WO2008068257A1 - Dispositif d'affichage d'images par projection a deux etages de modulation - Google Patents
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- WO2008068257A1 WO2008068257A1 PCT/EP2007/063287 EP2007063287W WO2008068257A1 WO 2008068257 A1 WO2008068257 A1 WO 2008068257A1 EP 2007063287 W EP2007063287 W EP 2007063287W WO 2008068257 A1 WO2008068257 A1 WO 2008068257A1
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Definitions
- the invention relates to an image display device comprising at least first and second spatial light modulators which are arranged in series.
- EP0829747 teaches the interest of such an image display device: thanks to the two spatial light modulators in series, the number of color display bits of each pixel, and in particular of the luminance, is thus multiplied. , which makes it possible to considerably improve the contrast between the different pixels of an image, to refine the gradation of the colors, especially in the low-light levels, and thus to bring human vision closer to the real world.
- EP1269756 and US2004 / 169774 describe the use of micromirror devices (DMDs) as spatial light modulators.
- DMDs micromirror devices
- the micromirror imagers of such an image display device are generally encapsulated under low pressure in a box with a transparent window sufficiently thick to withstand atmospheric pressure; this window is generally made of mineral glass having an optical index of the order of 1.48; its geometric thickness is generally of the order of 3 mm; the optical path of a ray traversing perpendicularly this window, which corresponds to the product of the geometric thickness and the optical index of this glass, is therefore generally equal to 4.44 mm; in practice, as the modulators are generally inclined relative to the optical axis of the relay optical system, the optical path through these windows is even higher; the optical architecture of the system, in particular this inclination and the thickness of these windows, induces a very significant degradation of the modulation transfer function (or
- the relay optical system described in WO2004 / 051362 comprises a set of lenses called "double gauss"; this game is for example formed of a pair of symmetrical lenses, surrounded by a pair of achromatic lenses also symmetrical; the advantage of such an optical system “relay” is that it allows, because it is symmetrical, to limit the distortions to a very low level, in particular less than 0.015%, and to limit the so-called defects of chromaticism of size; on the other hand, particularly because of the inclination of the modulators with respect to the optical axis of the relay optical system and the thickness of the windows, such a system generally has astigmatism defects and significant aberrations of axial chromaticism.
- An object of the invention is to reduce these axial chromatic
- first and second spatial light modulators which are arranged in series and which each comprise a modulation surface which is formed of a network of micromirrors and a window for access to this modulation surface; an illumination system capable of providing an incident beam of illumination of the modulation surface of the first spatial modulator,
- the relay optical system comprises, on either side of its pupil, on the one hand, on the object side, a front lens group comprising a front peripheral lens, and, on the other hand, on the image side, a rear lens unit comprising a rear peripheral lens.
- the front peripheral lens of the front lens group is between the first modulator and the other lenses of this group; the rear peripheral lens of the rear lens group is included between the other lenses of this group and the second modulator.
- the optical axis of said front peripheral lens is shifted by an offset vector.
- the expressions ZA i 2 and Z ⁇ ⁇ denote vector products; the same proportionality constant k applies for calculating the two offset vectors.
- the inclination of the two modulators with respect to the optical axis of the relay optical system, as well as the windows of these modulators entails risks of astigmatism defects of the image of the first modulator on the second; thanks to the shift, according to the invention, of the optical axis of the two peripheral lenses, these astigmatism defects are very substantially corrected.
- the average radius of the incident light beam of the first spatial modulator is perpendicular to the modulation surface of this modulator and the average radius of the modulated beam emerging from the second Spatial modulator is perpendicular to the modulation surface of this modulator.
- the modules of the two shift vectors are each larger than 100 ⁇ m.
- the incident light beam is capable of uniformly illuminating the modulation surface of the first spatial modulator of the first modulator; for this purpose, the illumination system generally comprises, in addition to a light source, an integrator, arranged between this source and the first modulator; for example, a lens array integrator (or “fly-eye” in English) or a “rod integrator” can be used.
- the incident light beam is able to illuminate sequentially by different primary colors the modulation surface of the first spatial modulator of the first modulator;
- the illumination system preferably comprises a colored wheel comprising a succession of different primary color segments; each segment is a colored filter capable of transmitting a single primary color; the colored wheel is placed so that its rotation causes the sequential illumination of the modulation surface of one of the spatial modulators by the different primary colors; the colored wheel can be arranged at the input of the integrator; preferably, the colored wheel is placed between the front group and the rear lens group of the relay optical system, close to the opening diaphragm.
- Other means of sequencing the illumination in different primary colors can be used without departing from the invention.
- the projection screen can be integrated in the display device, in particular in the case of an overhead projector.
- the images formed on this screen by the projection lens constitute the displayed images.
- the spatial light modulators each comprise a modulation surface which is formed of a micromirror array; at rest, the micromirrors are in the plane of this modulation surface; when activated, the surface of an elementary micromirror of the first spatial modulator rotates according to a rotation vector F 2 ; likewise, when activated, the surface of an elementary micromirror of the second spatial modulator 5 rotates according to a rotation vector F 5 .
- Each spatial modulator is generally provided with an encapsulation box comprising a window for access to the modulation surface; preferably, the window of each spatial modulator has a thickness greater than 1 mm. Thanks to the shift, according to the invention, of the optical axis of the two peripheral lenses, the astigmatism defects resulting from these thick windows inclined with respect to the optical axis are very substantially corrected.
