FR2887038A1 - Systeme optique et element optique correspondant - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un système optique (1100) comprenant :- au moins une source d'illumination (30) adaptée à produire un faisceau d'illumination (35) ; et- au moins un imageur (34) apte à produire un faisceau d'imagerie (37) lorsqu'il est éclairé par ledit faisceau d'illumination ;ledit système étant caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, :- des moyens de collimation (1101) dudit faisceau d'illumination ; et- au moins un élément optique (1101) comprenant, sur une première surface, des moyens pour réorienter une partie dudit faisceau d'illumination vers ledit imageur, de sorte à éclairer ledit imageur et pour adapter la forme dudit faisceau audit imageur.

Description

Système optique et élément optique correspondant.

1. Domaine de l'invention.

L'invention se rapporte au domaine de la projection d'image.

Plus précisément, l'invention concerne un système d'illumination pour imageur dans un vidéo projecteur de type frontal ou rétro-projecteur.

2. Etat de l'art.

Selon l'état de la technique, tel qu'illustré en regard de la figure 1, on met en oeuvre un système d'illumination 10 éclairant un imageur 11.

Classiquement, le système d'illumination 10 comprend: une source d'illumination 100 avec réflecteur elliptique une roue colorée 107; un guide rectangulaire 102; et un système de plusieurs lentilles relais 104 à 106.

La source d'illumination 100 éclaire par un faisceau lumineux 101 la roue colorée 107 placée à l'entrée du guide rectangulaire 102, au foyer du réflecteur elliptique de la source 100. Le guide rectangulaire 102 est utilisé pour convertir la section circulaire du faisceau d'éclairement en section rectangulaire et uniformiser le faisceau spatialement.

La sortie du guide 102 est imagée sur l'imageur 11 via le système de lentilles relais au nombre minimum de deux, mais souvent au nombre de trois ou quatre, l'éclairement étant de plus de préférence télécentrique.

Si l'imageur 11 est de type DMD ( Appareil à Micromiroirs Numériques de l'anglais Digital Micromirrors Device de la société Texas Instruments ) Un prisme TIR 12 est placé entre le système d'illumination 10 et l'imageur 11 pour séparer les faisceaux. Le prisme TIR 12 est inutile si l'imageur 11 est du type LCD transmissif (Afficheur à cristaux liquides, de l'anglais Liquid Crystal Display ) ou remplacé par un PBS (ou séparateur de polarisation de l'anglais polarizing beam splitter ) Si l'imageur 11 est du type LCOS (Cristal liquide sur du silicium de l'anglais Liquid Crystal On Silicon ).

Les principaux inconvénients de l'état de l'art, sont le nombre de composants optiques (typiquement un guide et au moins deux lentilles relais), ainsi que les ouvertures numériques nécessaires pour atteindre de bonnes performances en terme d'efficacité (de f/2.5 à f/3.0), ce qui impose des conditions draconiennes sur un objectif de projection, surtout dans sa configuration de projecteur de faible profondeur.

3. Résumé de l'invention.

L'invention a pour but de pallier ces inconvénients de l'art antérieur.

Plus particulièrement, l'invention a pour objectif de réduire le nombre de composants optiques nécessaires dans un projecteur d'images.

A cet effet, l'invention propose un système optique comprenant: au moins une source d'illumination adaptée à produire un faisceau d'illumination se focalisant sur une zone de focalisation; et au moins un imageur apte à produire un faisceau d'imagerie lorsqu'il est éclairé par le faisceau d'illumination; le système étant remarquable en ce qu'il comprend, en outre, : des moyens de collimation du faisceau d'illumination issu 15 de la zone de focalisation; et au moins un élément optique comprenant, sur une première surface, des moyens pour réorienter une partie du faisceau d'illumination vers l'imageur de sorte à éclairer l'imageur, et pour adapter la forme du faisceau à l'imageur.

Avantageusement, les moyens de collimation collimatent le faisceau d'illumination de sorte que le faisceau optique diverge d'une valeur inférieure à 6 en valeur absolue par rapport à son axe optique.

Selon une caractéristique particulière, la première surface réfracte le faisceau d'illumination.

Selon une autre caractéristique, les moyens de collimation comprennent au moins une lentille séparée de l'élément optique.

Selon une caractéristique préférée, l'élément optique comprend une deuxième surface opposée à la première surface, la deuxième surface formant au moins en partie les moyens de collimation.

Avantageusement, la deuxième surface est sphérique ou asphérique.

Selon une caractéristique particulière, la première surface réfléchit le faisceau d'illumination.

Préférentiellement, la première surface convertit le faisceau 35 d'illumination en un faisceau à section sensiblement rectangulaire, l'imageur étant rectangulaire.

Préférentiellement, la première surface comprend des facettes, chacune des facettes étant aptes à réorienter une partie du faisceau d'illumination vers l'imageur, en formant un faisceau réorienté de sorte à éclairer l'imageur, les faisceaux réorientés associés à l'ensemble des facettes ayant globalement une forme adaptée à l'imageur.

Avantageusement, chacune des facettes est plane.

Préférentiellement, chacune des facettes est rectangulaire ou carrée.

Selon une caractéristique avantageuse, le système optique comprend une roue colorée et des moyens pour focaliser le faisceau d'illumination sur la roue colorée en un point de focalisation, les moyens de collimation ayant pour foyer le point de focalisation.

Avantageusement, le système comprend un objectif de projection du faisceau d'imagerie et, éventuellement, des moyens de repli du faisceau 15 d'imagerie et un écran de rétro-projection.

Selon une autre caractéristique préférée, la première surface comprend au moins une surface continue adaptée à réorienter au moins une partie du faisceau d'illumination vers l'imageur, en formant un faisceau réorienté de sorte à éclairer l'imageur, les faisceaux réorientés associés à l'ensemble de la première surface ayant globalement une forme adaptée à l'imageur.

Avantageusement, la surface continue ou chacune des surfaces continues est sans arête.

Selon une caractéristique particulière, la ou les surfaces 25 continues suivent une équation appartenant au groupe comprenant: - les équations polynomiales; - les équations trigonométriques; - les splines; et - les combinaisons d'équations polynomiales, d'équations trigonométriques et de splines.

Selon des caractéristique s particulière s, la première surface ne comprend pas de facettes planes et/ou la première surface est sans arête. Avantageusement, la première surface comprend: - au moins une première zone comprenant au moins une surface continue adaptée à réorienter au moins une partie du faisceau d'illumination vers l'imageur, en formant un faisceau réorienté de sorte à éclairer l'imageur, les faisceaux réorientés 35 associés à l'ensemble de la première surface ayant globalement une forme adaptée à l'imageur; et - au moins une deuxième zone comprenant des facettes, chacune des facettes étant aptes à réorienter une partie du faisceau d'illumination vers l'imageur, en formant un faisceau réorienté de sorte à éclairer l'imageur, les faisceaux réorientés associés à l'ensemble des facettes ayant globalement une forme adaptée à l'imageur.

Préférentiellement, l'aire de la première surface est inférieure ou égale à 16 cm2.

Selon une caractéristique avantageuse, l'ouverture du faisceau d'illumination à la sortie de l'élément optique est comprise entre 3.2 et 5.

Selon une caractéristique préférée, caractérisé en ce que l'élément optique est conformé et positionné de sorte qu'au moins 95% du flux d'illumination éclairant l'élément optique ressort par la première surface.

Selon une caractéristique particulière, le système comprend une roue colorée et des moyens pour focaliser le faisceau d'illumination sur la roue colorée dans la zone de focalisation, les moyens de collimation ayant pour foyer un point situé dans la zone de focalisation.

Selon une caractéristique avantageuse, le système comprend un objectif de projection du faisceau d'imagerie et/ou des moyens de repli du faisceau d'imagerie et un écran de rétro-projection.

L'invention concerne également un élément optique pour système d'illumination de projecteur vidéo, comprenant une première surface, remarquable en ce que la première surface est adaptée pour réorienter un faisceau d'illumination incident, de sorte que les faisceaux réorientés par la première surface ont globalement une forme sensiblement rectangulaire dans un plan déterminé.

