Brevet FR2086137A1 — publié le 19711231

L*invention a pour objet un système de prismes à diviseur de rayons pour appareil utilisé en télévision, en particulier pour une caméra de teLévision en couleurs, en vue de diviser un flux lumineux incident en flux lumineux partiels de zones spectrales 5 différentes. Il est en soi bien connu d'utiliser pour diviser des rayons, des systèmes à prismes dans lesquels on peut, en utilisant des couches dichroïtiques, polarisantes et à double réfraction, décomposer en flux lumineux de zones spectrales différentes la lumière 10 amenée au système de prismes. Dans les systèmes de prismes à diviseur de rayons jusqu'à présentjôisponibles en technique de réception de la télévision en couleurs, on constate que le degré d'efficacité optique n'est pas satisfaisant* dans quelques zones spectrales ou que les disposi-15 tions de prismes occupent beaucoup de place en valeur relative, ce qui est un désavantage pour les caméras de télévision qui doivent être facilement transportables. L'inventeur s'est assigné la tâche d'éviter ces inconvénients en utilisant une disposition de prismes d'un genre nouveau, des 20 couches à double réfraction ainsi que des couches dichroïtiques. Il est ainsi arrivé à proposer un système relativement petit de prismes à division de rayons à savoir un système d'un degré élevé d'efficacité optique et dont les pertes sont minimes dans toutes les zones spectrales essentielles pour la transmission des pro-25 grammes de télévision en couleurs. On a été surpris de constater que si l'angle d'incidence du flux lumineux est de 30 à 50° environ dans le verre, la propriété (jusqu'ici considérée comme un inconvénient) des couches di-chroïtiques peut suivant l'orientation des plans de polarisation, 30 être complètement et avantageusement utilisée pour laisser passer une partie de la lumière et réfléchir l'autre partie lorsqu'on " utilise ces couches dans des systèmes de prismes à diviseur de rayons, se caractérisant par un degré élevé d'efficacité optique dans toutes les zones spectrales essentielles pour la transmission 35 de programmes de télévision en couleurs. C'est pourquoi un système à prismes à diviseur de rayons capable de résoudre le problème posé doit, conformément à l'invention, se caractériser par le montage d'un premier prisme de division de rayons dont la surface d'entrée est contiguë à l'air et COPY 71 10198 2 2086137 reçoit la lumière d'un objet, prisme pourvu d'une première face de sortie qui présente une couche dichroïtique permettant de diviser le flux lumineux en deux flux lumineux partiels, la couche dichroïtique étant constituée de telle manière que la lumière d' 5 une zone spectrale traverse cette couche, que celle d'une deuxième zone spectrale est réfléchie et que celle d'une troisième zone spectrale traverse en partie la dite couche et est en partie réfléchie suivant l'orientation du plan de polarisation de la lumière incidente par rapport au plan d'incidence, caractérisé par la 10 disposition d'un deuxième prisme à division de rayons, dont la surface d'entrée est contiguë à la première surface de sortie du premier prisme à division de rayons, la deuxième surface de sortie du premier prisme à division de rayons et la première surface de sortie du deuxième prisme à division de rayons présentant chaque 15 fois une couche à double réfraction et vue en direction des rayons chaque fois à l'arrière un revêtement dichroïtique, ce revêtement dichroïtique de la deuxième surface de sortie du premier prisme à division de rayons étant constitué de telle manière qu'il laisse essentiellement passer la part de lumière (réfléchie sur la pre-20 mière couche dichroïtique) d'une première zone spectrale et réfléchit la part de lumière (en partie réfléchie) d'une troisième zone spectrale, la couche dichroïtique de la première surface de sortie du deuxième prisme à division de rayons étant constituée de telle manière qu'elle laisse essentiellement passer la part 25 de lumière (traversant la première couche dichroïtique) d'une deuxième zone spectrale et réfléchit la part de lumière (traversant en partie cette première couche dichroïtique), de la troisième zone spectrale, les coaches à double réfraction situées à la deuxième surface de sortie du premier prisme de division de couleur 30 et à la première surface de sortie du deuxième prisme de division de couleur étant constituées de telle manière que les plans de polarisation des parts'de lumière de la troisième zone spectrale (réfléchies par les couches dichroïtiques) situées aux surfaces de sortie du système de