- the modules of the two shift vectors are each greater than or equal to 0.4 mm.
- there is: F 2 -F 5 .
- the magnification of said relay optical system is approximately -1.
- the relay optical system is telecentric on both the object and the image side. Telecentricity is well suited to the particular type of spatial modulators used here: indeed, since the rotation of the micromirrors of a modulator is identical for the entire modulation surface when they go from rest to the activated state, it is important to use the same angle of illumination on the entire modulation surface.
- the front lens group and the rear lens group of the relay optical system are symmetrical with respect to a central plane of symmetry of said relay optical system.
- a relay optical system is advantageously free of distortion; indeed, any imaging optical system that is symmetrical with respect to its pupil is free of distortion and chromaticism of magnitude, because the terms related to these aberrations cancel each other out. Thanks to the use of a relay optical system which is symmetrical, it advantageously limits the distortions type "cushion" or “barrel", which is particularly important here since the modulators are inclined with respect to the optical axis of the system.
- the relay optical system is of the "double-gauss" type.
- Gauss has proposed a solution to the achromatic doublet composed of two lenses, one positive in Crown glass and the other in negative Flint glass, different from that of Fraunhofer.
- the negative lens in Flint had a strong camber.
- This solution proved very interesting for 1/1 objectives; by symmetrically coupling two achromatic doublets of Gauss, the aberrations of the first order are reduced.
- an optical system relay 1/1 with two achromatic doublets is not very open (F / D-8) and has a relatively weak field ( ⁇ 10 °), to increase the opening and the field, we add to this system a positive lens on each side and the axial chromaticism is compensated by replacing the meniscus by doublets.
- the relay optical system is adapted so that the modulation surface of the second modulator is axially offset by at least 1 mm with respect to the conjugate surface of the modulation surface of the first modulator via said relay optical system. Due to the partial defocusing resulting from this shift, the correction of the astigmatism defects is further improved.
- said relay optical system is adapted to correct magnitude chromatism defects on a plane A close to the peripheral lens before and away from the object plane and on a plane B close to the rear peripheral lens and away from the image plane.
- the image display device comprises means for driving the first and second spatial modulators, and, if appropriate, the colored wheel, so as to generate a modulated beam emerging from the first modulator to illuminate the second modulator via said relay optical system, and generating said emerging beam of the second modulator which is modulated to obtain the display of said images on the projection screen.
- the number of micromirrors of the first modulator is substantially less than the number of micromirrors of the second modulator; thus, the resolution of the first modulation stage is less than that of the second stage; such an arrangement is advantageous because it is in any case very difficult if not impossible in practice to be able to individually modulate the illumination of each micromirror of the second stage with the aid of a micromirror of the first stage.
- FIG. 1 illustrates an image display device according to one embodiment of the invention
- FIG. 2 illustrates a first example of a relay optical system for the image display device of FIG. 1;
- FIG. 3 illustrates a second example of a relay optical system for the image display device of FIG. 1;
- FIG. 4 represents, in a top view, in side view and in section, the first spatial modulator of the image display device of FIG. 1.
- the image display system according to the invention comprises:
- an illumination system 1 able to illuminate the modulation surface of the first spatial modulator 1,
- a relay optical system 3 capable of imaging, along the z axis, the modulation surface of the first modulator 2 on the modulation surface of the second modulator 5;
- a projection lens 7 capable of imaging the modulation surface of the second spatial modulator on a projection screen, not shown;
- the illumination system 1 comprises a light source 11, a parabolic mirror 12, an integrator 13, and a field lens 14; this system is arranged in a manner known per se to generate a spatially homogeneous illumination of the modulation surface of the first spatial modulator 2, with the aid of an incident light beam whose average radius (or optical axis of the beam) has on this modulation surface a zero angle of incidence, as illustrated in FIG.
- the spatial light modulators 2, 5 each comprise a modulation surface 21, 51 which is formed of a network of micromirrors, and a housing 22, 52 having a transparent window 23, 53 front, approximately parallel to the modulation surface; when they are at rest, the micromirrors of each modulator are oriented in the modulation plane of these modulators; when activated, the surface of an elementary micromirror of the first spatial modulator 2 rotates according to a rotation vector F 2 of argument - 12; likewise, when it is activated, the surface of an elementary micromirror of the second spatial modulator 5 rotates according to a rotation vector F 5 of argument + 12 °.
- the relay optical system 3 comprises, on either side of its pupil 36, a front lens group 31, placed on the object side, and a rear lens group 32, placed on the image side; the front group 31 and the rear group 32 are symmetrical with respect to a plane perpendicular to the optical axis of this system; this system 3 is of the "double gauss"type; by raising the direction of propagation of the light along the optical axis of this system from its plane of symmetry, the front group 31 comprises an achromatic doublet before 35, a convex plane lens before 34 contiguous to the doublet, and a front peripheral lens 33, distant from the front convex plane lens; likewise, following the direction of propagation of the light along the optical axis of this system from its plane of symmetry, the rear group 32 symmetrically comprises a rear achromatic doublet 37, a rear convex plane lens 38 contiguous to the doublet, and a rear peripheral lens 39, distant from the rear convex plane lens; thus, the front peripheral lens 33
- the direction common to the vectors a and b corresponds to the unit vector listed in FIG. 1.
