WO1996019900A1 - Liquid crystal video projector - Google Patents

Liquid crystal video projector Download PDF

Info

Publication number
WO1996019900A1
WO1996019900A1 PCT/FR1994/001516 FR9401516W WO9619900A1 WO 1996019900 A1 WO1996019900 A1 WO 1996019900A1 FR 9401516 W FR9401516 W FR 9401516W WO 9619900 A1 WO9619900 A1 WO 9619900A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
objective
imagers
sub
beams
imager
Prior art date
Application number
PCT/FR1994/001516
Other languages
French (fr)
Inventor
Christophe Nicolas
Jean-Yves Eouzan
Original Assignee
Thomson-Csf
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Thomson-Csf filed Critical Thomson-Csf
Priority to PCT/FR1994/001516 priority Critical patent/WO1996019900A1/en
Publication of WO1996019900A1 publication Critical patent/WO1996019900A1/en

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04NPICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N9/00Details of colour television systems
    • H04N9/12Picture reproducers
    • H04N9/31Projection devices for colour picture display, e.g. using electronic spatial light modulators [ESLM]
    • H04N9/3102Projection devices for colour picture display, e.g. using electronic spatial light modulators [ESLM] using two-dimensional electronic spatial light modulators
    • H04N9/3105Projection devices for colour picture display, e.g. using electronic spatial light modulators [ESLM] using two-dimensional electronic spatial light modulators for displaying all colours simultaneously, e.g. by using two or more electronic spatial light modulators
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04NPICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N13/00Stereoscopic video systems; Multi-view video systems; Details thereof
    • H04N13/30Image reproducers
    • H04N13/363Image reproducers using image projection screens
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04NPICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N13/00Stereoscopic video systems; Multi-view video systems; Details thereof
    • H04N13/30Image reproducers
    • H04N13/324Colour aspects
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04NPICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N13/00Stereoscopic video systems; Multi-view video systems; Details thereof
    • H04N13/30Image reproducers
    • H04N13/332Displays for viewing with the aid of special glasses or head-mounted displays [HMD]
    • H04N13/337Displays for viewing with the aid of special glasses or head-mounted displays [HMD] using polarisation multiplexing
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04NPICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N13/00Stereoscopic video systems; Multi-view video systems; Details thereof
    • H04N13/30Image reproducers
    • H04N13/398Synchronisation thereof; Control thereof