prismes à diviseur de rayons soient tour-35 nés de 90° lors du deuxième passage de la lumière à travers la couche à double réfraction. La rotation des plans de polarisation a pour effet qu'après changement de polarisation, la part de lumière de la troisième zone spectrale (part réfléchie par la première couche dichroïti- 71 10198 3 2086137 que au premier passage à travers celle-ci) traverse la première couche dichroïtique et que la part de lumière qui a traversé cette couche au premier passage est réfléchie. Il est bien connu que la perméabilité spectrale et la ré-5 flexion des couches dichroïtiques dépendent de l'angle d'incidence et qu'en outre dans le cas d'angles d'incidence qui s'écartent de 0° elles sont différentes pour la lumière de directions de polarisation différentes. Il est en outre connu que les couches dichroïtiques qui, 10 pour un angle d'incidence de 0°, ont dans une partie de la zone spectrale une perméabilité élevée et dans le reste de la zone spectrale un pouvoir réfléchissant élevé, la transition s'effectuant dans une zone spectrale étroite, présentent pour des angles d'incidence plus grands les mêmes propriétés mais que les flancs 15 de la zone de perméabilité spectrale pour les deux directions de polarisation de la lumière incidente se trouvent dans des zones spectrales différentes et continuent à s'éloigner l'un de l'autre lorsque l'angle d'incidence augmente. En partant de cet état bien connu-de la technique on a recon-20 nu que les propriétés (considérées jusqu'à présent comme un désavantage) des couches dichroïtiques peuvent être utilisées pour fabriquer un diviseur de rayons simple et présentent un degré élevé d'efficacité dans toutes les zones spectrales importantes pour la technique de la télévision en couleurs. 25 On a trouvé que pour une couche dichroïtique déterminée qui, pour un angle d'incidence de 0° réfléchit la lumière de longueur d'onde inférieure à 650 nm mais laisse passer la lumière, de longueur d'onde supérieure à 650 nm, le flanc, si l'angle d'incidence de la lumière est de 45° dans le verre, se déplace de 550 nm 30 environ où cette lumière est polarisée perpendiculairement au plan d'incidence et de 485 nm environ si la lumière est polarisée parallèlement au plan d'incidence. C'est pourquoi la couche dans la disposition prise réfléchit le bleu si la lumière est polarisée parallèlement au plan 35 d'incidence et laisse passer le rouge si la lumière est polarisée perpendiculairement au plan d'incidence. Dans la zone spectrale verte, cette couche est réfléchissante pour la lumière polarisée perpendiculairement au plan d'incidence et perméable pour la lumière polarisée parallèlement au plan d'incidence. 71 10198 4 2086137 Semblât)lement on voit se déplacer les flancs des courbes de perméabilité spectrale pour une couche qui, pour un angle d* incidence de la lumière égal à 0°, est perméable à la lumière d' une longueur d'onde inférieure à 640 nm et réfléchit la lumière 5 d'une longueur d'onde supérieure à 640 nm. Si l'angle d'incidence de la lumière efct de 45° dans le verre, ces flancs se déplacent de 565 nm si la lumière est polarisée parallèlement au plan d' incidence et de 505 nm si la lumière est polarisée perpendiculairement au plan d'incidence. Si l'angle d'incidence dé la lumière 10 est de 45°, cette couche réfléchit la lumière rouge si la lumière est polarisée parallèlement au plan" d'incidence et laisse passer le bleu si la lumière est polarisée perpendiculairement au plan d'incidence, tandis que la dite couche réfléchit la lumière de la zone spectrale verte ou laisse passer cette lumière suivant la 15 direction de polarisation. C'est pourquoi la couche dichroïtique est, dans le plan de séparation compris entre les deux prismes partiels, avantageusement constituée de telle manière que lors de la séparation des parties en couleur, elle réfléchisse autant que possible totale-20 ment la lumière de la zone spectrale bleue, laisse passer la lumière de la zone spectrale rouge ou réfléchisse autant que possible complètement la lumière de la zone spectrale rouge et laisse passer la lumière de la zone spectrale bleue et qu'alors elle réfléchisse chaque fois la partie (polarisée dans un plan) de la 25 lumière de la zone spectrale verte et laisse passer la partie polarisée dans un autre plan de la lumière de la zone spectrale verte. De cette manière, on peut déjà séparer exactement dans un plan de séparation le flux lumineux partiel rouge du flux partiel lumineux bleu. 30 Dans une forme d'exécution préférée de l'invention, le plan de la couche dichroïtique