- the shift vectors are proportional to the angle of rotation of the micromirrors, and therefore to the angle of inclination ⁇ , ⁇ of the modulation surface of the modulators 2, 5 with respect to the optical axis of the relay optical system;
- the constant of proportionality k common to the two expressions of the shift vectors, is in particular proportional to the thickness and the index of the windows 23, 53 of the modulators 2, 5;
- the modules of the shift vectors are evaluated in a manner known per se so as to minimize, according to the invention, the astigmatism defects brought by the windows 23, 53 of the spatial modulators 2, 5.
- the image display system comprises also a colored wheel 4; in addition to its drive motor 41, this wheel comprises a succession of segments R, G, B of different primary colors; each segment R, G, B is a color filter able to transmit the primary colors respectively red, green and blue light beam from the first modulator 2; this wheel is placed in such a way that, whatever its position in rotation, one of its segments intersects this beam of light; thus, the rotation of the wheel causes the sequential illumination of the modulation surface of the second modulator 5 by the different primary colors.
- Example 2 a relay optical system 3 to 10 lenses (L1, L2, L3, L4, L5, L1 -5, L1 -4, L1 -3, L1 -2 and L1 -1) is described in detail in Table 2 below with reference to Figure 3, and with the following conventions: dimensions in mm, inclination ("incl") in degree; in the "type” column, STAND stands for Standard, COOR stands for COORDBRK; in the "how" column,
- Fen.DMD is the window of the space modulators, Col. Refers to the colored wheel; the column “Dec” relates to the value of the offset
Abstract
Dispositif comprenant un premier et un deuxième modulateurs spatiaux de lumière (2, 5) à micromirroirs qui sont disposés en série; un système optique relais (3) apte à imager la surface de modulation du premier modulateur (2) sur la surface de modulation du deuxième modulateur (5), comprenant, de part et d'autre de sa pupille (36), un groupe avant de lentilles (31 ) comprenant une lentille périphérique avant (33), et un groupe arrière de lentilles (32) comprenant une lentille périphérique arrière (39); selon l'invention, l'axe optique de la lentille périphérique avant (33) et celui de la lentille périphérique arrière (39) sont décalé par rapport à l'axe optique du système optique relais (3). Grâce à l'invention, on limite les défauts d'astigmatisme générés par les fenêtres épaisses des modulateurs.
Description
Dispositif d'affichage d'images par projection à deux étages de modulation
L'invention concerne un dispositif d'affichage d'images comprenant au moins un premier et un deuxième modulateurs spatiaux de lumière qui sont disposés en série.
Le document EP0829747 enseigne l'intérêt d'un tel dispositif d'affichage d'images : grâce aux deux modulateurs spatiaux de lumière en série, on démultiplie ainsi le nombre de bits d'affichage des couleurs de chaque pixel, et notamment de la luminance, ce qui permet d'améliorer considérablement le contraste entre les différents pixels d'une image, d'affiner la gradation des couleurs, notamment dans les niveaux de faible luminosité, et d'approcher ainsi davantage la vision humaine du monde réel. Les documents EP1269756 et US2004/169774 décrivent l'utilisation d'imageurs à micromiroirs ou « DMD » (Digital Micromirror Device) comme modulateurs spatiaux de lumière. L'utilisation de plusieurs modulateurs spatiaux en série nécessite un système optique « relais » apte à imager les modulateurs les uns sur les autres, le long de la série ; les documents WO2004/051362, WO2004/051363, EP1549056, US2006/018040, US2006/055897, et US2005/280783 décrivent de tels systèmes optiques « relais ». Les imageurs à micromiroirs d'un tel dispositif d'affichage d'images sont généralement encapsulés sous faible pression dans une boîte dotée d'une fenêtre transparente suffisamment épaisse pour résister à la pression atmosphérique ; cette fenêtre est généralement en verre minéral présentant un indice optique de l'ordre de 1 ,48 ; son épaisseur géométrique est généralement de l'ordre de 3 mm ; le chemin optique d'un rayon traversant perpendiculairement cette fenêtre, qui correspond au produit de l'épaisseur géométrique et de l'indice optique de ce verre, est donc généralement égale à 4,44 mm; en pratique, comme les modulateurs sont généralement inclinés par rapport à l'axe optique du système optique relais, le chemin optique de traversée de ces fenêtres est encore plus élevé ; l'architecture optique du système, notamment cette inclinaison et l'épaisseur de ces fenêtres, induit une dégradation très sensible de la fonction de transfert de modulation (ou
« Modulation Transfert Function », dite aussi « MTF » en langue anglaise) de
ce système ; l'image de la surface de modulation du premier modulateur sur le deuxième modulateur présente en effet de graves défauts d'astigmatisme. Un but de l'invention est de diminuer ces défauts d'astigmatisme. Le système optique relais décrit dans le document WO2004/051362 comprend un jeu de lentilles dite « double gauss » ; ce jeu est par exemple formé d'une paire de lentilles symétriques, entourée d'une paire de lentilles achromatiques également symétriques ; l'avantage d'un tel système optique « relais » est qu'il permet, parce qu'il est symétrique, de limiter les distorsions à un niveau très faible, inférieur notamment à 0,015%, et de limiter les défauts dits de chromatisme de grandeur ; par contre, notamment du fait de l'inclinaison des modulateurs par rapport à l'axe optique du système optique relais et de l'épaisseur des fenêtres, un tel système présente généralement des défauts d'astigmatisme et des aberrations importantes de chromatisme axial. Un but de l'invention est de diminuer ces aberrations chromatiques axiales. L'invention a pour objet un dispositif d'affichage d'images comprenant :
