à une valeur maximale (θmax) par rapport à la direction (XX') déterminée. Préférentiellement, le système comprend en outre en outre un écran lenticulaire comprenant lui-même des moyens de filtrage transparents pour les premiers rayons incidents réfractés par la lentille de Fresnel et filtrant les seconds rayons incidents réfractés par la lentille de Fresnel, les moyens de filtrage étant juxtaposés à la lentille de Fresnel. Ainsi, la plupart des rayons parasites sortants, notamment les rayons correspondant à la transmission des seconds rayons incidents par la première surface sont supprimés.(XX ') determined; and - a second zone in which the first angle (α) of each first surface is such that the refractive structures refract the first incident beam in a direction making an angle (θout) not zero and less than a maximum value (θmax) relative to to the direction (XX ') determined. Preferably further the system further comprises a lenticular screen itself comprising transparent filtering means for the first refracted incident rays by the Fresnel lens and filter the second incident rays refracted by the Fresnel lens, the filtering means being juxtaposed to the Fresnel lens. Thus, most of the outgoing parasitic rays, in particular the rays corresponding to the transmission of the second incident rays by the first surface are eliminated.
Selon une variante préférée de l'invention, le système comprend un écran de rétroprojection d'images comprenant une face d'entrée et une face de sortie à orienter vers des spectateurs, l'écran comprenant la lentille de Fresnel, cette lentille de Fresnel étant disposée selon la face d'entrée de l'écran avec la face de la lentille portant les structures de réfraction orientée vers la face de sortie de l'écran.According to a preferred variant of the invention, the system comprises an image projection screen comprising an entry face and an exit face to be directed towards spectators, the screen comprising the Fresnel lens, this Fresnel lens being arranged along the entry face of the screen with the face of the lens carrying the refractive structures oriented towards the exit face of the screen.
Selon une variante de l'invention, le nombre d'ouverture (appelé « F-number » en anglais) est égale au maximum au double du rapport de la distance focale associée à un point de la lentille sur la distance de ce point à l'axe de ladite lentille de Fresnel est inférieure ou égale à 0,55.According to a variant of the invention, the number of aperture (referred to as "F-number" in English) is at most double the ratio of the focal distance associated with a point of the lens on the distance of this point to the axis of said Fresnel lens is less than or equal to 0.55.
Ainsi, l'invention est particulièrement bien adaptée à des projecteurs de faible profondeur. L'invention est également applicable à un appareil de rétroprojection comprenant un tel écran de rétroprojection ou un tel système de projection ainsi qu'un appareil de projection émettant un faisceau lumineux en direction de la face d'entrée. L'appareil de projection est préférentiellement disposé selon l'axe de la lentille de Fresnel et permet de projeter une image sur une partie seulement de la lentille de Fresnel située d'un côté de son axe.Thus, the invention is particularly well suited to spotlights of shallow depth. The invention is also applicable to a rear projection apparatus comprising such a rear projection screen or such a projection system as well as a projection apparatus emitting a light beam in the direction of the input face. The projection apparatus is preferably arranged along the axis of the Fresnel lens and makes it possible to project an image on only part of the Fresnel lens located on one side of its axis.
Selon une variante de réalisation, la pupille de l'objectif de l'appareil de projection est situé sensiblement sur l'axe de la lentille de Fresnel et l'axe optique de cet objectif est orienté vers une partie utilisée de la lentille de Fresnel située d'un côté de l'axe de la lentille de Fresnel. 4. Liste des figures.According to an alternative embodiment, the pupil of the objective of the projection device is located substantially on the axis of the Fresnel lens and the optical axis of this objective is oriented towards a used part of the Fresnel lens located one side of the axis of the Fresnel lens. 4. List of figures.
Les différents aspects et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre et dans les figures annexées qui représentent :The various aspects and characteristics of the invention will appear more clearly in the description which follows and in the appended figures which represent:
- les figures 1 , 2a et 2b, des exemples de systèmes de rétroprojection connus dans la technique et déjà décrits précédemment ;- Figures 1, 2a and 2b, examples of rear projection systems known in the art and already described above;
- la figure 3a et 3b, un exemple de lentille de Fresnel auquel s'applique l'invention ;- Figure 3a and 3b, an example of Fresnel lens to which the invention applies;
- les figures 4a et 4b, des figures explicatives de l'invention,- Figures 4a and 4b, the explanatory figures of the invention,
- les figures 5a à 5d, un exemple de lentille de Fresnel réalisée selon l'invention ;- Figures 5a to 5d, an example of Fresnel lens produced according to the invention;
- les figures 6a à 6c, des courbes illustrant les valeurs des angles caractérisant la lentille de Fresnel selon l'invention ;- Figures 6a to 6c, curves illustrating the values of the angles characterizing the Fresnel lens according to the invention;
- la figure 7, des courbes illustrant la transmission des polarisations p et s par la lentille de Fresnel selon l'invention ;- Figure 7, curves illustrating the transmission of p and s polarizations by the Fresnel lens according to the invention;
- la figure 8, un exemple d'application de la lentille de Fresnel selon l'invention à un appareil de rétroprojection ; - les figures 9 et 10, un appareil de rétroprojection selon un mode particulier de réalisation de l'invention ;- Figure 8, an example of application of the Fresnel lens according to the invention to a rear projection device; - Figures 9 and 10, a rear projection device according to a particular embodiment of the invention;
- les figures 11 et 15, des détails d'un écran utilisé dans l'appareil des figures 9 et 10 ;- Figures 11 and 15, details of a screen used in the apparatus of Figures 9 and 10;
- les figures 13 et 14, un appareil de rétroprojection selon une variante de l'invention ; et - la figure 12, des courbes illustrant les valeurs des angles caractérisant la lentille de Fresnel selon la lentille des figures 13 et 14.- Figures 13 and 14, a rear projection device according to a variant of the invention; and - figure 12, curves illustrating the values of the angles characterizing the Fresnel lens according to the lens of Figures 13 and 14.
5. Description détaillée de l'invention. On va donc décrire maintenant une lentille de Fresnel selon l'invention.5. Detailed description of the invention. So we will now describe a Fresnel lens according to the invention.
La figure 3a représente une lentille de Fresnel LF comportant des structures réfractives de formes prismatiques concentriques. Comme on peut le voir sur cette figure une partie seulement du plan circulaire de la lentille est utilisée, typiquement moins de la moitié. Sur la figure 3b, on voit que cette lentille LF comprend une première face plane disposée selon un plan et opposée à cette face, une deuxième face parallèle à la première face et comportant des structures réfractives circulaires et concentriques. La première face est éclairée par une source PR située sur l'axe optique XX' de la lentille mais dont une partie seulement du champ latéral de cette source éclaire la lentille. Sur la figure 3b, cette source PR est située sur l'axe XX' de la lentille LF et n'éclaire qu'une partie de cette lentille située au dessus de l'axe XX'. Elle éclaire la lentille sous incidence oblique par rapport à la lentille. Le rayon lumineux inférieur 30 du faisceau d'éclairement a un angle d'incidence θext sur la lentille de Fresnel relativement faible tandis que le rayon supérieur 31 du faisceau a un angle d'incidence θext plus élevé.FIG. 3a represents a Fresnel lens LF comprising refractive structures of concentric prismatic shapes. As can be seen in this figure, only part of the circular plane of the lens is used, typically less than half. In FIG. 3b, it can be seen that this LF lens comprises a first flat face arranged in a plane and opposite to this face, a second face parallel to the first face and comprising circular and concentric refractive structures. The first face is illuminated by a source PR located on the optical axis XX 'of the lens but of which only part of the lateral field of this source illuminates the lens. In Figure 3b, this source PR is situated on the axis XX 'of the lens LF and illuminates only part of this lens located above the axis XX'. It illuminates the lens at an oblique angle to the lens. The lower light ray 30 of the illumination beam has a relatively small angle of incidence θext on the Fresnel lens while the upper ray 31 of the beam has a higher angle of incidence θext.
