Brevet FR2658925A1 — publié le 19910830

Dispositif d'éclairage en lumière polarisée et matériel de visualisation comportant un tel dispositif. La présente invention concerne un dispositif d'éclairage en lumière polarisée et trouve plus particulièrement son application dans l'éclairage par transmission ou par réflexion de valves optiques utilisées dans des projecteurs d'images. Certaines valves optiques, par exemple les écrans à cristaux liquides, aussi appelés écrans LCD (d'après les initiales des mots anglais Liquid Crystal Display), nécessitent un éclairage en lumière polarisée, tels que les écrans du type nématic en hélice (twisted nematic dans la littérature anglo-saxonne) ou ceux à biréfringence électriquement contrôlée. I1 est connu, pour obtenir, par exemple, trois faisceaux en lumière polarisée bleue, verte et rouge destinés respectivement à l'éclairage de trois valves optiques d'un même projecteur d'images, d'utiliser une source de lumière blanche non polarisée, de la décomposer spectralement en trois bandes rouge, verte et bleue et de polariser chacun des faisceaux ainsi obtenus, par un polariseur ; les trois polariseurs fournissent chacun deux faisceaux polarisés de composantes de polarisation orthogonales c'est-à-dire de composantes linéairement indépendantes : soit rectilignes dont les axes font un angle de 900 ou un angle quelconque, soit circulaires gauche et droite, soit elliptique de deux ellipticitées différentes ; comme, du fait de leurs polarisations, seuls trois sur six de ces faisceaux conviennent pour éclairer respectivement les trois valves, les faisceaux dont la polarisation ne convient pas sont éliminés. En général, ces faisceaux sont éliminés par absorption dans les polariseurs. C'est la méthode utilisée dans les écrans à cristal liquide de type nématique. I1 y a donc une perte d'énergie qui est, au minimum, de cinquante pour cent. I,a présente invention a pour but d'éviter ou, pour le moins, de réduire cet inconvénient. Ceci est obtenu, en particulier, en rendant sensiblement identiques les polarisations des faisceaux issus d'un même polariseur et en les déviant de manière qu'ils éclairent deux plages de la valve optique, ces deux plages pouvant être confondues ou juxtaposées selon la forme de la surface de la valve à éclairer. Selon l'invention, il est proposé un dispositif d'éclairage en lumière polarisée comportant des moyens de séparation pour recevoir un faisceau lumineux décomposable selon deux composantes de polarisation orthogonales et le séparer en deux faisceaux secondaires relatifs respectivement aux deux composantes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour agir sur la polarisation, interposés dans l'une au moins des faisceaux secondaires pour rendre au moins sensiblement identiques les polarisations des deux faisceaux secondaires. La présente invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques apparaîtront à l'aide de la description ci-après et des figures s'y rapportant qui représentent - les figures 1, 2, 4 et 5 des dispositifs d'éclairage selon l'invention, - la figure 3 un projecteur d'images équipé de dispositifs d'éclairage selon l'invention. Sur les différentes figures les éléments correspondants sont désignés par les mêmes repères. La figure 1 est une vue schématique en coupe d'un dispositif d'éclairage en lumière polarisée, qui reçoit un faisceau FO de lumière non polarisée aussi appelée lumière naturelle, c'est-à-dire de lumière décomposable en deux composantes de polarisations orthogonales. Le dispositif comporte un séparateur-polariseur, 1, constitué par un miroir semi-réfléchissant à surface polarisante, disposé à 45 degrés par rapport à la direction de propagation du faisceau FO, un miroir ordinaire 2 disposé parallèlement au miroir 1 pour réfléchir la partie F2 du faisceau FO déjà réfléchie par le miroir 1, et une lame demi-onde 3 disposée de manière à être traversée par la lumière du faisceau FO réfléchie successivement par les miroirs 1 et 2. Le faisceau FO de lumière non polarisée a été représenté par deux traits continu et un trait discontinu symbolisant