FR2641928A1

FR2641928A1 - Device for projecting images

Info

Publication number: FR2641928A1
Application number: FR8900480A
Authority: FR
Inventors: Jean Claude Lehureau
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1989-01-17
Filing date: 1989-01-17
Publication date: 1990-07-20
Anticipated expiration: 2009-01-17
Also published as: FR2641928B1

Abstract

This device for projecting images makes it possible to view an object 3 by projection. It includes: - a plurality of light sources 1.1 to 1.n illuminating the object 3; - a lens 2 focusing the illuminating beam onto an image plane; - a plurality of spatial filters 4.1 to 4.n arranged in this image plane, a filter aligned with the optical centre of the lens corresponding with each source. Applications: indoor projection of electronic images formed on a liquid-crystal screen.

Description

DISPOSITIF DE PROJECTION D'JMAGES
L'invention concerne un dispositif de projection d'images et notamment un dispositif permettant de visualiser par transparence un objet tel qu'un écran à cristal liquide.DEVICE FOR PROJECTING JMAGES
The invention relates to an image projection device and in particular to a device making it possible to visualize by transparency an object such as a liquid crystal screen.

La présentation d'images de télévision sur un écran est affectée d'une certaine dégradation liée au balayage de limage. Cette dégradation exprimée sous forme d'un coefficient appelé Facteur de Kell est une notion physiologique dépendante de la fréquence trame, du taux; dtinterlignage, de la nature de l'écran. Même en optimisant tous ces paramètres par l'usage de mémoire électronique, l'existence d'un tramage entraîne une dégradation de l'image que l'on peut estimer à 20 %. Dans le cas de matrice destinée à la projection, cette dégradation est d'autant plus appréciable - que la résolution techniquement réalisable est à peine suffisante pour l'application visée. The presentation of television images on a screen is affected by some degradation related to the image scan. This degradation expressed in the form of a coefficient called Kell Factor is a physiological notion dependent on the frame frequency, the rate; interlining, the nature of the screen. Even by optimizing all these parameters by the use of electronic memory, the existence of a screening results in a degradation of the image that can be estimated at 20%. In the case of a matrix intended for projection, this degradation is all the more appreciable - that the technically feasible resolution is barely sufficient for the intended application.

I1 est connu que la projection d'objets tramés peut faire l'objet d'un filtrage optique permettant la suppression dans le spectre de l'objet de toutes fréquences supérieures à la moitié de la fréquence d'échantillonnage. Toutefois cette opération ne peut se réaliser sans que la source ne soit relativement cohérente spatialement. Cette faible étendue spatiale de la source se traduit pratiquement par une puissance insuffisante dans le cas de source thermique et par un coût élevé de l'apparition de phénomenes parasites (speckle) dans le cas d'un laser. It is known that the projection of raster objects can be optically filtered to remove in the spectrum of the object all frequencies greater than half the sampling frequency. However, this operation can not be performed without the source being relatively spatially coherent. This small spatial extent of the source is practically translated by an insufficient power in the case of thermal source and by a high cost of the appearance of parasite phenomena (speckle) in the case of a laser.

L'invention permet de résoudre ces difficultés en fournissant un système présentant les avantages des systèmes connus dans la technique et fournissant de plus une source 100 à 1000 fois plus étendue et suffisamment puissante pour l'utilisation dans des grande salles.-
L'invention concerne donc un dispositif de projection d'images permettant de vjsualiser par transparence un objet comportant un réseau d'éléments images, caractérisé en ce qu'il comporte
- une pluralité de sources lumineuses cohérentes éclairant l'objet
- une première lentille focalisant le faisceau d'éclairement de l'objet sur un plan image
- une pluralité de filtres spatiaux disposés dans ledit plan image à chaque source lumineuse (1.1 à 1.n) correspondant un filtre spatial aligné avec le centre optique de la première lentille.The invention solves these difficulties by providing a system having the advantages of systems known in the art and further providing a 100 to 1000 times larger and sufficiently powerful source for use in large rooms.
The invention therefore relates to an image projection device for transparently visualizing an object comprising an array of image elements, characterized in that it comprises
a plurality of coherent light sources illuminating the object
a first lens focusing the illumination beam of the object on an image plane
a plurality of spatial filters arranged in said image plane at each light source (1.1 to 1.n) corresponding to a spatial filter aligned with the optical center of the first lens.

Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre faite à titre d'exemple en se reportant aux figures annexées qui représentent
- les figures 1; 2a et 2b, un système de projection connu dans la technique;
- la figure 3, une vue simplifiée d'un systeme deprojection selon l'invention;
- la figure 4, un exemple de réalisation détaillée du systeme de l'invention;
- les figures 5 et 6, des exemples de réalisation du filtre de phase de la figure 3
- les figures 7 à 9, des exemples de realisation de l'ensemble de sources lumineuses du système de la figure 3.The various objects and features of the invention will appear more clearly in the following description given by way of example with reference to the appended figures which represent
- Figures 1; 2a and 2b, a projection system known in the art;
- Figure 3, a simplified view of a projection system according to the invention;
FIG. 4, an example of a detailed embodiment of the system of the invention;
FIGS. 5 and 6, exemplary embodiments of the phase filter of FIG. 3
FIGS. 7 to 9, examples of embodiment of the set of light sources of the system of FIG. 3.

La figure 1 représente le mode de réalisation tradltionnelle d'un dispositif de projection à filtrage de trame. Ce dispositif comporte une source S sensiblement cohérente éclairant en transparence par une lentille 2, un objet 3. L'objet 3 retransmet de la lumière diffractée et- non diffractée à un diaphragme 4, tel que celui représenté en figure 2a, et tenant lieu de filtre spatial. Le filtrage se fait selon une bande passante du type représenté en figure 2b. Il apparaît que si N2 est le nombre de points de l'objet t projeter et la part de résolution que l'on accepte de perdre, l'étendue maximum de la source utilisation est : (αN#) .A titre d'exemple le projection d'une image de 1000 x 1000 à 90 % de résolution ne peut se faire avec une source plus grande que # = 2500 . Fig. 1 shows the conventional embodiment of a screen filter projection device. This device comprises a substantially coherent source S illuminating in transparency by a lens 2, an object 3. The object 3 retransmits diffracted and non-diffracted light to a diaphragm 4, such as that represented in FIG. 2a, and taking the place of spatial filter. The filtering is done according to a bandwidth of the type represented in FIG. 2b. It appears that if N2 is the number of points of the object t project and the part of resolution that one accepts to lose, the maximum extent of the source use is: (α N #) .A title of example the projection of an image of 1000 x 1000 to 90% resolution can be done with a source greater than # = 2500.

La figure 3 montre le principe du détramage suivant l'invention
- sutant de sources 1.1 à 1.n que le permet l'ouverture numérique de l'objectif de projection 2 sont imagées sur un filtre de phases aléatoires 4 de telle manière que seule la portion de spectre entourant chaque point source puisse être imagée sans subir de déphasage aléatoire par rapport à l'ordre zéro. L'étendue géométrique ou flux lumineux qui traverse l'objet et l'objectif est alors limitée par l'ouverture de l'objectif de projection et par la taille de la matrice de source de projection : D = (aD ON) 2
où:
aest le coefficient de résolution de l'image projetée
D est la taille (ou le diamètre) d'un élément image
de l'objet 3
ON est l'ouverture numérique de ltobjectif. Figure 3 shows the principle of descreening according to the invention
from sources 1.1 to 1.n, as permitted by the numerical aperture of the projection lens 2, are imaged on a random phase filter 4 so that only the portion of the spectrum surrounding each source point can be imaged without undergoing of random phase shift with respect to the zero order. The geometric extent or luminous flux that passes through the object and the objective is then limited by the opening of the projection lens and by the size of the projection source matrix: D = (aD ON) 2
or:
a is the resolution coefficient of the projected image
D is the size (or diameter) of an image element
of object 3
ON is the numerical aperture of the objective.