Comme représenté en figures 4a et 4b, chaque élément de structure refractive est délimité par une surface b (ou face b) constituant le dioptre de réfraction de cette structure et une surface c (ou face c) qui n'est pas utilisée optiquement dans le cadre des figures 4a et 4b. Selon ce mode de réalisation, la lentille de Fresnel est délimitée par une face plane a servant de face d'entrée parallèle à un plan de référence P ou pian d'incidence, et par une face située à droite de la lentille et portant des structures de réfraction délimitées chacune par des faces b et c. Dans la suite de la description, on désignera par :As represented in FIGS. 4a and 4b, each element of the refractive structure is delimited by a surface b (or face b) constituting the refractive diopter of this structure and a surface c (or face c) which is not used optically in the reference to figures 4a and 4b. According to this embodiment, the Fresnel lens is delimited by a plane face a serving as an input face parallel to a reference plane P or plane of incidence, and by a face located to the right of the lens and carrying structures refractive each delimited by faces b and c. In the following description, we will denote by:
- α, l'angle de la face b avec le plan d'incidence de la lentille de Fresnel,- α, the angle of face b with the plane of incidence of the Fresnel lens,
- β, l'angle de la face c avec la normale au plan d'incidence,- β, the angle of the face c with the normal to the plane of incidence,
- θext, l'angle d'incidence d'un rayon lumineux sur la face plane d'entrée a de la lentille de Fresnel, - θint, l'angle d'incidence d'un rayon lumineux avec la normale au plan d'incidence (ou face d'entrée de la lentille de Fresnel) après réfraction au travers de la face plane d'entrée a de la lentille de Fresnel, - ζ, l'angle entre les deux faces b et c qu'on pourra appeler angle d'usinage ou angle de fabrication, et- θext, the angle of incidence of a light ray on the flat input face of the Fresnel lens, - θint, the angle of incidence of a light ray and the perpendicular to the incident plane (or input face of the Fresnel lens) after refraction through the face plane of entry of the lens Fresnel, - ζ, the angle between the two faces b and c which could be called machining angle or manufacturing angle, and
- h, la hauteur des structures réfractives.- h, the height of the refractive structures.
Dans une structure conventionnelle, représentée en pointillés sur la figure 4a, les faces telles que c forment un angle β d'environ 3° avec la normale au plan d'incidence P. Une telle structure présente des éléments prismatiques de réfraction étroits, de grande hauteur h, d'angle ζ faible et donc difficile à réaliser en grandes quantités.In a conventional structure, shown in dotted lines in FIG. 4a, the faces such as c form an angle β of approximately 3 ° with the normal to the plane of incidence P. Such a structure has narrow, large prismatic refractive elements height h, ζ low angle and therefore difficult to make in large quantities.
On prévoit donc de façon générale de donner à l'angle β des valeurs telles que pour chaque structure refractive, la face c soit parallèle aux rayons lumineux que la structure refractive reçoit. Comme cela est représenté sur la figure 4a, on réduit la hauteur des structures réfractives à une hauteur h' et l'angle ζ est nettement plus grand ; les éléments prismatiques sont alors plus faciles à réaliser.It is therefore generally intended to give the angle β values such that for each refractive structure, the side c is parallel to the light rays that the refractive structure receives. As shown in FIG. 4a, the height of the refractive structures is reduced to a height h ′ and the angle ζ is significantly greater; the prismatic elements are then easier to produce.
Par ailleurs, dans une configuration d'utilisation telle que représentée en figure 3b, si on veut obtenir, en sortie de la lentille de Fresnel, à partir du faisceau divergent émis par la source PR, un faisceau collimaté, par exemple, selon une direction XX', la face b de chaque structure refractive doit former un angle α qui soit fonction de l'angle θint des rayons lumineux qu'elle reçoit. Pour obtenir un tel résultat, à chaque face b de structure refractive est associée une valeur de l'angle α telle que : α = arcsin { (n.sin θint) / [(1-n.cos θint)2 + (n.sin θint)2]1 2}Furthermore, in a configuration of use as shown in FIG. 3b, if one wants to obtain, at the output of the Fresnel lens, from the divergent beam emitted by the source PR, a collimated beam, for example, in a direction XX ', the side b of each refractive structure must form an angle α which is a function of the θint angle of the light rays it receives. To obtain such a result, each face b of refractive structure is associated with a value of the angle α such that: α = arcsin {(n.sin θint) / [(1-n.cos θint) 2 + (n. sin θint) 2 ] 1 2 }
L'angle ζ entre les faces b et c des structures prismatiques de réfraction a une valeur supérieure ou égale à une valeur limite ζlim de fabrication (figure 5a), en deçà de laquelle il deviendrait particulièrement difficile de fabriquer économiquement les éléments prismatiques. Cette valeur limite ζlim de fabrication dépend notamment des procédés de fabrication utilisés et de la taille de la lentille.The angle ζ between the faces b and c of the prismatic refraction structures has a value greater than or equal to a limit value ζlim of manufacture (FIG. 5a), below which it would become particularly difficult to economically manufacture the prismatic elements. This manufacturing limit value ζlim depends in particular on the manufacturing processes used and the size of the lens.
Cependant lorsque θint devient trop important, la valeur de l'angle ζ risque de devenir inférieure à la valeur ζlim. Pour ne pas descendre en dessous de cette valeur limite, on doit ajuster l'angle α des faces b des structures réfractives même lorsque l'angle θint des rayons qu'elles reçoivent augmente. La lumière réfractée n'est alors plus parallèle à la direction XX'. On obtient le fonctionnement représenté en figure 5b. La divergence ainsi obtenue en sortie doit être cependant maintenue dans une limite acceptable pour ne pas détériorer la qualité du faisceau transmis. On doit donc pour des angles d'incidence θint qui deviennent plus importants admettre un angle α qui dépend de l'angle d'incidence θint et qui limite l'angle de divergence θmax du faisceau de sortie. Par contre, pour maintenir l'angle ζ à sa valeur limite de fabrication ζlim, on doit admettre que les faces c fassent un angle β avec la normale au plan d'incidence qui soit fonction de l'angle α. On doit avoir β = ζlim - 90 + α. (figure 5c)However when θint becomes too large, the value of the angle ζ may become less than the value ζlim. To avoid going down Below this limit value, the faces of the angle α must be adjusted b refractive structures even when θint angle rays that receive increases. The refracted light is then no longer parallel to the direction XX '. The operation shown in FIG. 5b is obtained. The divergence thus obtained at the output must however be kept within an acceptable limit so as not to deteriorate the quality of the transmitted beam. It is therefore necessary for angles of incidence θint which become larger to admit an angle α which depends on the angle of incidence θint and which limits the angle of divergence θmax of the output beam. On the other hand, to maintain the angle ζ at its manufacturing limit value ζlim, we must admit that the faces c make an angle β with the normal to the plane of incidence which is a function of the angle α. We must have β = ζlim - 90 + α. (figure 5c)
La figure 5d représente une lentille de Fresnel incorporant les trois structures des figures 5a à 5c.FIG. 5d represents a Fresnel lens incorporating the three structures of FIGS. 5a to 5c.
Dans une première zone Z1 située à proximité du centre optique de la lentille de Fresnel où l'angle d'incidence de la lumière provenant de la source PR est le plus faible, on prévoit une structure du type représenté en figure 5a. Puis dans une zone intermédiaire Z2, on prévoit une structure telle que celle de la figure 5b. Et enfin dans une zone la plus éloignée du centre optique de la lentille, où l'angle d'incidence de la lumière de PR est le plus élevé, on prévoit une structure du type de la figure 5c.In a first zone Z1 located near the optical center of the Fresnel lens where the incident angle of the light from the source PR is smallest, there is provided a structure of the type shown in Figure 5a. Then in an intermediate zone Z2, a structure such as that of FIG. 5b is provided. And finally in a distal area of the optical center of the lens, wherein the angle of incidence of the light PR is highest, there is provided a structure of the type shown in FIG 5c.
Les valeurs des angles α, β, et ζ en fonction de l'angle d'incidence de la lumière θint sur la deuxième face de la lentille de Fresnel sont donc les suivantes :The values of angles α, β, and ζ according to the incidence angle of light θint on the second face of the Fresnel lens are the following:
ZONE Z1 : α = arc sin { (n.sin θint) / [(1-n.cos Θint)2 + (n.sin θint)2]172} β = θint ζ = 90 - α + β et ζ > ζ lim.ZONE Z1: α = arc sin {(n.sin θint) / [(1-n.cos Θint) 2 + (n.sin θint) 2 ] 172 } β = θint ζ = 90 - α + β and ζ> ζ lim.
Dans cette zone Z1 le faisceau de sortie est parallèle à l'axe XX'. L'angle de sortie θout du faisceau est nul par rapport à la normale au plan P : θout = 0°. Et, l'angle ζ est inférieur à une valeur limite ζlim.In this zone Z1 the output beam is parallel to the axis XX '. The exit angle θout of the beam is zero compared to the normal to the plane P: θout = 0 °. And the angle ζ is less than a threshold value ζlim.