Selon une caractéristique avantageuse, la première surface comprend des facettes et/ou une surface continue, adaptés à réorienter le faisceau d'illumination incident de sorte que les faisceaux réorientés aient globalement une forme sensiblement rectangulaire dans un plan déterminé.

Selon une caractéristique particulière, la première surface est réfractive.

Selon une variante avantageuse, le système comprend une deuxième surface opposée à la première surface, cette surface étant sensiblement plane ou comprenant des moyens de collimation collimatant sensiblement un faisceau d'illumination provenant d'un point ou d'une zone ponctuelle.

Selon une autre caractéristique, la première surface est réflective. 4. Liste des figures.

L'invention sera mieux comprise, et d'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, la description faisant référence aux dessins annexés parmi lesquels: la figure 1 illustre un système d'illumination connu en soi; la figure 2 est un synoptique très schématique d'un rétro- projecteur selon un mode de réalisation de l'invention; la figure 3 présente un système d'illumination mis en oeuvre dans le rétro-projecteur de la figure 2; la figure 4 illustre un système d'illumination selon une variante de réalisation de l'invention; les figures 5 et 6 présentent des détails des systèmes d'illumination des figures 3 et 4; les figures 7 et 8 décrivent des distributions angulaires du faisceau lumineux sur l'imageur du système de la figure 1 connu en soi; les figures 9 et 10 illustrent des distributions angulaires du faisceau lumineux sur l'imageur du système de la figure 2 selon l'invention; - les figures 11 à 14 décrivent un système d'illumination et une lentille correspondantes selon une variante de réalisation de l'invention; - les figures 15 et 16 illustrent des figures d'éclairement sur l'imageur du système d'illumination de la figure 12; - la figure 17 présente la distribution angulaire des faisceaux lumineux incident sur l'imageur du système d'illumination de la figure 12; - les figures 18 à 25 illustrent des systèmes d'illumination selon des variantes de réalisation de l'invention; et - les figures 26 à 32 présentent des lentilles à surface continue mises en oeuvre dans les systèmes des figures 20 à 25.

5. Description détaillée de l'invention.

Le principe général de l'invention repose donc sur la réorientation en réflexion ou en transmission, d'un faisceau d'illumination incident provenant d'une zone de focalisation par un composant optique comportant sur au moins l'une de ses surfaces des moyens pour réorienter une partie du faisceau d'illumination vers un imageur, le composant optique étant positionné par rapport à la zone de focalisation et conformé de sorte à éclairer l'imageur et à adapter la forme du faisceau résultant à l'imageur.

Ainsi, la forme d'au moins une face du composant optique permet de réorienter le faisceau d'illumination pour obtenir un éclairement sensiblement homogène de l'imageur.

Selon différents modes de réalisation, cette ou ces faces comprennent au moins une surface continue (qui change la densité ou la section du faisceau en fonction de la forme de l'imageur) et/ou des facettes planes (qui transforment le faisceau incident en une pluralité de faisceaux (qui forment le faisceau résultant) indépendants).

Le faisceau d'illumination incident typiquement de section circulaire ou elliptique à l'entrée du composant optique est transformé en un faisceau à section rectangulaire (pour un imageur rectangulaire) qui vient éclairer l'imageur, l'uniformité de l'éclairement global sur l'imageur pouvant être contrôlée de sorte que l'éclairement sur un écran où l'image est projetée soit lui-même sensiblement uniforme.

Plusieurs modes de réalisation de l'invention présentent également l'avantage de mettre en oeuvre un élément optique très mince utilisant peu de matériaux et étant peu encombrant.

Un projecteur mettant en oeuvre l'invention présente également l'avantage d'être compatible avec une utilisation d'une lentille elliptique avec ouverture elliptique dans le diaphragme de l'objectif, ce qui permet d'augmenter le contraste de l'image projetée sans perte de plus tout en ayant de petites dimensions de pupille.

La figure 2 est un synoptique très schématique d'un rétro-projecteur 2 selon un premier mode de réalisation de l'invention.

Le projecteur 2 comprend: un système d'illumination 20; - un objectif 21 recevant un faisceau d'illumination 26 créé par le système d'illumination 20 et produisant un faisceau 25 un écran de rétroprojection 24 éclairé par le faisceau 25; et deux miroirs de repli 22 et 23 repliant le faisceau 25 et permettant de réduire la profondeur P du projecteur 2.

L'objectif 21, les miroirs 22 et 23 et l'écran 24, ainsi que leur agencement sont bien connus de l'homme du métier et ne sont pas détaillés 5 davantage.

La figure 3 illustre en détail le système d'illumination 20 avec imageur transmissif et qui comprend: une lampe de projection 30 produisant un faisceau d'illumination 35; une roue colorée 31 coupant le faisceau d'illumination 35; une lentille 32 collimatant le faisceau d'illumination 35 pour produire un faisceau sensiblement collimaté 38 (un faisceau étant ici sensiblement collimaté s'il ne diverge pas de plus ou moins 6 par rapport à son axe optique) ; un élément optique 33 réfractif comprenant des facettes sur une de ses surfaces et transformant le faisceau 38 en une pluralité de faisceaux 36; un imageur 34 de type transmissif (LCD transmissif) sensiblement perpendiculaire à l'axe des faisceaux 36, éclairé de manière sensiblement uniforme par les faisceaux 36 et produisant un faisceau d'imagerie 37.

Les facettes sont ici des surfaces délimitées par une ou plusieurs arêtes.

La lampe de projection 30 comprend un réflecteur elliptique et une source lumineuse placée au premier foyer du réflecteur elliptique, le réflecteur elliptique focalisant le faisceau d'illumination 35 sur la roue colorée 31 sur un point (ou zone ponctuelle) de focalisation correspondant à son second foyer.

La distance d2 séparant l'élément optique 33 du centre de l'imageur 34 est un paramètre permettant d'optimiser les performances du système (flux, uniformité et/ou ouverture) en fonction du degré de collimation du faisceau 38 (dépendant de la taille de l'arc de lampe 30 et de la lentille 32), de la taille de l'imageur 34, de l'ouverture d'un objectif placé après l'imageur 34 et de l'orientation des facettes de l'élément optique 33. Par exemple, pour un imageur 34 de diagonale 0"55, on peut choisir d'2 égal à 80mm, d'2 étant préférentiellement compris entre 50mm et 110mm.

Le plan de l'imageur 34 définit deux axes perpendiculaires O'x et O'y, O' étant le point central de l'imageur 34 et chacun des axes O'x et O'y étant perpendiculaires à l'un des cotés de l'imageur 34. De même, on note O le point central de la surface de l'élément optique 33 comprenant les facettes (O et O' sont placés sur l'axe optique du système optique) et on peut ainsi définir un axe Ox parallèle à O'x et un axe Oy parallèle à O'y.

Selon une variante de l'invention plus complexe, on met en oeuvre un LCOS associé à un PBS ou un DMD associé à un prisme TIR.

La figure 4 illustre en détail un système d'illumination 40 selon une variante de l'invention.

Les éléments communs aux systèmes d'illumination 20 et 40 (notamment la lampe 30, la roue 31, la lentille 32) portent les mêmes références et ne seront pas décrits davantage.

Le système d'illumination 40 comprend, en outre: un élément optique 41 transformant le faisceau 38 en une pluralité de faisceaux 42; un imageur 43 de type réflectif (DMD) sensiblement incliné par rapport à l'axe des faisceaux 36 d'un angle proche de 24 , éclairé de manière sensiblement uniforme par les faisceaux 36 et produisant un faisceau d'imagerie 45 (qui ne coupe pas l'élément optique 41 ou la lentille 32) et un faisceau parasite 44 correspondant aux faisceaux 42 réfléchis par l'imageur 43 pour les points dans une position respectivement validée ou invalidée.

La distance d'l séparant la lentille 32 de l'élément optique 41 est préférentiellement la plus petite possible. Selon une variante de l'invention la distance d'l est nulle.

La distance d'2 séparant l'élément optique 41 du centre de l'imageur 43 est un paramètre permettant d'optimiser les performances du système (flux, uniformité et/ou ouverture) en fonction du degré de collimation du faisceau 38 (dépendant de la taille de l'arc de lampe 30 et de la lentille 32), de la taille de l'imageur 43, de l'ouverture d'un objectif placé après l'imageur 43 et de l'orientation des facettes de l'élément optique 41. Par exemple, pour un imageur 43 de diagonale 0"55, on peut choisir d'2 égale à 80mm, d'2 étant préférentiellement comprise entre 50mm et 110mm.