A titre d'exemple la projection à 90 % de résolution d'une matrice 2" X 2" avec un objectif ouvert à F/2 permet l'emploi d'une source d'étendue 6 mm. By way of example, the 90% resolution projection of a 2 "X 2" matrix with an objective open at F / 2 allows the use of a source of 6 mm range.

La figure 4 représente un exemple de réalisation plus détaillé du dispositif de l'invention. FIG. 4 represents a more detailed exemplary embodiment of the device of the invention.

Dans un plan XX' est contenu un ensemble de sources sensiblement cohérentes 1.1, 1.2. à I. n. Ces sources sont de préférence disposées de façon matricielle à un pas de répartition d. La surface de chaque source est: (a N) 2
Les sources 1.1 à 1.n éclaire, par un objectif 2, un obJet 3 disposé dans un plan YY' parallèle au plan XX'.In a plane XX 'is contained a set of substantially coherent sources 1.1, 1.2. at I. n. These sources are preferably arranged in a matrix manner at a distribution step d. The surface of each source is: (a N) 2
The sources 1.1 to 1.n light, by an objective 2, an obJet 3 disposed in a plane YY 'parallel to the plane XX'.

Dans un plan ZZ' parallèle aux pIans XX' et YY', situé de telle façon que les faisceaux issus des sources focalisent dans ce plan, est disposée une matrice 4 de filtres spatiaux (4.1, 4.2 à 4.n). Chaque filtre a une dimension e et le pas de répartition de ces filtres est p. In a plane ZZ 'parallel to the poles XX' and YY ', situated in such a way that the beams coming from the sources focus in this plane, is arranged a matrix 4 of spatial filters (4.1, 4.2 to 4.n). Each filter has a dimension e and the distribution pitch of these filters is p.

La surface de chaque source 1.1 à i. n est inférieure à la valeur de (aNA)2 = E < (αN#)
La distance angulaire d entre deux sources doit être supérieure à une valeur correspondant à deux fois l'angle de diffraction créé par une alternance de contraste existant entre deux éléments images voisins.The surface of each source 1.1 to i. n is less than the value of (aNA) 2 = E <(α N #)
The angular distance d between two sources must be greater than a value corresponding to twice the diffraction angle created by an alternation of contrast existing between two neighboring image elements.

Plus précisément cette distance angulaire entre deux sources doit répondre à la condition
d > 2 où:
X est la longueur d'onde lumineuse de la source o 1 1, D étant la dimension des éléments images
2D de l'objet 3 ou le pas de leur réparti
tion
Le filtre spatial 4 est un réseau de filtres individuels disposés en matrice de telle façon qu a chaque source I, 1 à 1. n corresponde un filtre individuel 4.1 à 4. n aligné avec le centre optique de l'objectif. Ainsi la lumière d!une source 1,1 à 1.n, transmise sans diffraction par l'objet 3, vient se focaliser sur une filtre individuel 4.1 à 4.n déterminé. Le pas p de répartition des filtres individuels 4.1 à 4.n répond donc à cette condition d'alignement de chaque filtre avec le centre optique de l'objectif 2 et une source 1.1 à 1.n. More precisely, this angular distance between two sources must satisfy the condition
d> 2 where:
X is the light wavelength of the source o 1 1, where D is the dimension of the image elements
2D of object 3 or not their distributed
tion
The spatial filter 4 is an array of individual filters arranged in a matrix such that each source I, 1 to 1. n corresponds to an individual filter 4.1 to 4.n aligned with the optical center of the objective. Thus the light of a source 1.1 to 1.n, transmitted without diffraction by the object 3, focuses on a specific filter 4.1 to 4.n determined. The distribution pitch p of the individual filters 4.1 to 4.n thus responds to this alignment condition of each filter with the optical center of the objective 2 and a source 1.1 to 1.n.

Les dimensions telles que e de chaque filtre individuel est proportionnel à la bande passante que peut passer un élément image suivant la relation e = 2FSX
Le filtre spatial 3 peut être réalisé, comme cela est représenté en figure 5, sous la forme d'une pupille de filtres de phase individuels 4.1 à 4. n. Ces filtres individuels présentent des longueurs de trajets optiques différents soit en raison d'épaisseurs différentes de ces différents filtres, soit en raison d'indices de réfraction différents d'un filtre à un autre. The dimensions such that e of each individual filter is proportional to the bandwidth that an image element can pass according to the relation e = 2FSX
The spatial filter 3 can be realized, as shown in FIG. 5, in the form of a pupil of individual phase filters 4.1 to 4. n. These individual filters have different optical path lengths either because of different thicknesses of these different filters, or because of different refractive indices from one filter to another.

Selon un autre mode de réalisation, le filtre spatial 4 peut être, comme cela est représenté en figure 6, un assemblage de filtres individuels. According to another embodiment, the spatial filter 4 can be, as shown in FIG. 6, an assembly of individual filters.

Le spectre entourant l'image de chaque point source est isolé par un diaphragme. Chaque point source est suffisamment isolé des voisins pour que les composantes diffractées dans les diaphragmes voisins ne soient pas significatives. The spectrum surrounding the image of each source point is isolated by a diaphragm. Each source point is sufficiently isolated from the neighbors so that the diffracted components in the neighboring diaphragms are not significant.

Dans une autre variante de réalisation le filtre spatial 4 peut être un filtre multicolore permettant de respecter pour chaque couleur primaire la bande passante spatiale qui lui est associée. Un exemple d'élément constitutif de ce filtre dans le cas d'une matrice à éléments colorés constitué de quadruplets est représenté en figure 10. In another variant embodiment, the spatial filter 4 may be a multicolored filter making it possible to respect for each primary color the spatial bandwidth associated with it. An exemplary element of this filter in the case of a matrix with colored elements consisting of quadruplets is shown in FIG.

On peut envisager la superposition de diaphragmes cyan, jaune; magenta dans le cas ou la couleur associée à chaque source est différente. Bien que ce mode de filtrage ne permette qu'une étendue de la source réduite à un dizième environ du cas précédent, cette étendue est 100 fois supérieure à celle du cas cohérent. We can consider the superposition of cyan, yellow diaphragms; magenta in the case where the color associated with each source is different. Although this filtering mode only allows a range of the source reduced to about a tenth of the previous case, this range is 100 times greater than that of the coherent case.

La figure 7 représente un mode de réalisation de la matrice de points sources à partir d'une source unique S. La source S éclaire par une lentille 6, une matrice de fibres 0.1 à O.n. La lumière entre dans chaque fibre par une extrémité et est réémise par l'autre extrémité. Ces fibres sont du type à gradient d'indice (type SELFOC), de façon à ce qu'elles présentent une variation continue de l'indice à partir du coeur de la fibre vers la périphérie ce qui permet un effet de focalisation. La figure 8 représente une fibre à gradient d'indice. Chaque élément de fibre 1.1 à 1. n de la figure 6 est réalisé par découpe selon un plan ab d'une portion d'une fibre à gradient d'indice.Les différentes portions de fibre découpées et assemblées presentent la même variation d'indice de façon à être optiquement similaires. FIG. 7 represents an embodiment of the matrix of source points from a single source S. The source S illuminates with a lens 6, a fiber matrix 0.1 at O.n. The light enters each fiber at one end and is re-emitted from the other end. These fibers are of the index gradient type (SELFOC type), so that they exhibit a continuous variation of the index from the core of the fiber towards the periphery, which allows a focusing effect. Figure 8 shows a graded index fiber. Each fiber element 1.1 to 1. n of FIG. 6 is produced by cutting along a plane ab of a portion of a gradient-index fiber. The different cut and assembled fiber portions have the same index variation. so as to be optically similar.