ZONE Z2 α = 90 - ζlim + β β = θint ζ ≈ ζlimZONE Z2 α = 90 - ζlim + β β = θint ζ ≈ ζlim
Dans cette zone Z2, le faisceau de sortie est légèrement divergent par rapport à la direction de l'axe XX' avec un angle de divergence θout qui est inférieur à une valeur maximale θmax que l'on se fixe d'avance. Et, l'angle ζ est égal à la valeur limite ζlim.In this zone Z2, the output beam is slightly divergent with respect to the direction of the axis XX 'with an angle of divergence θout which is less than a maximum value θmax which is fixed in advance. And the angle ζ is equal to the limit value ζlim.
ZONE Z3 : α = arc tan [ (n.sin θint - sin θmax) / (n.cos θint - cos θmax) ] avec θmax la valeur maximale admissible de l'angle de divergence du faisceau de sortie, β = ζ - 90 + α ζ ≈ ζlimZONE Z3: α = arc tan [(n.sin θint - sin θmax) / (n.cos θint - cos θmax)] θmax with the maximum permissible value of the angle of divergence of the output beam, β = ζ - 90 + α ζ ≈ ζlim
Dans cette zone Z3, le faisceau est légèrement divergent par rapport à la direction de l'axe XX' avec un angle de divergence θout qui est égal à une valeur maximale de divergence θmax que l'on se fixe d'avance (θout = θmax). Et, l'angle ζ est égal à la valeur limite d'usinage ζlim (ou « tooling » en anglais). II est à noter que dans cette dernière zone Z3, on a une légèrement perte due à une réflexion d'une faible partie de la lumière sur les faces c des structures réfractives.In this zone Z3, the beam is slightly divergent with respect to the direction of the axis XX 'with a divergence angle θout which is equal to a maximum value of divergence θmax which is fixed in advance (θout = θmax ). And, the angle ζ is equal to the machining limit value ζlim (or "tooling" in English). It should be noted that in this latter zone Z3, there is a slight loss due to a reflection of a small part of the light on the faces c of the refractive structures.
A titre d'exemple de réalisation, pour une lentille de Fresnel de format 16/9 et des dimensions de 1107mm sur 622mm réalisée dans une « lentille » (moule) de diamètre 1 ,81 mètres et de distance focale deAs an example of an embodiment, for a Fresnel lens with a 16/9 format and dimensions of 1107mm by 622mm produced in a “lens” (mold) with a diameter of 1.81 meters and a focal length of
462mm, avec un desaxement de la source d'éclairement PR par rapport à l'axe de l'écran de 410mm, on peut avoir des angles d'incidence extérieurs θext qui varient entre 12° et 63°.462mm, with a misalignment of RA illumination source with respect to the axis of the screen of 410mm, there may be external incidence angles θext which vary between 12 ° and 63 °.
Sur les figures 6a, 6b et 6c, on a représenté en traits continus, des courbes 604, 614 et 624 fournissant respectivement les valeurs des angles ζ, α, β en fonction des angles θext. Ces courbes ont été représentées pour une valeur de θout inférieures à θmax = 5° et pour une valeur de ζlim égale à 60°. Bien entendu, ζlim peut prendre d'autres valeurs selon différentes variantes de l'invention, par exemple entre 30° et 50°. En abscisses (axe 600), on a porté les valeurs des angles d'incidence θext. En ordonnées (axes respectivement 601, 611 et 621), on a porté respectivement les valeurs des angles ζ, α, β.Figures 6a, 6b and 6c, there is shown in solid lines, curves 604, 614 and 624 respectively providing the values of the angles ζ, α, β in function of the angles θext. These curves are shown for a θout value less than 5 ° and θmax = ζlim for a value equal to 60 °. Of course, ζlim can take other values according to different variants of the invention, for example between 30 ° and 50 °. On the abscissa (axis 600), we have plotted the values of the angles incidence θext. Ordinate (axes respectively 601, 611 and 621) was carried respectively the values of the angles ζ, α, β.
En traits hachurés, on a représenté des courbes 602, 612 et 622 de variations correspondant à une lentille de Fresnel classique. En trait pointillés 603 et 623 pour les courbes respectivement en ζ et en β, les parties tronquées des courbes de variations.In hatched lines, curves 602, 612 and 622 of variations corresponding to a conventional Fresnel lens have been shown. In dotted lines 603 and 623 for the curves respectively in ζ and in β, the truncated parts of the variation curves.
Comme on peut le voir sur ces courbes la zone où 0°< θext < 28° correspond à la zone Z1 précédemment décrite.As we can see on these curves the zone where 0 ° <θext <28 ° corresponds to the zone Z1 previously described.
La zone où θext est compris entre 28° et 35° correspond à la zone Z2.The zone where θext is between 28 ° and 35 ° corresponds to zone Z2.
La zone où θext est compris entre 35° et 63° correspond à la zone Z3.The zone where θext is between 35 ° and 63 ° corresponds to zone Z3.
La figure 7 fournit des courbes illustrant l'efficacité de transmission des polarisations p et s par la lentille de Fresnel selon l'invention.FIG. 7 provides curves illustrating the efficiency of transmission of the p and s polarizations by the Fresnel lens according to the invention.
En abscisses (axe 70), on indiqué les angles d'incidences θint et en ordonnées (axe 71) les efficacités de transmission.On the abscissa (axis 70), the angles of incidence indiquéint are indicated and on the ordinate (axis 71) the transmission efficiencies.
Les deux courbes supérieures 73 et 75 représentent la transmission de la polarisation p. La courbe en pointillés 73 représente la transmission avec une lentille standard et la courbe hachurée 75 représente la transmission à travers la lentille selon l'invention. On voit que jusqu'à θext = 40°les efficacités sont les mêmes et qu'elle se détériore légèrement mais dans des proportions admissibles avec la lentille selon l'invention. Les deux courbes inférieures 72 et 74 représentent la transmission de la polarisation s. La courbe en trait continu 72 concerne une lentille standard et la courbe 74 entourée de cercles concerne la lentille selon l'invention. On voit que jusqu'à 30° les efficacités sont les mêmes. Entre 30° et 45°, l'efficacité de la lentille selon l'invention est meilleure. Au-delà de 45° les efficacités sont les mêmes.The two upper curves 73 and 75 represent the transmission of the polarization p. The dotted curve 73 represents the transmission with a standard lens and the hatched curve 75 represents the transmission through the lens according to the invention. It is seen that up to θext = 40 ° the efficiencies are the same and that it deteriorates slightly but in admissible proportions with the lens according to the invention. The lower two curves 72 and 74 represent the transmission of s-polarized. The curve in solid line 72 relates to a standard lens and the curve 74 surrounded by circles relates to the lens according to the invention. We see that up to 30 ° the efficiencies are the same. Between 30 ° and 45 °, the efficiency of the lens according to the invention is better. Beyond 45 ° the efficiencies are the same.
Globalement, l'efficacité de la lentille selon l'invention est aussi bonne qu'une lentille classique. Par contre, la lentille de Fresnel selon l'invention fonctionne sous éclairement à incidence élevée et sa fabrication ne pose pas de problème délicat en raison de l'angle ζ qui est relativement important (de l'ordre de 60°). La lentille de Fresnel est applicable plus particulièrement à un écran de rétroprojection. La figure 8 représente un appareil de rétroprojection. La lentille de Fresnel LF selon l'invention, disposée parallèlement à un plan P, est accolée à l'écran de rétroprojection EC avec sa face portant les structures réfractives disposée vers l'écran. La face plane de la lentille LF est éclairée par un appareil de projection PR. Celui-ci est situé selon l'axe optique XX' de la lentille et au dessous de celle-ci dont on n'a représenté que la partie utile c'est-à-dire la partie éclairée par l'appareil de projection PR qui éclaire donc la lentille sous incidence relativement importante.Overall, the effectiveness of the lens according to the invention is as good as a conventional lens. On the other hand, the Fresnel lens according to the invention operates under high incidence illumination and its manufacture does not pose any delicate problem because of the angle ζ which is relatively large (of the order of 60 °). The Fresnel lens is more particularly applicable to a rear projection screen. Figure 8 shows an overhead projector. The Fresnel lens LF according to the invention, arranged parallel to a plane P, is attached to the rear projection screen EC with its face carrying the refractive structures arranged towards the screen. The flat face of the LF lens is illuminated by a PR projection device. This is located along the optical axis XX 'of the lens and below it, of which only the useful part has been shown, that is to say the part illuminated by the projection apparatus PR which therefore illuminates the lens under relatively large incidence.
Selon un mode de réalisation de l'invention, l'axe optique de l'objectif est colinéaire avec l'axe XX' de la lentille.According to one embodiment of the invention, the optical axis of the objective is collinear with the axis XX 'of the lens.