Le plan de l'imageur 43 définit deux axes perpendiculaires O'x et O'y', O' étant le point central de l'imageur 43 et chacun des axes O'x et O'y' étant perpendiculaires à l'un des cotés de l'imageur 43. De même, on note O le point central de la surface de l'élément optique 41 comprenant les facettes (O et O' sont placés sur l'axe optique du système optique) et on peut ainsi définir un axe Ox parallèle à O'x et un axe Oy perpendiculaire à l'axe optique et à Ox.

Selon une variante de l'invention plus complexe, on met en oeuvre un LCOS associé à un PBS ou un DMD associé à un prisme TIR.

L'élément optique 33 (respectivement 41) comprend une surface plane perpendiculaire au faisceau d'illumination 38 et une surface opposée 39, la surface 39 étant préférentiellement du coté de la sortie du faisceau d'illumination. Une portion de cette surface 39 est illustrée en figure 6 et comprend une partie constituée de facettes 330, à 33n adaptées chacune à réorienter une partie des faisceaux d'illumination 38 vers l'imageur 34 (respectivement 43), de sorte à éclairer l'imageur 34 (respectivement 43) d'une manière sensiblement uniforme. Préférentiellement, les facettes sont carrées. Le nombre de facettes est préférentiellement supérieur ou égal à 12 et inférieur ou égal à 64 (plus le nombre de facettes est grand meilleure peut être l'uniformité et plus il y a, en revanche, de pertes à la jonction des facettes). Un bon compromis est, par exemple, un élément optique à 36 facettes. Chacune des facettes est spécifiquement calculée pour que l'ensemble des facettes produise un éclairement de la forme de l'imageur (c'est-à-dire rectangulaire), sensiblement concentré sur l'imageur, uniforme et de faible ouverture. L'élément optique 33 (respectivement 41) est moulable en verre B270 en une seule opération pour ses deux faces.

La surface 39 comprenant les facettes est considérée comme la surface utile, l'élément optique 33 étant préférentiellement positionné par rapport à la zone de focalisation et à la source d'illumination et conformé de sorte qu'au moins 95% du flux d'illumination éclairant l'élément optique ressort par la surface 39.

La lampe de projection 30 est, par exemple, une lampe à arc court (par exemple lampe Phoenix de 150Watts et 1,0 mm d'arc). Pour un modèle de lampe déterminé, il est possible de prévoir de manière très précise la distribution spatiale et angulaire des rayons dans le plan de l'imageur, où les facettes de la surface 39 sont calculées.

La distance dl séparant la lentille 32 de l'élément optique 33 est préférentiellement la plus petite possible. Selon une variante de l'invention la distance dl est nulle.

La distance d2 séparant l'élément optique 33 du centre de l'imageur 34 est un paramètre permettant d'optimiser les performances du système (flux, uniformité et/ou ouverture) en fonction du degré de collimation du faisceau 38 (dépendant de la taille de l'arc de lampe 30 et de la lentille 32), de la taille de l'imageur 43, de l'ouverture d'un objectif placé après l'imageur 34 et de l'orientation des facettes de l'élément optique 33. Par exemple, pour un imageur 34 de diagonale 0"55, on peut choisir d2 égale à 80mm, d2 étant préférentiellement comprise entre 50mm et 110mm.

Dans le cadre d'une utilisation d'un imageur perpendiculaire au faisceau qui l'éclaire (imageur 34), pour simplifier les calculs, on peut supposer que la portion de surface 39 qui comprend les facettes possède quatre quadrants symétriques deux à deux par rapport aux axes Ox et Oy. De même, on peut définir sur l'imageur quatre quadrants 340 à 343 symétriques deux à deux par rapport aux axes O'x et O'y. Ainsi, comme illustré en figure 5, chacun des quatre quadrants de la surface 39 est préférentiellement associé à un quadrant 340 à 343 de l'imageur 34 placé en vis-à-vis (c'està-dire, dans un même volume limité par les plans xOz et yOz (ou xO'z et yO'z) (les directions Oz et O'z représentant la direction de l'axe optique), afin de limiter l'ouverture globale des faisceaux d'illumination et d'imagerie. Chacune des facettes 330 à 33p du premier quadrant de la surface 39 réfracte une partie du faisceau incident en le dirigeant vers l'une des zones 3401 à 340p du premier quadrant 340 de l'imageur 34.

Plus précisément, le quadrant 340 est découpé en p (égal à un produit r.m) secteurs 3401 à 340p et, pour chacun des secteurs 3401 à 340p, on associe une facette du premier quadrant de la surface 39 à un secteur du quadrant 340 selon une loi préférentiellement bijective et prédéterminée (par exemple en définissant r lignes et m colonnes dans le premier quadrant de la surface 39 et de l'imageur 34 puis en associant successivement les lignes (respectivement colonnes) de la surface 39 aux lignes (respectivement colonne) de l'imageur, ou encore d'une manière complètement aléatoire).

Ensuite, on calcule l'angle moyen d'un faisceau 36 qui part du centre d'une facette et dont le point d'impact correspond au centre du secteur associé. On calcule alors l'inclinaison de la facette qui réalise la réfraction du faisceau incident 38 dans une direction de sortie correspondant à l'angle moyen calculé.

On se retrouve ainsi avec p facettes, chacune ayant une normale calculée par des équations de réfractions vectorielles: 1 = nl + r (J représentant la fonction de réfraction) où les rayons incidents et de sortie correspondent respectivement aux vecteurs 1 et l' ; n est l'indice de réfraction du matériau de l'élément 33 (par exemple verre ou plastique transparent), ; s représente la normale à la surface de la facette; et la valeur J étant égale à J=l S YIlS (u (u,

Y s=

V V' avec l= et l' =

si on pose a = (u' nu),b = (v' nv),c = (w' nw) alors la normale s à la surface qu'on recherche s'exprime comme: / a \/a2 + b2 + C2 i Ce processus est appliqué successivement pour toutes les facettes, ce qui permet d'obtenir toutes les orientations.

\/a2 +b2 +c2 b \/a2 +b2 +c2

C

Lorsque tous les rayons des quatre quadrants sont tracés, l'imageur 34 est éclairé de manière sensiblement uniforme. On peut alors évaluer le flux total (en pourcentage du flux total émis par la lampe), l'uniformité d'éclairement en pourcentage du maximum d'éclairement, et le nombre d'ouverture pour lequel 90% du flux sont capturés par la pupille. Chaque système est caractérisé par les trois paramètres (p (flux ou puissance optique sur l'imageur 34), f (le nombre d'ouverture des faisceaux 36 et 37) et u (uniformité de l'éclairement sur l'imageur 34 correspondant au rapport du minimum d'éclairement par le maximum d'éclairement) et on peut a définir pour chaque système une figure de mérite: M = (P u v f pour une uniformité minimale souhaitée, notée v, M devant être le plus grand possible. La valeur de v est par exemple, égale à 20%.

Selon des variantes, on peut utiliser d'autres figures de mérite. Ainsi, pour favoriser l'uniformité, on peut utiliser le formule de mérite suivante: M = cp(u-v)f2 Pour diminuer l'influence du flux, on peut également utiliser la formule suivante: M=cp-\lu vf\/f D'une manière générale, on peut utiliser une formule de mérite de la forme suivante: M = (p(u-v)pfr, où p et r représentent des nombres entiers (par exemple 1, 2 ou 3) ou rationnels (par exemple 1/2), et peuvent être choisi comme paramètres de pondération de respectivement l'uniformité et le flux.

D'une manière générale, la fonction de mérite est une fonction de (p, u et f, plus ou moins pondérée par rapport à (p, u et f selon le ou les paramètres que l'on souhaite favoriser.

Selon une variante de réalisation de l'invention, la fonction de mérite prends en compte la perte d'uniformité sur l'écran généré par la variation des angles d'incidence dans un rétroprojecteur mince ou dans un projecteur dont l'image est projetée sur un écran proche. La fonction de mérite est alors calculée, par exemple, en découpant en bandes l'élément optique dans la plus largeur de l'imageur, chaque bande affectée d'un coefficient d'uniformité qui lui est propre de sorte à compenser la variation d'uniformité due à la géométrie du système optique sur l'écran.

