Brevet FR2654844A1 — publié le 19910524

La présente invention concerne un dispositif de polarisation de la lumière pour écrans a cristaux liquides, écrans plats et plus généralement pour dispositifs optiques agissant sur des lumières polarisées. Les filtres polarisants connus à ce jour éliminent une polarisation de la lumière incidente de telle manière que la lumière transmise est polarisée selon la seconde polarisation. Certains miroirs partiellement réfléchissants réfléchissent une polarisation et transmettent l'autre et ne laissent donc passer que la moitié de l'intensité lumineuse. De plus ils ne fonctionnent que sur des plages de longueur d'onde étroites. La présente invention entend remédier à ces inconvénients en agissant sur toutes les longueurs d'ondes de la lumière et en ne perdant que tès peu d'intensité lumineuse. Pour ce faire le dispositif objet de la présente invention comporte un séparateur de polarisation composé de réflecteurs utilisés sous l'incidence de brewster, pour laquelle la lumière réfléchie est polarisée, ou de matériau biréfringent et un cardan optique dont l'effet est de faire toumer les axes de polarisation d'un angle donné. Les rayons lumineux traversent donc successivement des lames transparentes indinées qui reflètent une polarisation, ou un bloc optique qui sépare deux faisceaux de lumière polarisée, puis l'un des faisceaux de lumière polarisée atteint un cardan optique qui échange les axes de polarisation, puis un moyen de recombinaison des deux faisceaux polarisés, réfléchis et transmis. Dans d'autres modes de réalisation des miroirs peuvent être utilisés, ainsi que des traitements multicouches.Enfin, les surfaces optiques peuvent etre planes ou courbes. Dans toute la suite du descriptif, on appelle cardan optique un composant optique qui a la particularité de réfléchir ou de transmettre la lumière en faisant effectuer une rotation à son ou ses axes de polarisation. Des lames quard d'onde ou demisnde, des cristaux liquides, des céramiques PLZT et de nombreux composants d'écrans plats passifs sont, par exemple, des cardans optiques. On rappelle que l'incidence de brewster, qui est indépendante de la longueur d'onde mais dépend du quotient des indices de réfraction des matériaux entourant une interface, correspond à la réfection de rayons lumineux selon une polarisation et à une transmission intégrale des rayons lumineux selon une polarisation perpendiculaire. Selon l'invention, certaines réflexions et transmissions se feront selon ou autour de l'incidence de brewster. D'autres moyen de séparation des lumières polarisées composant une lumière, utilisant notamment des matériaux biréfringent sont présentés dans des modes de réalisation particuliers. L'invention est donc caractérisée par l'utilisation conjointe d'interfaces ou de volumes optiques séparant les rayons incident en rayons polarisés et de cardans optiques. La description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés dans un but explicatif et nullement limitatif permet de mieux comprendre les avantages, buts et caractéristiques de l'invention. La figure 1 présente une vue en coupe d'un premier mode de réalisation du dispositif. Lafiaure 2 représente une vue en coupe d'un deuxième mode de réalisation du dispositif. Lafi;ure représente une vue en coupe d'un troisième mode de réalisation du dispositif. LaEgure 4 représente une vue en coupe d'un quatrième mode de réalisation du dispositif. La figure S présente une vue en coupe d'un cinquième mode de réalisation du dispositif. La figure 6 représente une vue en coupe d'un sixième mode de réalisation du dispositif. La figure7 représente une vue en coupe d'un septième mode de réalisation du dispositif. La figure 8 représente une vue en coupe d'un huitième mode de réalisation du dispositif. Lafigure 9 représente une vue en coupe d'un neuvième mode de réalisation du dispositif. Lafigure 10 présente une vue en coupe d'une implantation du dispositif. La figure 11 représente une vue en coupe d'une autre implantation du dispositif. La figure 12 représente une vue en coupe d'un dixième mode de réalisation du dispositif. Dans cette description, un miroir est selon certains modes de réalisation. placé sur le chemin optique de rayons lumineux polarisés sortant du cardan optique. Pour une raison de clareté et de concision, I'autre cas, dans lequel un miroir est placé sur le chemin optique de rayons lumineux ne sortant pas du cardan optique n'a pas été représenté mais reste conforme à l'esprit de l'invention. Dans la figure 1 sont représentés sur un axe optique A une source lumineuse 0. des lamelles transparentes indinées l. 2, 3, 4, un cardan optique 5, des lamelles transparentes indinées 6, 7, 8, 9 Les lamelles transparentes 1, 2. 