Selon une variante de réalisation de l'invention, la pupille de l'objectif est localisée sur l'axe XX' de la lentille de Fresnel. Cependant l'axe de l'objectif n'est pas colinéaire avec l'axe XX' de la lentille deAccording to an alternative embodiment of the invention, the pupil of the objective is located on the axis XX 'of the Fresnel lens. However, the axis of the objective is not collinear with the axis XX 'of the lens.
Fresnel. Par exemple, l'objectif peut être orienté de façon que son axe passe par le centre de la partie utilisée de la lentille de Fresnel, c'est-à- dire par le centre de l'écran. La lentille est bien entendu située au niveau de l'image fournie par l'objectif et selon le plan de cette image. Cette configuration est, par exemple, illustrée par la figure 8.Fresnel. For example, the objective can be oriented so that its axis passes through the center of the part used of the Fresnel lens, that is to say through the center of the screen. The lens is of course located at the level of the image provided by the objective and along the plane of this image. This configuration is, for example, illustrated by Figure 8.
La figure 9 illustre un appareil de rétroprojection 5 selon une variante de l'invention particulièrement bien adaptée à la suppression d'images parasites pouvant être visibles lorsque des rayons parasites sont générés par réflexion sur la face plane de la lentille de Fresnel 54 puis sur un miroir de repli 53. Cette variante de l'invention est également bien adaptée à la réalisation d'appareils de rétroprojection particulièrement compacts et offrant des images de bonne qualité ainsi qu'à des lentilles de Fresnels correspondantes faciles à réaliser.FIG. 9 illustrates a rear projection apparatus 5 according to a variant of the invention particularly well suited to the suppression of parasitic images which may be visible when parasitic rays are generated by reflection on the plane face of the Fresnel lens 54 and then on a folding mirror 53. This variant of the invention is also well suited to the production of particularly compact rear projection devices and offering good quality images as well as to corresponding Fresnel lenses which are easy to produce.
Plus précisément, l'appareil de rétroprojection 5 comprend des moyens d'imagerie 50 comprenant un objectif 51 qui émet un faisceau d'imagerie à partir d'une source d'imagerie PR (centre de pupille) vers un premier miroir de repli 52 puis un second miroir de repli 53 (de façon à rendre compact l'appareil 5) et la lentille de Fresnel 54. L'écran de l'appareil 5 comprend la lentille de Fresnel 54, une matrice noire 58 (formant des moyens de filtrage des rayons parasites) et un diffuseur 59. Le faisceau d'imagerie a une section rectangulaire adaptée à l'écran de projection et est limité dans sa partie basse par un rayon 57 et dans sa partie haute par un rayon 56 autour de l'axe du rayon 52 désaxé par rapport à l'axe optique de l'objectif 51. On note que, selon le mode de réalisation décrit, les angles d'incidences du faisceau d'imagerie sont particulièrement élevés.Specifically, backprojection unit 5 comprises imaging means 50 comprising a lens 51 which emits an imaging beam from a source CS of imaging (pupil center) to a first folding mirror 52 then a second folding mirror 53 (so as to make compact the apparatus 5) and the Fresnel lens 54. the display device 5 includes the Fresnel lens 54, a black matrix 58 (forming filtering means of stray rays) and a diffuser 59. The imaging beam has a rectangular section adapted to the projection screen and is limited in its lower part by a radius 57 and in its upper part by a radius 56 around the axis of the beam 52 offset from the lens optical axis 51. We note that according to the described embodiment, the angles of incidence of the imaging beam are particularly high.
La figure 10 précise le chemin de propagation de certains rayons du faisceau d'imagerie. Ainsi, en un point N de la lentille de Fresnel 54, parviennent deux rayons incidents : - un rayon incident direct 62 appartenant au faisceau d'imagerie représenté en traits pleins ; et - un rayon incident parasite 60 appartenant à un faisceau parasite représenté en trait pointillés. Le rayon incident direct 60 provient de la source PR à travers l'objectif 51 après deux réflexions successives sur respectivement les miroirs de repli 52 et 53. Le rayon incident parasite 60 est obtenu par réflexion d'un rayon incident direct 61 sur la face plane de la lentille de Fresnel 54 au point N' puis sur le miroir de repli 53 au point N".FIG. 10 specifies the propagation path of certain rays of the imaging beam. Thus, at a point N of the Fresnel lens 54, reach two incident rays: - a direct incident ray 62 belonging to the imaging beam shown in solid lines; and - a parasitic incident ray 60 belonging to a parasitic beam represented in dotted lines. The direct incident ray 60 comes from the source PR through the objective 51 after two successive reflections on the folding mirrors 52 and 53 respectively. The parasitic incident ray 60 is obtained by reflection of a direct incident ray 61 on the flat face from the Fresnel lens 54 at point N 'then on the folding mirror 53 at point N ".
La figure 11 représente un détail d'une zone de la lentille de Fresnel 54. Selon cette figure, les notations pour les faces a, b et c, ainsi que pour les angles α, β, ζ, ζlim sont les mêmes que celles présentées en regard de la figure 4b.FIG. 11 represents a detail of an area of the Fresnel lens 54. According to this figure, the notations for the faces a, b and c, as well as for the angles α, β, ζ, ζlim are the same as those presented with reference to Figure 4b.
Selon le mode de réalisation de la lentille de Fresnel 54, dans une première zone de la lentille de Fresnel, la face c d'un dioptre de cette zone est parallèle au faisceau d'entrée d'un rayon incident parasite 1120 obtenu par réfraction d'un rayon incident parasite 112 sur la face plane 110 de la lentille de Fresnel 54. Ainsi, l'angle β est égal à l'angle d'entrée θ'int du rayon incident parasite 1120.According to the embodiment of the Fresnel lens 54, in a first zone of the Fresnel lens, the face c of a diopter of this zone is parallel to the input beam of a parasitic incident ray 1120 obtained by refraction d a parasitic incident ray 112 on the flat face 110 of the Fresnel lens 54. Thus, the angle β is equal to the entrance angle of θ'int parasitic incident ray 1120.
Dans la zone considérée, un rayon incident d'imagerie 113 est divisé en deux rayons par incidence sur la face plane 110 : un rayon incident d'imagerie 1130 obtenu par réfraction du rayon 113 sur la face plane 110 et un rayon parasite 1132 obtenu par réflexion sur la face plane 110. Le rayon incident 113 et le rayon parasite 1132 font un même angle θextl avec la normale à la face plane 110. Le rayon incident 112 fait un angle θ'extl plus petit que θextl . Le rayon incident d'imagerie 1130 fait un angle d'entrée θint supérieur à θ'int (θint et θ'int dépendant directement des angles θextl et θ'extl en fonction de l'indice du matériau utilisé pour la lentille de Fresnel). Il frappe donc la face b du dioptre considéré et est réfracté par la face b en formant un rayon de sortie 1131 parallèle à l'axe XX' (l'angle de sortie θout est nul).In the area considered, an incident ray of imagery 113 is divided into two rays by incidence on the flat face 110: an incident ray of imagery 1130 obtained by refraction of the ray 113 on the flat face 110 and a stray ray 1132 obtained by reflection on the flat face 110. The incident ray 113 and the parasitic ray 1132 make the same angle θextl with the normal to the flat face 110. The incident ray 112 makes an angle θ'extl smaller than θextl. The incident imaging ray 1130 makes an entry angle θint greater than θ'int (θint and θ'int directly dependent on the angles θextl and θ'extl depending on the index of the material used for the Fresnel lens). It therefore strikes face b of the diopter considered and is refracted by face b by forming an exit radius 1131 parallel to the axis XX '(the exit angle θout is zero).
Selon le mode de réalisation décrit, la face c étant parallèle au rayon incident parasite 1120, ce dernier frappe également la face b du dioptre considéré et est réfracté par la face b en formant un rayon de sortie 1121 non parallèle à l'axe XX' (l'angle de sortie θ'out n'est pas nul).According to the embodiment described, the side c being parallel to the parasitic incident ray 1120, the latter also strikes the side b of the diopter considered and is refracted by the side b by forming an exit radius 1121 not parallel to the axis XX ' (θ'out the exit angle is not zero).