située entre les deux prismes partiels est incliné à 45° sur l'axe optique primaire dans le verre. Grâce à cette disposition, le parcours des rayons dans le verre est particulièrement simple et court de sorte que les lar-35 geurs de coupe sont minimes. Une autre caractéristique essentielle de l'invention consiste en ceci que les couches à double réfraction appliquées à la deuxième surface cfe sortie du premier prisme à division de rayons et à la première surface de sortie du deuxième prisme à division 71 10198 5 2086137 de rayons sont des plaques dites "quart d'onde" (X/4), rapportées à la longueur d'onde de la lumière verte. Grâce à la disposition de ces couches à double réfraction appliquées aux deux surfaces de sortie par le flux luniieux rouge et le flux lumineux bleu, on 5 arrive à ce résultat que les parts de lumière verte (parts réfléchies par les couches dichroïtiques, disposées sur les couches à double réfraction) changent de polarisation après un double passage à travers la couche dichroïtique de telle manière que la partie réfléchie par la couche dichroïtique dans le plan compris 10 entre les deux prismes partiels traverse maintenant cette couche et que la partie réfléchie au premier passage à travers la dite couche est maintenant réfléchie. De cette manière les deux flux lumineux partiels de la zone spectrale verte sont réunis et dirigés vers le tube à mémoire ou photocathode prévu ou prévue pour 15 le relevé de la partie verte du flux lumineux. Si l'on utilise dans des lecteurs de télécinéma un système de prismes à divisenr de tension, conforme à l'invention, il est possible de disposer pour les trois zones spectrales principales les photocathodes immédiatement devant les surfaces de sortie du système de ptismes 20 et de réaliser ainsi une disposition qui économise la place à 1* extrême. Même si l'on utilise dans les caméras de télévision en couleurs un système de prismes à division de rayons, conforme à l'invention, on peut disposer les tubes à mémoire autour du système de prismes à division de rayons de manière à raccourcir au 25 minimum les parcours dans le verre. On peut alors avantageusement placer deux des trois tubes parallèlement l'un à l'autre et le troisième à angle droit sur les deux autres. La caméra de télévision en couleurs ainsi obtenue se caractérise par une construction d'une longueur extrêmement courte et d'une faible hauteur. 30 Pour le filtrage complet de zones spectrales indésirables, il est souvent nécessaire de placer aux sorties du système de prismes un filtre ccarecteur en soi bien connu, qui n'est pas 1' objet de l'invention. L'invention sera décrite et expliquée plus en détail dans 35 le texte qui suit et est accompagné de dessins. La figure 1 représente les courbes schématiques de perméabilité lumineuse d'une couche dichroïtique dans le cas où l'angle d'incidence de la lumière dans le verre est de 45°, cette couche réfléchissant la lumière dans la zone bleue du spectre, la lais 71 10198 ô 2086137 sant passer dans le rouge et la polarisant dans le vert. La figure 2 représente les courbes schématiques de perméabilité lumineuse d'une couche dichroïtique dans le cas où l'angle d'incidence de la lumière dans le vert est de 45°, cette couche 5 laissant passer la lumière dans la zone bleue du spectre, la réfléchissant dans le rouge et la polarisant dans le vert. La figure 3 représente les courbes de perméabilité spectrale pour un filtre dichroïtique recevant la lumière sous un angle d'incidence de 0° et de 45° (chaque fois dans le verre). 10 La figure 4 représente une forme préférée d'exécution du système de prismes à diviseur de rayons. La figure 5 représente une représentation schématique de la disposition (donnée à titre d'exemple) d'un système de prismes à diviseur de rayons conforme à l'invention et utilisé dans une 15 caméra de télévision en couleurs. Dans la figure 1, les traits de courbe 1 et 2 sont par exemple des courbes idéales de la perméabilité spectrale pour un filtre dichroïtique recevant la lumière sous un angle d'incidence de 45° dans le verre. Le trait de courbe 1 montre la perméaîiLité 20 lumineuse pour différentes longueurs d'onde dans le cas où la lumière est polarisée parallèlement au plan d'incidence, tandis que la courbe 2 représente d'une manière semblable la perméabilité spectrale dans le cas où la lumière est polarisée perpendiculairement au plan d'incidence. 