3. 4, 6, 7. 8, 9 sont de type connu, en un matériau transparent pour les longueurs d'ondes de la source lumineuse 0. Le cardan optique 5 est constitué de matériau biréfringent de cristal liquide, de céramique PLZT, d'une lame quard d'onde ou de tout autre assemblage de matériaux faisant effectuer une rotation de (2n+1) pi I 2, n étant un nombre entier quelconque.Les lamelles transparentes sont inclinées de telle manière que les rayons lumineux parallèles à l'axe optique A les atteignent sous l'incidence de brewster correspondant à l'indice de réfraction des matériaux constituant ces lamelles. L'ensemble se trouve préférentiellement dans un milieu d'indice optique 1, tel que l'air ou le vide. Par exemple, dans le cas du matériau optique appelé verre crown, dont l'indice de réfraction est de 1.52, I'angle d'incidence de brewster est de 56+39'. Il est à noter que les rayons réfractés dans le matériau transparent atteignent alors aussi la face arrière des lamelles sous l'incidence de brewster qui est alors de 33*21'. Toujours dans l'exemple du crown, le coefficient de réflexion de la lumière polarisée selon un plan perpendiculaire au plan d'incidence, c'est à dire dont le champ électrique est perpendiculaire au plan d'incidence, est de 17 % sur la face d'incidence et de 17 % sur la face arrière. Au total, au passage de cette lamelle ce sont donc environ 17 + (0,83 xi 7) % soit 31 % de la lumière incidente polarisée selon le plan perpendiculaire au plan d'incidence qui ont été réfléchis. Après passage àtravers les quatre lamelles 1, 2, 3 et 4, la lumière transmise est ne représente plus que 23 % de la lumière polarisée selon le plan perpendiculaire au plan d'incidence et 100 % de la lumière polarisée selon le plan parallèle au plan d'incidence. Pour plus de commoditer nous appelerons par la suite plan p le plan perpendiculaire au plan d'incidence et plan s le plan parallèle à ce même plan. Le cardan optique 5 échange les axes de polarisation selon les deux plans cidessus définis et les réflexions sous incidence de brewster, sur les lamelles 6, 7, 8 et 9 se font alors pour la polarisation maioritaire. Les quatre lamelles 6, 7. 8 et 9 joue alors le même rôle sur la polarisation majoritaire que les lamelles 1, 2, 3 et 4 sur la polarisation selon le plan p initial II est à noter que les indices de réfraction des lamelles pourront être différents de manière à égaliser les intensités lumineuses réfléchies sur chacune de ces lamelles. Un indice de réfraction plus grand correspondant à un angle d'incidence de brewster plus faible et à un coefficient de réflexion plus fort. Dans la figure 2 sont représentés les mêmes éléments que dans la figure 1 mais avec des angles d'inclinaison orientes vers le bas et avec un miroir 10 parallèle au plan d'incidence placé sous l'axe A Selon ce deuxième mode de réalisation, de multiples réflexions apparaissent pour une partie des rayons lumineux provenant de la source 0 et égalisent encore davantage l'intensité lumineuse surfacique des réflexions sur les lamelles. La compréhension de cette figure étant très aisée, sa description est allégée. Dans la figure 3, on retrouve l'axe optique AF les lamelles 1, 2, 3 et 4 ainsi que le cardan 5, selon les mêmes positions que dans la figure 1, mais derrière le cardan 5 se trouve un miroir incliné il parallèle aux lamelle 1,2,3 et 4. Les rayons lumineux parvenant sur le miroir 11 sont donc réfléchis parallèlement aux rayons lumineux réfléchis par les lamelles 1, 2,3 et 4. Les principaux avantages de ce mode de réalisation sont sa compacité longitudinale et la facilité de sa réalisation. II est notable qu'une combinaison simple des modes de réalisations présentés en regard des figures 1 et 3 ou 2 et 3 permet de récupérer, après la lamelle 9, I'ensemble des rayons lumineux l'ayant traversée par l'utilisation d'un miroir incliné 71 parallèle à cette lamelle 9. Dans lafigure 4 sont représentés les mêmes éléments que dans lafigure 1 mais les lamelles 1, 2, 3 et 4 sont accolées et les lamelles 6 7 8 et 9 sont accolées. Le principal avantage de ce mode de réalisation est sa compacité. Dans la figure 5 sont représentés sur un axe optique A, une source lumineuse 0, des lamelles 12, 13, 14, 15, un cardan optique 5, des lamelles 16, 17, 18, 19 selon une disposition particulière telle que les axes optiques correspondant à la réflexion de l'axe optique A dans chacune de ces lamelles convergent en un point ou sur une zone réduite 20. Pour que les rayons lumineux parallèles à l'axe optique A arrivent sous l'incidence de brewster sur chacune de ces lamelles, leurs indices de réfraction sont adaptés. Dans la figure 6 sont représentées, sur une lamelle 100, des couches de matériaux transparents 101, 102. 