Selon une variante de réalisation de l'invention, l'angle β est compris entre une borne inférieure égale à θ'int moins 10 degrés et une borne supérieure égale à θ'int plus 2 degrés. Ainsi, une tolérance de 10 degrés est prévue sur l'ouverture du faisceau. On admet également une tolérance sur le faisceau parasite d'environ 2°. L'angle β étant inférieur à l'angle d'entrée θ'int plus 2°, la plupart des rayons parasites sont éliminés. Selon d'autres modes de réalisation de l'invention, on considère une tolérance plus faible et la borne inférieure égale à θ'int moins 5 degrés. Plus β est grand, plus l'usinage est aisée. Plus β est faible, plus les rayons parasites sont éliminés. Aussi, selon encore d'autres modes de réalisation (pouvant être combinés avec les modes de réalisation précédent correspondant à une borne inférieur spécifique), la borne supérieure est égale à l'angle d'entrée θ'int pour éliminer tous les rayons parasites obtenus par réflexion sur le miroir de repli 53. Selon encore d'autres modes de réalisation de l'invention, l'angle β est supérieur à 5 degrés et préférentiellement supérieur à 10 degrés.According to an alternative embodiment of the invention, the β angle is between a lower limit equal to θ'int least 10 degrees and an upper limit equal to θ'int plus 2 degrees. Thus, a tolerance of 10 degrees is provided for the opening of the beam. We also admit a tolerance on the stray beam of about 2 °. The angle β being less than the entry angle θ 'int plus 2 °, most of the stray rays are eliminated. According to other embodiments of the invention, we consider a lower tolerance and the lower limit equal to θ'int minus 5 degrees. The larger β, the easier the machining. More β, the smaller the parasitic rays are eliminated. Also, according to still other embodiments (which can be combined with the previous embodiments corresponding to a specific lower bound), the upper bound is equal to the entry angle θ ′ int to eliminate all the parasitic rays obtained by reflection on the folding mirror 53. According to yet other embodiments of the invention, the angle β is greater than 5 degrees and preferably greater than 10 degrees.
Ainsi, les rayons parasites sont pris en compte pour des valeurs moyennes ou élevées d'angles d'incidence de rayons parasites.Thus, stray rays are taken into account for medium or high values of angles of incidence of stray rays.
La figure 15 illustre le parcours des rayons réfractés 1121 et 1131 dans une vue de dessus d'un détail de la matrice noire 58 et du diffuseurFIG. 15 illustrates the path of the refracted rays 1121 and 1131 in a top view of a detail of the black matrix 58 and of the diffuser
59.59.
La matrice noire comprend :The black matrix includes:
- des bandes absorbantes ou bandes noires verticales 116 séparées par des bandes transparentes - des lentilles cylindriques 115 verticale focalisant des rayons 117 du faisceau d'imagerie sur les bandes transparentes et la plupart des rayons parasites 118 sur les bandes noires 116. Ainsi, le faisceau d'imagerie est diffusé vers un spectateur par le diffuseur 59 alors que la plupart des rayons parasites sont éliminés. Le diffuseur permet notamment d'éliminer certains rayons parasites en les diffusant vers le bas ou le haut de sorte qu'ils ne soient pas vu d'un spectateur situé en face de l'appareil de projection. Selon une variante de l'invention, les moyens de filtrage des rayons parasites comprend en sus ou à la place de la matrice noire 58 un filtre comportant des bandes noires circulaires concentriques séparées par des zones transparentes. Ce filtre est placé entre la lentille 54 et la matrice noire 58 ou entre la lentille 54 et le diffuseur 59 (en l'absence de matrice noire 58). Une zone transparente est placée en face de chaque face b de dioptre de sorte à laisser passer les rayons du faisceau d'imagerie réfractés par la lentille de Fresnel. Une bande absorbante ou bande noire est placée entre deux zones transparentes pour éliminer des rayons parasites (tels que le rayon 118 ou 1121 ) qui pourraient être transmis dans cette zone.- absorbent bands or vertical black bands 116 separated by transparent bands - vertical cylindrical lenses 115 focusing rays 117 of the imaging beam on the transparent bands and most of the stray rays 118 on the black bands 116. Thus, the imaging beam is diffused towards a spectator by the diffuser 59 while most of the stray rays are eliminated. The diffuser makes it possible in particular to eliminate certain parasitic rays by diffusing them downwards or upwards so that they are not seen by a spectator situated in front of the projection apparatus. According to a variant of the invention, the means for filtering stray rays comprises, in addition to or in place of the black matrix 58, a filter comprising concentric circular black bands separated by transparent zones. This filter is placed between the lens 54 and the black matrix 58 or between the lens 54 and the diffuser 59 (in the absence of black matrix 58). A transparent area is placed opposite each diopter face b so as to allow the rays of the imaging beam refracted by the Fresnel lens to pass. An absorbent strip or black strip is placed between two transparent zones to eliminate parasitic rays (such as ray 118 or 1121) which could be transmitted in this zone.
Pour maintenir l'angle ζ à sa valeur limite de fabrication ζlim, la lentille 54 comprend trois zones dépendantes des angles α et β, similaires à celles décrites en regard des figures 5a à 5d. On note, cependant, que la valeur de l'angle β dépend de l'angle d'entrée d'un rayon incident parasite et non pas de l'angle d'entrée d'un rayon incident direct. Ainsi, on prévoit les zones suivantes :To maintain the angle ζ at its manufacturing limit value ζlim, the lens 54 comprises three zones dependent on the angles α and β, similar to those described with reference to FIGS. 5a to 5d. It is noted, however, that the value of the angle β depends on the entry angle of a parasitic incident ray and not on the entry angle of a direct incident ray. Thus, the following zones are provided:
- dans une première zone Z1 située à proximité du centre optique de la lentille de Fresnel où l'angle d'incidence des rayons parasites obtenu par réflexion sur la face plane de la lentille puis sur le miroir de repli de la lumière provenant de la source PR est le plus faible, on prévoit une structure où le faisceau de sortie est parallèle à l'axe XX' : l'angle de sortie θout du faisceau est nul par rapport à la normale au plan P (θout = 0°). L'angle ζ est inférieur à une valeur limite ζlim. Les valeurs des angles α, β, et ζ en fonction des angles d'incidence θint et θ'int sont donc les suivantes :- in a first zone Z1 located near the optical center of the Fresnel lens where the angle of incidence of the parasites obtained by reflection rays on the plane face of the lens and on the folding mirror of the light from the source PR is the weakest, a structure is provided where the exit beam is parallel to the axis XX ': the exit angle θout of the beam is zero with respect to the normal to the plane P (θout = 0 °). The angle ζ is less than a limit value ζlim. The values of angles α, β, and ζ according to the angles of incidence and θint θ'int are the following:
- α = arc sin {(n.sinθint) / [(1-n.cosθint)2 + (n.sinθint)2]172}- α = arc sin {(n.sinθint) / [(1-n.cosθint) 2 + (n.sinθint) 2 ] 172 }
- β = Θ'int - ζ = 90 - α + β et ≥ ζ lim.- β = Θ'int - ζ = 90 - α + β and ≥ ζ lim.
- dans une zone intermédiaire Z2, le faisceau de sortie est légèrement divergent par rapport à la direction de l'axe XX' avec un angle de divergence θout qui est inférieur à une valeur maximale θmax prédéterminée. L'angle ζ est égal à la valeur limite ζlim. Dans cette zone, les valeurs des angles α, β, et ζ sont donc les suivantes :- In an intermediate zone Z2, the output beam is slightly divergent with respect to the direction of the axis XX 'with an angle of divergence θout which is less than a predetermined maximum value θmax. The angle ζ is equal to the limit value ζlim. In this area, the values of the angles α, β, and ζ are therefore the following:
- α = 90 - ζlim + β- α = 90 - ζlim + β
- β = θint- β = θint
- ζ = ζlim - Dans une zone Z3 la plus éloignée du centre optique de la lentille, où l'angle d'incidence de la lumière de PR est le plus élevé, le faisceau est légèrement divergent par rapport à la direction de l'axe XX' avec un angle de divergence θout qui est égal à une valeur maximale de divergence θmax prédéterminée (θout = θmax). L'angle ζ est égal à la valeur limite ζlim. Dans cette zone, les valeurs des angles α, β, et ζ sont donc les suivantes :- ζ = ζlim - In a zone Z3 furthest from the optical center of the lens, where the angle of incidence of the PR light is the highest, the beam is slightly divergent from the direction of the axis XX 'with a divergence angle θout which is equal to a predetermined maximum divergence value θmax (θout = θmax). The angle ζ is equal to the limit value ζlim. In this area, the values of the angles α, β, and ζ are therefore the following:
- α = arc tan[(n.sinθint - sinθmax) / (n.cosθint - cosθmax) ]- α = arc tan [(n.sinθint - sinθmax) / (n.cosθint - cosθmax)]
- β = ζ - 90 + α - ζ = ζlim- ζ β = - 90 + α - ζ = ζlim
A titre d'exemple de réalisation, pour une lentille de Fresnel de format 16/9 et des dimensions de 1107mm sur 622mm réalisée dans une « lentille » (moule) de diamètre 1,81 mètres et de distance focale de 462mm, avec un desaxement de la source d'éclairement PR par rapport à l'axe de l'écran de 410mm, on peut avoir des angles d'incidence θext qui varient entre 12° et 63°.As an example of an embodiment, for a Fresnel lens of 16/9 format and dimensions of 1107mm by 622mm produced in a “lens” (mold) with a diameter of 1.81 meters and a focal length of 462mm, with a offset from the illumination source PR with respect to the axis of the screen of 410mm, one can have angles of incidence θext which vary between 12 ° and 63 °.