25 Dans la figure 2, on a représenté les courbes déperméabilitê spectrale pour une couche dichroïtique qui présente, pour la lumière de la zone spectrale bleue, la perméabilité lumineuse la plus grande et réfléchit la lumière dans la zone spectrale rouge. La courbe 3 dans la figure 2, vaut pour la lumière polarisée per-30 pendiculaiiement au plan d'incidence et la courbe 4, pour la lumière polarisée parallèlement au plan d'incidence. L'angle d'incidence de la lumière dans le verre vaut ici également 45°. Dans les deux couches dichroïtiques, la lumière verte dont la longueur d'onde dans la zone spectrale verte est comprise entre 35 500 et 550 nm est séparée du reste du flux lumineux suivant la direction de polarisation. Dans la figure 3, le trait de courbe 5 représente la perméabilité pour une couche dichroïtique déterminée dans une disposition où l'angle d'incidence de la lumière est égal à 0°. Il n'y 40 a ici aucune séparation de lumière suivant les différentes di 71 10198 7 2086137 rections de polarisation. Dans la disposition de la couche dichroïtique inclinée à 45° dans le verre par rapport à la direction de la lumière incidente, on obtient les traits de courbe 6 et 7 comme formes pratiques de réalisation des courbes idéales représe»-5 tées à la figure 1. On voit que les courbes 6 et 7 de la figure 3 présentent dans la zone utile comprise entre 450 et 600 nm,les propriétés désirées. Dans une forme d'exécution préférée du système à prismes à division de rayons, conforme à la figure 4, la couche dichruï-10 tique 8 est disposée entre les deux prismes partiels 9 et 10. La couche 8 présaùte les propriétés des couches conformes aux figures 1 ou 3. Elle réfléchit donc la lumière dans la zone spectrale bleue et est perméable à la lumière dans la zone spectrale rouge. C'est pourquoi la 3nmière 11 incidente est divisée par la 15 couche S en un flux lumineux bleu 12 et en un flux lumineux rouge 13. La lumière de la zone spectrale verte se divise en deux flux lumineux 14 et 15, suivant l'orientation du plan de polarisation. Aux deux surfaces de sortie 16 et 17 du système à diviseur de rayons, il est disposé des couches 18 et 19 à double 20 réfraction jouissant des propriétés des plaques dites "quart d' onde" rapportées à la longueur d'onde du flux lumineux vert. Sur la couche 18 à double réfraction il est disposé une couche dichroïtique 20 qui réfléchit la lumière dans la zone spectrale verte et laisse passer la lumière de la zone spectrale rouge. C'est 25 pourquoi le flux lumineux partiel vert 15 est réfléchi par la couche dichroïtique 20 et après un double passage à travers la couche 18 à double réfraction modifié dans sa polarisation, de telle manière que comme flux lumineux partiel vert 22 il est réfléchi par la couche dichroïtique 8 et dévié sous la forme du flux lumineux 30 vert 23. Le flux lumineux partiel vert 14 est réfléchi par la couche dichroïtique 21 qui réfléchit la lumière de la zone spectrale verte et laisse passer la lumière de la zone spectrale fcleue. Après un double passage à travers la couche 19 à double réfraction, il est modifié dans sa polarisation de telle manière que 35 le flux lumineux partiel vert 24 peut traverser la couche dichroïtique 8 et donne, avec le flux partiel 23, le flux lumineux total vert. Les filtres correcteurs 25, 26 et 27, appliqués aux trois surfaces ds sortie du système à diviseur de tension filtrent, le cas échéant, les zones spectrales indésirables. 71 10198 8 2086137 Si l'on utilise une couche dichroïtique 8 ayant des propriétés conformes à celles de la figure 2, les couches dichroïtiques 20 et 21 ainsi que les filtres correcteurs 26 et 27 des deux surfaces de sortie 16 et 17 peuvent être interchangés. Le fonctionne-5 ment du système à prismes à diviseur de rayons reste d'ailleurs le même. La figure 5 montre schématiquement la disposition d'un systè me à prisme à diviseur de tension dans une caméra de télévision en couleurs. La lumière est d'abord amenée par un objectif 23 au 10 système de prismes à diviseur de rayons 29 et divisé en trois flux lumineux partiels. Les trois tubes à mémoire, 30 pour le vert 31 pour le rouge, et 32 pour le bleu peuvent être groupés immédiatement autour du système à diviseur de rayons en économisant de la place dans une mesure extraordinaire. Le prisme de déviation 15 reprend alors pour le bleu la compensation des parcours des rayons lumineux dans le verre. C'est uniquement pour le tube 31 du rouge qu'un verre 33 est nécessaire pour la compensation des chemins parcourus dans le verre. 71 10198 9 2086137 REVENDICATIONS 1.