La présente invention concerne un dispositif de projection à courte distance permettant de produire une grande image. L'invention concerne plus particulièrement un tel dispositif permettant une mise au point ainsi qu'un zoom de l'image.

Les projecteurs à courte distance sont d'abord apparus dans le domaine de la rétro projection. La réduction du volume nécessaire au système de projection permet de réduire notablement la taille du meuble contenant le système entier. Des exemples de systèmes de ce type sont décrits dans les demandes de brevet WO 2006/043666 et WO 2006/058884.

La particularité de ces systèmes tient au fait que le projecteur est fixe par rapport à un plan image dont la taille est donnée. Ces systèmes projettent des images de taille fixe connue à une distance également fixe du dernier élément optique possédant une puissance, en l'occurrence un miroir courbe, généralement concave. Ces documents montrent aussi que de tels systèmes peuvent être construits à partir d'éléments possédant tous un même axe de symétrie de révolution et un seul miroir courbe. Ces miroirs sont relativement chers, le fait de n'en utiliser qu'un seul est donc avantageux. De plus, ces miroirs ne sont pas intégrés au barillet contenant les lentilles formant le dispositif ce qui induit des difficultés d'assemblage. Cet assemblage est grandement facilité par la présence d'un axe de symétrie.

Du fait de la distance de projection et de la taille de l'image fixe, ces systèmes ne nécessitent pas de mise au point, ni de fonction de zoom.

Ces projecteurs peuvent être utilisés pour concevoir des systèmes de projection frontaux. Dans un système de projection frontal, le projecteur n'est pas lié mécaniquement à la surface de projection. Il est alors avantageux de permettre une mise au point par ajustement des positions relatives de certaines lentilles pour ajuster la netteté de l'image pour une distance donnée entre le projecteur et la surface de projection. Un tel projecteur frontal est connu de la demande de brevet WO 2008/11159.

La taille de la surface de projection peut varier lors de l'utilisation d'un tel système de projection frontal. Il est alors avantageux de disposer d'un projecteur permettant une fonction de zoom pour s'adapter à différentes tailles de surfaces de projection.

L'invention vise à résoudre les problèmes précédents par un système de projection frontal à courte distance, c'est-à-dire grand-angle, occupant un petit volume et qui offre une possibilité de mise au point ainsi qu'une fonction de zoom. Il permet d'obtenir des images dont la diagonale est supérieure à 2 mètres, l'ensemble du système optique étant à moins de 50 cm du plan de l'image. Ce projecteur est construit sur la base de trois éléments optiques : un oculaire, un afocal et un groupe final formant un objectif destiné à former l'image intermédiaire devant le miroir.

L'invention concerne un dispositif de projection courte distance comprenant dans l'ordre de propagation du faisceau lumineux : un imageur formant l'image ; un oculaire formé d'un ensemble de lentilles formant un faisceau approximativement parallèle ; un obj ectif formé d'un ensemble de lentilles formant une image intermédiaire avec une courbure de champ ; un miroir concave asphérique générant l'image finale, la courbure de champ donnée par l'objectif compensant la déformation introduite par le miroir concave asphérique et un afocal constitué d'un ensemble de lentilles entre l'oculaire et l'objectif, ces lentilles étant mobiles en translation sur leur axe optique pour permettre de faire varier le grossissement généré par Γ afocal et ce faisant doter ledit dispositif de capacités de zoom. Selon un mode particulier de réalisation de l'invention, les lentilles formant l'objectif sont rendues mobiles en translation sur leur axe optique pour permettre de faire varier la distance à laquelle l'image finale est générée et ce faisant, doter le dispositif de capacités de mise au point.

Selon un mode particulier de réalisation de l'invention, les lentilles formant l'oculaire, l'afocal et l'objectif, ainsi que le miroir asphérique partagent le même axe optique.

Selon un mode particulier de réalisation de l'invention, l'afocal est composé d'une première lentille convergente suivie d'une lentille divergente, d'une nouvelle lentille convergente et d'une dernière lentille divergente.

Selon un mode particulier de réalisation de l'invention, pour obtenir une diminution de l'image finale, l'afocal est constitué tel que : la première lentille convergente est rendue mobile en translation sur l'axe optique pour permettre de l'éloigner de l'oculaire, la première lentille divergente est rendue mobile en translation sur l'axe optique pour permettre de la rapprocher de la première lentille convergente, la dernière lentille divergente est rendue mobile en translation sur l'axe optique pour permettre de l'éloigner de la seconde lentille convergente.