Les figures 13 et 14 illustrent respectivement une vue de coté et une vue de face de la lentille de Fresnel 54 et du miroir de repli 53 selon une variante de l'appareil de rétroprojection 5 dans un mode particulier de réalisation de l'invention. Selon cette variante, la zone Z1 de la lentille de Fresnel 54 est divisée en trois parties :Figures 13 and 14 illustrate respectively a side view and a front view of the Fresnel lens 54 and folding mirror 53 according to a variant of the apparatus of backprojection 5 in a particular mode of realization of the invention. According to this variant, the zone Z1 of the Fresnel lens 54 is divided into three parts:
- une partie inférieure 542 et une partie supérieure 540 dans lesquelles la face c de chaque dioptre est parallèle à un rayon incident direct : l'angle β est égal à l'angle θint ; un dioptre appartenant aux parties 540 ou 542 est donc tel que représenté en regard de la figure 4b ;- A lower part 542 and an upper part 540 in which the face c of each diopter is parallel to a direct incident ray: the angle β is equal to the angle θint; a diopter belonging to parts 540 or 542 is therefore as shown with reference to FIG. 4b;
- une partie intermédiaire 541 dans lesquelles la face c de chaque dioptre est parallèle à un rayon incident parasite obtenu par réflexion d'un rayon incident direct sur la face plane de la lentille de Fresnel 54 puis sur le miroir de replian intermediate part 541 in which the face c of each diopter is parallel to a parasitic incident ray obtained by reflection of a direct incident ray on the flat face of the Fresnel lens 54 then on the fallback mirror
53: l'angle β est égal à l'angle θ'int ; un dioptre appartenant à la partie 541 est donc tel que représenté en regard de la figure 11. La partie intermédiaire 541 correspond à une partie de la lentille de Fresnel 54 susceptible de recevoir des rayons incidents parasite tel que précédemment définis : ainsi la partie basse est définie par un arc de cercle auquel un point G appartient. Le point G est le point d'impact sur la lentille de Fresnel 54 d'un rayon parasite 130 obtenu par réflexion d'un rayon incident direct 57 sur la limite basse de la lentille de Fresnel 5453: the angle β is equal to the angle θ'int; a diopter belonging to the part 541 is therefore as shown with reference to FIG. 11. The intermediate part 541 corresponds to a part of the Fresnel lens 54 capable of receiving parasitic incident rays as defined above: thus the lower part is defined by an arc of a circle to which a point G belongs. The point G is the point of impact on the Fresnel lens 54 of a parasitic ray 130 obtained by reflection of a direct incident ray 57 on the lower limit of the Fresnel lens 54
(point F) puis sur le miroir de repli 53.(point F) then on the folding mirror 53.
De même, la partie haute de la zone intermédiaire 541 est définie par un arc de cercle auquel des points D et D" appartiennent. Le point D (respectivement D") est le point d'impact sur la lentille de Fresnel 54 d'un rayon parasite 141 obtenu par réflexion d'un rayon incident direct 140 sur la lentille de Fresnel 54 au point B (respectivement point B") puis sur un angle supérieur du miroir de repli 53 au point C (respectivement C").Similarly, the upper part of the intermediate zone 541 is defined by an arc of a circle to which points D and D "belong. The point D (respectively D") is the point of impact on the Fresnel lens 54 of a parasitic ray 141 obtained by reflection of a direct incident ray 140 on the Fresnel lens 54 at point B (respectively point B ") then on an upper angle of the folding mirror 53 at point C (respectively C").
Un rayon incident parasite 132 situé dans le plan de symétrie normal à la lentille de Fresnel 54 supérieur central frappe la lentille de Fresnel 54 en un point D' après réflexion d'un rayon incident direct 131 en un point B' sur la lentille de Fresnel 54 puis en un point C sur la limite supérieur du miroir de repli 53. Pour des raisons de facilité d'usinage ou de moulage, le point D' est situé à l'intérieur de la partie 541 en dessous d'un point E' marquant la limite supérieure de la partie 541. En effet, le point E' est situé sur le même dioptre circulaire que les points D et D". Le miroir de repli 53 étant rectangulaire le point D' n'est donc pas situé sur la limite de la zone 540.A parasitic incident ray 132 situated in the plane of symmetry normal to the upper central Fresnel lens 54 strikes the Fresnel lens 54 at a point D 'after reflection of a direct incident ray 131 at a point B' on the Fresnel lens 54 then at a point C on the upper limit of the folding mirror 53. For reasons of ease of machining or molding, the point D 'is located inside the part 541 below a point E' marking the upper limit of the portion 541. Indeed, the point E is set on the same circular diopter that points D and D '. the folding mirror 53 being rectangular, point D 'is therefore not located on the limit of area 540.
Selon une variante de l'invention, la partie intermédiaire 541 s'étend au delà de la zone cible possible d'un rayon parasite. En particulier, elle peut couvrir toute la partie inférieure de la lentille 54 et comprendre l'équivalent des parties 542 et/ou 540 et de la partie 541 précédemment définies. L'angle β est alors égal à l'angle θ'int d'un rayon parasite obtenu par réflexion d'un faisceau issu de la source d'éclairement PR sur un plan auquel appartient la face plane de la lentille de Fresnel 54 puis sur un plan auquel appartient le miroir de repli 53.According to a variant of the invention, the intermediate part 541 extends beyond the possible target area of a parasitic radius. In particular, it can cover the entire lower part of the lens 54 and include the equivalent of the parts 542 and / or 540 and of the part 541 previously defined. The angle β is then equal to the angle θ ′ int of a parasitic ray obtained by reflection of a beam coming from the illumination source PR on a plane to which the plane face of the Fresnel lens 54 belongs and then on a plane to which the folding mirror 53 belongs.
Cela revient à prolonger les surfaces de réflexion générant les rayons parasites.That is to prolong the reflection surfaces generating the parasitic rays.
La figure 12 illustre les angles (exprimés en degrés suivant l'axe 121) représentatifs d'un dioptre en fonction du rayon, r, de la structure refractive circulaire auquel il appartient, suivant l'axe 120 où les distances sont exprimées en millimètres.FIG. 12 illustrates the angles (expressed in degrees along the axis 121) representative of a diopter as a function of the radius, r, of the circular refractive structure to which it belongs, along the axis 120 where the distances are expressed in millimeters.
Les courbes 126 et 124 représentent respectivement les valeurs de α et de θint.Curves 126 and 124 respectively represent the values of α and θint.
Ainsi, pour une distance r inférieure à 75 mm : - β représenté par la courbe 123 est confondu avec θ'int qui est inférieur à θint (partie 541); puis, β est confondu avec θint ; - ζ représenté par la courbe 125 varie en fonction de α et β suivant la relation ζ = β + 90 - α. La zone représentée correspondant à la zone Z1 , l'angle de sortie d'un faisceau d'imagerie θout, représenté par la courbe 122, est nul.Thus, for a distance r less than 75 mm: - β represented by the curve 123 is confused with θ'int which is less than θint (part 541); then, β is confused with θint; - ζ represented by the curve 125 varies as a function of α and β according to the relation ζ = β + 90 - α. The zone represented corresponding to zone Z1, the exit angle of an imaging beam θout, represented by the curve 122, is zero.
On note que le système étant préférentiellement hors d'axe, l'objet à projeter et l'image projetée ne sont pas sur l'axe. Les courbes sont donc définies pour des valeurs du rayon r strictement positives. Bien entendu, l'invention ne se limite pas aux modes de réalisation décrits précédemment.It is noted that the system being preferably off-axis, the object to be projected and the projected image are not on the axis. The curves are therefore defined for values of the radius r which are strictly positive. Of course, the invention is not limited to the embodiments described above.