Definitions

  • the invention relates to a double liquid crystal video projector and more particularly to a video projector which is convertible between stereovision and ordinary vision with, in the latter case, an increased brightness compared to the state of the art.
  • the number of liquid crystal cells is doubled compared to the number strictly necessary to obtain a conventional (non-stereoscopic) image, but the device has an optimized energy efficiency.
  • stereovision is meant relief vision of images projected on a passive screen.
  • the one that concerns us consists in projecting two images, A1 and A2, on a passive screen, the light beams used to project these two images being polarized. Their polarization directions are perpendicular to each other, ie Dl and D2.
  • the observer wears glasses with two polarizing filters. The polarization direction of each filter coincides with that of one of the two projected images. So, for example, the right eye sees one of the two projected images, A1, and the left eye sees the other, A2.
  • the screen must allow the observation of polarized images: while an ordinary diffusing screen "depolarizes" the light during the reflection of the rays, a metallic screen makes it possible to preserve the polarization properties.
  • These screens exist and are used in cinemas (at the Futuroscope in Poitiers, for example).
  • One method for producing the two polarized images is to use two separate video projectors. Each of them is associated with a particular video signal and a polarizer is interposed on the path of the light rays coming from each of these projectors. The two polarization directions are perpendicular to each other. The projection on the same screen of the two images thus produced, combined with the use of polarized glasses gives the observer the illusion of a three-dimensional image.
  • two cathode ray tube projectors can be used by placing a polarizer at their output.
  • the disadvantages are:
  • a video projector with liquid crystal imagers comprises at least one LCD imager.
  • it comprises: - either a single LCD imager; for a color image, each pixel is provided with a red, green or blue colored filter;
  • FIG. 1 describes a conventional optical architecture of a three-color video projector.
  • Dl, D2, D3, D4 are dichroic mirrors. Ml and M2 of ordinary mirrors.
  • the imagers LCDy, LCD3, LCDR each include a polarizer which absorbs half of the flux, the other half being modulated by the liquid crystal cell.
  • the input polarizer of the LCD is oriented at 45 ° to the sides of the rectangle, this for reasons of homogeneity of the contrast throughout the surface.
  • the LCD output polarizer is oriented at 45 °.
  • the input and output polarizers are oriented at 90 ° from one another.
  • the orientation of the polarizers of an LCD imager at 45 ° to the sides of the image is at the origin of a characteristic of liquid crystal projectors which will prove to be important for the invention which will be described below: 'off-axis' illumination ( Figure 2). Indeed, so that the contrast is uniform over the entire image and that it is maximum, it is necessary to illuminate each imager at a non-zero average angle (which can reach 6 °).
  • One of the main disadvantages of liquid crystal video projectors is their low light efficiency, typically between 1 and 2%.
  • One of the main reasons for this low light efficiency is that the LCD imager includes a polarizer. As a result, more than half of the light is lost upstream of the imagers.
  • one solution consists in using several projectors arranged in parallel, all projecting the same image.
  • This solution has the drawback of multiplying the electrical consumption and of posing the same problems of image convergence as cathode ray tubes (with less ease in solving these problems).
  • two liquid crystal projectors can be used in parallel.
  • the light is polarized at the output of each LCD imager, after passing over the dichroic mirrors, it becomes elliptical but the ellipse is greatly elongated and the loss of light due to the use of polarized glasses should not be too great.
  • you must turn the LCD imagers of one of the projectors relative to the other in order to obtain two polarization images perpendicular to each other.
  • a solution as shown in FIG. 3 consists in doubling the number of LCD imagers compared to the number strictly necessary in a video projector comprising a single projection objective (see Patent EP 372,905) .
  • the basic configuration there are two LCD imagers, each being illuminated by polarized light.
  • a collimated beam of white light is divided into two complementary components polarized in two directions perpendicular to each other, by the action of a polarization splitter.
  • Each component illuminates a projector LCD1, LCD2, the two components modulated by the imagers are then recombined by a mixing cube sensitive to polarization.
  • each LCD imager modulates light in one of the three primary colors and one of the two complementary polarizations. In both cases, all the light emitted by the lamp is used.
  • the separating cube (or mixer) sensitive to polarization is, by construction, very sensitive to the incidence of light rays. It is characterized by a typical angular acceptance of ⁇ 3 °. In other words, it must present beams of almost collimated rays.
  • a video projector after modulation of the beams by the LCD imagers, it is necessary to make the rays converge in the aperture of the objective; this is the role of the field lens.
  • the geometric extent of the LCD imager is defined by its surface, S> LCD > and an opening number: N (see conference report: Japan Display 92, p. 121-124).
  • This number of apertures can represent the aperture of the projection objective, or a solid angle taken on the isocontrast curve (angle of view) or even the solid angle defined by the image of the light arc ( of the arc lamp) and the image focal length of the field lens. It is advisable to choose, among these three solid angles, the one which effectively limits the luminous flux.
  • N being the number of apertures of the objective.
  • ⁇ ⁇ the geometric extent is defined as being the product of the surface of the face of the cube by the solid angle defined by the angular acceptance:
  • the size of the mixing cube and, consequently, its mass, must therefore be large in order to take advantage of the efficiency of the polarized mixture.
  • the object of the invention is to remedy these drawbacks.
  • the invention therefore mainly relates to a liquid crystal video projector comprising at least:
  • a polarization splitter receiving the light beam and providing two orthogonally polarized sub-beams; - two liquid crystal imagers each placed on the path of a sub-beam;
  • an objective receiving the two sub-beams after crossing of the two imagers; characterized in that it also includes a combination mirror preferably located in the vicinity of the entrance pupil of the objective, the imagers being substantially symmetrical to each other with respect to the combination mirror; and in that the two sub-beams modulated by the imagers converge towards the objective in two mean directions forming a non-zero angle between them and form two substantially distinct images of the source in the plane of the entrance pupil of the goal.
  • FIG. 9 a diagram for illustrating a calculation of geometric ranges of the projector elements according to the invention.
  • This architecture essentially includes:
  • the source S (arc lamp) and its parabolic reflector provide a beam of collimated white light FI.
  • the separator cube SP gives two sub-beams F2, F3 whose directions of polarization are perpendicular to each other. Plates ⁇ / 2 Ql, Q2 arranged on the paths of the sub-beams make it possible to adapt the direction of polarization of the sub-beams to the direction of each polarizer of the imagers LCDA, LCDB.
  • the field lenses (L1, L2) arranged upstream of each imager cause the rays to converge so that they form images Tl, T2 of the arc of the source S in the vicinity of the pupil P of the objective
  • these two images T1, T2 of the arc of the source are juxtaposed.
  • the mirrors M1, M2, M3 make it possible to bring the two sub-beams in substantially the same direction towards the objective L3.
  • the mirrors M1, M2 transmit to the imagers LCDA, LCDB of the beams F4, F5 slightly inclined with respect to the normal to the imagers (for example 3 to 6 degrees). This tilting optimizes the contrast of the imagers between their on and off operation.
  • the normal to the imagers are such that after reflection on the mirror M3, they are substantially collinear with the optical axis of the objective L3.
  • the sub-beams after reflection of F5 on the mirror M3 therefore form an angle between. They form in the plane of the pupil of the lens L3, two images substantially distinct from the axis of the lamp S.
  • each field lens, placed upstream of each LCD imager converges the light rays by forming an image of the arc of the source in the plane of the entrance pupil of the L3 objective.
  • the general idea of the invention consists in forming the two corresponding arc images close to one another, in the plane of the pupil of the common objective, and in using a plane mirror (or several) so that the rays coming from the two imagers all enter the pupil P of the lens L3.
  • the arc images must therefore be juxtaposed in the plane of the pupil P of the lens L3 while, of course, the images of the imagers must be superimposed in the plane of the projection screen. This is guaranteed by the collinearity of the axes normal to LCD imagers.
  • the tilted illumination property of LCD imagers in video projectors is used for the juxtaposition of arc images, as shown in Figure 5.
  • the plane mirror M3 is used in the vicinity of which the arc images are formed.
  • the axes x a and x ( j (in solid lines) are the median axes normal to LCD imagers.
  • the mirror M3 is placed along the bisector of x a and xj-.
  • the axes x a and xb merge into a single axis: x.
  • This axis x is that of the projection objective L3.
  • the two images of the source arc are in the plane of the pupil of the objective. It is advantageous to form the arc images in the immediate vicinity of the mirror, so as to make them almost contiguous, which minimizes the necessary opening of the objective and reduces the overall size.
  • the images produced by one imager must therefore be superimposed on the images produced by the other imager.
  • a projection circuit, that of the LCDB imager for example is characterized by an illumination off-axis directed downwards (for example)
  • the projection circuit of the LCDB imager must be characterized by an up-axis off-axis illumination.
  • LCDA and LCDB are assumed to each belong to a projection circuit. To meet the following two conditions:
  • the polarizations of the projected images P ⁇ and Pg are necessarily perpendicular to each other.
  • the polarization directions are oriented at 45 ° from the video image.
  • the separation using chromatic mirrors has led to elliptical polarizations, P ⁇ and Pg being the major axes of the ellipses which makes this orientation of the polarizations advantageous.
  • FIG. 7 represents an alternative embodiment of the invention according to which the two imagers LCDA and LCDB, instead of being along perpendicular axes, are along parallel or collinear sensitive axes.
  • the two sub-beams F4 and F5 coming from the two projection circuits illuminating the imagers LCDA and LCDB are each reflected by mirrors M4 and M3 respectively so as to image the source in ImA and in ImB in the plane of the pupil of the objective L3.
  • the invention also includes a variant for which each of the two projection circuits comprises several imagers.
  • each of the two projection circuits comprises several imagers.
  • FIG. 8a represents the association of two projection circuits A and B.
  • Each projection circuit comprises three LCD imagers as well as the conventional dichroic mirrors.
  • the white source S (arc lamp + reflector) illuminates a polarization splitter cube SP which produces two sub-beams F2, F3 of white light whose main axes are shown in hatched lines.
  • the sub-beams F2 and F3 are transmitted to assemblies respectively called projector A and projector B.
  • Each projector A and B is as shown in FIG. 8b for example, and functions like the projector of FIG. 1.
  • Each imager LCDN, LCDB , LCDR therefore makes it possible to modulate a beam of a primary color.
  • FSg of the two projectors A and B are recombined together using a mirror M3 (see Figure 4) or two mirrors M3, M4 ( Figure 7) so as to form in the plane of the pupil of the lens L3 , two separate images of source S.
  • the dichroic mirrors separate each of these two beams into beams of red, green or blue colored light.
  • these colored beams are polarized.
  • their polarization direction is not necessarily identical to that of the LCD polarizer.
  • a ⁇ / 2 plate adapted to the color concerned, placed just before each LCD makes it possible to make these polarization directions identical.
  • FIG. 8a it is assumed that all the LCDs of projector A undergo an off-axis illumination downwards, while all the LCDs of projector B undergo an off-axis illumination upwards.
  • a combination mirror placed near the pupil plane of the objective makes it possible to orient the rays modulated by the projector B into the opening of the objective, while the rays modulated by the projector A pass under this combination mirror.
  • the 150 W metal halide arc lamps are characterized by an arc length of 5 mm, they are standard components in video projection. Their geometric extent is of the order of 150 mm 2 .sr. This is determined by the size of the arc and the angular radiation pattern. The required dimension of the mixing mirror is calculated by considering that an image of the arc must be able to be formed on its surface. The value of the geometric extent of the lamp is equal to that of the geometric extent defined by the field lens and the image of the arc in the pupillary plane (see Figure 9). Let f be the focal length and D the diameter of the field lens. D is also the diagonal of LCD. Let d be the diameter of the image of the arc.
  • the size of the separator cube must be sufficient so that its angular acceptance does not become a limiting factor of flow.
  • the cube is therefore relatively large, but this is much less of a problem than when it is used as a mixer. Indeed, this time it is not in the path of the imaging rays. For the rays of illumination, the influence of aberrations is therefore much less important.
  • the system of the invention has the following advantages: - increased brightness, double at most, for a non-stereoscopic video projector;

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Liquid Crystal (AREA)

Abstract

Liquid crystal video projector comprising at least a light source (S) emitting a light beam; a polarising separator (SP) receiving the light beam and providing two orthogonally polarised sub-beams; two liquid crystal imagers (LCDA, LCDB), each placed on the path of a sub-beam; an objective (L3) receiving the two sub-beams (F4, F5) after going through the two imagers; the video projector being characterized in that it has also a combination mirror (M3) situated probably at the vicinity of the input lens of the objective (L3), the imagers (LCDA, LCDB) being substantially symmetrical to each other with respect to the combination mirror (M3); and in that the two sub-beams modulated by the imagers converge towards the objective (L3) according to two mean directions forming a non-nule angle between each other and produce two images of the source (S) which are substantially distinct in the plane of the input lens (P) of the objective (L3). Application to stereovision video projector.

Description

PROJECTEUR VIDEO A CRISTAUX LIQUIDES LIQUID CRYSTAL VIDEO PROJECTOR
L'invention concerne un projecteur vidéo double à cristaux liquides et plus particulièrement un projecteur vidéo qui est convertible entre stéréovision et vision ordinaire avec dans le dernier cas, une luminosité accrue par rapport à l'état de l'art. Le nombre de cellules à cristaux liquides est doublé par rapport au nombre strictement nécessaire pour obtenir une image classique (non-stéréoscopique), mais le dispositif présente une efficacité énergétique optimisée.The invention relates to a double liquid crystal video projector and more particularly to a video projector which is convertible between stereovision and ordinary vision with, in the latter case, an increased brightness compared to the state of the art. The number of liquid crystal cells is doubled compared to the number strictly necessary to obtain a conventional (non-stereoscopic) image, but the device has an optimized energy efficiency.
Par stéréovision on entend vision en relief d'images projetées sur un écran passif. Parmi différents procédés de stéréovision, celui qui nous concerne consiste à projeter sur un écran passif deux images, Al et A2, les faisceaux lumineux servant à projeter ces deux images étant polarisés. Leurs directions de polarisation sont perpendiculaires entre elles, soient Dl et D2. L'observateur porte des lunettes comportant deux filtres polarisants. La direction de polarisation de chaque filtre coïncide avec celle d'une des deux images projetées. Ainsi, par exemple, l'oeil droit voit l'une des deux images projetées, Al, et l'oeil gauche voit l'autre, A2. Bien entendu, l'écran doit permettre l'observation d'images polarisées : tandis qu'un écran diffusant ordinaire "dépolarise" la lumière lors de la réflexion des rayons, un écran métallique permet de conserver les propriétés de polarisation. Ces écrans existent et sont mis en oeuvre dans des salles de cinéma (au Futuroscope de Poitiers, par exemple).By stereovision is meant relief vision of images projected on a passive screen. Among different stereovision methods, the one that concerns us consists in projecting two images, A1 and A2, on a passive screen, the light beams used to project these two images being polarized. Their polarization directions are perpendicular to each other, ie Dl and D2. The observer wears glasses with two polarizing filters. The polarization direction of each filter coincides with that of one of the two projected images. So, for example, the right eye sees one of the two projected images, A1, and the left eye sees the other, A2. Of course, the screen must allow the observation of polarized images: while an ordinary diffusing screen "depolarizes" the light during the reflection of the rays, a metallic screen makes it possible to preserve the polarization properties. These screens exist and are used in cinemas (at the Futuroscope in Poitiers, for example).
Un procédé pour produire les deux images polarisées consiste à utiliser deux projecteurs vidéo séparés. On associe à chacun d'eux un signal vidéo particulier et on interpose un polariseur sur le trajet des rayons lumineux issus de chacun de ces projecteurs. Les deux directions de polarisation sont perpendiculaires entre elles. La projection sur un même écran des deux images ainsi produites, combinée avec l'utilisation des lunettes polarisantes donne à l'observateur l'illusion d'une image en trois dimensions.One method for producing the two polarized images is to use two separate video projectors. Each of them is associated with a particular video signal and a polarizer is interposed on the path of the light rays coming from each of these projectors. The two polarization directions are perpendicular to each other. The projection on the same screen of the two images thus produced, combined with the use of polarized glasses gives the observer the illusion of a three-dimensional image.
Afin d'obtenir la projection des deux images polarisées, on peut utiliser deux appareils projecteurs à tubes cathodiques en plaçant un polariseur à leur sortie. Les inconvénients sont les suivants :In order to obtain the projection of the two polarized images, two cathode ray tube projectors can be used by placing a polarizer at their output. The disadvantages are:
- problème de superposition des images et risque de déstabilisation de cette superposition due à la dérive thermique dans le temps ;- problem of superposition of images and risk of destabilization of this superposition due to thermal drift over time;
- plus de la moitié de la lumière produite par chaque projecteur est perdue à cause des polariseurs ; - dans un projecteur à tube cathodique ordinaire, il y a trois objectifs de projection. Il est donc difficile de réaliser une fonction zoom. Cela est à fortiori plus difficile si l'on utilise deux projecteurs combinés.- more than half of the light produced by each projector is lost due to polarizers; - in an ordinary cathode ray tube projector, there are three projection objectives. It is therefore difficult to perform a zoom function. This is all the more difficult if two combined projectors are used.
Il est intéressant d'utiliser des projecteurs à imageurs cristal liquide (ou LCD) pour les deux raisons suivantes :It is interesting to use projectors with liquid crystal imagers (or LCD) for the following two reasons:
- la lumière modulée par ces imageurs est, par principe, polarisée à la sortie de chaque imageur LCD ;- the light modulated by these imagers is, in principle, polarized at the output of each LCD imager;
- il est connu de combiner entre eux les rayons lumineux modulés par différents imageurs, par exemple lorsque chacun module une couleur primaire, et d'utiliser un seul objectif de projection commun à tous les imageurs. Cet objectif peut donc comporter une fonction "zoom" ;- It is known to combine together the light rays modulated by different imagers, for example when each modulates a primary color, and to use a single projection objective common to all the imagers. This objective can therefore include a "zoom" function;
- possibilité d'avoir un moyennage des défauts dus aux imageurs LCD.- possibility of averaging faults due to LCD imagers.
Il est bien entendu qu'un projecteur vidéo à imageurs cristal liquide comporte au moins un imageur LCD. Dans le cas général, il comporte : - soit un unique imageur LCD ; pour une image couleur, chaque pixel est muni d'un filtre coloré rouge, vert ou bleu ;It is understood that a video projector with liquid crystal imagers comprises at least one LCD imager. In the general case, it comprises: - either a single LCD imager; for a color image, each pixel is provided with a red, green or blue colored filter;
- soit trois imageurs LCD, chacun étant illuminé par un faisceau de lumière monochrome rouge, vert ou bleu.- either three LCD imagers, each illuminated by a beam of monochrome red, green or blue light.
La figure 1 décrit une architecture optique classique d'un projecteur vidéo trichrome. Dl, D2, D3, D4 sont des miroirs dichroïques. Ml et M2 des miroirs ordinaires. Généralement la lumière émise par la lampe n'est pas polarisée. Les imageurs LCDy, LCD3, LCDR comprennent chacun un polariseur qui absorbe la moitié du flux, l'autre moitié étant modulée par la cellule à cristal liquide. En général, pour un imageur LCD rectangulaire (format 4:3 ou 16:9 pour la vidéo), le polariseur d'entrée du LCD est orienté à 45° des côtés du rectangle, cela pour des raisons d'homogénéité du contraste sur toute la surface. De même, le polariseur de sortie du LCD est orienté à 45°. Pour le cas le plus répandu des imageurs LCD positifs, c'est-à- dire transparents sous une tension de commande nulle, les polariseurs d'entrée et de sortie sont orientés à 90° l'un de l'autre. L'orientation des polariseurs d'un imageur LCD à 45° des côtés de l'image, est à l'origine d'une caractéristique des projecteurs à cristaux liquides qui se révélera importante pour l'invention qui sera décrite par la suite : l'illumination "hors d'axe" (figure 2). En effet pour que le contraste soit uniforme sur toute l'image et qu'il soit maximum, il est nécessaire d'illuminer chaque imageur sous un angle moyen non nul (qui peut atteindre 6°). Un des principaux handicap des projecteurs vidéo à cristaux liquides est leur faible efficacité lumineuse, typiquement comprise entre 1 et 2 %. Une des principales raisons de cette faible efficacité lumineuse est que l'imageur LCD comporte un polariseur. Par conséquent, plus de la moitié de la lumière est perdue en amont des imageurs.FIG. 1 describes a conventional optical architecture of a three-color video projector. Dl, D2, D3, D4 are dichroic mirrors. Ml and M2 of ordinary mirrors. Generally the light emitted by the lamp is not polarized. The imagers LCDy, LCD3, LCDR each include a polarizer which absorbs half of the flux, the other half being modulated by the liquid crystal cell. In general, for a rectangular LCD imager (4: 3 or 16: 9 format for video), the input polarizer of the LCD is oriented at 45 ° to the sides of the rectangle, this for reasons of homogeneity of the contrast throughout the surface. Likewise, the LCD output polarizer is oriented at 45 °. For the most common case of positive LCD imagers, that is to say transparent under a zero control voltage, the input and output polarizers are oriented at 90 ° from one another. The orientation of the polarizers of an LCD imager at 45 ° to the sides of the image is at the origin of a characteristic of liquid crystal projectors which will prove to be important for the invention which will be described below: 'off-axis' illumination (Figure 2). Indeed, so that the contrast is uniform over the entire image and that it is maximum, it is necessary to illuminate each imager at a non-zero average angle (which can reach 6 °). One of the main disadvantages of liquid crystal video projectors is their low light efficiency, typically between 1 and 2%. One of the main reasons for this low light efficiency is that the LCD imager includes a polarizer. As a result, more than half of the light is lost upstream of the imagers.
Afin de doubler le flux lumineux de l'image projetée, une solution consiste à utiliser plusieurs projecteurs disposés en parallèle, projetant tous la même image.In order to double the luminous flux of the projected image, one solution consists in using several projectors arranged in parallel, all projecting the same image.
Cette solution présente l'inconvénient de multiplier la consommation électrique et de poser les mêmes problèmes de convergence des images que les tubes à rayons cathodiques (avec moins de facilité pour régler ces problèmes).This solution has the drawback of multiplying the electrical consumption and of posing the same problems of image convergence as cathode ray tubes (with less ease in solving these problems).
De même pour projeter des images en stéréoscopie, on peut utiliser deux projecteurs à cristaux liquides en parallèle. Comme la lumière est polarisée en sortie de chaque imageur LCD, après passage sur les miroirs dichroïques, elle devient elliptique mais l'ellipse est fortement allongée et la perte de lumière due à l'utilisation des lunettes polarisantes ne devrait pas être trop importante. Il faut cependant retourner les imageurs LCD d'un des projecteurs par rapport à l'autre afin d'obtenir deux images de polarisations perpendiculaires entre elles.Similarly, to project images in stereoscopy, two liquid crystal projectors can be used in parallel. As the light is polarized at the output of each LCD imager, after passing over the dichroic mirrors, it becomes elliptical but the ellipse is greatly elongated and the loss of light due to the use of polarized glasses should not be too great. However, you must turn the LCD imagers of one of the projectors relative to the other in order to obtain two polarization images perpendicular to each other.
Afin de contourner le problème de la faible efficacité, une solution telle que représentée en figure 3 consiste à doubler le nombre d'imageurs LCD par rapport au nombre strictement nécessaire dans un projecteur vidéo comportant un seul objectif de projection (voir Brevet EP 372 905). Dans la configuration de base il y a deux imageurs LCD, chacun étant illuminé par de la lumière polarisée.In order to circumvent the problem of low efficiency, a solution as shown in FIG. 3 consists in doubling the number of LCD imagers compared to the number strictly necessary in a video projector comprising a single projection objective (see Patent EP 372,905) . In the basic configuration there are two LCD imagers, each being illuminated by polarized light.
Un faisceau collimaté de lumière blanche est divisé en deux composantes complémentaires polarisées suivant deux directions perpendiculaires entre elles, par l'action d'un séparateur de polarisations. Chaque composante illumine un projecteur LCD1, LCD2, les deux composantes modulées par les imageurs sont ensuite recombinées par un cube mélangeur sensible à la polarisation. Sur l'une des voies, après la séparation, on peut faire tourner la direction de polarisation de 90° afin qu'elle soit identique à celle de l'autre voie.A collimated beam of white light is divided into two complementary components polarized in two directions perpendicular to each other, by the action of a polarization splitter. Each component illuminates a projector LCD1, LCD2, the two components modulated by the imagers are then recombined by a mixing cube sensitive to polarization. On one of the channels, after separation, you can rotate the polarization direction by 90 ° so that it is identical to that of the other channel.
Dans une configuration plus élaborée, il y a jusqu'à six imageurs LCD, afin d'obtenir une image en couleur. Chaque imageur LCD module de la lumière d'une des trois couleurs primaires et d'une des deux polarisations complémentaires. Dans les deux cas, toute la lumière émise par la lampe est utilisée.In a more elaborate configuration, there are up to six LCD imagers, in order to obtain a color image. Each LCD imager modulates light in one of the three primary colors and one of the two complementary polarizations. In both cases, all the light emitted by the lamp is used.
Ce système pourrait être utilisé en stéréoscopie. Il suffirait d'adresser chaque LCD avec le signal vidéo convenable. Néanmoins, ce système se révèle peu pratique lorsqu'on évalue quelques grandeurs numériques. En effet, le cube séparateur (ou mélangeur) sensible à la polarisation est, par construction, très sensible à l'incidence des rayons lumineux. Il est caractérisé par une acceptance angulaire typique de ± 3°. Autrement dit, il faut lui présenter des faisceaux de rayons quasiment collimatés. Or, dans un projecteur vidéo, après modulation des faisceaux par les imageurs LCD, il est nécessaire de faire converger les rayons dans l'ouverture de l'objectif; c'est le rôle de la lentille de champ.This system could be used in stereoscopy. It would suffice to address each LCD with the proper video signal. However, this system turns out to be impractical when evaluating some numerical quantities. In fact, the separating cube (or mixer) sensitive to polarization is, by construction, very sensitive to the incidence of light rays. It is characterized by a typical angular acceptance of ± 3 °. In other words, it must present beams of almost collimated rays. However, in a video projector, after modulation of the beams by the LCD imagers, it is necessary to make the rays converge in the aperture of the objective; this is the role of the field lens.
Si l'on peut trouver un système optique qui permette d'adapter les rayons modulés par chaque imageur LCD et un cube mélangeur de polarisations, un simple calcul d'ordre de grandeur des étendues géométriques montre que la dimension de ce cube est prohibitive.If we can find an optical system which makes it possible to adapt the rays modulated by each LCD imager and a cube mixing polarizations, a simple calculation of order of magnitude of the geometric expanses shows that the dimension of this cube is prohibitive.
L'étendue géométrique de l'imageur LCD est définie par sa surface, S>LCD> et un nombre d'ouverture : N (voir compte rendu de conférence : Japan Display 92, p. 121-124). Ce nombre d'ouverture peut représenter l'ouverture de l'objectif de projection, ou bien un angle solide pris sur la courbe isocontraste (angle de vue) ou bien encore l'angle solide défini par l'image de l'arc lumineux (de la lampe à arc) et la distance focale image de la lentille de champ. Il convient de choisir, parmi ces trois angles solides celui qui limite effectivement le flux lumineux. La formule de l'étendue géométrique de l'imageur LCD est : ELCE> = SLCD X (angte solide d'ouverture)The geometric extent of the LCD imager is defined by its surface, S> LCD > and an opening number: N (see conference report: Japan Display 92, p. 121-124). This number of apertures can represent the aperture of the projection objective, or a solid angle taken on the isocontrast curve (angle of view) or even the solid angle defined by the image of the light arc ( of the arc lamp) and the image focal length of the field lens. It is advisable to choose, among these three solid angles, the one which effectively limits the luminous flux. The formula for the geometric extent of the LCD imager is: ELCE> DCL = X (an opening GTE solid)
E_QD : étendue géométriqueE_QD: geometric extent
^LCD : surface de l'imageur LCD^ LCD : LCD imager surface
ELCD = SLCD . π/(4.N2)ELCD = S LCD . π / (4.N 2 )
N étant le nombre d'ouverture de l'objectif. Pour un cube mélangeur de côté C, d'acceptance angulaire ± α, l'étendue géométrique est définie comme étant le produit de la surface de la face du cube par l'angle solide défini par l'acceptance angulaire :N being the number of apertures of the objective. For a cube cube of side C, of angular acceptance ± α, the geometric extent is defined as being the product of the surface of the face of the cube by the solid angle defined by the angular acceptance:
Ec = C2.2π [l - cos(α)]Ec = C 2 .2π [l - cos (α)]
Si Eç > EJ_ _), il n'y a pas de perte de flux pour des raisons géométriques. Par contre, si Eç < E]_çγ) on peut définir une efficacité géométrique de mélange, βg qui est un facteur de transmission de flux :If Eç> EJ_ _), there is no loss of flow for geometric reasons. On the other hand, if Eç <E] _çγ) we can define a geometric efficiency of mixing, βg which is a factor of flux transmission:
_ C2.8.[l - cos(α)].N; Cg _ CC ' ^ CD _ ç _ C 2 .8. [L - cos (α)]. N ; C g _ C C '^ CD _ ç
ÛLCD Û LCD
Application numérique typiqueTypical digital application
N = 4,5, SLCD = 84 cm2 (LCD de diagonale 5,5" au format 16/9) : E _ç_) = 3 cm2.sr (326 mm .sr)N = 4.5, S L CD = 84 cm2 (5.5 "diagonal LCD in 16: 9 format): E _ç_) = 3 cm 2 .sr (326 mm .sr)
Dimension minima du cube mélangeur pour adapter les étendues géométriques :Minimum dimension of the mixing cube to adapt the geometric ranges:
ELCD = EC — > C = 19,5 cm Si le cube est de dimension inférieure, l'efficacité géométrique de mélange est : βg ≈ 2,6.10"3.C2 (C exprimé en cm)ELCD = E C -> C = 19.5 cm If the cube is smaller, the geometric mixing efficiency is: βg ≈ 2.6.10 "3.C 2 (C expressed in cm)
Par exemple pour la dimension standard C = 5 cm, on trouve eg = 0,07.For example for the standard dimension C = 5 cm, we find eg = 0.07.
La dimension du cube mélangeur et, par conséquent, sa masse, doivent donc être importantes pour pouvoir tirer profit de l'efficacité du mélange polarisé.The size of the mixing cube and, consequently, its mass, must therefore be large in order to take advantage of the efficiency of the polarized mixture.
Afin d'augmenter le flux lumineux, il a été proposé d'associer plusieurs projecteurs vidéo qui projetteraient une même image vidéo. Les rayons sont combinés grâce à l'utilisation de miroirs plans en amont d'un objet de projection unique (voir document Japan Display'92 - 117). Cette solution présente les avantages suivants : pas de réglage de convergence d'image, compatibilité avec la stéréoscopie. Par contre elle présente le désavantage de nécessiter autant de sources d'illumination (lampe à arc) qu'il y a de projecteurs. Cela résulte en une forte consommation énergétique.In order to increase the luminous flux, it has been proposed to combine several video projectors which would project the same video image. The rays are combined thanks to the use of flat mirrors upstream of a single projection object (see document Japan Display'92 - 117). This solution has the following advantages: no adjustment of image convergence, compatibility with stereoscopy. On the other hand, it has the disadvantage of requiring as many sources of illumination (arc lamp) as there are projectors. This results in high energy consumption.
L'invention a pour objet de remédier à ces inconvénients. L'invention concerne donc principalement un projecteur vidéo à cristaux liquides comprenant au moins :The object of the invention is to remedy these drawbacks. The invention therefore mainly relates to a liquid crystal video projector comprising at least:
- une source de lumière émettant un faisceau lumineux ;- a light source emitting a light beam;
- un séparateur de polarisation recevant le faisceau lumineux et fournissant deux sous-faisceaux polarisés orthogonalement ; - deux imageurs à cristaux liquides placés chacun sur le chemin d'un sous- faisceau ;- a polarization splitter receiving the light beam and providing two orthogonally polarized sub-beams; - two liquid crystal imagers each placed on the path of a sub-beam;
- un objectif recevant les deux sous-faisceaux après traversée des deux imageurs ; caractérisé en ce qu'il comporte également un miroir de combinaison situé de préférence au voisinage de la pupille d'entrée de l'objectif, les imageurs étant sensiblement symétriques l'un de l'autre par rapport au miroir de combinaison ; et en ce que les deux sous-faisceaux modulés par les imageurs convergent vers l'objectif suivant deux directions moyennes formant un angle non nul entre elles et forment deux images de la source sensiblement distinctes dans le plan de la pupille d'entrée de l'objectif. Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif et dans les figures annexées qui représentent :- an objective receiving the two sub-beams after crossing of the two imagers; characterized in that it also includes a combination mirror preferably located in the vicinity of the entrance pupil of the objective, the imagers being substantially symmetrical to each other with respect to the combination mirror; and in that the two sub-beams modulated by the imagers converge towards the objective in two mean directions forming a non-zero angle between them and form two substantially distinct images of the source in the plane of the entrance pupil of the goal. The various objects and characteristics of the invention will appear more clearly in the following description given by way of nonlimiting example and in the appended figures which represent:
- les figures 1 à 3, des architectures de projecteurs vidéo trichrome à cristaux liquides de types connus ;- Figures 1 to 3, architectures of three-color liquid crystal video projectors of known types;
- la figure 4, un exemple de réalisation d'un projecteur vidéo selon l'invention- Figure 4, an embodiment of a video projector according to the invention
- les figures 5 et 6, des illustrations explicatives du projecteur de la figure- Figures 5 and 6, explanatory illustrations of the projector of the figure
- la figure 7, une variante de réalisation du système de la figure 4 ;- Figure 7, an alternative embodiment of the system of Figure 4;
- les figures 8a et 8b, une application de l'invention à un système chromatique ;- Figures 8a and 8b, an application of the invention to a chromatic system;
- la figure 9, un schéma permettant d'illustrer un calcul d'étendues géométriques des éléments du projecteur selon l'invention. En se reportant à la figure 4, on va donc décrire une architecture de base d'un projecteur selon l'invention. Cette architecture comprend essentiellement :- Figure 9, a diagram for illustrating a calculation of geometric ranges of the projector elements according to the invention. Referring to Figure 4, we will therefore describe a basic architecture of a projector according to the invention. This architecture essentially includes:
- une source lumineuse S ;- a light source S;
- un séparateur de polarisations SP ;- a polarization splitter SP;
- deux ensembles modulateurs de lumière à cristaux liquides indépendants ou imageurs LCDA, LCDB ;- two sets of independent liquid crystal light modulators or imagers LCDA, LCDB;
- au moins un miroir de combinaison des faisceaux modulés M3 ;- at least one mirror combining the modulated beams M3;
- un objectif de projection unique L3.- a single projection lens L3.
La source S (lampe à arc) et son réflecteur parabolique fournissent un faisceau de lumière blanche FI collimaté. Le cube séparateur SP en donne deux sous- faisceaux F2, F3 dont les directions de polarisations sont perpendiculaires entre elles. Des lames λ/2 Ql, Q2 disposées sur les trajets des sous-faisceaux permettent d'adapter la direction de polarisation des sous-faisceaux à la direction de chaque polariseur des imageurs LCDA, LCDB. Les lentilles de champ (Ll, L2) disposées en amont de chaque imageur font converger les rayons de sorte qu'ils forment des images Tl, T2 de l'arc de la source S au voisinage de la pupille P de l'objectif De préférence, ces deux images Tl, T2 de l'arc de la source sont juxtaposées.The source S (arc lamp) and its parabolic reflector provide a beam of collimated white light FI. The separator cube SP gives two sub-beams F2, F3 whose directions of polarization are perpendicular to each other. Plates λ / 2 Ql, Q2 arranged on the paths of the sub-beams make it possible to adapt the direction of polarization of the sub-beams to the direction of each polarizer of the imagers LCDA, LCDB. The field lenses (L1, L2) arranged upstream of each imager cause the rays to converge so that they form images Tl, T2 of the arc of the source S in the vicinity of the pupil P of the objective Preferably , these two images T1, T2 of the arc of the source are juxtaposed.
Selon la figure 4, les miroirs Ml, M2, M3 permettent de ramener les deux sous-faisceaux dans sensiblement la même direction vers l'objectif L3. Les miroirs Ml, M2 transmettent aux imageurs LCDA, LCDB des faisceaux F4, F5 légèrement inclinés par rapport à la normale aux imageurs (par exemple 3 à 6 degrés). Cette inclinaison permet d'optimiser le contraste des imageurs entre leur fonctionnement passant et leur fonctionnement bloquant. Les normales aux imageurs sont telles que après réflexion sur le miroir M3, elles sont sensiblement colinéaires avec l'axe optique de l'objectif L3. Les sous-faisceaux après réflexion de F5 sur le miroir M3 forment donc un angle entre. Ils forment dans le plan de la pupille de l'objectif L3, deux images sensiblement distinctes de l'axe de la lampe S.According to FIG. 4, the mirrors M1, M2, M3 make it possible to bring the two sub-beams in substantially the same direction towards the objective L3. The mirrors M1, M2 transmit to the imagers LCDA, LCDB of the beams F4, F5 slightly inclined with respect to the normal to the imagers (for example 3 to 6 degrees). This tilting optimizes the contrast of the imagers between their on and off operation. The normal to the imagers are such that after reflection on the mirror M3, they are substantially collinear with the optical axis of the objective L3. The sub-beams after reflection of F5 on the mirror M3 therefore form an angle between. They form in the plane of the pupil of the lens L3, two images substantially distinct from the axis of the lamp S.
Dans un projecteur vidéo ordinaire, chaque lentille de champ, placée en amont de chaque imageur LCD fait converger les rayons lumineux en formant une image de l'arc de la source dans le plan de la pupille d'entrée de l'objectif L3. En associant deux imageurs qui partagent le même objectif, il est nécessaire de veiller à ce que chacune des deux images d'arc puisse être transmise par la pupille P de l'objectif L3. L'idée générale de l'invention consiste à former les deux images d'arc correspondantes à proximité l'une de l'autre, dans le plan de la pupille de l'objectif commun, et à utiliser un miroir plan (ou plusieurs) pour que les rayons provenant des deux imageurs entrent tous dans la pupille P de l'objectif L3.In an ordinary video projector, each field lens, placed upstream of each LCD imager converges the light rays by forming an image of the arc of the source in the plane of the entrance pupil of the L3 objective. By associating two imagers which share the same objective, it is necessary to ensure that each of the two arc images can be transmitted by the pupil P of the objective L3. The general idea of the invention consists in forming the two corresponding arc images close to one another, in the plane of the pupil of the common objective, and in using a plane mirror (or several) so that the rays coming from the two imagers all enter the pupil P of the lens L3.
Les images d'arc doivent donc être juxtaposées dans le plan de la pupille P de l'objectif L3 tandis que, bien sûr, les images des imageurs doivent être superposées dans le plan de l'écran de projection. Ceci est garanti par la colinéarité des axes normaux aux imageurs LCD. La propriété d'illumination inclinée des imageurs LCD dans les projecteurs vidéo est utilisée pour la juxtaposition des images d'arc, comme le montre la figure 5.The arc images must therefore be juxtaposed in the plane of the pupil P of the lens L3 while, of course, the images of the imagers must be superimposed in the plane of the projection screen. This is guaranteed by the collinearity of the axes normal to LCD imagers. The tilted illumination property of LCD imagers in video projectors is used for the juxtaposition of arc images, as shown in Figure 5.
Pour juxtaposer les deux images d'arc provenant des deux imageurs, on utilise le miroir plan M3 au voisinage duquel les images d'arc sont formées. Les axes xa et x(j (en traits pleins) sont les axes médians normaux aux imageurs LCD. Pour que l'image de l'imageur LCDB réfléchie par le miroir M3 soit superposée à celle de l'imageur LCDA, il faut que le miroir M3 soit placé suivant la bissectrice de xa et xj-. Ainsi après réflexion des rayons qui ont été modulés par le modulateur LCDB, les axes xa et xb se confondent en un axe unique : x. Cet axe x est celui de l'objectif de projection L3. Grâce aux illuminations hors d'axe, suivant za et zjj (traits hachurés) et en décalant le miroir M3 par rapport au point d'intersection des deux axes xa et xj-,, il est possible de juxtaposer les images d'arc, ImA et ImB, formées par les deux projecteurs. Ainsi aucune énergie n'est perdue dans la combinaison des faisceaux. Pour cela, il est nécessaire que les angles d'illumination soient de signes opposés entre les deux projecteurs. Sur la figure 5, les lettres "b" et "h" associées aux imageurs représentent respectivement le bas et le haut d'une image vidéo.To juxtapose the two arc images from the two imagers, the plane mirror M3 is used in the vicinity of which the arc images are formed. The axes x a and x ( j (in solid lines) are the median axes normal to LCD imagers. In order for the image of the LCDB imager reflected by the mirror M3 to be superimposed on that of the LCDA imager, the mirror M3 is placed along the bisector of x a and xj-. Thus after reflection of the rays which have been modulated by the LCDB modulator, the axes x a and xb merge into a single axis: x. This axis x is that of the projection objective L3. Thanks to the off-axis illuminations, along z a and zj j (hatched lines) and by shifting the mirror M3 relative to the point of intersection of the two axes x a and xj- ,, it is possible to juxtapose the images of arc, ImA and ImB, formed by the two projectors. Thus no energy is lost in the combination of the beams. For this, it is necessary that the angles of illumination are of opposite signs between the of them spotlights. In FIG. 5, the letters "b" and "h" associated with the imagers respectively represent the bottom and the top of a video image.
De préférence, les deux images de l'arc de la source sont dans le plan de la pupille de l'objectif. On a intérêt à former les images d'arc à proximité immédiate du miroir, de façon à les rendre quasiment jointives, ce qui minimise l'ouverture nécessaire de l'objectif et réduit l'encombrement général.Preferably, the two images of the source arc are in the plane of the pupil of the objective. It is advantageous to form the arc images in the immediate vicinity of the mirror, so as to make them almost contiguous, which minimizes the necessary opening of the objective and reduces the overall size.
Dans ce qui précède, il faut donc que les images produites par un imageur se superposent aux images produites par l'autre imageur. D'autre part, si un circuit de projection, celui de l'imageur LCDB par exemple est caractérisé par une illumination hors d'axe dirigée vers le bas (par exemple), il faut que le circuit de projection de l'imageur LCDB soit caractérisé par une illumination hors d'axe dirigée vers le haut.In the foregoing, the images produced by one imager must therefore be superimposed on the images produced by the other imager. On the other hand, if a projection circuit, that of the LCDB imager for example is characterized by an illumination off-axis directed downwards (for example), the projection circuit of the LCDB imager must be characterized by an up-axis off-axis illumination.
Comme le montre la figure 6, cela influe sur la polarisation des images projetées.As shown in Figure 6, this affects the polarization of the projected images.
En effet, le sens d'inclinaison de l'illumination de l'imageur LCDA ouIndeed, the direction of inclination of the illumination of the LCDA imager or
LCDB vers le haut ou vers le bas dépend de la diagonale suivant laquelle le polariseur d'entrée est orientée. U en va de même pour le sens de l'inclinaison moyenne du faisceau modulé par rapport au polariseur de sortie de l'imageur. Sur la figure 6, lesLCDB up or down depends on the diagonal according to which the input polarizer is oriented. The same goes for the direction of the mean inclination of the modulated beam relative to the output polarizer of the imager. In Figure 6, the
LCDA et LCDB sont supposés appartenir chacun à un circuit de projection. Pour satisfaire aux deux conditions suivantes :LCDA and LCDB are assumed to each belong to a projection circuit. To meet the following two conditions:
- inclinaison hors d'axe de sens opposés ; - superposition des images provenant des deux imageurs LCDA et LCDB, les polarisations des images projetées P^ et Pg sont nécessairement perpendiculaires entre elles. Selon une réalisation préférée les directions de polarisations sont orientées à 45° de l'image vidéo. Notamment dans le cas d'un système chromatique, la séparation à l'aide de miroirs chromatiques a conduit à des polarisations elliptiques, P^ et Pg étant les grands axes des ellipses ce qui rend avantageuse cette orientation des polarisations.- tilting off axis in opposite directions; - superimposition of the images coming from the two imagers LCDA and LCDB, the polarizations of the projected images P ^ and Pg are necessarily perpendicular to each other. According to a preferred embodiment, the polarization directions are oriented at 45 ° from the video image. In particular in the case of a chromatic system, the separation using chromatic mirrors has led to elliptical polarizations, P ^ and Pg being the major axes of the ellipses which makes this orientation of the polarizations advantageous.
La figure 7 représente une variante de réalisation de l'invention selon laquelle les deux imageurs LCDA et LCDB, au lieu d'être selon des axes perpendiculaires, sont selon des axes sensibles parallèles ou colinéaires. Les deux sous-faisceaux F4 et F5 provenant des deux circuits de projection éclairant les imageurs LCDA et LCDB sont réfléchis chacun par des miroirs M4 et M3 respectivement de façon à imager la source en ImA et en ImB dans le plan de la pupille de l'objectif L3.FIG. 7 represents an alternative embodiment of the invention according to which the two imagers LCDA and LCDB, instead of being along perpendicular axes, are along parallel or collinear sensitive axes. The two sub-beams F4 and F5 coming from the two projection circuits illuminating the imagers LCDA and LCDB are each reflected by mirrors M4 and M3 respectively so as to image the source in ImA and in ImB in the plane of the pupil of the objective L3.
L'invention comprend aussi une variante pour laquelle chacun des deux circuits de projection comporte plusieurs imageurs. En particulier on peut considérer l'association de deux ensembles modulateurs de lumière de structure classique (décrite en figure 1), qui partageraient une même source lumineuse et un objectif commun.The invention also includes a variant for which each of the two projection circuits comprises several imagers. In particular we can consider the association of two light modulator assemblies of conventional structure (described in FIG. 1), which would share the same light source and a common objective.
La figure 8a représente l'association de deux circuits de projection A et B. Chaque circuit de projection comporte trois imageurs LCD ainsi que les miroirs dichroïques conventionnels. La source blanche S (lampe à arc + réflecteur) illumine un cube séparateur de polarisations SP qui produit deux sous-faisceaux F2, F3 de lumière blanche dont les axes principaux sont représentés en traits hachurés. Les sous- faisceaux F2 et F3 sont transmis à des ensembles appelés respectivement projecteur A et projecteur B. Chaque projecteur A et B est tel que réprésenté en figure 8b par exemple, et fonctionne comme le projecteur de la figure 1. Chaque imageur LCDN, LCDB, LCDR permet donc de moduler un faisceau d'une couleur primaire. Les faisceaux FS^. FSg des deux projecteurs A et B sont recombinés ensembles à l'aide d'un miroir M3 (voir figure 4) ou de deux miroirs M3, M4 (figure 7) de façon à former dans le plan de la pupille de l'objectif L3, deux images distinctes de la source S. Les miroirs dichroïques séparent chacun de ces deux faisceaux en faisceaux de lumière colorée rouge, verte ou bleue.FIG. 8a represents the association of two projection circuits A and B. Each projection circuit comprises three LCD imagers as well as the conventional dichroic mirrors. The white source S (arc lamp + reflector) illuminates a polarization splitter cube SP which produces two sub-beams F2, F3 of white light whose main axes are shown in hatched lines. The sub-beams F2 and F3 are transmitted to assemblies respectively called projector A and projector B. Each projector A and B is as shown in FIG. 8b for example, and functions like the projector of FIG. 1. Each imager LCDN, LCDB , LCDR therefore makes it possible to modulate a beam of a primary color. The FS ^ beams. FSg of the two projectors A and B are recombined together using a mirror M3 (see Figure 4) or two mirrors M3, M4 (Figure 7) so as to form in the plane of the pupil of the lens L3 , two separate images of source S. The dichroic mirrors separate each of these two beams into beams of red, green or blue colored light.
Contrairement au cas d'un projecteur ordinaire, ces faisceaux colorés sont polarisés. Cependant leur direction de polarisation n'est pas forcément identique à celle du polariseur de LCD. Une lame λ/2 adaptée à la couleur concernée, disposée juste avant chaque LCD permet de rendre identiques ces directions de polarisation.Unlike the case of an ordinary projector, these colored beams are polarized. However, their polarization direction is not necessarily identical to that of the LCD polarizer. A λ / 2 plate adapted to the color concerned, placed just before each LCD makes it possible to make these polarization directions identical.
Sur la figure 8a, on suppose que tous les LCD du projecteur A subissent une illumination hors d'axe vers le bas, tandis que tous les LCD du projecteur B subissent une illumination hors d'axe vers le haut. Ainsi un miroir de combinaison placé à proximité du plan pupillaire de l'objectif permet d'orienter les rayons modulés par le projecteur B dans l'ouverture de l'objectif, tandis que les rayons modulés par le projecteur A passent sous ce miroir de combinaison.In FIG. 8a, it is assumed that all the LCDs of projector A undergo an off-axis illumination downwards, while all the LCDs of projector B undergo an off-axis illumination upwards. Thus, a combination mirror placed near the pupil plane of the objective makes it possible to orient the rays modulated by the projector B into the opening of the objective, while the rays modulated by the projector A pass under this combination mirror. .
Un calcul d'ordre de grandeur permet de vérifier que la solution présentée ci-dessus est réaliste.An order of magnitude calculation makes it possible to verify that the solution presented above is realistic.
Les lampes à arc à halogénure métallique de 150 W sont caractérisées par une longueur d'arc de 5 mm, ce sont des composants standards en projection vidéo. Leur étendue géométrique est de l'ordre de 150 mm2.sr. Celle-ci est déterminée par la dimension de l'arc et le diagramme angulaire de rayonnement. La dimension requise du miroir de mélange se calcule en considérant qu'une image de l'arc doit pouvoir être formée sur sa surface. La valeur de l'étendue géométrique de la lampe est égale à celle de l'étendue géométrique définie par la lentille de champ et l'image de l'arc dans le plan pupillaire (voir figure 9). Soient f la distance focale et D le diamètre de la lentille de champ. D est aussi la diagonale de LCD. Soit d le diamètre de l'image de l'arc.The 150 W metal halide arc lamps are characterized by an arc length of 5 mm, they are standard components in video projection. Their geometric extent is of the order of 150 mm 2 .sr. This is determined by the size of the arc and the angular radiation pattern. The required dimension of the mixing mirror is calculated by considering that an image of the arc must be able to be formed on its surface. The value of the geometric extent of the lamp is equal to that of the geometric extent defined by the field lens and the image of the arc in the pupillary plane (see Figure 9). Let f be the focal length and D the diameter of the field lens. D is also the diagonal of LCD. Let d be the diameter of the image of the arc.
_ surface de lentille de champ x surface de l'image de l'arc_ field lens area x arc image area
(distance focale)(focal distance)
-_ π2 d2.D2 E = — x-_ π 2 d 2 .D 2 E = - x
16 f2 16 f 2
Par exemple, pour E = 150 mm2.sr, D ≈ 5,5", f = 250 mm, on trouve comme diamètre de l'image de l'arc dans le plan de la pupille de l'objectif L3 : d ≈ 28 mmFor example, for E = 150 mm 2 .sr, D ≈ 5.5 ", f = 250 mm, we find as the diameter of the image of the arc in the plane of the pupil of the objective L3: d ≈ 28 mm
En supposant que le miroir de mélange M3 des faisceaux est incliné à 45°, sa dimension minima, φ est donc : φ = d/cos (45°) = 40 mmAssuming that the mixing mirror M3 of the beams is inclined at 45 °, its minimum dimension, φ is therefore: φ = d / cos (45 °) = 40 mm
En considérant que deux images d'arc doivent être contenues dans la pupille, on en déduit le nombre d'ouverture de l'objectif L3 : N = f/2 (2.d) N = 4,5 Angle d'illumination des LCD : Arctg (i) = d/(2.f) — > i = 3°Considering that two arc images must be contained in the pupil, we deduce the number of apertures of the lens L3: N = f / 2 (2.d) N = 4.5 Illumination angle of the LCD : Arctg (i) = d / (2.f) -> i = 3 °
Si les imageurs LCD sont illuminés sous un angle plus élevé, cela impose une ouverture d'objectif plus importante.If the LCD imagers are illuminated at a higher angle, this imposes a larger lens aperture.
Ces valeurs numériques sont à tout fait réaliste.These numerical values are quite realistic.
La dimension du cube séparateur doit être suffisante pour que son acceptance angulaire ne devienne pas un facteur limitatif de flux. En reprenant la formule de l'étendue géométrique du cube, et en l'adaptant à la valeur numérique correspondant à celle d'une lampe, on déduit la dimension requise du cube séparateur soit son côté C :The size of the separator cube must be sufficient so that its angular acceptance does not become a limiting factor of flow. By taking the formula of the geometric extent of the cube, and adapting it to the numerical value corresponding to that of a lamp, we deduce the required dimension of the separator cube, ie its side C:
E = C2 . 2π[l - cos(oc)] = 150 mm .sr — > C = 13 cmE = C 2 . 2π [l - cos (oc)] = 150 mm .sr -> C = 13 cm
Le cube est donc relativement volumineux, mais cela pose beaucoup moins de problème que lorsqu'il est utilisé comme mélangeur. En effet, cette fois il ne se trouve pas dans le trajet des rayons d'imagerie. Pour les rayons d'illumination, l'influence des aberrations est donc beaucoup moins importante.The cube is therefore relatively large, but this is much less of a problem than when it is used as a mixer. Indeed, this time it is not in the path of the imaging rays. For the rays of illumination, the influence of aberrations is therefore much less important.
Le système de l'invention présente les avantages suivants : - une luminosité accrue, double au maximum, pour un projecteur vidéo non stéréoscopique ;The system of the invention has the following advantages: - increased brightness, double at most, for a non-stereoscopic video projector;
- la compatibilité avec la projection d'images stéréoscopiques lorsque le signal vidéo adéquat est fourni à chacun des deux projecteurs ; - un objectif commun pour toutes les polarisations et les couleurs primaires ce qui facilite les réglages. - compatibility with the projection of stereoscopic images when the adequate video signal is supplied to each of the two projectors; - a common objective for all polarizations and primary colors which facilitates adjustments.

Claims

REVENDICATIONS
1. Projecteur vidéo à cristaux liquides comprenant au moins :1. Liquid crystal video projector comprising at least:
- une source de lumière (S) émettant un faisceau lumineux ; - un séparateur de polarisation (SP) recevant le faisceau lumineux et fournissant deux sous-faisceaux polarisés orthogonalement ;- a light source (S) emitting a light beam; - a polarization splitter (SP) receiving the light beam and providing two orthogonally polarized sub-beams;
- deux imageurs (LCDA, LCDB) à cristaux liquides placés chacun sur le chemin d'un sous-faisceau ;- two liquid crystal imagers (LCDA, LCDB) each placed on the path of a sub-beam;
- un objectif (L3) recevant les deux sous-faisceaux (F4, F5) après traversée des deux imageurs ; caractérisé en ce qu'il comporte également un miroir de combinaison (M3) situé de préférence au voisinage de la pupille d'entrée de l'objectif (L3), les imageurs (LCDA, LCDB) étant sensiblement symétriques l'un de l'autre par rapport au miroir de combinaison (M3) ; et en ce que les deux sous-faisceaux modulés par les imageurs convergent vers l'objectif (L3) suivant deux directions moyennes formant un angle non nul entre elles et forment deux images de la source (S) sensiblement distinctes dans le plan de la pupille d'entrée (P) de l'objectif (L3).- an objective (L3) receiving the two sub-beams (F4, F5) after crossing of the two imagers; characterized in that it also comprises a combination mirror (M3) preferably located in the vicinity of the entrance pupil of the objective (L3), the imagers (LCDA, LCDB) being substantially symmetrical one of the other with respect to the combination mirror (M3); and in that the two sub-beams modulated by the imagers converge towards the objective (L3) in two mean directions forming a non-zero angle between them and form two images of the source (S) substantially distinct in the plane of the pupil input (P) of the lens (L3).
2. Projecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le séparateur de polarisations fournit deux sous-faisceaux dont les axes forment un angle de sensiblement 90° et en ce qu'il comporte également un premier et un deuxième miroirs de renvoi (Ml, M2) permettant de ramener les deux sous-faisceaux vers un parcours commun, un troisième miroir (M3) étant placé à proximité de l'axe optique de l'objectif pour réfléchir l'un des sous-faisceaux vers la pupille (P) de l'objectif (L3) tandis qu'il laisse passer l'autre sous-faisceau vers la pupille de l'objectif. 2. Projector according to claim 1, characterized in that the polarization splitter provides two sub-beams whose axes form an angle of substantially 90 ° and in that it also comprises a first and a second deflection mirrors (Ml, M2) allowing the two sub-beams to be brought back to a common path, a third mirror (M3) being placed near the optical axis of the objective to reflect one of the sub-beams towards the pupil (P) of the objective (L3) while it lets pass the other sub-beam towards the pupil of the objective.
3. Projecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux sous- faisceaux sont recombinés vers l'objectif (L3) à l'aide de deux miroirs (M3, M4).3. Projector according to claim 1, characterized in that the two sub-beams are recombined towards the objective (L3) using two mirrors (M3, M4).
4. Projecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que à chaque imageur (LCDA, LCDB), est associée une lentille (Ll, L2) imageant la source dans le plan de la pupille de l'objectif (L3). 4. Projector according to claim 1, characterized in that each imager (LCDA, LCDB) is associated with a lens (L1, L2) imagining the source in the plane of the pupil of the objective (L3).
5. Projecteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que les images de la source sont juxtaposées dans le plan de la pupille d'entrée (P).5. Projector according to claim 4, characterized in that the images of the source are juxtaposed in the plane of the entrance pupil (P).
6. Projecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une lame demi-onde placée entre le séparateur de polarisation (SP) et chaque imageur (LCDA, LCDB) pour transmettre à chaque imageur de la lumière polarisée à 45°. 6. Projector according to claim 1, characterized in that it comprises a half-wave plate placed between the polarization splitter (SP) and each imager (LCDA, LCDB) to transmit to each imager 45 ° polarized light.
7. Projecteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les premier et deuxième miroirs (Ml, M2) transmettent aux imageurs (LCDA, LCDB) des faisceaux (F4, F5) faisant un angle avec la normale aux imageurs et que les normales aux imageurs sont telles, qu'après avoir été ramenées dans la même direction par le troisième miroir, elles sont sensiblement colinéaires avec l'axe optique de l'objectif (L3). 7. Projector according to claim 2, characterized in that the first and second mirrors (Ml, M2) transmit beams to the imagers (LCDA, LCDB) (F4, F5) making an angle with the normal to the imagers and the normals to the imagers are such that after having been brought in the same direction by the third mirror, they are substantially collinear with the optical axis of the objective (L3).
8. Projecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un imageur par gamme primaire chromatique, placé entre le séparateur et l'objectif ; dans chaque circuit optique situé entre le séparateur et l'objectif, des séparateurs dichroïques séparent la lumière de différentes longueurs d'onde et la transmet chacun à un imageur, la lumière issue de chaque imageur étant transmise à la pupille (P) de l'objectif (L3). 8. Projector according to claim 1, characterized in that it comprises an imager by primary chromatic range, placed between the separator and the objective; in each optical circuit located between the separator and the objective, dichroic separators separate the light of different wavelengths and each transmits it to an imager, the light coming from each imager being transmitted to the pupil (P) of the objective (L3).
PCT/FR1994/001516 1994-12-22 1994-12-22 Liquid crystal video projector WO1996019900A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/FR1994/001516 WO1996019900A1 (en) 1994-12-22 1994-12-22 Liquid crystal video projector

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/FR1994/001516 WO1996019900A1 (en) 1994-12-22 1994-12-22 Liquid crystal video projector

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO1996019900A1 true WO1996019900A1 (en) 1996-06-27

Family

ID=9459964

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/FR1994/001516 WO1996019900A1 (en) 1994-12-22 1994-12-22 Liquid crystal video projector

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO1996019900A1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0372905A2 (en) * 1988-12-05 1990-06-13 Sharp Kabushiki Kaisha Projection-type liquid crystal display apparatus
EP0485268A1 (en) * 1990-11-09 1992-05-13 Thomson-Csf Matrix screen image projector with two polarized beams
EP0527084A1 (en) * 1991-08-06 1993-02-10 Thomson-Csf Image projector with maximized light efficiency
FR2707444A1 (en) * 1993-07-05 1995-01-13 Thomson Csf Liquid-crystal video projector

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0372905A2 (en) * 1988-12-05 1990-06-13 Sharp Kabushiki Kaisha Projection-type liquid crystal display apparatus
EP0485268A1 (en) * 1990-11-09 1992-05-13 Thomson-Csf Matrix screen image projector with two polarized beams
EP0527084A1 (en) * 1991-08-06 1993-02-10 Thomson-Csf Image projector with maximized light efficiency
FR2707444A1 (en) * 1993-07-05 1995-01-13 Thomson Csf Liquid-crystal video projector

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0527084B1 (en) Image projector with maximized light efficiency
EP0512099B1 (en) Display device
EP0633702B1 (en) Color display device
EP0383646B1 (en) High-definition colour display device
EP0485268B1 (en) Matrix screen image projector with two polarized beams
WO1998020390A1 (en) Display device and flat television screen using this device
FR2722319A1 (en) COLOR VISUALIZATION DEVICE
FR2895526A1 (en) BACKLIGHT SYSTEM FOR LIQUID CRYSTAL DISPLAY PANEL AND CORRESPONDING DISPLAY DEVICE
EP0467447A1 (en) Image projection apparatus
EP0740477B1 (en) Polarisation separation device and application to an illumination system of a liquid crystal screen
FR2669440A1 (en) DEVICE FOR VISUALIZING IN PROJECTION COLOR COLORING OPTICAL VALVES.
US20090046254A1 (en) Projector system
EP0740476B1 (en) Polarisation separation device and application to a liquid crystal display illumination system
FR3070069A1 (en) IMAGE PROJECTION APPARATUS
EP0740169B1 (en) Illumination device
FR2707444A1 (en) Liquid-crystal video projector
EP2106667B1 (en) Projection image display device having two modulation stages, including one aperature modulation stage
WO1998020384A1 (en) Compact lighting device
WO1996019900A1 (en) Liquid crystal video projector
EP1314323A1 (en) Liquid crystal colour display device
EP1354241B1 (en) Image projection or display system
EP0075495A1 (en) TV projector, TV cinema
FR2607301A1 (en) Modular, liquid crystal display device

Legal Events

Date Code Title Description
AK Designated states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): CA FI JP US

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AT BE CH DE DK ES FR GB GR IE IT LU MC NL PT SE

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
122 Ep: pct application non-entry in european phase
NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: CA