Selon un mode particulier de réalisation de l'invention, l'objectif comprend une première lentille convergente, suivie d'une ou plusieurs lentilles divergentes puis d'une ou plusieurs lentilles dont au moins une dont les centres de courbure sont situés du même côté de la surface appelée ménisque.

Selon un mode particulier de réalisation de l'invention, l'objectif est constitué tel que : l'ensemble des lentilles est rendu mobile en translation sur l'axe optique pour permettre de les rapprocher du miroir, la première lentille convergente et le ménisque sont rendus mobiles en translation sur l'axe optique pour permettre de les rapprocher.

Selon un mode particulier de réalisation de l'invention, l'afocal comprend deux lentilles ou groupes de lentilles convergentes et une dernière lentille divergente.

Selon un mode particulier de réalisation de l'invention, l'afocal est constitué tel que les deux lentilles ou groupes de lentilles convergentes et la dernière lentille divergente sont rendues mobiles en translation sur l'axe optique pour permettre un mouvement indépendant dans le sens de propagation optique.

Selon un mode particulier de réalisation de l'invention, l'objectif comprend une première lentille convergente, suivie d'une ou plusieurs lentilles divergentes puis d'une lentille asphérique. Selon un mode particulier de réalisation de l'invention, l'objectif est rendu mobile en translation sur l'axe optique d'un seul bloc.

Les caractéristiques de l'invention mentionnées ci-dessus, ainsi que d'autres, apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un exemple de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints, parmi lesquels :

La Fig. 1 illustre le premier exemple de réalisation.

Les Fig. 2, 3 et 4 donnent les caractéristiques physiques précises du premier exemple de réalisation.

La Fig. 5 illustre les 3 premières configurations données du premier exemple de réalisation.

Les Fig. 6, 7 et 8 donnent la distorsion de l'image dans les configurations 1, 2 et 3 du premier exemple de réalisation.

Les Fig. 9, 10 et 1 1 donnent les fonctions de transfert de modulation des configurations 1, 2 et 3 du premier exemple de réalisation.

La Fig. 12 illustre le second exemple de réalisation.

Les Fig. 13, 14 et 15 donnent les caractéristiques physiques précises du second exemple de réalisation.

La Fig. 16 illustre les 3 premières configurations données du second exemple de réalisation.

Les Fig. 17, 18 et 19 donnent la distorsion de l'image dans les configurations 1 , 2 et 3 du second exemple de réalisation.

Les Fig. 20, 21 et 22 donnent les fonctions de transfert de modulation des configurations 1 , 2 et 3 du premier exemple de réalisation.

On définit un dispositif de projection comme un dispositif optique qui, lorsqu'il est placé sur le chemin d'un faisceau lumineux issu d'un imageur, permet de générer une image finale extérieure au dispositif. On parle ici de dispositif de projection à courte distance car la distance de projection envisagée est de l'ordre de quelques dizaines de centimètres. Il est évident que le dispositif inventif décrit peut être construit à d'autres échelles permettant des projections plus proches ou au contraire plus éloignées.

Le problème particulier rencontré dans une application de projection frontale tient à la compacité du système, à l'importance de la courbure de champ ainsi qu'à l'astigmatisme très important compensés sur l'image finale par le miroir courbe. C'est cette compensation qui permet d'obtenir de grandes images à courte distance. Il est a priori difficile de concevoir et même d'admettre la possibilité de concevoir un tel système disposant d'une mise au point et d'une fonction de zoom.

La mise au point consiste à obtenir une image nette sur une plage de distances vis-à-vis du dernier élément optique possédant une puissance, ici le miroir concave. Lorsque la distance au miroir concave grandit, l'image grandit à proportion de l'expansion naturelle du faisceau. La taille de l'image suit alors une loi affine fonction de la distance au miroir.

Le zoom consiste à obtenir des images de tailles différentes à distance fixée du miroir.

Ces systèmes de projection frontale comportent schématiquement les éléments suivants. Une image est formée par un imageur. Le faisceau issu de cet imageur est ensuite transformé, au moins approximativement, en un faisceau parallèle par une série de lentilles formant un oculaire. Ce faisceau sensiblement parallèle passe ensuite dans un ensemble de lentilles, que l'on appelle un objectif, qui donne la courbure de champ et forme l'image intermédiaire. Le faisceau issu de cet objectif est alors projeté sur un miroir asphérique concave qui permet le fort grossissement de l'image et sa projection à courte distance. La forte courbure de champ donnée par l'objectif vient compenser la forte courbure introduite par ce miroir asphérique concave pour obtenir une image finale aussi peu déformée que possible.