L'homme du métier pourra notamment adapter l'invention à des appareils de rétroprojection possédant une structure différente, en particulier à des appareils comportant des miroirs de repli non nécessairement plans, en particulier asphériques. Dans un système comprenant une source d'imagerie, une lentille de Fresnel et au moins un miroir de renvoi, selon une variante de l'invention, la lentille de Fresnel comprend au moins une partie où les angles β (que font les faces c des dioptres, non utiles optiquement avec la normale au plan d'incidence) sont égaux aux angles d'entrée des rayons parasites obtenus par réflexion sur la lentille de Fresnel puis sur le dernier miroir de renvoi. Les angles d'entrées de ces rayons parasites sont donc définis sans ambiguïté en fonction du faisceau d'imagerie entrant, du positionnement du dernier miroir de repli vis-à-vis de la lentille de Fresnel et de la forme du dernier miroir de repli.A person skilled in the art will in particular be able to adapt the invention to rear projection devices having a different structure, in particular to devices comprising folding mirrors which are not necessarily planar, in particular aspherical. In a system comprising an imaging source, a Fresnel lens and at least one deflection mirror, according to a variant of the invention, the Fresnel lens comprises at least one part where the angles β (made by the faces c of the dioptres, not optically useful with the normal to the plane of incidence) are equal to the entry angles of the stray rays obtained by reflection on the Fresnel lens and then on the last reflecting mirror. The angles of entry of these parasitic rays are therefore unambiguously defined as a function of the incoming imaging beam, of the positioning of the last fall-back mirror with respect to the Fresnel lens and of the shape of the last fall-back mirror.
En outre, lorsque, selon cette variante, le miroir de repli est plan, il n'est pas nécessairement parallèle à la lentille de Fresnel.In addition, when, according to this variant, the folding mirror is plane, it is not necessarily parallel to the Fresnel lens.
Selon cette variante de l'invention, également, la lentille de Fresnel comprend en fonction des angles d'usinage maximum, ζlim, des dioptres soit une combinaison des zones Z1, Z2 et Z3 telles que précédemment définies, soit une combinaison des zones Z1 et Z2, soit préférentiellement la zone Z1 seule lorsque la valeur limite d'usinage (« footing » en anglais) le permet, la zone Z1 pouvant être divisées en plusieurs parties (chacune des parties correspondant à une valeur de l'angle β fonction de l'angle d'entrée d'un rayon incident soit direct soit parasite). According to this variant of the invention, also, the Fresnel lens comprises, as a function of the maximum machining angles, ζlim, diopters either a combination of the zones Z1, Z2 and Z3 as defined above, or a combination of the zones Z1 and Z2, or preferentially the zone Z1 alone when the machining limit value ("jogging" in English) allows it, the zone Z1 can be divided into several parts (each of the parts corresponding to a value of the angle β as a function of l 'angle of entry of an incident ray either direct or parasitic).

Claims

REVENDICATIONS
1) Lentille de Fresnel comportant :1) Fresnel lens comprising:
- une première face (f1 ) disposée selon un plan (P) et, - opposée à cette face, une deuxième face parallèle à la première face ; et comportant des structures réfractives circulaires et concentriques, chaque structure refractive étant délimitée par :- a first face (f1) arranged along a plane (P) and, - opposite this face, a second face parallel to the first face; and comprising circular and concentric refractive structures, each refractive structure being delimited by:
- une première surface (b) destinée à former un dioptre de réfraction et faisant un premier angle (α) avec ledit plan (P), et - une deuxième surface sans utilité optique et faisant un deuxième angle (β) avec la normale audit plan (P), chaque dite structure étant destinée à être éclairée par un rayonnement faisant un angle d'entrée (θint) différent de zéro degré avec la normale audit plan (P), caractérisé en ce que la deuxième face comporte au moins deux zones de structures réfractives réparties entre le centre des structures réfractives concentriques et la périphérie de la lentille de Fresnel : • une première zone proche du centre dans laquelle : o le premier angle (α) de chaque première surface est tel que les structures réfractives réfractent ledit rayonnement selon une direction faisant un angle (θout) nul par rapport à une direction (XX') déterminée, o le deuxième angle (β) de chaque deuxième surface est égal audit angle d'entrée (θint), • une deuxième zone dans laquelle : o le premier angle (α) de chaque première surface est tel que les structures réfractives réfractent ledit rayonnement selon une direction faisant un angle (θout) non nul et inférieur à une valeur maximale (θmax) par rapport à la direction (XX') déterminée, o le deuxième angle (β) de chaque deuxième surface est égal audit angle d'entrée (θint). 2) Lentille de Fresnel selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte également au moins une troisième zone située entre la deuxième zone et la périphérie de la lentille dans laquelle :- a first surface (b) for forming a refractive diopter and making a first angle (α) with said plane (P), and - a second surface without optical purpose and making a second angle (β) with the normal to said plane (P), each said structure being intended to be illuminated by radiation forming an inlet angle (θint) different from zero degrees with the normal to said plane (P), characterized in that the second face comprises at least two zones refractive structures distributed between the center of the concentric refractive structures and the periphery of the Fresnel lens: • a first zone close to the center in which: o the first angle (α) of each first surface is such that the refractive structures refract said radiation according to a direction making an angle (θout) zero with respect to a determined direction (XX '), where the second angle (β) of each second surface is equal to said entry angle (θint), • a second zone in which: o the first angle (α) of each first surface is such that the refractive structures refract said radiation in a direction making an angle (θout) not zero and less than a maximum value (θmax) with respect to the direction (XX ') determined, where the second angle (β) of each second surface is equal to said angle of entry (θint). 2) Fresnel lens according to claim 1, characterized in that it also comprises at least a third zone situated between the second zone and the periphery of the lens in which:
• Le premier angle (α) de chaque première surface est tel que les structures réfractives réfractent la lumière selon une direction faisant un angle (θout) non nul et égal à ladite valeur maximale (θmax) par rapport à la direction (XX') déterminée,• The first angle (α) of each first surface is such that the refractive structures refract the light in a direction making an angle (θout) not zero and equal to said maximum value (θmax) relative to the determined direction (XX ') ,
• Le deuxième angle (β) de chaque deuxième surface est supérieur audit angle d'entrée (θint).• The second angle (β) of each second surface is greater than said entry angle (θint).
3) Lentille de Fresnel selon la revendication 2, caractérisée en ce que chaque première surface fait avec chaque deuxième surface voisine un angle de gravure (ζ), cet angle ayant une valeur déterminée (ζlim) dans la deuxième et dans la troisième zone, et ayant une valeur supérieure à cette valeur déterminée dans la première zone.3) Fresnel lens according to claim 2, characterized in that each first surface forms with each second neighboring surface an etching angle (surface), this angle having a determined value (ζlim) in the second and in the third zone, and having a value greater than this value determined in the first zone.
4) Lentille de Fresnel selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite valeur déterminée (ζlim) de l'angle de gravure (ζ) est inférieur à 70°.4) Fresnel lens according to claim 3, characterized in that said determined value (ζlim) of the etching angle (ζ) is less than 70 °.
5) Lentille de Fresnel selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la première face est plane.5) Fresnel lens according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the first face is planar.
6) Lentille de Fresnel selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la première face est traitée antiréfléchissante de façon optimisée pour des angles d'incidence élevés d'un rayonnement incident.6) Fresnel lens according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the first face is treated anti-reflective in an optimized manner for high angles of incidence of incident radiation.
7) Lentille de Fresnel selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu'un nombre d'ouverture (=F- number) égal au maximum au double du rapport de la distance focale associée à un point de la lentille sur la distance de ce point à l'axe de la lentille est inférieure ou égale à 0,55. 8) Ecran de rétroprojection d'images comprenant une face d'entrée et une face de sortie à orienter vers des spectateurs, caractérisé en ce qu'il comprend une lentille de Fresnel selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, et en ce que cette lentille de Fresnel est disposée selon la face d'entrée de l'écran avec la face de la lentille portant les structures de réfraction orientée vers la face de sortie de l'écran.7) Fresnel lens according to any one of claims 1 to 6, characterized in that a numerical aperture (= F- number) equal at most to twice the ratio of the focal distance associated with the lens point over the distance from this point to the lens axis is less than or equal to 0.55. 8) Image A rear projection screen comprising an input face and an output face to be directed towards viewers, characterized in that it comprises a Fresnel lens according to any one of claims 1 to 7, and in that that this Fresnel lens is arranged along the entry face of the screen with the face of the lens carrying the refractive structures oriented towards the exit face of the screen.