les deux composantes orthogonales de polarisation rectiligne, de même intensité, en lesquelles la lumière de ce faisceau peut être décomposée. Le miroir 1 effectue cette décomposition en donnant les deux faisceaux secondaires de même énergie, F1 et F2, respectivement par transmission et par réflexion. Le faisceau F1, polarisé parallèlement au plan de la figure 1 n'est pas dévié par rapport au faisceau FO. Le faisceau F2, qui est dévié de 90 degrés, dans le sens direct, par le miroir 1, a une polarisation rectiligne orthogonale à celle du faisceau F1 et disposée perpendiculairement au plan de la figure 1.Le miroir 2, en déviant de 90 degrés, dans le sens rétrograde, la direction de propagation du faisceau F2, donne à ce faisceau la même orientation que le faisceau F1. La lame demi-onde 3 est disposée avec ses lignes neutres à 45 degrés par rapport à l'axe de polarisation du faisceau F2 qui la traverse, si bien qu'elle fait tourner de 90 degrés l'axe de polarisation du faisceau et qu'à la sortie de cette lame, le faisceau F2 présente la même direction de propagation et la même polarisation que le faisceau F1 et, de plus, il a aussi sensiblement la même énergie ; sur la figure 1 le faisceau F1 est symbolisé par une ligne continue, tandis que le faisceau F2 est représenté par une ligne discontinue tant que sa polarisation est orthogonale à celle du faisceau F1, puis par une ligne continue après la traversée de la lame 3. Les dimensions et positions des éléments de la figure 1 et les dimensions transversales du faisceau FO sont déterminées pour que le faisceau F2, dans sa partie ou il a les mêmes caractéristiques que le faisceau F1, soit sensiblement accolé à ce dernier et forme donc avec lui un faisceau unique la section droite de ce faisceau unique a une largeur sensiblement égale à la moitié de sa hauteur, ce qui est particulièrement bien adapté au format 16 x 9 de la télévision à haute définition et permet donc d'optimiser, du point de vue énergétique, l'éclairage des écrans à cristaux liquides qui ont ce format. La figure 2 représente, vu en coupe, un dispositif d'éclairage en lumière polarisée du même type que celui de la figure 1. Une source de lumière blanche non polarisé, S, comportant un réflecteur, R, envoie un faisceau de lumière qui converge au foyer F d'une lentille convergente, circulaire, L, pour donner un faisceau de lumière parallèle à la sortie de la lentille L. Ce faisceau arrive perpendiculairement à la face d'accès d'un montage optique, M, dont la section dans la vue de la figure 2 se présente comme un trapèze rectangle ayant une grande base de longueur double de sa petite base ; le volume de ce montage optique est limité par quatre faces perpendiculaires au plan de la figure et deux faces parallèles au plan de la figure. La face correspondant à la petite base du trapèze constitue la face d'accès du montage et la face correspondant à la grande base constitue la face de sortie du montage ; cette face de sortie est libre pour la moitié de sa surface vis-à-vis de la face d'accès et est recouverte par une lame demi-onde 3 pour l'autre moitié de sa surface. La face correspondant au côté oblique du trapèze rectangle forme un miroir réfléchissant, 2. Le montage optique M comporte de plus un miroir semi-réfléchissant > 1, à surface séparatrice polarisante parallèle au plan du miroir 2 ; la trace de ce miroir semi-réfléchissant, dans le plan de la figure 2, forme un parallélogramme avec les traces de la face d'accès, du miroir 2 et de la lame demi-onde 3. La lumière non polarisée qui arrive perpendiculairement à la face d'accès du montage M atteint le miroir semi-réfléchissant 1. Le miroir 1 décompose cette lumière selon ses deux composantes orthogonales, de polarisation rectiligne, de même intensité.Le faisceau secondaire, à composante à polarisation parallèle au plan de la figure 2, n'est pas dévié par le miroir 1 et sort par la face de sortie du montage M, lâ où cette face de sortie est libre par contre le faisceau secondaire à composante à polarisation perpendiculaire au plan de la figure 2, est dévié de 90 degrés dans