L'objectif est formé d'un ensemble de lentilles rendues mobiles en translation sur leur axe optique pour permettre de faire varier la distance à laquelle l'image finale est générée. Ce faisant, le dispositif est doté de capacités de mise au point.

Il comprend typiquement une lentille dont les centres de courbure sont situés du même côté de la surface, appelée ménisque, de puissance positive, située à proximité du miroir. C'est souvent la dernière lentille de l'objectif, c'est-à-dire la lentille la plus proche du miroir. Elle est typiquement précédée d'une ou plusieurs lentilles divergentes, elles-mêmes précédées d'une lentille convergente. Lorsque l'on déplace ces lentilles formant l'objectif on déplace également légèrement la position de l'image intermédiaire et donc la position de l'image finale. On obtient ainsi la fonction de mise au point par déplacement des lentilles formant l'obj ectif du système. Avantageusement, la mise au point s'opère en rapprochant l'ensemble des lentilles formant l'objectif du miroir, tandis qu'au sein de l'objectif, la distance entre la première lentille - la plus éloignée du miroir - et le ménisque diminue. Selon certains modes de réalisation de l'invention, le ménisque peut être remplacé par un ensemble de lentilles dont l'une au moins a la forme d'un ménisque et remplissant la même fonction. Selon certains modes de réalisation, la mise au point est obtenue par un même déplacement en bloc de toutes les lentilles de l'objectif. Selon un mode particulier de réalisation de l'invention, l'objectif comprend une dernière lentille asphérique entre le ménisque et le miroir. Alternativement, la fonction du ménisque est intégrée à une lentille asphérique qui adopte alors une forme de ménisque, mais dont la puissance proche de l'axe optique est légèrement négative.

L'objectif est donc rapproché du miroir pour effectuer une mise au point à une distance supérieure. Rapprocher l'objectif du miroir éloigne donc l'image finale de celui-ci. La lentille la plus éloignée du miroir et se déplaçant en bloc avec l'objectif est une lentille convergente. Le ménisque est éventuellement rapproché de cette première lentille convergente.

Nous avons vu que le faisceau issu de l'oculaire est sensiblement parallèle. La taille de l'image finale dépend des angles et de la hauteur avec lesquels les rayons issus de l'oculaire entrent dans l'objectif. Selon l'invention, on ajoute entre l'oculaire et l'objectif un nouveau groupe de lentilles entre l'oculaire et l'objectif pour former un afocal. Ces lentilles sont mobiles en translation sur leur axe optique pour permettre de faire varier le grossissement généré par l'afocal. Cet afocal va permettre de faire varier la hauteur et les angles des rayons issus de l'oculaire et entrant dans l'objectif permettant ainsi de faire varier la taille de l'image finale et, ce faisant, d'implémenter la fonction de zoom.

Selon un premier mode de réalisation, l'afocal est composé d'une première lentille convergente suivie d'une lentille divergente, d'une nouvelle lentille convergente et d'une dernière lentille divergente. Une diminution de l'image finale est alors obtenue en éloignant la première lentille convergente du diaphragme de sortie de l'oculaire, en rapprochant la première lentille divergente de la première lentille convergente et en éloignant la dernière lentille divergente de la seconde lentille convergente. Le mouvement absolu de la deuxième lentille convergente est assez faible. Cette fonction de zoom est caractérisée par un déplacement vers l'objectif de la première lentille convergente et de la dernière lentille divergente. L'amplitude du déplacement est différente pour les deux lentilles et résulte en un rétrécissement de l'image finale. Cette réalisation de l'afocal permet de ne modifier que légèrement la courbure de champ finale, les images restent donc bien définies. Avantageusement, la première lentille convergente possède un nombre d'Abbe grand, typiquement supérieur à 60, et la première lentille divergente un nombre d'Abbe petit, typiquement inférieur à 30. Les deux autres lentilles peuvent avoir des caractéristiques de dispersion plus modérée avec des nombres d'Abbe proches de 50.

Dans un second mode de réalisation, les lentilles divergentes sont désormais au début et à la fin de l'afocal. Les parties mobiles sont la première lentille positive, un deuxième groupe de lentilles de puissance totale positive, convergent, la dernière lentille divergente. Le sens de déplacement des lentilles est le suivant. La dernière lentille divergente se rapproche de la lentille convergente suivante constituant le début de l'objectif, ce qui limite le diamètre utile de ce dernier. Dit autrement, la dernière lentille divergente est rendue mobile en translation sur l'axe optique dans le sens de propagation optique. De même, les 2 groupes convergents se déplacent vers la droite, c'est-à-dire dans le sens de propagation optique, de façon à dévier plus fortement les faisceaux s'écartant de l'axe optique. Les mouvements de ces parties mobiles sont indépendants les uns des autres. Avantageusement, les lentilles convergentes doivent avoir une dispersion faible, typiquement un nombre dAbbe supérieur à 50.