9) Système destiné à la projection d'images comprenant :9) System for projecting images comprising:
- une source générant un faisceau d'imagerie ; - une lentille de Fresnel ; et- a source generating an imaging beam; - a Fresnel lens; and
- un miroir de renvoi du faisceau d'imagerie adapté à renvoyer ledit faisceau d'imagerie vers ladite lentille de Fresnel ; la lentille de Fresnel comportant :- an imaging beam return mirror adapted to return said imaging beam to said Fresnel lens; the Fresnel lens comprising:
- une première face (f1 ) disposée selon un plan (P) et, - opposée à cette face, une deuxième face parallèle à la première face et comportant des structures réfractives circulaires et concentriques, chaque structure refractive étant délimitée par une première surface (b) destinée à former un dioptre de réfraction et faisant un premier angle (α) avec ledit plan (P), et une deuxième surface sans utilité optique et faisant un deuxième angle (β) avec la normale audit plan (P), caractérisé en ce qu'au moins une partie desdites structures, formant un premier ensemble de structures, est destinée à être éclairée par :- a first face (f1) arranged along a plane (P) and, - opposite this face, a second face parallel to the first face and comprising circular and concentric refractive structures, each refractive structure being delimited by a first surface (b ) intended to form a refractive diopter and making a first angle (α) with said plane (P), and a second surface without optical utility and making a second angle (β) with the normal to said plane (P), characterized in that that at least part of said structures, forming a first set of structures, is intended to be illuminated by:
• un premier faisceau, dit faisceau direct, issu dudit faisceau d'imagerie et qui n'a pas été réfléchi par ladite première face, ledit faisceau direct formant un premier faisceau incident par transmission dudit faisceau direct à l'intérieur de ladite lentille de Fresnel ;• a first beam, said direct beam, coming from said imaging beam and which has not been reflected by said first face, said direct beam forming a first incident beam by transmission of said direct beam inside said Fresnel lens ;
• un second faisceau, dit faisceau parasite, issu dudit faisceau d'imagerie et qui a été réfléchi par ladite première face puis par ledit miroir de renvoi, ledit faisceau parasite formant un second faisceau incident par transmission dudit faisceau parasite à l'intérieur de ladite lentille de Fresnel ; ledit second faisceau incident faisant un angle d'entrée (θ'int) différent de zéro degré avec la normale audit plan (P), le deuxième angle (β) de la deuxième face de chaque structure dudit premier ensemble étant supérieur audit angle d'entrée (θ'int) dudit second rayon incident moins 10 degrés ; et le deuxième angle (β) de la deuxième face de chaque structure dudit premier ensemble étant inférieur à une borne supérieure égale audit angle d'entrée (θ'int) dudit second rayon incident plus 2 degrés.• a second beam, said stray beam, coming from said imaging beam and which has been reflected by said first face then by said deflection mirror, said stray beam forming a second incident beam by transmission of said stray beam inside said Fresnel lens; said second incident beam making an entry angle (θ'int) different from zero degrees with the normal to said plane (P), the second angle (β) of the second face of each structure of said first set being greater than said angle of entry (θ'int) of said second beam incident least 10 degrees; and the second angle (β) of the second face of each structure of said first set being less than an upper bound equal to said entry angle (θ'int) of said second incident ray plus 2 degrees.
10) Système selon la revendication 9, caractérisé en ce que le deuxième angle (β) de la deuxième face de chaque structure dudit premier ensemble est supérieur à cinq degrés.10) System according to claim 9, characterized in that the second angle (β) of the second face of each structure of said first set is greater than five degrees.
11) Système l'une quelconque des revendications 9 et 10, caractérisé en ce que le deuxième angle (β) de la deuxième face de chaque structure dudit premier ensemble est égal audit angle d'entrée (θ'int) dudit second rayon incident.11) System any one of claims 9 and 10, characterized in that the second angle (β) of the second face of each structure of said first set is equal to said entry angle (θ'int) of said second incident ray.
12) Système l'une quelconque des revendications 9 à 11 , caractérisé en ce que ladite lentille de Fresnel comprend au moins deux parties, dont : - une première partie où le deuxième angle (β) de la deuxième face de chaque structure dudit premier ensemble est égal audit angle d'entrée (θint') dudit second rayon incident ; et12) System any one of claims 9 to 11, characterized in that said Fresnel lens comprises at least two parts, including: - a first part where the second angle (β) of the second face of each structure of said first set is equal to said entry angle (θint ') of said second incident ray; and
- une seconde partie où le deuxième angle (β) de la deuxième face de chaque structure d'un second ensemble de structures est égal audit angle d'entrée (θint) dudit premier rayon incident.- a second part where the second angle (β) of the second face of each structure of a second set of structures is equal to said entry angle (θint) of said first incident ray.
13) Système selon l'une quelconque des revendications 9 à 12, caractérisé en ce que la deuxième face comporte au moins deux zones de structures réfractives réparties entre le centre des structures réfractives concentriques et la périphérie de la lentille de Fresnel :13) System according to any one of claims 9 to 12, characterized in that the second face comprises at least two zones of refractive structures distributed between the center of the concentric refractive structures and the periphery of the Fresnel lens:
- une première zone proche du centre dans laquelle le premier angle (α) de chaque première surface est tel que les structures réfractives réfractent le premier faisceau incident selon une direction faisant un angle (θout) nul par rapport à une direction (XX') déterminée ; et - une deuxième zone dans laquelle le premier angle (α) de chaque première surface est tel que les structures réfractives réfractent le premier faisceau incident selon une direction faisant un angle (θout) non nul et inférieur à une valeur maximale (θmax) par rapport à la direction (XX') déterminée.- a first zone close to the center wherein the first angle (α) of each first surface is such that the refractive structures refract the first incident beam along a direction making an angle (θout) zero with respect to a direction (XX ') determined ; and - a second zone in which the first angle (α) of each first surface is such that the refractive structures refract the first incident beam in a direction making an angle (θout) not zero and less than a maximum value (θmax) relative to the direction (XX ') determined.
14) Système selon l'une quelconque des revendications 9 à 13, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un écran lenticulaire comprenant des moyens de filtrage transparents pour les premiers rayons incidents réfractés par ladite lentille de Fresnel et filtrant les seconds rayons incidents réfractés par ladite lentille de Fresnel, lesdits moyens de filtrage étant juxtaposés à ladite lentille de Fresnel.14) System according to any one of claims 9 to 13, characterized in that it further comprises a lenticular screen comprising transparent filtering means for the first incident rays refracted by said Fresnel lens and filtering the second refracted incident rays by said Fresnel lens, said filtering means being juxtaposed with said Fresnel lens.
15) Système selon l'une quelconque des revendications 9 à 14, caractérisé en ce qu'il comprend un écran de rétroprojection d'images comprenant une face d'entrée et une face de sortie à orienter vers des spectateurs, ledit écran comprenant ladite lentille de Fresnel, cette lentille de Fresnel étant disposée selon la face d'entrée de l'écran avec la face de la lentille portant les structures de réfraction orientée vers la face de sortie de l'écran.15) System according to any one of claims 9 to 14, characterized in that it comprises an image projection screen comprising an entry face and an exit face to be directed towards spectators, said screen comprising said lens Fresnel lens, this Fresnel lens being arranged along the entry face of the screen with the face of the lens carrying the refraction structures facing the exit face of the screen.
16) Système selon l'une quelconque des revendications 9 à 15, caractérisé en ce que le nombre d'ouverture égale au maximum au double du rapport de la distance focale associée à un point de la lentille sur la distance de ce point à l'axe de ladite lentille de Fresnel est inférieure ou égale à 0,55.16) System according to any one of claims 9 to 15, characterized in that the number of apertures equal at most to twice the ratio of the focal distance associated with a point of the lens on the distance from this point to the axis of said Fresnel lens is less than or equal to 0.55.
17) Appareil de rétroprojection caractérisé en ce qu'il comprend : - un écran de rétroprojection selon la revendication 8 ou un système selon l'une quelconque des revendications 9 à 16 ; et - un appareil de projection (PR) émettant un faisceau lumineux en direction de la lentille de Fresnel dudit écran ou dudit système. 18) Appareil de rétroprojection selon la revendication 17, caractérisé en ce que l'appareil de projection est placé selon l'axe de la lentille de Fresnel et permet de projeter une image sur une partie seulement de la lentille de Fresnel située d'un côté de son axe. 17) Rear projection apparatus characterized in that it comprises: - a rear projection screen according to claim 8 or a system according to any one of claims 9 to 16; and - a projection apparatus (PR) emitting a light beam toward the Fresnel lens of said screen or said system. 18) Rear projection apparatus according to claim 17, characterized in that the projection apparatus is placed along the axis of the Fresnel lens and makes it possible to project an image on only part of the Fresnel lens situated on one side of its axis.
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