le sens rétrograde par le miroir 1, puis de 90 degrés, dans le sens direct, par le miroir 2, si bien qu'il sort par la face de sortie du montage M, là où cette face de sortie est recouverte par la lame demi-onde 3. La traversée de cette lame demi-onde fait tourner de 90 degrés l'axe de polarisation du faisceau ; ainsi le faisceau secondaire qui sort de la lame 3 est parallèle à celui qui a traversé le miroir 1 sans être dévié, et ces deux faisceaux, qui sont juxtaposés, ont la même polarisation et sensiblement la même intensité.Il est à noter que, dans le montage de la figure 2, la lumière peut aussi être introduite par la face correspondant au côté du trapèze opposé au côté oblique, ce qui peut permettre, dans certaines applications, de réduire l'encombrement du dispositif ou de prévoir une deuxième source de lumière qui sera mise en fonctionnement, par exemple en cas de panne de la première. La figure 3 représente, en coupe, un projecteur d'images en couleurs, équipé de trois dispositifs d'éclairage en lumière polarisée, du genre de celui selon la figure 2, ce qui permet d'optimiser le rendement en énergie lumineuse de ce projecteur. Le projecteur selon la figure 3 comporte une source de lumière blanche, S, représentée schématiquement par un filament et un réflecteur; cette source fournit un faisceau de rayons parallèles qui éclaire un premier cube dichroïque C1 formé de quatre prismes accolés dont les faces en regard sont traitées pour constituer deux surfaces dichroïques orthogonales, 10 et 11, réfléchissantes respectivement pour les composantes rouge et bleue du faisceau de lumière blanche ; ainsi la composante rouge est déviée de 90 degrés dans le sens direct; la composante bleue de 90 degrés dans le sens rétrograde, et la composante verte traverse le cube C1 sans être déviée ; les trois faisceaux rouge, vert et bleu, qui sortent du cube C1, sont en lumière non polarisée et vont être transformés chacun en un faisceau de lumière polarisée afin d'éclairer respectivement trois valves à cristaux liquide Vr, Vv, Vb disposées de façon classique au voisinage d'un second cube dichroïque C2, qui est en fait un "demi-cube" étant donné que ses dimensions dans le plan de la figure 3 sont le double de celles du cube C1 mais sont identiques perpendiculairement au plan de la figure. Pour réaliser cet éclairage en lumière polarisée trois ensembles Mr-3r, Mv-3v, Mb-3b, constitués chacun par un montage optique et une lame demi-onde semblables à ceux de la figure 2, sont interposés respectivement dans les trajets des faisceaux rouge, vert et bleu. Le trajet du faisceau rouge comporte une première réflexion sur un miroir R1 et une seconde réflexion sur un miroir R2, pour que le faisceau soit dirigé vers la valve Vr ; ltensemble Mr-3r est interposé entre le miroir R2 et la valve Vr. Le faisceau vert, à sa sortie du cube C1, est déjà dirigé vers la valve Vr, l'ensemble Mv-3v est donc directement interposé entre le cube C1 et la valve Vr.Le trajet du faisceau bleu comporte une première réflexion sur un miroir R3 et une seconde réflexion sur un miroir R4, pour que le faisceau soit dirigé vers la valve Vb ; l'ensemble Mb - 3b est interposé entre le miroir R4 et la valve Vb. Le cube C2, comme le cube C1, est constitué de quatre prismes accolés dont les faces en regard sont traitées pour constituer deux surfaces dichroïques orthogonales 20, 21, réfléchissantes respectivement pour le rouge et le bleu ; ce cube assure la combinaison des faisceaux rouge, vert et bleu après qu'ils aient traversé leurs valves respectives Vr, Vv, Vb ; le faisceau résultant, qui sort du cube C2, pénètre dans un objectif de projection, K, avant d'atteindre un écran, non représenté sur la figure 2, où se visualise l'image en couleurs déterminée par les valves à cristaux liquides Vr, Vv, Vb. La figure 4 représente, vu en coupe, un autre dispositif d'éclairage en lumière polarisée où la fonction de séparation des deux composantes de la lumière naturelle est réalisée non plus à l'aide d'une surface séparatrice polarisante comme le miroir 1 de la figure 1, mais par une matériau