Nous allons maintenant décrire plus précisément un exemple de réalisation du projecteur selon le premier mode de réalisation, illustré par la Fig. 1. Le dispositif décrit a pour objet de produire une grande image, typiquement de l'ordre de 85 pouces de diagonale à 400 mm du dernier élément optique possédant une puissance, donc du miroir 1.9. Le dispositif est composé d'un système dioptrique, 1.1 à 1.8, suivi d'un miroir concave 1.9. Tous les éléments possédant une puissance ont le même axe de révolution 1.10. Il est doté de moyens d'assurer une plage de mise au point et un zoom de façon à pouvoir être utilisé en projection frontale.

Le miroir concave est de dimensions nettement plus grandes que les lentilles de l'objectif 1 .6. Il est de ce fait difficile à déplacer avec précision. Il est donc avantageux que la longueur du système optique ne varie pas lors de la mise au point ou du zoom. La distance de l'objet dont on fait l'image au miroir concave reste donc constante quelle que soit la configuration considérée.

Pour produire l'image qui est agrandie par le système optique, on utilise un microdisplay 1.1. On peut utiliser un imageur à micro-miroirs comme le DLP {Digital Light Processing en anglais) fabriqué par la société Texas Instruments, mais d'autres technologies de microdisplays peuvent être utilisées tels les microdisplays à cristaux liquides. L'imageur 1.1 utilisé mesure 14,0288 x 10,5216 mm. Sa résolution est de 1024x768 pixels. C'est à cette résolution que sont données les performances du système optique dans la suite. Il est décentré de 6,3 mm dans la direction de son petit côté par rapport à l'axe optique, axe de révolution 1.10 commun des lentilles.

Le dispositif se compose de l'imageur 1.1, d'une vitre 1.2, d'un oculaire 1.3 dont un agrandissement est fourni sur la figure permettant de distinguer clairement les 6 lentilles, d'un afocal 1.4 et 1.5, d'un objectif 1.6 comportant un ménisque 1.7 suivi d'une lentille asphérique 1.8 et du miroir concave asphérique 1.9. Le faisceau est illustré par deux rayons extrêmes 1.1 1 et 1.12. L'image finale est formée par la réflexion du faisceau sur le miroir au-dessus et à gauche du dispositif.

La pupille d'entrée du système, en entrée de l'oculaire, est située à 51 ,848 mm d'air de l'imageur, dans le sens de propagation de la lumière sortant de l'imageur. Son diamètre est de 25,924 mm, l'ouverture du dispositif est donc de f/2. Son centre est situé sur l'axe optique.

Le tableau de la Fig. 2 donne les caractéristiques physiques du dispositif. Lorsque deux lentilles sont liées, l'interface décrite commune est attribuée à la lentille suivante dans le sens de propagation des rayons. Les lentilles du dispositif sont numérotées de Ll à L15 toujours dans ce sens de propagation. Le matériau indiqué est le matériau du milieu dont l'interface est l'entrée, lorsqu'il n'est pas spécifié, c'est de l'air. Les matériaux sont caractérisés par leur indice et leur nombre d'Abbe à la longueur d'onde 587,6 nm. Il s'agit typiquement de verres sauf la lentille 15 en plastique.

Les épaisseurs variables sont données pour quatre configurations de mise au point et de zoom particulières dans la Fig. 3. La configuration 1 correspond à une configuration nominale du dispositif. La configuration 2 décrit le dispositif dans une position de zoom maximal correspondant à une taille d'image finale minimale. La configuration 3 correspond à une mise au point maximale. La configuration 4 correspond à un zoom et une mise au point maximale, c'est donc une combinaison des configurations 2 et 3.

La définition des surfaces asphériques est donnée dans le tableau de la Fig. 4. Les surfaces asphériques obéissent à l'équation : dont les coefficients sont donnés Fig. 4, R étant le rayon de courbure et k la conique.

La Fig. 5, quant à elle, illustre les trois premières configurations du tableau de la Fig. 3. La Fig. 5a correspond à la configuration 1 , la Fig. 5b correspond à la configuration 2 et la Fig. 5c correspond à la configuration 3.