D'une manière générale, l'invention permet d'obtenir une fonction d'uniformité quelconque: il suffit pour cela d'adapter la fonction de mérite en prenant en compte l'uniformité souhaitée, le paramètre v (uniformité minimale souhaitée) dans les formules de mérite ci-dessus dépendant alors du point de l'imageur considéré.

L'invention permet également de prendre en compte un éclairement de forme quelconque, notamment trapézoïdal, hexagonale, elliptique, ...

En outre, l'invention est compatible avec un éclairement hors d'axe (de l'anglais off-axis, l'imageur n'étant par situé sur l'axe optique du système) en minimisant les pertes de flux et en conservant le format souhaité.

Selon un mode de calcul informatique des facettes, on définit préférentiellement un grand nombre de systèmes d'illumination (typiquement 10000) possible selon l'algorithme suivant et on choisit le meilleur: pour chaque facette, on définit aléatoirement un point d'impact sur l'imageur pour un rayon moyen qui passe par le centre de la facette; on calcule alors l'orientation s de chaque facette et on trace tous les rayons qui passent par cette facette. Ensuite, on additionne les éclairements et on calcule la fonction de mérite. Les systèmes peuvent être classés par ordre de figure de mérite décroissants, le meilleur étant retenu (c'est-à-dire associés à la plus grande valeur de M obtenue) ; une figure de mérite élevée garantit à la fois une bonne uniformité, un flux élevé et un nombre d'ouverture approprié.

Les facettes des éléments optiques 33 ou 41 sont préférentiellement carrées ou rectangulaires. Selon différentes variantes de l'invention, les facettes des éléments optiques 33 ou 41 peuvent être quelconques identiques ou non. Préférentiellement, les facettes sont juxtaposées pour éviter des faisceaux parasites en sortie. En particulier, selon différentes variantes de l'invention, les facettes sont juxtaposées avec des formes hexagonales ou triangulaires.

Selon une variante de réalisation de l'invention, on conserve les quadrants de l'élément optique 33, les quadrants de l'élément optique 33 n'étant pas symétriques. Les facettes de chaque quadrant sont alors calculées indépendamment pour optimiser l'uniformité sur l'imageur 34 (les faisceaux associés à un quadrant pouvant déborder sur le quadrant voisin).

Selon l'invention, deux facettes voisines n'ont pas nécessairement une arête commune. Selon plusieurs modes de réalisation de l'invention,l'élément optique comprend des facettes voisines orientées différemment et dont la ligne de jonction n'est pas perpendiculaire à la normale de chacune des facettes: dans ce cas, les facettes correspondantes n'ont pas d'arête commune (de telles facettes sont par exemple les facettes 330 et 331 sur la figure 6). Préférentiellement, dans ce cas, les facettes correspondantes sont reliées par une surface dont la taille est la plus petite possible afin de limiter la perte de flux.

Dans le cadre d'une utilisation d'un imageur non perpendiculaire au faisceau qui l'éclaire (imageur 43), pour simplifier les calculs, on peut supposer que la portion de surface de l'élément optique 41, qui comprend les facettes possède quatre quadrants séparés par les axes Ox et Oy. De même, les axes O'x et O'y' définissent sur l'imageur 43 quatre quadrants distincts. Ainsi, chacun des quatre quadrants de la surface de l'élément 41 est préférentiellement associé à un quadrant de l'imageur 43 placé en vis-à-vis (c'est-à-dire, dans un même volume limité par les plans xOz et yOz (ou xO'z et y'O'z) (les directions Oz et O'z représentant la direction de l'axe optique), afin de limiter l'ouverture globale des faisceaux d'illumination et d'imagerie. l'orientation des facettes dans les quatre quadrants peux ne présenter pas de symétrie particulière, les facettes de chaque quadrant de l'élément optique 41 étant calculées préférentiellement indépendamment pour optimiser l'uniformité sur l'imageur 43.

Selon des variantes de l'invention, on remplace l'imageur de type DMD par un imageur de type LCOS associé à un PBS ou un imageur de type LCD transmissif associé à un prisme TIR. Selon des variantes de l'invention, on intercale une lentille de champ entre l'élément optique à facettes et l'imageur pour permettre une ouverture plus grande des faisceaux d'imagerie et d'illumination. Selon ces variantes, on calcule les facettes de l'élément optique en tenant compte des réflexions et/ou réfractions supplémentaires (par exemple, dans le cas où on intercale une lentille de champ, on calcule l'orientation de la facette en tenant compte de la double réfraction supplémentaire de la lentille intercalée pour le rayon central de la facette).

Les figures 7 et 8 décrivent des distributions angulaires (obtenues par simulation) suivant deux directions angulaires 0 70 et cp 71 du faisceau lumineux sur l'imageur 11 du système 10 de la figure 1 connu en soi. Selon la figure 7 (respectivement 8), la distribution représentée est non limitée spatialement (respectivement est limitée par l'empreinte du faisceau sur l'imageur 11) avec une ouverture de 2,65 (respectivement 3,5) . On constate la présence d'une tâche sombre 72 au centre qui correspond à une absence d'éclairement au niveau de la source. Le système d'éclairement n'est pas utilisé dans ce cas au maximum de ses possibilités.

Selon la figure 7, on constate une perte de lumière. En effet, à la sortie du guide 102, on a un angle de +1- 30 . Les lentilles 103 à 106 permettent de réduire cet angle en le faisant passer à +/- 12 tout en préservant le grandissement. Néanmoins, l'étendue (c'est-à-dire, le produit surface de sortie du guide par angle solide de la lumière émise) est dégradée.

Un tel système nécessite l'utilisation d'un objectif qui ouvre entre 2,4 et 2,8 pour un DMD de taille HD3S (diagonale de 0"55), ce qui est relativement élevé et implique l'utilisation d'un objectif avec de nombreuses lentilles de champ.

Les figures 9 et 10 illustrent des distributions angulaires du faisceau lumineux (obtenues par simulation) suivant les deux directions angulaires 0 70 et cp 71 sur l'imageur 34 selon l'invention, les distributions étant représentées d'une manière limitée spatialement par l'empreinte du faisceau sur l'imageur 34. Selon la figure 9 (respectivement 10), la distribution est représentée avec une ouverture égale à 3,5 suivant toutes les directions (respectivement 3,5 suivant la direction 0 et 4,5 suivant la direction (p). On constate qu'il n'y a pas de tâche sombre au centre. Il y a donc une optimisation de l'étendue de l'éclairement.

Avec un élément optique 33 d'ouverture 4,5 dans une direction et 3, 5 dans l'autre direction, on augmente le contraste, un iris elliptique permettant de couper les ordres de diffraction supérieurs.

Ainsi, l'invention est compatible avec des ouvertures d'élément optique 33 comprises entre 3,5 et 4,5 (inclus). L'objectif 21 correspondant ne contient donc pas nécessairement de lentille de champ et est donc moins onéreux qu'un objectif compatible avec le système de la figure 1.

En outre, avec l'élément optique 33, on a des perturbations minimes des directions de propagation et on peut se passer d'élément optique (tels une lentille de champ ou un prisme TIR (quand on a un imageur de type LCD transmissif) séparant les faisceaux d'illumination et d'imagerie.

Les figures 11 et 12 illustrent un système d'illumination respectivement 1100 et 1200 comprenant un élément optique respectivement 1101 et 1201 avec une surface assurant la collimation d'un faisceau incident et une seconde face comprenant des facettes similaire respectivement à la surface avec facettes des éléments 33 et 41 précédemment décrits. Les systèmes 1100 et 1200 remplacent avantageusement le système 20 dans le projecteur 2, leur encombrement étant plus faible et leur réalisation plus simple (moins de composants).

Plus précisément, les systèmes 1100 et 1200 comprennent des éléments similaires aux systèmes 20 et 40 qui ne seront pas décrits davantage (notamment la lampe de projection 30 et la roue colorée 31).