103 et 109 dont les indices de réfraction forment une suite dont les quotients sont égaux ou inversés. Les angles d'incidence de brewster se trouvent égaux pour une suite géomètrique. Ainsi, à chaque interface, il y a séparation des deux polarisations. L'air ayant un indice de réfraction proche de 1, on peut proposer, par exemple, des indices formant la suite 1,52 (lamelle 100 en verre crcvn) 2,31 puis 3,51 puis 2,31 et enfin 1,52 les rapports d'indices successifs sont alors égaux dans la phase croissante de la suite et dans la phase décroissante de la suite.Derriere cet ensemble formé de la lamelle 100 et des couches 101, 102, 103 et 104 se trouve un cardan optique 5 et un miroir incliné 1 1 collé à ce cardan optique 5 de telle manière que celui ci-fonctionne en réflexion. On connait de nombreux exemple de cardan optiques fonctionnant en réflexion, notamment utilisés pour les vidéoprnjecteurs à valve optique ou pour les afficheurs à écrans plats passifs reflectifs. Dans une variante, seuls deux matériaux sont alternés, avec des indices de réfraction dont l'un est le carré de l'autre. II est à noter que ltensemble de couches sur un substrat décrit en regard de la figure 6 peut remplacer le jeux de lamelles précédant le cardan 5 dans les modes de réalisation présentés en regard des figure 1, 2, 3 et 4. Dans la figure 7 on retrouve les éléments de la figure 6 mais ici le cardan optique 5 est perpendiculaire à l'axe optique A et le miroir 11 est séparé de ce cardan optique 5. Dans la figure 8 sont représentés des lamelles 1. 2, 3 et 4, un cardan optique 5 et un miroir 11, tous ces éléments étant inclinés par rapport à un axe optique A sur lequel se trouve une source lumineuse 0. Comme dans le mode de réalisation présenté en regard de la figure 6, le cardan optique 5 est associé au miroir 11 et fonctionne en reflexion. Dans la figure 9 sont représentés les éléments de la figure 7 mais ceux-ci son courbes de telle manière que les rayons lumineux provenant de la source 0 soient tous à leur incidence proche de l'incidence de brewster. Les principaux avantages de ce mode de réalisation sont son efficacité et la convergence des rayons réfléchis sur une zone étroite symétrique de la source lumineuse par rapport à l'axe de symétrie du miroir 11. Dans la figure 10 est représenté l'implantation d'un dispositif selon l'invention avec un écran plat passif transmissif 21. Un diffuseur 32, composé par exemple d'un vene dépoli y est placé entre le dispositif objet de l'invention et l'écran plat 21. Dans une variante, une lentille optique est placée entre le dispositif objet de l'invention et l'écran plattransmissif 21. Dans la figure 11 est représenté l'implantation d'un dispositif selon l'invention avec un écran plat réflectif 22. Dans cette figure, une lentille optique 31 est placée entre le dispositif et un écran plat réflectif 22. Enfin, la figure 12 représente un dixième mode de réalisation du dispositif dans lequel la séparation des rayons selon leur axes de polarisation est effectuée par un bloc 30 de matériau biréfringent Les matériaux biréfringents ont la propriété de ne pas présenter le même indice de réfraction aux rayons lumineux polarisés selon un plan p ou selon un plan s. Dans la figure 12 sont représentés sur un axe optique A une source lumineuse 0, un bloc de matériau biréfringent 30 incliné, et en dehors de cet axe optique A un cardan optique 5. Les rayons lumineux issus de la source lumineuse 0. sont séparés en deux rayons polarisés perpendiculairement à l'interface d'entrée du bloc 30 et ces rayons polarisés sont réfractés selon des angles différents de telle manière que l'un des deux faiscaux de rayons sorte en face du cardan optique 5. Les rayons lumineux polarisés selon un axe de polarisation sortent donc du dispositif sans que leur axe de polarisation n'ait tourné tandis que les rayons lumineux polarisés selon un axe perpendiculaire au premier sortent du dispositif après une rotation de leur axe de polarisation qui est alors parallèle au premier. Dans cette figure, le bloc 30 est associé en entrée à une lentille convergente 31 rendant parallèles les