- Système de prismes à diviseur de rayons pour appareil utilisé en télévision et en particulier pour une caméra de télévision en couleurs, en vue de diviser un flux lumineux incident en flux lumineux partiels de zones spectrales différentes, caracté-5 risé par le placement d'un premier prisme à division de rayons (9) dont la surface d'entrée est contiguë à l'air et reçoit la lumière d'un objet, prisme pourvu d'une première surface de sortie qui présente une couche dichroïtique (8) permettant de diviser le flux lumineux en deux flux lumineux partiels, la couche 10 dichroïtique (8) étant constituée de telle manière que la lumière d'une zone spectrale traverse cette couche, que celle d'une deuxième zone spectrale est réfléchie, que celle d'une troisième zone spectrale traverse en partie la dite couche et est en partie réfléchie suivant l'orientation du plan de polarisation de la 15 lumière incidente par rapport au plan d'incidence, caractérisé par la disposition d'un deuxième prisme à diviseur de rayons (10) dont la surface d'entrée est contiguë à la première surface de sortie d'un premier prisme à division de rayons (9), la deuxième surface de sortie (17) du premier prisme à division de rayons et 20 la première surface de sortie (16) du deuxième prisme à division de rayons présentant chaque fois une couche à double réfraction (18, 19) et vue en direction des rayons chaque fois à l'arrière un revêtement dichroïtique (20, 21), ce revêtement dichroïtique (21) de la deuxième surface de sortie du premier prisme à divi-25 sion de rayons (9) étant constitué de telle manière qu'il laisse essentiellement passer la part de la lumière (i-éfléchie sur la première couche dichroïtique (S)) d'une première sons spectrale et la part de la lumière (en partie réfléchie) d'une troisième zone spectrale, la couche dichroïtique (2D) de la première surf a-30 ce de sortie du deuxième prisme a division de rayons étant constituée de telle manière qu'elle laisse essentiellement passer la part de lumière (traversant la première couche dichroïtique) d' une deuxième zone spectrale et réfléchit la part de la lumière (traversant en partie cette couche dichroït iqtte) de la troisième 35 zone spectrale, les couches à double réfraction (18, 19) appliquées à la deuxième surface de sortie du premier prisme de division de couleur et à la première surface de sortie du deuxième 71 10198 10 2086137 prisme de division de couleur étant constituées de telle manière que les plans de polarisation des parts de la lumière de la troisième zone spectrale réfléchies par les revêtements dichroïtiques (20,21) appliquées aux surfaces de sortie (16, 17) du système de 5 prismes à diviseur de rayons soient tournés de 90° après le deuxième passage de la lumière à travers la couche à double réfraction. 2,- Système de prismes à diviseur de rayons, conforme à la revendication 1, caractérisé par le fait que la couche dichroïti- 10 que (8) sittiée entre deux prismes de division en rayons est constituée de telle manière que la lumière de la zone spectrale rouge (13) passe à travers cette couche et que la lumière de la zone spectrale bleue (12) soit réfléchie et qu'alors chaque fois la partie (polarisée dans un plan) de la lumière de la zone spectra- 15 le verte passe â travers la dite couche et que la partie (polarisée dans l'autre plan) de la lumière de la zone spectrale verte (14) soit réfléchie. 3,- Système de prismes à diviseur de rayons, conforme à la revendication 1, caractérisé par le fait que la couche dichroï- 20 tique entre deux prismes à division de rayons est constituée de telle manière que la lumière de la zone spectrale rouge soit réfléchie, que la lumière de la zone spectrale bleue traverse cette couche et qu'alors chaque fois la part (polarisée dans un plan) de la lumière, de la zone spectrale verte traverse la dite couche 25 et que la part (polarisée dans l'autre plan) de la lumière de la zone, spectrale verte est réfléchie. 4,- Système de prisses à diviseur de rayons, conforme aux revendications 15 3 prises dans leur ensemble, caractérisé par le fait que le plan de la couche dichroïtique (8) situé entre 30 les deux prismes à diviseur de rayons est incliné de 30 à 60° sur l'axe optique primaire. 5,- Système de prismes à diviseur de rayons, conforme à la revendication 4, caractérise par le fait que le plan de la couche dichroïtique (8) situé entre les deux prismes à division de rayons 35 est incliné de 45° par rapport à l'axe optique primaire. 6,- Système de prisses à diviseur de rayons, conforme aux revendications 1 à 5 prises dans leur ensemble, caractérisé par le fait que les couches à double réfraction (20, 21) sont des plaques dites "quart d'onde", rapportées à la longueur d'onde de la 40 lumière de la zone spectrale verte.