Brevet FR2670024A1 — publié le 19920605

La présente invention concerne un dispositif de production de lumière polarisée linéairement. L'invention s'applique particulièrement à la projection d'images ou de graphismes formés sur des écrans plats comportant au moins un polariseur. Les sources de lumière polarisées actuellement connues comporte une source de lumière à laquelle est ajouté un polariseur qui diminue l'intensité lumineuse d'au moins la moitiè. Leur rendement est donc très faible. Au contraire le dispositif objet de la présente invention possède un rendement supérieur à 80 %. Pour ce faire, l'invention propose un dispositif de production de lumière polarisée comportant une source de lumière et un miroir convergent fournissant ensemble des rayons lumineux parallèlement à un axe optique caractérisé en ce qu' il comporte successivement sur l'axe optique une lame quard d'onde, et au moins un moyen de séparation de polarisation possédant un coefficient de réflexion variable en fonction de l'axe de polarisation linéaire des rayons lumineux qui l'atteignent de telle manière qu'ils séparent les rayons lumineux qui l'atteignent en au moins deux groupes, les rayons de l'un des groupes étant réfléchit vers le ou les moyens de séparation de polarisation par un miroir. Ce groupe de rayons réfléchit par le miroir retourne donc en sens inverse jusqu'au miroir convergent, s'y réfléchit en changeant de sens de rotation de sa polarisation circulaire et rejoint alors les rayons lumineux constituant le ou les autres groupes. La description qui va suivre, faite en regard du dessin annexé dans un but explicatif et nullement limitatif permet de mieux comprendre les avantages, buts et caractéristiques de l'invention. Dans un but de clarté, le ou les moyens de séparation de polarisation sont représentés comme des miroirs polarisants, étant entendu que si ce type de moyen de séparation de polarisation est préférentiel, d'autres types peuvent être utilisés. La figure 1 représente un premier mode de réalisation d'une source de lumière polarisée selon l'invention. La figure 2 représente l'intégration du premier mode de réalisation du dispositif tel que présenté dans la figure 1 insérer dans un projecteur d'écran à cristaux liquides. La figure 3 représente un second mode de réalisation d'une source de lumière polarisée selon l'invention. La figure 4 représente l'intégration du second mode de réalisation du dispositif tel que présenté dans la figure 2 insérer dans un projecteur d'écran à cristaux liquides. La figure 5 représente un troisième mode de réalisation du dispositif adapté à un projecteur d'écrans à cristaux liquides fonctionnant en couleur. La figure 6 représente une variante du mode de réalisation du dispositif présenté en regard de la figure 5. Dans la figure i sont représentés, sur un axe optique A, un miroir convergent 1, une source de lumière 2, une lame quard d'onde 3, un moyen de séparation de polarisation 4 et un miroir 5. Le miroir 5 est perpendiculaire à l'axe optique A et le moyen de séparation de polarisation 4 est incliné par rapport à cet axe A. Les rayons lumineux sont représentés sous forme de flèches, dotées d'un plus pour les rayons polarisés circulairement et tournant dans un sens et d'un moins pour les rayons polarisés circulairement tournant en sens opposé, les flèches verticales représentent des rayons lumineux se dépla çant parallèlement à l'axe optique A et polarisés linéairement dans le plan de la figure et les flèches vues de face représentent des rayons lumineux se déplaçant parallèlement à ltaxe optique A et polarisés linéairement perpendiculairement au plan de la figure. Le miroir convergent 1 et la source de lumière 2 sont de types connus, notamment dans les projecteurs de diapositives et les vidéo-projecteurs. La lame quard d'onde 3 a pour propriété de transformer les rayons polarisés linéairement en rayons polarisés circulairement et réciproquement. Par exemple, la lame quard d'onde 3 peut être constituée de matériaux biréfringents, par exemple des cristaux liquides, ou