- au moins un premier et un deuxième modulateurs spatiaux de lumière qui sont disposés en série et qui comprennent chacun une surface de modulation qui est formée d'un réseau de micromiroirs et une fenêtre d'accès à cette surface de modulation ; - un système d'illumination apte à fournir un faisceau incident d'éclairement de la surface de modulation du premier modulateur spatial,
- un système optique relais doté d'un axe optique, apte à imager la surface de modulation du premier modulateur sur la surface de modulation du deuxième modulateur, - et un objectif de projection apte à imager la surface de modulation du deuxième modulateur spatial sur un écran de projection, à partir d'un faisceau modulé émergeant de ce modulateur, où, si F2 est le vecteur rotation des micromiroirs du premier modulateur spatial lorsque les micromiroirs de ce modulateur passent d'une position de repos à une position activée, si F5 est le vecteur rotation des micromiroirs du deuxième modulateur spatial lorsque les micromiroirs de ce modulateur passent d'une position de repos à une position activée, alors le rayon moyen du faisceau incident d'éclairement du premier modulateur
spatial fait un angle non nul -α = 2 . | F2 | avec l'axe optique du système optique relais, et le rayon moyen du faisceau modulé émergeant du deuxième modulateur spatial fait un angle non nul β = 2 . | F5 | avec l'axe optique du système optique relais. Ainsi, si l'angle de pivotement des micromirroirs est de 12° entre une position au repos, dans le plan de modulation, et une position activée, l'angle de pivotement des faisceaux est alors -α = β = 24°. De préférence, le système optique relais comprend, de part et d'autre de sa pupille, d'une part, du côté objet, un groupe avant de lentilles comprenant une lentille périphérique avant, et, d'autre part, du côté image, un groupe arrière de lentilles comprenant une lentille périphérique arrière. La lentille périphérique avant du groupe avant de lentilles est comprise entre le premier modulateur et les autres lentilles de ce groupe ; la lentille périphérique arrière du groupe arrière de lentilles est comprise entre les autres lentilles de ce groupe et le deuxième modulateur. De préférence, si z est le vecteur unitaire de l'axe optique du système optique relais orienté dans la direction de propagation de la lumière dans ce système, l'axe optique de ladite lentille périphérique avant est décalé d'un vecteur de décalage â = -k • z Λ r2 par rapport à l'axe optique dudit système optique relais, et en ce que l'axe optique de ladite lentille périphérique arrière est également décalé d'un vecteur de décalage b = k • z Λ r5 par rapport à l'axe optique dudit système optique relais, où k est une constante de proportionnalité non nulle. Les expressions Z A i2 et Z Λ Ç désignent des produits vectoriels ; la même constante de proportionnalité k s'applique pour le calcul des deux vecteurs de décalage. L'inclinaison des deux modulateurs par rapport à l'axe optique du système optique relais, ainsi que les fenêtres de ces modulateurs entraîne des risques de défauts d'astigmatisme de l'image du premier modulateur sur le deuxième ; grâce au décalage, selon l'invention, de l'axe optique des deux lentilles périphériques, ces défauts d'astigmatisme sont très sensiblement corrigés. De préférence, le rayon moyen du faisceau incident d'éclairement du premier modulateur spatial est perpendiculaire à la surface de modulation de ce modulateur et le rayon moyen du faisceau modulé émergeant du deuxième
modulateur spatial est perpendiculaire à la surface de modulation de ce modulateur.
De préférence, les modules des deux vecteurs de décalage sont chacun supérieurs à 100 μm. De préférence, le faisceau incident d'éclairement est apte à illuminer de manière homogène la surface de modulation du premier modulateur spatial du premier modulateur ; à cet effet, le système d'illumination comprend généralement, outre une source de lumière, un intégrateur, disposé entre cette source et le premier modulateur ; on peut par exemple utiliser un intégrateur à réseau de lentilles (ou « fly eye » en langue anglaise) ou un intégrateur « barreau » (« rod integrator » en langue anglaise). De préférence, le faisceau incident d'éclairement est apte à illuminer séquentiellement par différentes couleurs primaires la surface de modulation du premier modulateur spatial du premier modulateur ; à cet effet, le système d'illumination comprend de préférence une roue colorée comprenant une succession de segments de couleurs primaires différentes ; chaque segment est un filtre coloré apte à transmettre une seule couleur primaire ; la roue colorée est placée de manière à ce que sa rotation provoque l'éclairement séquentiel de la surface de modulation de l'un des modulateurs spatiaux par les différentes couleurs primaires ; la roue colorée peut être disposée à l'entrée de l'intégrateur ; de préférence, la roue colorée est placée entre le groupe avant et le groupe arrière de lentilles du système optique relais, à proximité du diaphragme d'ouverture. D'autres moyens de séquencement de l'éclairage en différentes couleurs primaires peuvent être utilisés sans se départir de l'invention.