rayons provenant de la source lumineuse 0 et'ou à une ou des lentilles 31 en sortie faisant converger les rayons lumineux sortant du bloc optique et du cardan 5. II est à noter que l'association du miroir 71 et du cardan 5 présenté en regard des figures 6 et 8 peut être constitué d'un miroir magnétisé ou d'un matériau biréfringent associé à un miroir. L'épaisseur des différents composants du dispositif est optimisées en fonction de l'angle d'incidence pour éviter les interférences destructives et pour contrôler les rotations d'axe de polarisation en fonction de ces angles d'incidence. Préférentiellement la source lumineuse 0 est associée à un système optique rendant les rayons lumineux parallèles, réalisé par exemple d'un miroir parabolique et d'une lentille convergente comme dans les boites à lumière des projecteurs de diapositive. Toute combinaison des éléments composants les différents modes de réalisation dans le but de réaliser un dispositif de polarisation de la lumière reste conforme à l'esprit de l'invention pourvu qu'il comporte un séparateur de polarisation constitué d'un matériau biréfringent ou d'interfaces utilisées près de leur incidence de brewster, un cardan optique reflectif ou transmissif et éventuellement un moyen de rapprochement ou de recombinaison des rayons issus directement du séparateur et de ceux provenant du cardan optique. Le moyen de rapprochement ou de recombinaison pouvant être constitué de lentilles, de miroirs, d'interfaces optiques, de diffuseurs, tel qu'il a été présenté précédament Les premières applications du dispositif objet de le présente invention sont l'amélioration du rendement ou la réduction de consommation énergétique des widéo- projecteurs et rétro-projecteurs à écran plats, des afficheurs transmissifs ou réflectifs d'ordinateurs, de téléviseurs de poches, et plus généralement de système à très haut flux lumineux ou portables incorporant un écran plat REYENDiCAllONS 1) Dispositif optique d'émission d'une lumière polarisée comportant une source de lumière (O) caractérisé en ce qu'il comporte un moyen séparateur de polarisation (1,2,3,4,12,13, 14,15,30,101,102,103, 104), un moyen t de rotation d'au moins un axe de polarisation de la lumière et un moyen de recombinaison de faisceaux lumineux (6,7, 8, 9, 11, 31, 32) placé de telle maniere que les rayons provenant de la source (O) atteigne d'abord le moyen séparateur et y soient propagés différemment selon leurs axes de polarisation, en ce que les rayons selon l'un des axes de polarisation atteignent ensuite le moyen de rotation (5), et en ce que les rayons provenant directement du moyen séparateur et du moyen de rotation soient recombinés par le moyen de recombinaison. 2) Dispositif selon la revendication précédante caractérisé en ce que le moyen séparateur est constitué d'un assemblage de lamelles (1, 2, 3, 4, 12, 13, 14, 15) utilisées sous incidence de brewster, ces lamelles étant planes ou courbes. 3) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le moyen séparateur est constitué d'un assemblage de fines couches de matériaux d'indice différents (101, 102, 103, 104) placées sur un substrat (i 00) plan ou courbe. 4) Dispositif selon la revendication précédante caractérisé en ce que les fines couches de matériaux (101, 102, 103, 104) ont des indices de réfraction dont les quotients à chaque interface sont égaux ou inverses. 5) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le moyen séparateur est constitué d'un bloc de matériau biréfringent (30). 6) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédantes caractérisé en ce que le moyen de rotation (5) d'au moins un axe de polarisation est constitué d'un matériau biréfringent 7) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédantes caractérisé en ce que le moyen de recombinaison des rayonnements est constitué d'une lentille optique (31). 8) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédantes caractérisé en ce que le moyen de recombinaison des rayonnements est constitué d'un diffuseur ou d'un verre dépoli (32). 9) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédântes caractérisé en ce que le moyen de recombinaison des rayonnements est constitué d'un miroir (11) ou de lamelles (12, 13, 1 15) inclinées de telle manière que les rayons réfléchis sur elles convergent 10) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 et 9. caractérisé en ce que le moyen de rotation (5)est combiné avec le moyen de recombinaison (11) et est composé d'un matériaux biréfringent associé avec un miroir (11).