de mica. Le moyen de séparation de polarisation 4 a pour propriété de réfléchir de manière sélective les rayons lumineux en fonction de leur polarisation linéaire. Les rayons lumineux dont l'axe de polarisation linéaire est dans le plan d'incidence sont réfléchit avec un coefficient de réflexion plus faible que les rayons dont l'axe de polarisation est perpendiculaire au plan d'incidence. Un tel moyen de séparation de polarisation 4 peut notamment être constitué d'un traitement multicouche à interférences constructives utilisé sous l'incidence de Brewster ou de lames successives de matériaux utilisés sous l'incidence de Brewster, ou en matériaux biréfringents, ou encore d'une seule lame à faces parallèles ou de prismes séparateurs ou d'un seul prisme utilisé sous l'incidence de Rester. D'autres formes de miroir séparateur de polarisation connues peuvent aussi être utilisés pour réaliser le moyen de séparation de polarisation 4. En particulier à cristaux liquides cholestériques. Enfin, le miroir 5 est plan et quelconque. Les rayons lumineux issus de la source de lumière 2, éventuellement réfléchit sur le miroir 1, et se propageant vers la lame quard d'onde 3 peuvent se décomposer chacun en deux rayons lumineux polarisés circulairement tournant en sens opposés. Ces rayons se transforment, en traversant la lame quard d'onde 3 en rayons polarisés linéairement, les axes de polarisation étant perpendiculaires. Les rayons dont l'axe de polarisation est perpendiculaire au plan d'incidence sur le moyen de séparation de polarisation 4 sont reflétés par ce moyen de séparation de polarisation 4. Les rayons dont l'axe de polarisation est dans le plan dtincidence sont transmis par le moyen de séparation de polarisation 4, puis se reflètent dans le miroir 5, sont transmis en sens inverse par le moyen de séparation de polarisation 4. Ces rayons se transforment en rayons pola risés circulairement en traversant un seconde fois la lame quard d'onde 3. Par réflexion sur le miroir convergent 1, le sens de rotation de leur polarisation circulaire est Inverse. En passant une troisième fois dans la lame quard d'onde 3, ils se transforment en rayons polarisés linéairement dont l'axe de polarisation est perpendiculaire au plan d'incidence sur le moyen de séparation de polarisation 4. Ces derniers rayons se reflètent donc sur le moyen de séparation de pola irisation 4. Le groupe des rayons issus de la source de lumi- ère 2 et du miroir convergent d dont l'axe de polarisation était initialement parallèle au plan d'incidence sur le moyen de séparation de polarisation 4 et rejoint donc le groupe des rayons dont l'axe de polarisation était perpendiculaire au plan d'incidence avec une polarisation parallèle au plan d'incidence.Tous les rayons reflétés par le moyen d stpa- ration de polarisation 4 sont donc polarisés parallèlement. L'implantation du dispositif présenté dans la figure 4. dans un projecteur d'écran plat est présenté dans la figure 2. Dans cette figure 2, on retrouve les éléments présentés dans la figure i auxquels s'ajoutent, sur un axe optique Ai, réfléxion de l'axe optique A sur le moyen de séparation de polarisation 4, un écran plat 6 et un objectif 10. L'écran plat 6 est commandé par un circuit électronique 9. L'écran plat 6 est tel qu'il agit sur la polarisation linéaire des rayons le traversant. Il comporte, en sortIe, un analyseur. De cette manière, l'image affichée sur l'écran plat 6 par le circuit électronique 9 est projetée à travers l'objectif 0. Dans la figure 3 est représenté un second mode de réali- sation d'une source de lumière polarisée selon l'invention. On retrouve dans la figure 3 les éléments de la figure i, mais le miroir 5 se trouve sur l'axe optique Ai, réflexion par le moyen de séparation de polarisation 4 de l'axe optique A. Le fonctionnement de la source de lumière polarisée selon ce deuxième mode de réalisdtion est identique à celui présenté en regard de la figure 1. Cependant, le moyen de séparation de polarisation 4 doit ici être plus performant que dans le mode de réalisation présenté en regard de la figure 1. L'implantation du dispositif présenté dans la figure 3 dans un projecteur d'écran plat est présenté dans la figure 4. Dans cette figure 4, on retrouve les éléments présentés dans la figure 3 auxquels s'ajoutent, sur l'axe optique A, une lame quard d'onde 7 et un écran plat 8 agissant sur la lumière polarisée circulairement et l'objectif 10. L'écran plat 8 est commandé par le circuit électronique 9. L'écran plat 8 est tel qu'il agit sur la polarisation des rayons le traversant. Il comporte, en sortie, un analyseur de polarisation circulaire. Il peut notamment comporter une cellule à cristaux liquides cholestérique. Le fonctionnement du dispositif représenté dans la figure 4 est identique à celui du dispositif représenté dans la figure 2. Dans la figure 5 est représenté un troisième mode de réalisation du dispositif objet de la présente invention. On retrouve dans la figure 5 et sur un axe optique A, un miroir convergent 1, une source de lumière 2, une lame quard d'onde 3, trois moyens de séparation de polarisation dichroïques 40, 41 et 42 et un miroir 5. Sur les axes optiques Al, A2 et A3, respectivement réflexion de l'axe optique A sur les moyens de séparation de polarisation dichroïques 40, 41 et 42, se trouvent des écrans plats 60, 61 et 62 et des miroirs dichroïques 43, 44 et 45 inclinés à 45 degrés. Enfin, sur l'axe optique A4, réflexion des axes optiques Al, A2 et A3 sur les miroirs dichroïques 43, 44 et 45 se trouve un objectif 10. Les écrans plats 60, 61 et 62 sont commandés par un circuit électronique 9. Les rayons lumineux sont représentés de la même manière que précédemment mais avec une lettre R, V ou B pour représenté leur longueur d'onde et leur couleur, respectivement Rouge, Verte ou Bleu. Les moyens de séparation de polarisation dichroïques 40, 41 et 42 ont pour caractéristiques de ne réfléchir que les rayons lumineux polarisés dans une bande spectrale de faible largeur. Les miroirs dichroïques 43, 44 et 45 ont respectivement les mêmes bandes spectrales de réflexions que les moyens de séparation dichroïques 40, 41 et 42. Les rayons lumineux reflétés par ces miroirs 40, 41 et 42 sont donc colorés. Les écrans plats 60, 61 et 62 sont de même type que l'écrans plat 6 présenté précédemment. Le circuit électronique 9 est adapté à afficher les composantes rouge, verte et bleue d'images animées sur les écrans plats 60, 61 et 62. Le dispositif représenté dans la figure 5 permet donc de réaliser des projections d'images animées. Il est à noter que les miroirs dichroïques 43, 44 et 45 peuvent être identiques respectivement aux moyens de séparation de polarisation 40, 41 et 42 de telle maire qu'ils ne reflètent que les rayons possédant un axe de polarisation prédéterminé. De cette manière, les écrans plats 60, 61 et 62 ne comportent pas de polariseurs, ni en entrée, ni en sortie. Si on se réfère à la figure 6, on voit une variante du mode de réalisation présenté dans la figure 5. On retrouve dans la figure 6 les éléments présentés en regard de la figure 5, auxquels s'azote un second miroir 5 placé perpendiculairement aux axes optiques A2, 53 et A4. Selon cette variante, les écrans plats 60, G1 et 62 ne possèdent pas de polariseurs, ni en entrée, ni en sortie. Les miroirs dichroïques 43, 44 et 45 sont polarisants, c'est à dire qutils ne reflètent que les rayons polarisés selon un axe perpendiculaire au plan d'Incidence. Les rayons lumineux sortant des écrans plats 60, 61 et 62 sont donc reflétés en fonction du pouvoir rotatoire qui les a affecté pendant la traversée de ces écrans plats. Les rayons non réfléchis par les miroirs dichroïques 43, 44 et 45 sot réfléchis vers la source de lumière 2 de la meme manière que ceux qui ne sont pas réfléchis par les moyens de séparation de polarisation dichroïques 40, 41 et 42. Les combinaisons des dispositifs présentés dans les figu- res t à 6 pour réaliser un dispositif ayant la même fonction sont conformes à l'esprit de l'invention. Dans un but de clarté, toutes ces combinaisons ne sont pas représentées ici. En particuliers, le dispositif présentés en regard de la la figure 1 peut s'incorporer dans un projecteur d'écran plat 8 agissant sur la polarisation circulaire de la même manière que le dispositif présenté en regard de la figure 3 mais la lame quard d'onde 7 et l'écran plat uO sont alors sur l'axe optique Ai. Le dispositif présenté en regard de la figure 3 peut s'incorporer dans un projecteur d'écran plat agissant sur la polarisation linéaire de la même manière que le dispositif présenté en regard de la figure i mais l'écran plat @ est alors sur l'axe optique A. Enfin le dispositif présenté en regard de la figure 5 peut servir à projeter des images formées sur des écrans plats 9 agissant sur la polarisation circulaire de la lumière, en les faisant précéder optiquement de lames quard d'onde 7. De même la position du miroir 5 sur l'axe optique A peut être modifiée de la même manière que dans le dispositif pré- enté en regard de la figure 3, c'est à dire que ce miroir peut être placé sur l'un des axes optiques Ai, A2 ou A3 et plusieurs miroirs 5 peuvent être utilisés de cette manière. Enfin, la lame quard d'onde 3 représentée en regard des figures 1, 2, 3 ou 4 peut être constituée d'une cellule contenant un cristal liquide nématique en hélice. REVENDICATIONS 1) Dispositif de production de lumière polarisée comportant une source de lumière (2) et un miroir convergent (1) fournissant ensemble des rayons lumineux parallèlement à un axe optique (A) caractérisé en ce qu il comporte suceessivement sur l'axe optique (A) une lame quard d'onde (3), et au moins un moyen de séparation de polarisation (4,40,41,42) possédant un coefficient de réflexion variable en fonction de l'axe de polarisation linéaire des rayons lumineux qui I l'atteignent de telle manière qu'ils séparent les rayons lumineux qui l'atteignent en au moins deux groupes, les rayons de l'un des groupes étant réfléchit vers le ou les moyens de separatlon de polarisation (4,40,41,42) par un miroire (5). 2) Dispositif selon la revendications 1 caractérisé en ce que le ou les moyens de séparation de polarisation (4,40,41,42) est ou sont constitués d'au moins une lame de matériau utilisé sous l'angle d'incidence de Brewster. 3) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la lame quard d'onde (3) est constituée d'une cellule à cristaux liquides. 4) Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que le cristal liquide contenu dans la cellule est nématique e hélice. 5) Dispositif selon l'une quelconque des revendi cations précédentes caractérisé en ce qu'il ne possède qu'un unique moyen de séparation de polarisation (4), en ce que celui-ci est incliné par rapport à l'axe optique (A) et en c que le miroir 5 est perpendiculaire à l'aze optique (A) 6) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce qu'il ne possède qu'un unique moyen de séparation de polarisation (4), en e que celui'-ci est incli- né par rapport à l'axe optique (Al) et n ce que le miroir est perpendiculaire à un axe optique (Al), réflexion par le moyen de séparation de polarisation (4) de l'axe optique (A) 7) Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4 caractéri sé en ce qu'il comporte au moins deux moyens de séparation de polarisation dichroïques (40,41,42). 8) Dispositif selon la revendication 7 caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux miroirs dichroïque (43,44,45) adaptés à combiner les rayons issus des moyens de séparation de polarisation dichroïques (40,41,42). 9) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte au moins un écran plat (6,8,60,61,62) agissant sur la polarisation de la lumière et placés chacun sur l'axes optiques (A) ou sur les axes optiques (A1,A2,A3) réalisés chacun par réflexion de l'axe optique (A) sur un moyen de séparation de polarisation (4,40,41,42). 10) Dispositif selon la revendication 9 caractérisé en ce qu'il comporte au moins un objectif (10) et un système de commande du ou des écrans plats en fonction d'un signal représentatif d'une image animée de telle manière qu'est réalisé une projection d'images animées.