L'écran de projection peut être intégré au dispositif d'affichage, notamment dans le cas d'un rétroprojecteur. Les images formées sur cet écran par l'objectif de projection constituent les images affichées. Les modulateurs spatiaux de lumière comprennent chacun une surface de modulation qui est formée d'un réseau de micromiroirs ; au repos, les micromiroirs sont dans le plan de cette surface de modulation ; lorsqu'il est activé, la surface d'un micromiroir élémentaire du premier modulateur spatial tourne selon un vecteur rotation F2 ; de même, lorsqu'il est activé, la surface
d'un micromiroir élémentaire du deuxième modulateur spatial 5 tourne selon un vecteur rotation F5.
Chaque modulateur spatial est généralement doté d'un boîtier d'encapsulation comprenant une fenêtre d'accès à la surface de modulation ; de préférence, la fenêtre de chaque modulateur spatial présente une épaisseur supérieure à 1 mm. Grâce au décalage, selon l'invention, de l'axe optique des deux lentilles périphériques, les défauts d'astigmatisme résultant de ces fenêtres épaisses inclinées par rapport à l'axe optique sont très sensiblement corrigés. De préférence, lorsque l'épaisseur géométrique de chacune des fenêtres multipliée par l'indice optique du matériau qui les constitue est supérieure ou égale à 4 mm, les modules des deux vecteurs de décalage sont chacun supérieurs ou égal à 0,4 mm. De préférence, on a : F2 = -F5 . De ce fait, on a : - α = β et les deux vecteurs de décalage sont identiques (â = b ). De préférence, si z est le vecteur unitaire de l'axe optique du système optique relais orienté dans la direction de propagation de la lumière dans ce système, les produits vectoriels z Λ r2 et z Λ r5 sont orientés en sens contraire sur la même direction.
De préférence, le grandissement dudit système optique relais est approximativement de -1.
De préférence, le système optique relais est télécentrique à la fois du côté objet et du côté image. La télécentricité est bien adaptée au type particulier de modulateurs spatiaux utilisés ici : en effet, comme la rotation des micromiroirs d'un modulateur est identique pour toute la surface de modulation lorsqu'ils passent du repos à l'état activé, il est important d'utiliser un même angle d'éclairement sur toute la surface de modulation.
De préférence, le groupe avant de lentilles et le groupe arrière de lentilles du système optique relais sont symétriques par rapport à un plan central de symétrie dudit système optique relais. Un tel système optique relais est avantageusement exempt de distorsion ; en effet, tout système optique imageur symétrique par rapport à sa pupille est exempt de distorsion et de chromatisme de grandeur, parce que les termes liés à ces aberrations s'annulent. Grâce à
l'utilisation d'un système optique relais qui est symétrique, on limite avantageusement les distorsions de type « coussin » ou « tonneau », ce qui est particulièrement important ici puisque les modulateurs sont inclinés par rapport à l'axe optique du système. De préférence, le système optique relais est du type « double-gauss ». Historiquement, Gauss a proposé une solution au doublet achromatique composé de deux lentilles, l'une positive en verre Crown l'autre en négative en verre Flint, différente de celle de Fraunhofer. Dans la solution de Gauss, la lentille négative en Flint avait une cambrure forte. Cette solution s'est avéré très intéressante pour des objectifs 1/1 ; en effet, en accouplant symétriquement deux doublets achromatiques de Gauss, les aberrations du premier ordre sont réduites. Comme un tel système optique relais 1/1 à deux doublets achromatiques n'est pas très ouvert (F/D-8) et présente un champ relativement faible (< 10°), pour augmenter l'ouverture et le champ, on ajoute à ce système une lentille positive de chaque coté et l'on compense le chromatisme axial en remplaçant les ménisques par des doublets. La structure purement symétrique ainsi obtenue est appelée « double-Gauss » ; elle est par définition exempte de distorsion. De préférence, le système optique relais est adapté pour que la surface de modulation du deuxième modulateur soit axialement décalée d'au moins 1 mm par rapport à la surface conjuguée de la surface de modulation du premier modulateur via ledit système optique relais. Grâce à la défocalisation partielle résultant de ce décalage, on améliore encore la correction des défauts d'astigmatisme. De préférence, ledit système optique relais est adapté pour corriger les défauts de chromatisme de grandeur sur un plan A proche de la lentille périphérique avant et éloigné du plan objet et sur un plan B proche de la lentille périphérique arrière et éloigné du plan image . Le fait de corriger le chromatisme dans ces plans fait que, comme par ailleurs le système est télécentrique, il est exempt du chromatisme de grandeur particulier décrit plus haut, en effet, si les rayons principaux des différentes couleurs passant par le centre de la pupille sont contraint de passer au même points dans ces plans, ils passeront aussi ensemble dans les plans objet et image quelque soit l'inclinaison des plans
objet et image. Avantageusement, puisque système optique relais réalise la conjugaison stigmatique pour les plans objet et image, réalise la condition de télécentricité pour les plans objet et image, et corrige le chromatisme de grandeur pour les plans A et B, on peut incliner les plans objet et image sans faire apparaître le type particulier de chromatisme de grandeur.