Le dispositif est parfocal, au sens où les moyens d'assurer le zoom et la mise au point sont indépendants pour une mise au point à 400 mm du miroir courbe, on s'aperçoit que la distance entre le diaphragme et la lentille 1 1 - première lentille de l'objectif - reste constante. Lors de la mise au point à des distances au miroir courbe supérieures à 400 mm, la distance entre les lentilles 1 1 et la lentille 10 - dernière lentille de l'afocal - augmente, ce qui assure que la mise au point et le zoom n'interfèrent pas ensemble.

On constate aussi que l'ouverture est constante quelle que soit la configuration.

Le dispositif permet d'obtenir un grandissement d'environ 1 12 fois pour la configuration 2, celle donnant les plus petites images à 400 mm. Le grandissement peut aller jusqu'à 160 fois dans la configuration 3 qui donne les plus grandes images à 508 mm. La configuration 1 permet d'obtenir un grandissement d'environ 123,5 fois, soit une image nominale de 85 pouces. À une distance de projection donnée, le zoom permet d'obtenir des images dont la taille varie de 10% environ (comptés à partir de la plus petite image).

Le dispositif décrit présente de grands angles d'incidence sur l'écran. Dans les coins supérieurs de l'image, les angles d'incidence sur l'écran sont d'environ 80° pour la position du zoom permettant d'obtenir la plus grande image à distance donnée du miroir.

Le système de mise au point permet de faire varier la distance de projection de

400 à 508 mm.

Les Fig. 6, 7 et 8 donnent la distorsion de l'image dans les configurations 1, 2 et

3.

Les Fig. 9, 10 et 11 donnent les fonctions de transfert de modulation des configurations 1, 2 et 3.

Un second exemple de réalisation selon le second mode de réalisation est également décrit. La structure générale du dispositif de ce second exemple est relativement similaire au premier exemple. Il est illustré par la Fig. 12. On retrouve l'oculaire 12.1 composé ici de 3 lentilles, un afocal 12.2 composé des lentilles 12.4, 12.5, 12.6 et 12.7 et un objectif 12.3. L'imageur et le miroir sont identiques à ceux du premier exemple, à ceci près que le décentrement de l'imageur est dans ce second exemple de réalisation de 6,83 mm.

L'objectif a été simplifié puisque la mise au point s'effectue par un déplacement d'un seul tenant de l'objectif L'objectif doit se rapprocher du miroir pour obtenir une mise au point à une distance supérieure du miroir. Cet objectif reprend la structure de l'objectif du premier exemple à ceci près que le ménisque et la dernière lentille asphérique voient leur fonctionnalité réunie en une seule et même lentille.

L'afocal répond aux exigences du second mode de réalisation décrit plus haut. Ce second exemple, outre le fait d'être plus simple que le précédent, présente également l'avantage d'avoir une intersection moindre de l'objectif et de l'image intermédiaire formée entre celui-ci et le miroir. Contrairement à l'implémentation précédente, l'image intermédiaire est quasiment toujours à l'extérieur de l'objectif, sauf en bord de champ.

Les Fig. 13, 14 et 15 donnent les caractéristiques physiques précises du second exemple de réalisation de façon similaire au premier exemple.

Les différentes configurations données correspondent aux configurations équivalentes du premier exemple. De la même façon, le dispositif est parfocal. Une position de mise au point convient pour toutes les positions de zoom.

De même, les Fig. 16a, 16b et 16c illustrent les configurations 1, 2 et 3.

Les Fig. 17, 18 et 19 donnent la distorsion du système pour ces configurations 1, 2 et 3.

Les Fig. 20, 21 et 22 donnent les fonctions de transfert de modulation des configurations 1, 2 et 3.

Le lexique suivant donne la traduction française des expressions anglaises que l'on retrouve sur les figures 6 à l l et l7 à 22 :

- TV distortion : distorsion TV

- Distorsion scale : échelle de distorsion

- Optical Dist : Distance optique

- vs opt axis : par rapport à l'axe optique

- ave magnifîcation : grandissement moyen

- expected magnifîcation : grandissement attendu

- framing vs grid : cadrage par rapport à la grille

- centering : centrage - size error X : taille de l'erreur selon l'axe X

- size error Y : taille de l'erreur selon l'axe Y

- Inclination X : inclinaison selon X

- Inclination Y : inclinaison selon Y

- trapèze : trapèze

- Géométrie MTF vs. Field : FTM (Fonction de transfert et de modulation) géométrique en fonction du champ

- Y field in millimeters : champ Y en millimètres

- modulus vs. of the OTF : valeur de la fonction de transfert et de modulation - data for : données pour

- frequency : fréquence

- cycles per mm : cycles par mm