FR2878967A1 - Moteur de video projection numerique a faisceau lumineux - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un système permettant de projeter une séquence d'image vidéo numérique, sur un écran de taille et de forme variable, à l'aide d'un faisceau lumineux pouvant être généré par une source (1) sur rotule 3D (2), de type laser de faible/moyenne puissance ou de type lumière blanche. Le système comporte un micro-disque obturateur (4) avec fentes (3), deux disques optiques rotatifs (5) et (7) asservis numériquement sur un axe (12) avec rotules 3D (6), générant le balayage vertical et horizontal de l'écran, le tout terminé par un obturateur rectangulaire (8). L'affichage est réalisé par réflexions successives du faisceau lumineux sur des facettes réfléchissantes microscopiques, enduites d'une très fine couche métallique, et disposées sur la surface des disques (5) et (7). La surface de chacune des facettes est orientée avec un angle de réflexion croissant selon un « pas » angulaire qui dépend de l'application visée. L'angle de réflexion appliqué au faisceau lumineux par chacune des facettes, dépend du type de disque : vertical (5) ou horizontal (7), de la vitesse de rotation et de la position de la facette sur le disque, qui est fonction de la plage : rouge (9), vert (10) ou bleu (11), du secteur et du « pas » retenu, à un instant « t » donné. Le système sera appliqué au Cinéma Numérique très haut de gamme.

Description

La présente invention concerne un module correspondant au dernier étage

d'un vidéo projecteur de 2ème génération pour le cinéma numérique, permettant la projection sur grand écran d'un signal vidéo RVB à ultra haute définition, utilisant comme source lumineuse un laser de faible / moyenne puissance ou de la lumière blanche générée par

une lampe au xénon de très forte intensité.

La projection dans les salles de Cinéma est traditionnellement réalisée à base de projecteur à pellicules 35mm ou 70mm. Il existe maintenant un certain nombre d'implémentations, à base de technologie DLP ou LCD, qui permettent d'atteindre une résolution de 2K x 1K, ainsi qu'un prototype, à base de technologie GLV, supportant 4K x 2K pixels. L'utilisation de ces technologies appliquées à des résolutions élevées, induit des coûts exponentiels liés au développement des composants de bases (boîtiers DLP, GLV et matrice LCD). L'utilisation de composants métalliques microscopiques (micro-miroirs DMD pour la technologie DLP et de micro-lamelles pour le GLV), induit des problèmes de champ magnétique résiduel, de résonance, de vieillissement (suite aux torsions multiples et répétées), d'oxydation ainsi qu'une limitation en ce qui a trait à la fréquence de battement / rafraîchissement maximale pouvant être atteinte. Au niveau LCD les problèmes principaux résident dans l'utilisation; 1) de filtres dichroïques induisant des pertes de transmission et une distorsion des composants de base de la couleur (mélange RVB, gamme et température) au niveau du signal lumineux reconstitué, 2) de matrices d'obturation LCD ayant une fréquence maximale d'activation / désactivation (cycle d'obturation) limitée. Ces effets conjugués rendent difficile l'optimisation du couple mélange/température de la couleur avec un niveau de contraste suffisant, requis par les cinéphiles. Le champ d'application est orienté Cinéma Numérique très haut de gamme dans un premier temps, et pourra être ré-appliqué à d'autres segments de marché (p. ex. le Home Cinéma ) une fois que le niveau d'intégration (réduction de la taille du mécanisme) et les coûts d'industrialisation auront été suffisamment optimisés.

Le système selon l'invention permet de reproduire une séquence d'images couleur à Ultra Haute Définition (UHD), à l'aide d'une source lumineuse, sur un écran de projection de taille et de forme variable. L'enjeu est de préserver à la sortie les caractéristiques intrinsèques du signal d'origine (gamme, mélange, température de la couleur, résolution / définition, niveau de contraste,...).

La vidéo projection réalisée par un système presque entièrement optique (faisceau lumineux + miroirs microscopiques) est optimisée, car elle n'implique qu'une série de réflexions sur des disques optiques rotatifs, qui en définitive ne subiront qu'une usure mécanique très réduite.

Le principe de fonctionnement implique le balayage horizontal et vertical d'un faisceau lumineux sur une zone donnée (écran de projection), par réflexions successives de celui-ci, sur un premier disque responsable de générer le balayage vertical, puis, sur un second disque responsable de générer le balayage horizontal. Le faisceau aura un diamètre qui se tiendra à l'intérieur d'une plage d'environ 0,1 mm à 2,5 mm, à déterminer en fonction des applications visées, en sortie du bloc de projection. Au lieu d'utiliser le disque optique rotatif pour la simple lecture/sauvegarde d'informations numériques, nous utilisons un support similaire pour graver à l'aide d'un faisceau laser des facettes microscopiques, qui une fois recouvertes d'une fine couche métallisée permettent de réfléchir un faisceau lumineux, selon différents angles. Ces derniers sont déterminés par la géométrie (angle) de la surface plane associée à chacune des facettes, qui est fonction de la position de celles-ci sur le disque à un instant t donné. La succession de réflexions sur les disques optiques rotatifs permettent de réaliser le balayage efficacement avec un minimum de problème d'atténuation, de réfraction et de diffraction.

Selon les modes particuliers de réalisation: On utilise un premier disque optique rotatif pour le balayage vertical et un second pour le balayage horizontal couplé d'un obturateur circulaire pour le cadencement du faisceau lumineux et d'un obturateur rectangulaire pour affiner le cadrage du pourtour de l'écran.

Le système peut être complété par des disques supplémentaires afin de permettre un pas angulaire plus important (donc plus facile à réaliser) sur chacun des disques. On peut remplacer le second disque optique rotatif par trois cylindres rotatifs (tambours) afin de permettre un pas angulaire plus important (dans le cas où on n'arrive pas à limiter suffisamment les vibrations au niveau des disques, en fonction des techniques d'usinage disponibles).

Trois types de source lumineuse sont envisagés: lumière blanche à lampe au xénon dont la température de la couleur est ajustable autour de 8500 K avec passage au travers de prismes filtrants RVB, utilisés p. ex. en Home Cinéma , laser monochromatique à faible/moyenne puissance permettant de générer les trois couleurs de base, soit le rouge, le vert et le bleu, laser bleu Si cette technologie est applicable au domaine (à confirmer), en combinaison avec des prismes par translation à l'intérieur du spectre, vers une des couleurs de base (RVB).

Les dessins annexés illustrent l'invention: La figure 1 représente en coupe, le système complet de l'invention.

La figure 2 représente la vue détaillée d'un des disques optiques rotatifs.

La figure 3 représente la section d'un disque optique rotatif avec l'alignement des facettes microscopiques.

La figure 4 représente une facette microscopique utilisée pour la réflexion verticale. La figure 5 représente une facette microscopique utilisée pour la réflexion horizontale. La figure 6 représente une variante avec plusieurs disques optiques rotatifs de pas angulaires différents.

La figure 7 représente une variante avec plusieurs cylindres optiques rotatifs de pas angulaires différents.

La figure 8 représente les plans (horizontal/vertical) associés à la variante de la figure 7. La figure 9 représente une vue détaillée du disque et d'un cylindre associée à la variante de la figure 7 avec un pas angulaire d'environ 1 , 2 , 3 ou 5 .

En référence à ces dessins, le mécanisme comporte sur la figure 1 un premier disque optique rotatif (5), à base d'un polymère utilisé pour réaliser les CDROM/DVD ou tout autre support aux propriétés équivalentes. La surface du disque comportera une succession de rangées de miroirs microscopiques (13), environ 1000 à 3000 au total par plage (p. ex. 300 par secteur et p. ex. 10 secteurs par plage), où l'orientation variera dans le plan vertical d'environ 0 à 9 et ce par pas d'environ 0,03 (ou tout autre multiple ou valeur à définir durant la phase de prototypage), qui aura pour fonction de dévier le faisceau dans le plan vertical.

Un second disque optique rotatif (7) ayant une vitesse environ 1000 à 5000 fois plus élevée aura pour fonction de dévier le faisceau dans le plan horizontal. La surface du disque comportera une succession de rangées de miroirs microscopiques (13), environ 1000 à 5000 par plage (p. ex. 500 par secteur et p. ex. 10 secteurs par plage), dont l'orientation variera suivant le plan horizontal d'environ 0 à 12 et ce par pas d'environ 0,03 (ou tout autre multiple ou valeur à définir durant la phase de prototypage).

Les disques (5 et 7) seront de très grande taille au départ, soit 45 cm de diamètre durant la phase de prototypage, pour être intégré à 30 cm, à 15 cm, puis à 5 cm, voire jusqu'à 3 cm, si le niveau d'intégration le permet en fonction des techniques disponibles, durant la phase industrielle.

Des facettes réfléchissantes 3D, p.ex. (13) et (14) sont représentées pour le plan vertical (18) sur la figure 4, et pour le plan horizontal (25) sur la figure 5, à angle variable seront ainsi sculptées/gravées par laser sur la surface en polymère (p. ex. technique similaire à la micro-chirurgie de la cornée) de chacun des secteurs des deux disques, avant d'être recouverte d'une très fine couche d'un composé à base p. ex. d'argent ou de chrome (ou tout autre composé ayant des propriétés réfléchissantes suffisantes permettant de limiter les problèmes d'oxydation), afin de constituer une série de miroirs microscopiques. L'alignement (16) des facettes microscopiques est réalisé sur le plan vertical (16) ainsi que par secteur (17) allant de 1 à n, est représenté à l'intérieur d'une section de disque (15). La fine couche métallique (21) sera déposé sur chacune des facettes gravées en 3D, c.-à- d. sur la partie centrale (20) selon l'angle vertical (22) et sur la partie centrale (24) pour selon l'angle horizontal (23). Chacune des facettes disposant d'un socle (19).

Sur la figure 1, les deux disques de balayage (5 et 7) seront fixés sur une rotule (6) à servocommande électronique 1D, 2D ou 3D, en fonction des micro-ajustements qui s'avéreront nécessaires, selon les trois axes, lors de la phase d'auto calibrage. Un micro-disque obturateur mécanique (3) en rotation variable à très haute vitesse asservi électroniquement, permettra de cadencer la source lumineuse. Un obturateur électronique rectangulaire (4), à LCD ou de simples micro- volets mécaniques et compatible avec le format 16/9 ou tout autre format utilisé au cinéma, permettra d'ajuster (au besoin), avant la sortie du module optique, la taille et la forme de l'image sur l'écran de projection. Le système retenu devra limiter les problèmes de diffraction (effets de bords), afin d'optimiser le niveau de contraste ainsi que la netteté de la tranche du pourtour/cadrage entre la zone projetée et sa périphérie.

La vitesse de rotation des deux disques sera contrôlée par un servomoteur à asservissement numérique ultra-précis (type lecteur de disque dur ou lecteur laser pour CD ROM/DVD). Un système de compensation sur plateau micro-motorisé 3D (2), pourra être intégré au besoin, à vis sans fin ou hydraulique ou pneumatique, permettra d'orienter/maintenir la tête optique (1) de façon optimale, étant donné le parcours à trois sections (résultant de la double réflexion). La vitesse élevé des disques autour des axes (12) génèrera un couple important qui aura pour effet de les stabiliser sur le plan vertical et sur le plan horizontal.

En fonction de la source lumineuse utilisée, il pourra être nécessaire de passer au travers de prismes (fixes ou rotatifs) permettant de ne laisser passer qu'une couleur de base à la fois. La surface du disque en rotation sera divisée en trois plages ou zones (9), (10) et (11) , dans le cas ou trois têtes lasers de petites tailles (1) pourront être positionnées face au premier disque (5), soit une plage/zone par couleur.

Un système de mire/guidage (utilisé dans les équipements de transmission optique à faisceau laser pour réaliser une section en mode visibilité directe , pourra être rajouté afin de caler précisément les trois balayages (RVB) sur l'écran de projection. Les mires seront constituées d'environ 12 à 20 motifs en forme de croix + . Celle-ci seront disposées, p. ex., sur 4 colonnes de 3 lignes ou 5 colonnes de 4 lignes et projetés sur l'écran avec une forte intensité afin d'en permettre la détection/localisation. Le tout sera activé durant la phase de calibrage nécessaire avant le début de chaque projection. Un capteur de mires permettra de positionner/calibrer finement chacun des groupes de faisceaux lumineux (RVB) sur l'écran de projection, p. ex. suite à un calcul de pire.

Le module interne de Vidéo Projection Numérique devra être maintenu en atmosphère négative (sous vide partiel) afin de limiter le phénomène d'oxydation et l'introduction de micro-poussières sur les disques. Les disques pourront être régulièrement remplacés durant une simple opération de maintenance.

Le système ne devrait pas connaître les problèmes de limitation; au niveau fréquence de rafraîchissement/balayage et résolution pouvant être atteinte, que l'on retrouvent dans les systèmes matriciels à base de technologie DLP, LCD ou à lamelles à base de technologie GLV. Le système devrait permettre de s'affranchir des problèmes suivants: surchauffe qui apparaît au delà d'une certaine fréquence de battement au niveau des micro-miroirs en technologie DLP ou des lamelles métalliques en technologie GLV, ou phénomène d'entrée en résonance des parties vibrantes métalliques, d'usure mécanique au niveau des jonctions métalliques, ou dégradation par oxydation et dépôt de micro-poussières sur les surfaces réfléchissantes en technologie DLP et GLV.

Les trois technologies pré-citées (DLP, LCD et GLV) induisent aussi des coûts de maintenance élevée, car suite à une panne, il y a obligation de remplacement du composant central. Le coût de fabrication devient prohibitif dès que la taille et le niveau d'intégration du composant (matrice d'éléments en technologie DLP / LCD ou le nombre de lamelles en technologie GLV) augmentent.

Autres variantes d'implémentation: Dans le cas ou un tel type de pas angulaire microscopique est difficile à réaliser techniquement, on peut introduire un certain nombre d'autres disques (26) et (27), ou de cylindres rotatifs (28) et (29) tournant autour d'un axe (30), et de plans inclinés en face des deux premiers disques (qui par une combinaison de réflexions avec des angles différents permettra de réaliser le balayage complet), cette fois-ci avec un pas (35) plus important (p. ex. d'environ 1 à 5 ).

es plans horizontaux (31) et (32) délimitent la zone de la source (1) et du premier faisceau visant le disque (5) sur le plan vertical (34) et face au plan vertical (33). Les facettes microscopiques seront alignées (36) selon un plan vertical sur chacun des cylindres optiques rotatifs.

Afin d'optimiser / limiter le nombre de facettes réfléchissantes de chacun des disques, on pourra utiliser (au besoin) une technique de projection, par étalement répartition de points associés à chacune des couleurs de bases, développée à l'époque pour l'imprimerie (un groupement / concentration de points reconstituant une figure / forme nette lorsque visionnée à partir d'une certaine distance).

Selon la configuration et le pas angulaire retenus, le système peut être 35 appliqué du Cinéma Numérique très haut de gamme au Home Cinéma .

Claims (9)

REVENDICATIONS

1) Dispositif (FIG. 1) à vidéo projection numérique caractérisé en ce qu'il comporte un faisceau lumineux, cadencé par un micro- obturateur à disque rotatif (4), issue d'une source laser (1) ou d'une source de lumière blanche (1), qui par une succession de réflexions, sur des disques rotatifs (5) et (7) asservis numériquement et comportant un alignement (16) de facettes réfléchissantes microscopiques (10) et (11), va générer un balayage horizontal et vertical.

2) Dispositif (FIG. 2) selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'un disque optique rotatif (5) comporte un alignement de facettes microscopiques réfléchissantes réparties sur trois plages (9), (10) et (11), permettant par une succession de réflexions un balayage horizontal ou vertical du faisceau sur l'écran de projection. Les facettes microscopiques (13) et (14) sont disposées en plusieurs secteurs (17) de 1 à n, préalablement gravés sur le disque (5) au moyen d'un laser, avant d'être enduit d'une très fine couche métallisée (21) permettant de réfléchir la lumière, ce qui transformera les facettes (13) en miroirs microscopiques. Chacune des facettes sera sculptée en fonction d'un angle spécifique déterminé par sa position (disque vertical/horizontal, plage rouge/vert/bleu, numéro de secteur et position angulaire sur le secteur).

3) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les disques optiques rotatifs permettant de réfléchir un faisceau lumineux uniquement à l'aide de surfaces/facettes réfléchissantes microscopiques (18) et (25), toutes alignées sur un même plan vertical et disposées sur les disques optiques rotatifs (5) et (7), afin de générer un balayage horizontal et vertical. Le parcours du faisceau part de la source lumineuse (1) pour être réfléchi par le premier disque de balayage vertical (5) avec un angle vertical spécifique (22), pour arriver sur le second disque de balayage horizontal qui lui fait quitter le plan vertical avec un angle horizontal spécifique (23).

4) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les rotules (2) ou (6) comportent un mécanisme permettant: de contrôler très précisément son mouvement dans les trois dimensions, de réaliser un alignement parfait entre la source lumineuse et les disques optiques rotatifs, afin de garantir durant le balayage une réflexion optimale du faisceau lumineux par le biais des facettes microscopiques.

5) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le disque obturateur (4) comporte un certain nombre de fentes (3) de tailles et de positions différentes nécessaires pour générer le cadencement des faisceaux RVB produits par les trois sources (1) alignées verticalement, le tout parfaitement synchronisé avec l'asservissement numérique des disques optiques rotatifs (5) et (7).

6) Dispositif (FIG. 6) selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte un certain nombre d'autres disques (26) x 2 et (27) x 2, face aux deux premiers disques (5) et (7), qui par une combinaison de réflexions avec des angles différents permettra de réaliser le balayage complet, cette fois-ci avec un pas plus important (p. ex. d'environ 1 à 5 ). Optionnellement, une série de plans réfléchissants inclinés, fixes ou mobiles, peuvent être rajoutés afin de compléter la plage angulaire à couvrir. Par exemple, lorsque la surface / taille des disques ne permettent pas d'y graver un nombre suffisant de facettes microscopiques, nécessaire afin de balayer la totalité de la surface pour une résolution donnée.

7) Dispositif (FIG. 7, FIG.

8 et FIG.

9) selon la revendication 1 et 6 caractérisé en ce qu'il comporte un certain nombre de cylindres optiques rotatifs (28) et (29), faisant face à un disque optique rotatif (5) de balayage vertical, le tout muni de facettes microscopiques réfléchissantes (13). En option, une série de plans réfléchissants inclinés, fixes ou mobiles, peuvent être rajoutés afin de compléter la plage angulaire à couvrir. Par exemple, lorsque la surface/taille du disque ou des cylindres ne permettent pas d'y graver un nombre suffisant de facettes microscopiques, nécessaire afin de balayer la totalité de la surface pour une résolution donnée.