Grâce à un tel système optique relais, on diminue sensiblement les aberrations chromatiques longitudinales. En effet, même en l'absence d'aberrations chromatiques transversales significatives, comme par exemple lorsqu'on utilise un système optique relais qui est symétrique, l'inclinaison de la surface de modulation des deux modulateurs par rapport à l'axe optique du système optique « relais », qui correspond aux angles α et β non nuls, introduit des aberrations chromatiques longitudinales dans l'image du premier modulateur réalisée par ce système sur le deuxième modulateur ; en effet, les points de la surface « objet » constituée par la surface de modulation du premier modulateur ne se projettent pas tous au même point sur l'axe optique de ce système ; l'étalement de ces points de projection sur cet axe optique donne alors lieu à des aberration chromatiques longitudinales, que le système optique relais selon l'invention permet de corriger. De préférence, le dispositif d'affichage d'images comprend des moyens pour piloter le premier et le deuxième modulateurs spatiaux, ainsi que, le cas échéant, la roue colorée, de manière à générer un faisceau modulé émergeant du premier modulateur pour éclairer le deuxième modulateur via ledit système optique relais, et à générer ledit faisceau émergeant du deuxième modulateur qui est modulé de manière à obtenir l'affichage desdites images sur l'écran de projection. De tels moyens de pilotage sont par exemple décrits dans les documents US2005/190140, US2005/195223 De préférence, le nombre de micromiroirs du premier modulateur est sensiblement inférieur au nombre de micromiroirs du deuxième modulateur ; ainsi, la résolution du premier étage de modulation est moindre que celle du deuxième étage ; une telle disposition est avantageuse, parce qu'il est de toute façon très difficile sinon impossible en pratique de pouvoir moduler individuellement l'éclairement de chaque micromiroir du deuxième étage à l'aide d'un micromiroir du premier étage.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, et en référence aux figures annexées sur lesquelles :
- la figure 1 illustre un dispositif d'affichage d'images selon un mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 2 illustre un premier exemple d'un système optique relais pour le dispositif d'affichage d'images de la figure 1 ;
- la figure 3 illustre un deuxième exemple d'un système optique relais pour le dispositif d'affichage d'images de la figure 1 ; - la figure 4 représente, en vue de dessus, en vue latérale et en coupe, le premier modulateur spatial du dispositif d'affichage d'images de la figure 1. En référence à la figure 1 , le système d'affichage d'images selon l'invention comprend :
- un premier 2 et un deuxième 5 modulateurs spatiaux de lumière qui sont disposés en série sur un axe z ;
- un système d'illumination 1 apte à éclairer la surface de modulation du premier modulateur spatial 1 ,
- un système optique relais 3 apte à imager, le long de l'axe z , la surface de modulation du premier modulateur 2 sur la surface de modulation du deuxième modulateur 5 ;
- un objectif de projection 7 apte à imager la surface de modulation du deuxième modulateur spatial sur un écran de projection, non représenté ;
- un miroir de renvoi 6 apte à renvoyer la lumière modulée provenant du deuxième modulateur 5 en direction de l'objectif de projection 7. Le système d'illumination 1 comprend une source de lumière 11 , un miroir parabolique 12, un intégrateur 13, et une lentille de champ 14 ; ce système est agencé d'une manière connue en elle-même pour générer un éclairement spatialement homogène de la surface de modulation du premier modulateur spatial 2, à l'aide d'un faisceau incident d'éclairement dont le rayon moyen (ou axe optique du faisceau) présente sur cette surface de modulation un angle d'incidence nul, comme illustré sur la figure 1.
En référence à la figure 4 pour le premier modulateur 2, les modulateurs spatiaux de lumière 2, 5 comprennent chacun une surface de modulation 21 , 51
qui est formée d'un réseau de micromiroirs, et un boîtier 22, 52 doté d'une fenêtre transparente 23, 53 en face avant, approximativement parallèle à la surface de modulation ; lorsqu'ils sont au repos, les micromiroirs de chaque modulateur sont orientés dans le plan de modulation de ces modulateurs ; lorsqu'il est activé, la surface d'un micromiroir élémentaire du premier modulateur spatial 2 tourne selon un vecteur rotation F2 d'argument - 12 ; de même, lorsqu'il est activé, la surface d'un micromiroir élémentaire du deuxième modulateur spatial 5 tourne selon un vecteur rotation F5 d'argument + 12°. Les fenêtres transparentes 23, 53 sont en verre minéral d'indice optique 1 ,48 et présentent une épaisseur importante, ici de l'ordre de 3 mm ; le produit indice x épaisseur vaut donc ici 4,44 mm. Si z est le vecteur unitaire de l'axe optique du système optique relais orienté dans la direction de propagation de la lumière dans ce système, les modulateurs spatiaux de lumière 2, 5 sont orientés de manière à ce que F2 = - F5. Le système optique relais 3 comprend, de part et d'autre de sa pupille 36, un groupe avant de lentilles 31 , placé du côté objet, et un groupe arrière de lentilles 32, placé du côté image ; le groupe avant 31 et le groupe arrière 32 sont symétriques par rapport à un plan perpendiculaire à l'axe optique de ce système ; ce système 3 est de type « double gauss » ; en remontant le sens de propagation de la lumière le long de l'axe optique de ce système à partir de son plan de symétrie, le groupe avant 31 comprend un