biréfringent dont l'axe optique est convenablement orienté. Ce dispositif comporte un parallélépipède rectangle, 5, en matériau biréfringent; l'axe optique du matériau biréfringent a été indiqué par une double flèche, A, sur la figure. Un faisceau de lumière naturelle FO rentre dans le parallélépipède 5 par la moitié inférieure de l'une des faces de ce parallélépipède; cette face constitue la face d'entrée du parallélépipède et la face, qui lui est opposée, constitue la face de sortie du parallélépipède.Le matériau biréfringent décompose la lumière naturelle du faisceau FO en donnant deux faisceaux secondaires de même énergie, F1 et F2. Le faisceau F1, correspondant à la composante de polarisation perpendiculaire au plan de la figure 4 représentée en traits continus, n'est pas dévié par le matériau biréfringent employé et sort donc par la moitié inférieure de la face de sortie. Par contre le faisceau F2, qui correspond à la composante de polarisation parallèle au plan de la figure 4 représentée en traits discontinus, est dévié par le matériau biréfringent si bien qu'il sort par la moitié supérieure de la face de sortie en étant à nouveau parallèle aux faisceaux FO et F1 étant donné que les faces d'entrée et de sortie sont parallèles. Contre cette moitié supérieure de la face de sortie est plaquée une lame demi-onde 3 qui fait tourner de 90 degrés l'axe de polarisation du faisceau F2 de telle sorte que, passé la lame 3, le faisceau F2 présente les mêmes caractéristiques de polarisation que le faisceau F1; c'est-à-dire que, là encore, toute énergie du faisceau FO de lumière naturelle est contenu dans un faisceau de lumière polarisée à une seule composante de polarisation. Pour certaines applications il est nécessaire de disposer de lumière polarisée à polarisation circulaire droite ou à polarisation circulaire gauche. La figure 5 montre comment le schéma selon la figure 1 peut être modifié pour obtenir une telle lumière à partir d'un faisceau de lumière naturelle FO. Comme dans le cas du dispositif selon la figure 1 un faisceau FO de lumière naturelle est décomposé par un miroir séparateur-polariseur, 1, en deux faisceaux F1 et F2 et un miroir ordinaire 2 rend le faisceau F2, qui avait été dévié de 90 degrés par le miroir 1, à nouveau parallèle aux faisceaux F0 et F1. Le faisceau F1, lorsqu'il sort du miroir 1 correspond à la composante de polarisation rectiligne parallèle au plan de la figure 5 ; il est alors représenté par un trait continu. Devant ce faisceau est interposé un polariseur rotatoire, constitué par une lame quart-d'onde, 6, de manière à transformer la lumière du faisceau F1 en une lumière à polarisation circulaire droite ; le faisceau F1 est alors représenté en trait d'axe. De même le faisceau F2, lorsqu'il est réfléchi par le miroir 1, présente une polarisation rectiligne perpendiculaire au plan de la figure 5 et garde cette polarisation après s'être réfléchi sur le miroir 2 ; il est représenté en traits discontinus tant qu'il garde cette polarisation. Après le miroir 2 une lame quart-d'onde, 7, est interposée sur le trajet du faisceau F2, de manière à transformer la lumière du faisceau F2 en une lumière à polarisation circulaire droite ; le faisceau F2 est alors représenté en trait d'axe.Il est à noter qu'en faisant tourner de 90 degrés, dans leur plan, les lames quart-d'onde 6 et 7, il est également possible de transformer en polarisation circulaire gauche la polarisation des faisceaux F1 et F2 ; en faisant tourner de valeurs convenables, dans leur plan ces lames 6 et 7 il est également possible d'obtenir toute polarisation elliptique souhaitée. Ainsi le dispositif selon la figure 5 fournit un faisceau de sortie polarisé tout entier selon une seule polarisation circulaire ; ce faisceau, dont l'énergie lumineuse est pratiquement celle du faisceau d'entrée, FO, a une section transversale dont la hauteur est sensiblement le double de la largeur dans le cas de l'exemple décrit où le faisceau d'entrée, FO, est de section transversale circulaire. Pour effectuer la séparation d'un faisceau de lumière naturelle en deux faisceaux