Le système 1100 (respectivement 1200) comprend l'élément optique 1101 (respectivement 1201) dont une première surface 142 et une deuxième surface opposée 140 telle qu'illustrée en regard des figures 13 (en vue de face) et 14 (en vue de coté).

La première surface 142 comprend une zone 130 entourant une zone 131 rectangulaire et comprenant des facettes 1310 à 131p juxtaposées et carrées. La deuxième surface 140 collimate le faisceau d'illumination 35 pour produire un faisceau sensiblement collimaté se propageant à l'intérieur de l'élément optique 1101 jusqu'à la première surface 131. La deuxième surface 140 est sphérique ou asphérique (par exemple ayant la forme d'une conique).

Les facettes de la première surface 131 sont adaptées chacune à réorienter une partie du faisceau d'illumination 35 vers l'imageur 34, de sorte à éclairer l'imageur 34 d'une manière sensiblement uniforme, d'une manière similaire au calcul des facettes de l'élément 33 précédemment illustré.

Selon une variante de l'invention, la zone 131 comprenant les facettes a une forme non rectangulaire et est, par exemple, exactement circulaire (avec des facettes en bordure tronquées) ou sensiblement circulaire (avec, par exemple, des facettes identiques sur toute sa surface).

Selon une variante de l'invention, la zone 131 occupe toute la première surface 142.

On note que l'encombrement de l'élément 1101 est relativement faible, l'épaisseur e de la tranche 141 étant petite (l'élément 1101 est mince) et préférentiellement comprise entre 3 et 5 mm.

L'élément 1201 est similaire à l'élément 1101 à l'exception de ses facettes qui sont calculées en fonction de l'imageur 43 en tenant compte de la distance séparant l'imageur 43 de l'élément 1201 (cette distance étant choisie préférentiellement comme la distance minimale permettant au faisceau 45 d'imagerie de ne pas couper l'élément optique 1201) et de l'inclinaison de l'imageur 43 par rapport aux faisceaux optiques 42 issus de l'élément 1201.

Les figures 15 et 16 illustrent l'éclairement par des faisceaux lumineux incidents 42 sur l'imageur 43 respectivement sans et avec limitation sur l'empreinte du faisceau 42 sur l'imageur 43. Les points les plus clairs représentent un éclairement maximal.

Ainsi, on constate que l'éclairement de l'imageur 43 est sensiblement uniforme et que la majeure partie des faisceaux éclaire l'imageur 43, ce qui montre la grande efficacité de l'illumination de l'imageur.

Par ailleurs, les qualités des systèmes d'illumination 1100 et 1200 sont similaires aux qualités des systèmes d'illumination 20 et 40.

La figure 17 présente la distribution angulaire des faisceaux lumineux incidents 42 sur l'imageur 43 avec une ouverture de 4.

Les éclairements et distributions angulaires présentés en relation avec les figures 15 à 17 correspondent à une utilisation d'imageur de type DMD mais sont également valables pour d'autres types d'imageurs (notamment LCD transmissifs et LCOS). On constate que l'invention permet une utilisation d'une ouverture plus faible que les techniques de l'état de l'art (par exemple une ouverture de 4 au lieu de 2,5 en gardant le même flux).

La figure 18 présente un projecteur 180 mettant en oeuvre un élément optique 181 à facettes, chacune des facettes réfléchissant un faisceau incident 38 vers un imageur 34, l'élément optique 181 étant éclairé par un faisceau 38 sensiblement collimaté.

Plus précisément, le projecteur 180 comprend des éléments similaires aux éléments du projecteur 20, notamment une source lampe de projection 30, une roue colorée 31, une lentille 32 et l'imageur 34, qui portent les mêmes références et ne sont pas décrits davantage.

Chacune des facettes de l'élément 181 est préférentiellement plane et fait un angle déterminé avec l'axe optique du faisceau incident 38 de sorte à réorienter une partie du faisceau d'illumination vers l'imageur 34. Selon une variante de l'invention, les facettes ne sont pas planes mais légèrement courbes et peuvent être assimilées pour le calcul de leur orientation à des surfaces planes.

On peut transposer le cas où l'élément optique à facettes réfractif 33 au cas où il est réflectif (élément 181) notamment pour les variantes où un mode réflectif peut s'appliquer et pour le calcul des facettes.

Ainsi, selon un mode de calcul informatique des facettes, on définit préférentiellement un grand nombre de systèmes d'illumination (typiquement 10000) possible selon l'algorithme suivant et on choisit le meilleur: pour chaque facette, on définit aléatoirement un point d'impact sur l'imageur pour un rayon moyen qui passe par le centre de la facette; on calcule alors l'orientation s de chaque facette de l'élément 181 et on trace tous les rayons qui passent par cette facette. Ensuite, on additionne les éclairements et on calcule la fonction de mérite selon par exemple l'une des fonctions de mérite exposée précédemment. Les systèmes peuvent être classés par ordre de figure de mérite décroissants, le meilleur étant retenu (c'est-à-dire associés à la plus grande valeur de M obtenue) ; une figure de mérite élevée garantit à la fois une bonne uniformité, un flux élevé et un nombre d'ouverture approprié.

Les facettes de l'élément optique 181 sont préférentiellement carrées ou rectangulaires. Selon différentes variantes de l'invention, elles peuvent être quelconques identiques ou non. Préférentiellement, les facettes sont juxtaposées pour éviter des faisceaux parasites en sortie. En particulier, selon différentes variantes de l'invention, les facettes sont juxtaposées avec des formes hexagonales ou triangulaires.

L'imageur 34 illustré en regard de la figure 18 est de type LCD transmissif. Selon des variantes de réalisation du projecteur 180 avec élément optique à facettes 181 associé à une lentille 32, il est de type DMD ou LCOS.

La figure 19 présente un projecteur 190 mettant en oeuvre un élément optique 191 à facettes, chacune des facettes réfléchissant un faisceau incident 35 vers un imageur 43, l'élément optique 191 étant éclairé par un faisceau 35 provenant d'un point de focalisation situé sur une roue colorée 31.

Plus précisément, le projecteur 190 comprend des éléments similaires aux éléments du projecteur 1200, notamment une source lampe de projection 30, une roue colorée 31 et l'imageur 43, qui portent les mêmes références et ne sont pas décrits davantage.

Chacune des facettes de l'élément 191 est plane et fait un angle déterminé avec l'axe optique du faisceau incident 35 de sorte à réorienter une partie du faisceau d'illumination vers l'imageur 43.

Les facettes de l'élément 191 sont calculées d'une manière similaire aux facettes de l'élément 181, en prenant en compte qu'en un point donné de chaque facette de l'élément 191 le faisceau incident provient d'un point (l'angle d'incidence n'est pas le même pour toutes les facettes de l'élément 191). Les facettes de l'élément 191 sont par ailleurs calculées pour collimater sensiblement le faisceau d'illumination (c'est-à-dire de sorte que le faisceau réfléchi par l'ensemble des facettes forme un faisceau qui diverge d'une valeur inférieure à 6 en valeur absolue par rapport à son axe optique).

L'imageur 43 illustré en regard de la figure 19 est de type DMD réflectif. Selon des variantes de réalisation du projecteur 190 avec élément optique à facettes 191 sans lentille de collimation séparée, il est de type LCD transmissif ou LCOS.

Selon une variante préférée de l'invention, la surface à facettes des éléments optiques 33, 41, 1101, 1201, 181 et 191 est remplacée en partie ou en totalité par une ou plusieurs surfaces continues et préférentiellement sans arête, la forme de l'élément optique correspondant étant calculé de sorte à réorienter au moins une partie du faisceau d'illumination vers l'imageur. Le faisceau ainsi réorienté par l'élément optique a globalement une forme adaptée à l'imageur (par exemple DMD, LCOS ou LCD transmissif) et permet avantageusement d'homogénéiser le faisceau d'illumination sur l'imageur et d'optimiser le flux d'illumination. Le fait que la surface utile de l'élément optique réorientant le faisceau d'illumination comprenne en partie ou en totalité une ou plusieurs surfaces continue permet notamment de faciliter la fabrication de l'élément optique. Cela permet également d'obtenir une illumination de pupille mieux structurée et donc plus facile à rendre homogène. Les figures 26 à 32 ill ustrent des composants optiques selon cette variante préférée de l'invention et les figures 20 à 25 un système d'illumination mettant un oeuvre de tels composants et correspondant au système 20 du rétroprojecteur 2 illustré en figure 2.

La figure 20 (respectivement 21 à 25) présente un système d'illumination similaire au système d'illumination de la figure 11 (respectivement 12, 18, 19, 3 et 4) à l'exception de l'élément optique réorientant le faisceau d'illumination vers l'imageur de sorte à l'éclairer de façon sensiblement homogène. Les éléments communs déjà décrits en regard des figures 3, 4, 12, 18 et 19 ne seront donc pas détaillés davantage.

Plus précisément, la figure 20 illustre un système d'illumination 201 similaire au système 1100 et comprend un élément optique 2001 à la place de l'élément 1101. Le système 201 est particulièrement simple (peu de composants) et peu encombrant.

L'élément optique 2001 comprend une surface d'entrée qui assure la collimation du faisceau d'illumination incident et une surface de sortie dont la forme permet de modifier la section du faisceau d'illumination de sorte que le faisceau ait une section sensiblement adaptée à celle de l'imageur (dans le plan de l'imageur, la section du faisceau est sensiblement rectangulaire et le faisceau éclaire de manière sensiblement homogène l'imageur).

L'élément optique 2001 correspond, par exemple, à un élément optique 260 tel qu'illustré en regard des figures 26 (vue de face) et 30 (vue de coté) . Sur sa face de sortie (coté imageur), il comprend une surface utile 262 et une surface 261 périphérique quelconque de diamètre dt.

La surface utile 262 est une surface continue sans arête (l'équation de cette surface est dérivable) pour en faciliter la fabrication (par exemple par moulage). Elle est circulaire de diamètre du égal par exemple à 25 mm. Ce diamètre est adapté à la taille de l'imageur et est préférentiellement inférieur à 40 mm et encore plus préférentiellement à 30 mm. Ainsi, pour une surface utile 262 circulaire, l'aire de la surface 262 est préférentiellement inférieure à 12,6cm2 et encore plus préférentiellement inférieure à 7,1cm2. Le diamètre dt est, par exemple, égal à du-F2 ou 5mm. D'une manière générale, dt n'excède du de plus de 5 mm afin de limiter l'encombrement de l'élément optique.

La forme de la surface 262 est calculée pour que le faisceau d'illumination éclaire l'imageur de manière sensiblement homogène et en limitant les pertes de flux. Il ne s'agit donc pas d'une forme banale (par exemple plane, sphérique ou elliptique) mais au contraire d'une forme spécifique qui modifie singulièrement la section du faisceau d'illumination (typiquement circulaire ou elliptique) en une section de la forme de l'imageur (typiquement rectangulaire).

A titre illustratif, avec un imageur de 0.56", la forme de la surface 262 est décrite selon la fonction polynomiale suivante: z(x,y) = -4. 239646304650.10-2x2 - 3.326380966712.10-2y2 - 1.966671669322.10-5x4 - 6. 198237634196.10-5x2y2 6.426453423140.10-6y4 + 2.266408826592.10-7x6 + 2. 855371168045.10-7x4y2 - 1.055433102635.10-7x2y4 2.548116290879.10-7y6 - 1. 548363766813.10-9x8 - 1.043474004569.10-9x6y2 + 7.842149369509.10-9x4y4 8.156691681376.10-9x2y6 + 5.430240779746.10-10y8 - 1.046483939550.10. 12x10 - 6.225724849459.10-13x6y2 - 4.903772428275.10-13x6y4 - 2. 052417294871.10-12x4y6 - 1.305693189623.10-12x2y6 - 8.508867125822.1013y10 Avec cette forme de surface 262, la distance entre l'imageur et le centre de la surface (coté imageur) est égale à 80 mm. En outre, afin que la zone éclairée coïncide bien avec l'imageur, la surface 262 subit une rotation de 15 dans le sens de l'axe y vers l'axe x.

Avec un imageur de 0,56" et une lampe qui a une taille d'arc de 1 mm, l'élément optique 2001 ainsi défini permet un éclairement de l'imageur avec 40,4% du flux émis par la source, une uniformité de 39,8, le faisceau d'illumination en sortie de l'élément optique 2001 ayant une ouverture de 3,85.

On peut optimiser la surface 262 (et, plus généralement, toutes les surfaces d'élément optique ou système selon l'invention, et notamment les surfaces définies en regard des figures 20 à 32) par calcul informatique itératif, une surface étant définie à chaque itération et une fonction de mérite correspondant étant calculée. Comme indiqué précédemment, les performances du système sont définies par trois paramètres: cp (flux ou puissance optique sur l'imageur 34), f (le nombre d'ouverture (ou ouverture numérique) des faisceaux 36 et 37) et u (uniformité de l'éclairement sur l'imageur 34 correspondant au rapport du minimum d'éclairement par le maximum d'éclairement). De manière similaire à ce qui a été décrit précédemment pour définir un élément optique à facettes, la fonction de mérite est, par exemple, de la forme M = cp(u -v)pf, où p et r représentent des nombres entiers (par exemple 1, 2 ou 3) ou rationnels (par exemple '/2), et peuvent être choisis comme paramètres de pondération de respectivement l'uniformité et le flux. D'une manière générale, la fonction de mérite est une fonction de cp, u et f, plus ou moins pondérée par rapport à cp, u et f,. selon le ou les paramètres que l'on souhaite favoriser (en prenant éventuellement en compte des limites minimales ou maximales pour un ou plusieurs paramètres). Ces trois valeurs sont ainsi préférentiellement optimisées simultanément en déformant la surface de manière ciblée. On définit d'abord, une première surface sous forme d'une équation, par exemple polynomiale, trigonométrique, de spline ou d'une combinaison d'équations polynomiales, d'équations trigonométriques et de splines. On calcule ensuite la fonction de mérite correspondant, puis on sauvegarde la fonction de mérite et la première surface comme étant une surface à fonction de mérite optimisée. On commence ensuite le calcul itératif. A chaque itération, on définit une déformation et une équation de surface (dite surface courante) en agissant sur les paramètres d'équation de la surface (par exemple coefficients de l'équation polynomiales ou trigonométriques, valeur des phases ou pulsations des équations trigonométriques), on trace 100 000 rayons correspondant à la surface courante, puis on calcule la fonction de mérite correspondante et on la compare à celle du meilleur système correspondant à une surface dite à fonction de mérite optimisée, qui a été trouvé précédemment. Si la fonction de mérite est plus grande, la surface courante devient la surface à fonction de mérite optimisée et son équation ainsi que sa fonction de mérite sont sauvegardées. Le calcul s'arrête, par exemple, lorsque une valeur minimale de fonction de mérite a été atteint (c'est-à-dire, par exemple, lorsque la fonction de mérite est supérieure ou égale à une valeur seuil prédéterminée ou lorsqu'elle n'augmente pas après un nombre d'itérations prédéterminé) et/ou un nombre minimal d'itérations a été atteint.

Selon une variante de réalisation, l'élément optique 2001 correspond, par exemple, à un élément optique 270 tel qu'illustré en regard de la figure 2 7 en vue de face. Sur sa face de sortie, l'élément 270 comprend une surface utile 272 et une surface 271 périphérique similaire à la surface 261.

La surface utile 272 comprend quatre surfaces élémentaires, continues juxtaposées 2720 à 2723, chacune étant sans arête. La surface 272 est circulaire de diamètre du, sa périphérie étant similaire à la périphérie de la surface 262.

La forme de la surface 272 est calculée pour que le faisceau d'illumination éclaire l'imageur de manière sensiblement homogène et en limitant les pertes de flux. Les surfaces élémentaires 2720 à 2723 peuvent être sensiblement associées à une partie de l'imageur (chacune des surfaces produisant un faisceau d'illumination éclairant de manière sensiblement homogène la partie de l'imageur qui lui correspond) ou, au contraire, les surfaces élémentaires 2720 à 2723 ne sont pas associées à une zone particulière de l'imageur et c'est globalement que le flux d'illumination éclaire de manière homogène l'imageur. Les surfaces élémentaires 2720 à 2723 peuvent être similaires (ce qui permet de réduire les calculs pour leur définition) ou non. Selon l'invention, la surface utile peut comprendre un nombre de surfaces élémentaires continues sans arête, qui n'est pas nécessairement égal à quatre, mais peut également valoir deux, trois, six, huit... et plus généralement un nombre quelconque de valeurs. Préférentiellement, mais non nécessairement, la jonction entre deux surfaces élémentaires voisines est elle même continue et ne comprend pas de brusque décroché.

De même, les jonctions entre les surfaces élémentaires ne sont pas nécessairement rectilignes. Ainsi, tel qu'illustré en regard de la figure 32 en vue de coté, selon une variante de réalisation, l'élément optique 2001 correspond, par exemple, à un élément optique 320. L'élément optique 320 comprend une surface d'entrée 3203 assurant une fonction de collimation du faisceau d'illumination et une surface périphérique 3201 sans utilité optique. Sur sa face de sortie, l'élément 320 comprend une surface utile (qui a un diamètre du tel que précisé précédemment) qui comprend elle-même deux surfaces élémentaires concentriques et continue 3204 et 3202. La surface centrale 3204 est concave et sphérique; elle crée un faisceau éclairant de manière non homogène l'imageur. La surface 3202 qui l'entoure a une forme qui permet de corriger ce manque d'homogénéité de l'illumination sur l'imageur. La surface 3202 est avec ou sans arête.

Selon une variante de réalisation, l'élément optique 2001 correspond, par exemple, à des éléments optiques 280 ou 290 tels qu'illustrés en regard des figures respectivement 28 et 29 en vue de face.

Sur sa face de sortie, l'élément 280 (respectivement 290) comprend une surface utile (respectivement 292) et une surface 271 (respectivement 291) périphérique similaire à la surface 261.

La surface utile de l'élément 280 est circulaire de diamètre égal à du. Elle comprend une zone à facettes 283 centrale et une zone 282 continue (avec ou sans arêtes) l'entourant. La zone 283 est préférentiellement carrée (il est plus facile de mettre en oeuvre une zone à facettes carrée, ce qui permet d'avoir des facettes carrées et de forme identiques).

La surface utile de l'élément 290 est carrée de coté égal à du, préférentiellement inférieur ou égal à 4 mm (l'aire de la surface utile carrée est donc préférentiellement inférieure ou égale à 16mm2). Elle comprend une zone à surface continue 292, centrale et une zone 293 à facettes et périphérique.

Les zones 282 et 283 (respectivement 292 et 293) peuvent être sensiblement associées à une partie de l'imageur (chacune des zones produisant un faisceau d'illumination éclairant de manière sensiblement homogène la partie de l'imageur qui lui correspond) ou, au contraire, elles ne sont pas associées à une zone particulière de l'imageur et c'est globalement que le flux d'illumination éclaire de manière homogène l'imageur. L'une des zones peut être calculée de manière simple et éclaire de manière non homogène l'imageur. La zone complémentaire de la surface utile a une forme définie de sorte à corriger ce manque d'homogénéité de l'illumination sur l'imageur. En particulier, si la zone complémentaire correspond à une zone à facettes, sa surface peut être calculée de manière similaire au calcul de la surface à facettes tel qu'illustré en regard de la figure 5.

Bien entendu, d'autres variantes de l'élément optique mettant en oeuvre au moins une zone avec facettes et au moins une zone continue sont envisageables selon l'invention. Selon l'invention, l'homme du métier peut notamment considérer plus d'une zone à facettes et/ou plus d'une zone correspondant à une surface non plane continue. Il peut également considérer des pourtours des zones non nécessairement carrés ou circulaires (par exemple triangulaire, hexagonale, régulières ou non).

La figure 21 illustre un système d'illumination 201 similaire au système 1200 et comprend un élément optique 2101 à la place de l'élément 1201. Le système 201 est particulièrement simple (peu de composants) et peu encombrant.

Selon l'invention, l'élément optique 2101 est similaire à l'élément 2001, à l'exception de la forme de sa surface utile réorientant le faisceau d'illumination qui éclaire l'imageur 43 qui est incliné par rapport à l'axe du faisceau d'illumination 2102 l'éclairant. En particulier, l'élément optique 2101 a une structure générale (surface d'entrée, surface périphérique et type de surface utile) qui correspond aux éléments optiques compatibles avec les structures générales des éléments décrits en regard des figures 26 à 30 et 32. Cette structure ne sera donc pas détaillée davantage.

La figure 24 (respectivement 25) illustre un système d'illumination 240 (respectivement 250) similaire au systèmes 20 (respectivement 40) comprend un élément optique 2401 (respectivement 2501) à la place de l'élément 38 (respectivement 42) avec une surface d'entrée plane et une surface utile permettant de réorienter le faisceau de sorte que l'éclairement de l'imageur soir sensiblement homogène identique à la surface correspondante de l'élément 2001 (respectivement 2101). En effet, la lentille 32 assure la fonction de collimation du faisceau incident qui est assurée par laface d'entrée des éléments optiques 2001 ou 2101. Les systèmes 240 et 250 ne seront donc pas décrits davantage.

Les figure 22 et 23 illustre un système d'illumination respectivement 220 et 230 similaire aux systèmes respectivement 180 et 190 comprend un élément optique respectivement 2201 et 2301 à la place des éléments 181 ou 191.

Les éléments optique s 2 201 et 2301 compren nent une surface utile, réfléchissante et dont la forme permet de modifier la section du faisceau d'illumination de sorte que le faisceau ait une section sensiblement adaptée à celle de l'imageur (dans le plan de l'imageur, la section du faisceau est sensiblement rectangulaire et le faisceau éclaire de manière sensiblement homogène l'imageur). La surface réfléchissante de l'élément optique 2301 assure, en outre, la collimation du faisceau d'illumination incident.

La surface utile est une surface continue sans arête pour en faciliter la fabrication. Elle est, par exemple, circulaire de diamètre du tel que 20 décrit précédemment.

Selon différentes variantes, la surface utile réfléchissante comprend une ou plusieurs surfaces continues sans arêtes (comme l'élément 270. Selon d'autres variantes de l'invention, la surface utile réfléchissante comprend, en outre, une ou plusieurs zones avec des facettes (comme les éléments 280 et 290). L'homme du métier pourra adapter les variantes des éléments transmissifs illustrés en regard des figures 20, 21 et 25 à 32 dans le cadre des surfaces utiles réfléchissantes des systèmes 240 et 250. Ces variantes de l'invention ne seront donc pas décrites davantage.

Bien entendu, l'invention ne se limite pas aux modes de réalisation décrits précédemment.

En particulier, l'invention est compatible avec une utilisation d'un imageur quelconque ou avec un système à plusieurs imageurs comprenant, par exemple, un élément optique à facettes et/ou à une ou plusieurs surfaces continues dont la forme est adaptée à éclairer plusieurs imageurs de manière homogène.

L'invention est également compatible avec une utilisation de plusieurs sources d'illumination éclairant un élément optique à facettes et/ou à une ou plusieurs surfaces continues dont la forme est adaptée à éclairer au moins un imageur de manière homogène.

Par ailleurs, l'invention est avantageusement mise en oeuvre dans des projecteurs de type frontal ou rétro-projecteurs.

L'invention mettant en oeuvre un élément optique réfractif est, en outre, compatible avec des éléments optiques réfractifs transparents fait dans un matériau quelconque (par exemple verre, matériaux biréfringents (quartz, spath, saphir, ...) ou plastique).

La source d'illumination peut également être quelconque (lampe à arc, ...) et peut être associée à des éléments optiques également quelconques permettant l'obtention d'un faisceau d'illumination sensiblement collimaté sur la surface utile (à facettes et/ou continue).

L'homme du métier peut également adapter l'invention avec des systèmes mettant en oeuvre des éléments optiques additionnels, notamment des lentilles de champ, des miroirs, des filtres optiques...

La mise en oeuvre de l'élément optique à facettes et/ou à surface(s) continue(s) n'est pas limitée à une mise en oeuvre des facettes et/ou de la ou des surfaces continues sur une première surface, la deuxième surface étant neutre ou ayant une fonction de lentille simple, mais comprend également les éléments optiques dont une première surface comprend des facettes et/ou de la ou des surfaces continues permettant de réorienter un faisceau d'illumination pour l'adapter à la forme de l'imageur, la deuxième surface étant du type lentilles de Fresnel ou comprenant elle-même des facettes.

L'invention n'est pas non plus limitée au cas où l'élément optique comprend sur une première surface des moyens pour réorienter une partie du faisceau d'illumination vers un imageur, de sorte à éclairer l'imageur et pour adapter la forme du faisceau à l'imageur, ces moyens étant de type facettes (associées ou non à des surfaces continues) réflectives ou réfractives. En effet, les facettes peuvent être remplacées par des surfaces continues formant par exemples des bandes (surfaces allongées limitées sur sa longueur par deux arêtes opposées) non planes, chacune des bandes de type réflectives ou réfractives réorientant indépendamment l'une de l'autre, une partie du faisceau d'illumination vers l'imageur, de sorte à l'éclairer, l'ensemble des bandes adaptant la forme du faisceau à l'imageur.

L'invention est également compatible avec une mise en oeuvre d'un élément optique comprenant sur l'une de ses surfaces à la fois des facettes et des bandes.

En outre, selon l'invention, les facettes de l'élément optique ne 5 sont pas nécessairement planes mais peuvent être légèrement courbes.

Claims (2)

1. 28 REVENDICATIONS

   1. Système optique (2, 20, 40, 1100, 1200, 180, 190, 201, 210, 220, 230, 240, 250) comprenant: au moins une source d'illumination (30) adaptée à produire un faisceau d'illumination (35) se focalisant sur une zone de focalisation; et au moins un imageur (34, 43) apte à produire un faisceau d'imagerie (37, 45, 183, 193) lorsqu'il est éclairé par ledit faisceau d'illumination; ledit système étant caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, : des moyens de collimation (32, 1101, 1201, 191, 2001, 2101, 2301) dudit faisceau d'illumination issu de ladite zone de focalisation; et au moins un élément optique (38, 41, 1101, 1201, 181, 191, 2001, 2101, 2301, 2201, 2401, 2501) comprenant, sur une première surface, des moyens pour réorienter une partie dudit faisceau d'illumination vers ledit imageur, de sorte à éclairer ledit imageur et pour adapter la forme dudit faisceau audit imageur.

   2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de collimation collimatent ledit faisceau d'illumination de sorte que ledit faisceau optique diverge d'une valeur inférieure à 6 en valeur absolue par rapport à son axe optique.

   3. Système selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ladite première surface (38, 41, 1101, 1201, 2001, 2101, 2401, 2501) réfracte ledit faisceau d'illumination.

   4. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits moyens de collimation comprennent au moins une lentille séparée (32) dudit 30 élément optique.

   5. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit élément optique (1101, 1201, 2001, 2101) comprend une deuxième surface opposée à ladite première surface, ladite deuxième surface formant au moins en partie lesdits moyens de collimation.

   6. Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite deuxième surface est sphérique ou asphérique.
2. 10 15 20 7. Système selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ladite première surface (181, 191, 2201, 2301) réfléchit ledit faisceau d'illumination.

   8. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ladite première surface convertit ledit faisceau d'illumination en un faisceau à section sensiblement rectangulaire, ledit imageur étant rectangulaire.

   9. Système optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce ladite première surface (38, 41, 1101, 1201, 181, 191) comprend des facettes, chacune des facettes étant aptes à réorienter une partie dudit faisceau d'illumination vers ledit imageur, en formant un faisceau réorienté de sorte à éclairer ledit imageur, les faisceaux réorientés associés à l'ensemble des facettes ayant globalement une forme adaptée audit imageur.

   10. Système selon la revendication 9, caractérisé en ce que chacune desdites facettes est plane.

   11. Système selon l'une quelconque des revendications 9 et 10, caractérisé en ce que chacune desdites facettes est rectangulaire ou carrée.

   12. Système optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce ladite première surface comprend au moins une surface continue (2001, 2101, 2301, 2201, 2401, 2501) adaptée à réorienter au moins une partie dudit faisceau d'illumination vers ledit imageur, en formant un faisceau réorienté de sorte à éclairer ledit imageur, les faisceaux réorientés associés à l'ensemble de ladite première surface ayant globalement une forme adaptée audit imageur.

   13. Système selon la revendication 12, caractérisé en ce que ladite surface continue ou chacune desdites surfaces continues est sans arête.

   14. Système selon l'une quelconque des revendications 12 à 13, caractérisé en ce que ladite ou lesdites surfaces continues suivent une équation appartenant au groupe comprenant: - les équations polynomiales; - les équations trigonométriques; - les splines; et - les combinaisons d'équations polynomiales, d'équations trigonométriques et/ou de splines.

   15. Système selon l'une quelconque des revendications 12 à 14, caractérisé en ce que ladite première surface ne comprend pas de facette plane.

   16. Système selon l'une quelconque des revendications 12 à 15, caractérisé en ce que ladite première surface est sans arête.

   17. Système selon l'une quelconque des revendications 12 à 15, caractérisé en ce que ladite première surface (280, 290) comprend: - au moins une première zone (282, 292) comprenant au moins une surface continue adaptée à réorienter au moins une partie dudit faisceau d'illumination vers ledit imageur, en formant un faisceau réorienté de sorte à éclairer ledit imageur, les faisceaux réorientés associés à l'ensemble de ladite première surface ayant globalement une forme adaptée audit imageur; et - au moins une deuxième zone (283, 293) comprenant des facettes, chacune des facettes étant aptes à réorienter une partie dudit faisceau d'illumination vers ledit imageur, en formant un faisceau réorienté de sorte à éclairer ledit imageur, les faisceaux réorientés associés à l'ensemble des facettes ayant globalement une forme adaptée audit imageur.

   18. Système optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 17 caractérisé en ce que l'aire de ladite première surface est inférieure ou égale à 16 cm2.

   19. Système optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 18, caractérisé en ce que l'ouverture du faisceau d'illumination à la sortie dudit élément optique est comprise entre 3.2 et 5.

   20. Système optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 19, caractérisé en ce que ledit élément optique est conformé et positionné de sorte qu'au moins 95% du flux d'illumination éclairant ledit élément optique ressort par ladite première surface.

   21. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 20, caractérisé en ce qu'il comprend une roue colorée (31) et des moyens pour focaliser ledit faisceau d'illumination sur ladite roue colorée dans ladite zone de focalisation, lesdits moyens de collimation ayant pour foyer un point situé dans ladite zone de focalisation.

   22. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 21, caractérisé en ce qu'il comprend un objectif de projection (21) dudit faisceau d'imagerie.

   23. Système selon la revendication 22, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de repli (22, 23) dudit faisceau d'imagerie et un écran de rétro-projection (24).

   24. Elément optique (38, 41, 1101, 1201, 181, 191, 2001, 2101, 2301, 2201, 2401, 2501) pour un système optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 23, comprenant une première surface, caractérisé en ce que ladite première surface est adaptée pour réorienter un faisceau d'illumination incident, de sorte que les faisceaux réorientés par ladite première surface ont globalement une forme sensiblement rectangulaire dans un plan déterminé.

   25. Elément optique selon la revendication 24, caractérisé en ce que ladite première surface comprend des facettes et/ou une surface continue, adaptés à réorienter ledit faisceau d'illumination incident de sorte que les faisceaux réorientés aient globalement une forme sensiblement rectangulaire dans un plan déterminé.

   26. Elément optique (38, 41, 1101, 1201, 2001, 2101, 2401, 2501) selon l'une quelconque des revendications 24 et 25, caractérisé en ce que ladite première surface est réfractive.

   27. Elément optique selon l'une quelconque des revendications 24 et 25, 20 caractérisé en ce qu'il comprend une deuxième surface opposée à ladite première surface et sensiblement plane.

   28. Elément optique (1101, 1201, 2001, 2101, 2401, 2501) selon l'une quelconque des revendications 24 et 25, caractérisé en ce qu'il comprend une deuxième surface opposée à ladite première surface et qui comprend des moyens de collimation collimatant sensiblement un faisceau d'illumination provenant d'une zone ponctuelle.

   29. Elément optique (181, 191, 2201, 2301) selon l'une quelconque des revendications 24 et 25, caractérisé en ce que ladite première surface est réflective.