doublet achromatique avant 35, une lentille plan convexe avant 34 accolée au doublet, et une lentille périphérique avant 33, distante de la lentille plan convexe avant ; de même, en suivant le sens de propagation de la lumière le long de l'axe optique de ce système à partir de son plan de symétrie, le groupe arrière 32 comprend symétriquement un doublet achromatique arrière 37, une lentille plan convexe arrière 38 accolée au doublet, et une lentille périphérique arrière 39, distante de la lentille plan convexe arrière ; ainsi, la lentille périphérique avant 33 du groupe avant de lentilles 31 est comprise entre le premier modulateur 2 et les autres lentilles de ce groupe, et la lentille périphérique arrière 39 du groupe arrière de lentilles 32 est comprise entre les autres lentilles de ce groupe et le deuxième modulateur 5 ; la position et le diamètre de la pupille 36, la position des lentilles périphériques avant 33 et arrière 39 sont adaptées d'une manière connue en
elle-même pour que le système optique relais 3 soit télécentrique du côté objet et télécentrique du côté image ; les caractéristiques des différentes lentilles et la position des modulateurs 2, 5 sur l'axe optique du système optique relais 3 sont adaptées d'une manière connue en elle-même pour obtenir un grandissement de environ -1 entre la surface de modulation du premier modulateur 2 et la surface de modulation du deuxième modulateur 5, qui sont des surfaces conjuguées via le système optique relais 3, à un décalage près de défocalisation de l'ordre de 1 mm. Enfin, selon l'invention et comme illustré sur la figure, l'axe optique de la lentille périphérique avant 33 est décalé d'un vecteur à par rapport à celui du système optique relais 3 ; de même, l'axe optique de la lentille périphérique arrière 39 est décalé d'un vecteur b par rapport à celui du système optique relais 3 ; plus précisément, on a : â = -k - z Λ r2 et b = k • z Λ r5 ; comme F2 = - F5 , on a à = b . La direction commune aux vecteurs â et b correspond au vecteur unitaire répertorié y sur la figure 1. On voit que les vecteurs de décalage sont proportionnels à l'angle de rotation des micromiroirs, et donc à l'angle d'inclinaison α, β de la surface de modulation des modulateurs 2, 5 par rapport à l'axe optique du système optique relais ; la constante de proportionnalité k, commune aux deux expressions des vecteurs de décalage, est notamment proportionnelle à l'épaisseur et à l'indice des fenêtres 23, 53 des modulateurs 2, 5 ; les modules des vecteurs de décalage sont évalués d'une manière connue en elle-même de manière à minimiser, selon l'invention, les défauts d'astigmatisme apportés par les fenêtres 23, 53 des modulateurs spatiaux 2, 5. A l'aide d'un outil de simulation optique adapté, on représente les figures d'aberration apportée par les deux fenêtres et on minimise la taille de ces figures jusqu'à trouver la valeur du module de décalage adéquat ; les tableaux 1 et 2 des exemples donnés ci- après donnent des modules des vecteurs de décalage de 0,5 mm pour l'exemple 1 , et de 0,57 mm pour l'exemple 2. Le système d'affichage d'images comprend également une roue colorée 4 ; outre son moteur d'entraînement 41 , cette roue comprend une succession de segments R, G, B de couleurs primaires différentes ; chaque segment R, G, B est un filtre coloré apte à transmettre respectivement les couleurs primaires
rouge, verte et bleue du faisceau de lumière provenant du premier modulateur 2 ; cette roue est placée de manière à ce que, quelle que soit sa position en rotation, l'un de ses segments coupe ce faisceau de lumière ; ainsi, la rotation de la roue provoque l'éclairement séquentiel de la surface de modulation du deuxième modulateur 5 par les différentes couleurs primaires.
Pour compléter la définition du système d'affichage, il importe de préciser que :
- le rayon moyen du faisceau incident d'éclairement du premier modulateur spatial 2 est perpendiculaire à la surface de modulation de ce modulateur et fait un angle non nul - α = 2 x F2 avec l'axe optique du système optique relais 3 ; - le rayon moyen du faisceau modulé émergeant du deuxième modulateur spatial 5 en direction du miroir de renvoi 6 est perpendiculaire à la surface de modulation de ce modulateur et fait un angle non nul β = 2 x F5 avec l'axe optique du système optique relais 3 ;
- ces trois rayons moyens sont ici dans un même plan, qui correspond au plan de la figure 1 .
L'inclinaison des deux modulateurs 2, 5 par rapport à l'axe optique du système optique relais 3, ainsi que l'épaisseur importante des fenêtres de ces modulateurs associée à un indice optique relativement élevé, entraîne des risques de défauts d'astigmatisme de l'image du premier modulateur sur le deuxième ; grâce au décalage, selon l'invention, de l'axe optique des deux lentilles périphériques, ces défauts d'astigmatisme sont très sensiblement corrigés. Des calculs à la portée de l'homme du métier permettent de calculer l'amplitude optimale de ce décalage (c'est-à-dire le module des vecteurs de décalage) apte à réduire au minimum les défauts d'astigmatisme ; on peut utiliser à cet effet le logiciel dénommé ZEMAX (version du 1 er août 2006). Grâce à l'utilisation d'un système optique relais qui est symétrique, on limite avantageusement les distorsions de type « coussin » ou « tonneau », ce qui est particulièrement important ici puisque les modulateurs 2, 5 sont inclinés par rapport à l'axe optique du système. Grâce à la défocalisation partielle de l'ordre de 1 mm précédemment décrite, on améliore encore la correction des défauts d'astigmatisme.