de lumière polarisée, les dispositifs selon les figures 1, 2 et 5 utilisent, comme moyens de séparation, une surface polarisante 1 tandis que le dispositif selon la figure 4 utilise un matériau biréfringent. I1 est à noter que cette séparation en deux faisceaux de lumière polarisée peut également être obtenue en combinant ces deux moyens grâce à un montage fait de deux matériaux transparents, dont l'un au moins est biréfringent, et grâce à une interface formant séparateur-polariseur entre ces deux matériaux ; ce type de montage correspondant aux prismes polarisants tels que les prismes de Glan, de Glazebrook, de Nicol, de Thompson... Dans un tel montage la lumière pénètre par l'un des deux matériaux puis atteint l'interface et les déviations de chacune des composantes de polarisation sont les résultats des effets de séparation des séparateurs-polariseurs rencontrés par les faisceaux. La présente invention n'est pas limitée aux exemples décrits ou mentionnés, c'est ainsi, par exemple, que dans le dispositif selon la figure 1 la lame demi-onde 3 peut être disposée entre les miroirs 1 et 2, perpendiculairement au faisceau F2 ; il en est de même, dans le dispositif selon la figure 5, pour la lame quart-d'onde 7. Il est également possible de faire que les deux faisceaux secondaires, qui composent le faisceau de sortie du dispositif d'éclairage, éclairent non pas deux surfaces juxtaposées, comme dans les exemples décrits, mais une même surface ; pour cela il suffit de faire converger les deux faisceaux secondaires vers cette même surface par des miroirs convenablement disposés. L'invention concerne tout dispositif dans lequel, pour l'obtention d'un faisceau de lumière polarisée selon un seul type de polarisation, un faisceau de lumière naturelle est séparé en deux faisceaux secondaires relatifs respectivement à deux composantes de polarisation complémentaires et dans lequel des moyens sont mis en oeuvre pour modifier la polarisation de l'un au moins de ces deux faisceaux secondaires afin d'obtenir la même caractéristique de polarisation des deux faisceaux secondaires. L'invention trouve, en particulier, son utilisation dans les matériels de visualisation d'image, tels que la visualisation collimatée à cristal liquide, les projecteurs d'image, la télévision haute définition et tous les matériels de visualisation à vision directe pour lesquels la valve optique, monochrome ou non, serait, par exemple dans le cas du dispositif selon la figure 2, placée sur la face de sortie du dispositif et observée directement, c'est-à-dire sans optique de projection. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'éclairage en lumière polarisée comportant des moyens de séparation (1) pour recevoir un faisceau lumineux décomposable selon deux composantes de polarisation orthogonales et le séparer en deux faisceaux secondaires (F1, F2) relatifs respectivement aux deux composantes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour agir sur la polarisation (3 ; 6, 7), interposés dans l'une au moins des faisceaux secondaires pour rendre au moins sensiblement identiques les polarisations des deux faisceaux secondaires. 2. Dispositif d'éclairage selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour agir sur la polarisation sont constitués par une lame demi-onde (3) disposée dans l'un des faisceaux secondaires (F1, F2). 3. Dispositif d'éclairage selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour agir sur la polarisation sont constitués par deux lames quart-d'onde (6, 7) disposées respectivement dans les deux faisceaux secondaires (F1, F2). 4. Dispositif d'éclairage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de déviation (2) pour rendre les deux faisceaux secondaires (F1, F2) parallèles quand leurs polarisations sont rendues au moins sensiblement identiques. 5. Matériel de visualisation comportant n valves où n est un entier positif, à éclairage polarisé (Vr, Vv, Vb), caractérisé en ce qu'il comporte n dispositifs d'éclairage selon l'une au moins des revendications précédentes, respectivement associés aux n valves pour les éclairer.