La figure 9 montre un autre mode de réalisation de la matrice de sources. Deux réseaux de lentilles cylindriques 8 et 9 sont croisés et assemblés par un liquide 7 ou un polymère dont l'indice est faiblement différent de celui du matériau des lntiIies - ia réaiisation d'un tel réseau de lentille est aisé car il suffit de réaliser deux plans 8 et 9 de lentilles cylindriques, ces deux plans 8 et 9 pouvant être identiques, et de les assembler en prevoyant un liquide d'indice. Figure 9 shows another embodiment of the source matrix. Two cylindrical lens arrays 8 and 9 are crossed and assembled by a liquid 7 or a polymer whose index is slightly different from that of the material of the lntiIies - the realization of such a lens array is easy because it suffices to make two planes 8 and 9 cylindrical lenses, these two planes 8 and 9 may be identical, and assemble by providing a liquid index.

Les applications de l'invention sont plus particulièrement la projection, en salle, d'images électroniques formées sur un écran à cristaux liquides. Les avantages principaux de ce procédé sont une amélioration sensible de l'image vidéo haute définition permettant à celui-ci de concurrencer les supports argentiques. Dans le domaine de la projection d'images synthétiques, l'invention permet d'utiliser des écrans à faible résolution grâce à la suppression de l'effet d'allasing. The applications of the invention are more particularly the projection, in the room, of electronic images formed on a liquid crystal screen. The main advantages of this method are a significant improvement in the high-definition video image allowing it to compete with the film supports. In the field of the projection of synthetic images, the invention makes it possible to use screens with low resolution by suppressing the effect of allasing.

I1 est bien évident que la description qui précède n'a été faite qu'à titre d'exemple non limitatif et que d'autres variantes peuvent être envisagées sans sortir du cadre de l'invention. Les exemples numériques et la nature des matériaux indiqués n'ont été fournis que pour illustrer - la description. It is obvious that the above description has been made only by way of non-limiting example and that other variants can be envisaged without departing from the scope of the invention. Numerical examples and the nature of the materials indicated were provided only to illustrate - the description.

Claims

1. Apparatus for projecting images making it possible to visualize by transparency an object (3) comprising a network of image elements (3.1 to 3.N), characterized in that it comprises

a plurality of coherent light sources (1.1 to 1.n) illuminating the object (3)

a first lens (2) focusing the illumination beam of the object (3) on an image plane (ZZ ')

a plurality of spatial filters (4.1 to 4. n) arranged in said image plane (ZZ '), to each light source (1.1 to 1.n) corresponding to a spatial filter (4.1 to 4.n) aligned with the optical center of the first lens (2).

2. Projection device according to claim 1, characterized in that the distance between two light sources (1.1 to 1.n) is greater than twice the diffraction angle created by a transition of different contrasts between two image elements.

3. Projection device according to claim 1 characterized in that the emission area of each source is less than the product of the number of image points (N) of the object (3) by the square of the light wavelength. and the square of the resolution coefficient of the obtained image.

4. Projection device according to claim 1, characterized in that the surface of a spatial filter (4.1 to 4. n) is proportional to the bandwidth that can pass an image element.

5. Projection device according to claim 1, characterized in that the plurality of spatial filters (4.1 to 4.n) is in the form of an assembly (4) of phase filters determining different optical path lengths, these filters being assembled randomly in this assembly (4).

6. Projection device according to claim 1, characterized in that the plurality of spatial filters (4.1 to 4.n) is in the form of an assembly of spatial filters of different bandwidths and isolated from each other.

7. Projection device according to claim 1, characterized in that the plurality of light sources (1.1 to In) comprises a light source (S) illuminating a set of fibers (0.1 to On) receiving light from the source (S) on one side and retransmitting it on the other side, said fibers being index gradient fibers.

8. Projection device according to claim 1, characterized in that the plurality of light sources comprises a light source S illuminating two flat cylindrical lens arrays (8 and 9) arranged orthogonally and assembled by a material index (7) weakly different from the materials of the 8 and 9 lens networks.

9. Projection device according to claim 1, characterized in that each spatial filter comprises a frequency filter.

10. Projection device according to claim 1, characterized in that the light sources (1.1 to 1.n) are of different colors.