L'invention s'applique à tout dispositif d'affichage d'images du moment qu'il ne sort pas des revendications ci-après.
On va maintenant donner deux exemples non limitatifs de système optique relais 3 du système d'affichage selon l'invention qui vient d'être décrit. Exemple 1 : un système optique relais 3 à 8 lentilles (L1 = réf.33, L2, L3, L4, L1 - 4, L1 -3, L1 -2 et L1 -1 = réf. 39) est décrit en détail dans le tableau 1 ci-dessous en référence à la figure 2, et avec les conventions suivantes : dimensions en mm, inclinaison (« incl ») en degré ; dans la colonne « type », STAND signifie Standard, COOR signifie COORDBRK ; dans la colonne «comment », Fen.DMD désigne la fenêtre des modulateurs spatiaux, « Roue Col. » désigne la roue colorée ; la colonne « Dec » concerne la valeur du décalage â .
Tableau 1
Fen.DMD désigne la fenêtre des modulateurs spatiaux, Roue Col. Désigne la roue colorée ; la colonne « Dec » concerne la valeur du décalage â
Tableau 2
Claims
1. Dispositif d'affichage d'images comprenant :
- au moins un premier et un deuxième modulateurs spatiaux de lumière (2, 5) qui sont disposés en série et qui comprennent chacun une surface de modulation (21 , 51 ), qui est formée d'un réseau de micromiroirs, et une fenêtre (23, 53) d'accès à cette surface de modulation ;
- un système d'illumination (1 ) apte à fournir un faisceau incident d'éclairement de la surface de modulation du premier modulateur spatial (2),
- un système optique relais (3) doté d'un axe optique, apte à imager la surface de modulation du premier modulateur (2) sur la surface de modulation du deuxième modulateur (5), et comprenant, de part et d'autre de sa pupille (36), d'une part, du côté objet, un groupe avant de lentilles (31 ) comprenant une lentille périphérique avant (33), et, d'autre part, du côté image, un groupe arrière de lentilles (32) comprenant une lentille périphérique arrière (39),
- et un objectif de projection (7) apte à imager la surface de modulation du deuxième modulateur spatial (5) sur un écran de projection, à partir d'un faisceau modulé émergeant de ce modulateur, caractérisé en ce que, - si F2 est le vecteur rotation des micromiroirs du premier modulateur spatial (2) lorsque les micromiroirs de ce modulateur passent d'une position de repos à une position activée, si F5 est le vecteur rotation des micromiroirs du deuxième modulateur spatial (5) lorsque les micromiroirs de ce modulateur passent d'une position de repos à une position activée, - si z est le vecteur unitaire de l'axe optique du système optique relais orienté dans la direction de propagation de la lumière dans ce système, alors :
- le rayon moyen du faisceau incident d'éclairement du premier modulateur spatial (2) fait un angle non nul -α = 2 . | F2 | avec l'axe optique du système optique relais (3), et le rayon moyen du faisceau modulé émergeant du deuxième modulateur spatial (5) fait un angle non nul β = 2 . avec l'axe optique du système optique relais (3), - l'axe optique de ladite lentille périphérique avant (33) est décalé d'un vecteur de décalage â = -k - z A v2 par rapport à l'axe optique dudit système optique relais (3), et l'axe optique de ladite lentille périphérique arrière (39) est également décalé d'un vecteur de décalage b = k - z A % par rapport à l'axe optique dudit système optique relais (3), où k est une constante de proportionnalité non nulle.
2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le rayon moyen du faisceau incident d'éclairement du premier modulateur spatial (2) est perpendiculaire à la surface de modulation de ce modulateur (2) et en ce que le rayon moyen du faisceau modulé émergeant du deuxième modulateur spatial (5) est perpendiculaire à la surface de modulation de ce modulateur (5).
3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les modules des deux vecteurs de décalage â,b sont chacun supérieurs à 100 μm.
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la fenêtre (23, 53) de chaque modulateur spatial (2, 5) présente une épaisseur supérieure à 1 mm.
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que F2 = -F5 .
6. Dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce que le grandissement dudit système optique relais (3) est approximativement de -1.
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit système optique relais (3) est télécentrique à la fois du côté objet et du côté image.
8. Dispositif selon la revendication 7 caractérisé en ce que ledit groupe avant de lentilles (31 ) et ledit groupe arrière de lentilles (32) dudit système optique relais (3) sont symétriques par rapport à un plan central de symétrie dudit système optique relais.
9. Dispositif selon la revendication 7 ou 8 caractérisé en ce que ledit système optique relais (3) est du type « double-gauss ».
10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 9 caractérisé en ce que ledit système optique relais (3) est adapté pour que la surface de modulation du deuxième modulateur (5) soit axialement décalée d'au moins 1 mm par rapport à la surface conjuguée de la surface de modulation du premier modulateur (2) via ledit système optique relais (3).
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 07847788 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
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| NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
|
| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 07847788 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |