Brevet FR2685101A1 — publié le 19930618

DISPOSITIF DE COLLIMATION DE FAIBLE ENCOMBREMENT A GRAND CHAMP ET LUMINOSflE ELEVEE La présente invention se rapporte à un dispositif de collimation de faible encombrement à grand champ et luminosité élevée. Un premier type de dispositif de collimation connu comporte une optique de collimation telle que décrite dans le brevet US 3 432 219. Cette optique comporte essentiellement un miroir sphérique semi-réfléchissant, une lame semiréfléchissante et un objectif à lentilles. Cet objectif forme à partir d'un objet proche (par exemple un tube cathodique) une image virtuelle sur la sphère focale du miroir sphérique et la lame semi-réfléchissante mélange les rayons issus de l'objectif aux images extérieures passant par le miroir sphérique. Ce visuel connu présente des coefficients de transmission acceptables (12,5 % maximum pour la transmission objet/oeil et 25 % maximum pour la transmission images extérieures/oeil), mais son champ vertical et limité par l'interaction entre la lame semi-réfléchissante et le miroir sphérique.Ce champ est au maximum d'environ 45" dans le sens vertical et d'environ 60 dans le sens horizontal. On connaît un second type d'optique de collimation d'après le brevet US 3 443 858. Cette optique connue comporte essentiellement un dispositif mélangeur, par exemple une lame semi-réfléchissante mélangeant des images virtuelles d'un objet proche à des images extérieures lointaines, cette lame étant suivie d'un polariseur, d'un miroir sphérique semi-réfléchissant et d'un "sandwich" de quatre lames, respectivement une lame quart d'onde, une lame semiréfléchissante, une autre lame quart d'onde, et un polariseur.Ce dispositif optique connu est compact, présente un champ visuel relativement élevé (au maximum d'environ 100" en vertical et 1200 en horizontal), mais son rendement lumineux est très faible : le coefficient de transmission image collimatée d'objet proche/oeil est de 1,56 % au maximum et le coefficient de transmission scène extérieure/oeil est de 6,25 % au maximum). La présente invention a pour objet un dispositif optique de collimation, pouvant également être utilisé en tant que visuel de casque, dispositif qui présente un rendement lumineux pouvant être au moins du même ordre de grandeur que celui du premier type précité et qui présente un champ visuel pouvant être au moins du même ordre de grandeur que celui du second type précité. Le dispositif optique de collimation conforme à l'invention comporte un polariseur rotatif à sélection de composante de polarisation circulaire suivi d'un miroir sphérique semi-réfléchissant et d'un miroir sélectif à sélection de polarisation circulaire. Le dispositif optique de l'invention, utilisé en tant que visuel mélangeur, comporte un mélangeur disposé en amont du miroir sphérique. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée de deux modes de réalisation, pris à titre d'exemples non limitatifs et illustrés par le dessin annexé, sur lequel: - la figure 1 est un schéma simplifié expliquant le fonctionnement d'un filtre à cristaux liquides cholestériques; - les figures 2 et 3 sont des diagrammes de caractéristiques de transmission et de réflexion, pour des filtres à cristaux liquides cholestériques, respectivement à une seule couche, et à cinq couches; - la figure 4 est un schéma simplifié d'un dispositif optique de collimation conforme à l'invention ; et - la figure 5 est un schéma simplifié d'une variante à mélangeur du dispositif de la figure 4, conforme à l'invention. L'invention est expliquée ci-dessous en référence à un visuel de casque, mais il est bien entendu qu'elle n'est pas limitée à une telle application, et peut être mise en oeuvre dans tout dispositif de collimation avec ou sans mélange des images issues d'une source disposée à distance finie à des images que l'on peut considérer comme étant à l'infini. La présente invention fait appel, pour réaliser un miroir sélectif à sélection de sens de polarisation circulaire, et, de préférence pour réaliser un polariseur rotatif, à des films de cristaux liquides cholestériques. Leur propriété essentielle, mise en oeuvre par la présente invention, est de réfléchir, dans une bande de fréquences donnée, pratiquement en totalité la composante de polarisation circulaire d'un sens donné, par exemple le sens droit, de la lumière incidente, et de transmettre pratiquement intégralement sa composante circulaire de sens opposé, ici le sens gauche. Les propriétés de tels cristaux liquides sont par exemple décrites dans les trois articles suivants : "Novel polarized liquid - crystal color projection and new TN-LCD operating modes" par M. SCHADT et J.FÜNFSCHILLING dans la revue SID 90 DIGEST, pages 324 à 326, dans "Polarizing color filters made from cholesteric LC silicones" de R. MAURER, D. ANDREJEWSKI, F-H. FREUZER et A. MILLER dans SID 90 DIGEST, pages 110 à 113 et dans l'article "Right and left circular polarizing color filters made from croslinkable cholesteric LC-silicones" de N. HAEBERLE, H. LEIGEBER, R. MAURER, A. MILLER, J. STOHRER, R. BUCHECKER, J. FUNFSCHILLING et M. SCHADT, pages 57 à 59, dans la revue IDRC 91. On a représenté sur le diagramme de la figure 2, le cas général où l'on envoie un faisceau 1 de lumière naturelle sur une lame 2 recouverte d'une couche de cristaux liquides cholestériques. On peut utiliser soit des cristaux sous forme liquide habituelle, soit de préférence des cristaux liquides polymérisés ou "cristaux liquides siliconés" tels que décrits dans les deux derniers articles précités. Ces cristaux liquides polymérisés présentant l'avantage d'être sous forme de films faciles à déposer sur un support (par exemple une lame de verre), de pouvoir être déposés en structure multicouches et de résister à des températures plus élevées (environ 140 C) que les cristaux liquides classiques.Dans le cas illustré sur la figure 1, les cristaux liquides utilisés sont du type à hélice "à droite", et donc, ainsi qu'expliqué dans les articles précités, le filtre constitué par cette couche de cristaux liquides transmet, dans une bande de longueurs d'onde donnée (d'une largeur d'environ 50 nanomètres) la lumière 3 de sens de polarisation circulaire inverse du sens de hélice des cristaux liquides (dans le cas présent, la lumière à polarisation circulaire gauche) et réfléchit la lumière 4 ayant une polarisation circulaire de même sens que le sens de l'hélice (dans le cas présent, la lumière à polarisation circulaire droite). En-dehors de cette bande de longueurs d'onde, la lumière incidente est entièrement transmise. Suivant la composition de ces cristaux liquides, on peut inverser le sens de l'hélice et faire varier la position de la bande de longueurs d'onde de réflexion dans une très large gamme de longueurs d'onde (actuellement de moins de 400 nm au lointain infrarouge), comme expliqué dans les articles précités. On a représenté sur le diagramme de la figure 2 la courbe de transmission T en trait continu et la courbe de réflexion R en trait interrompu, en fonction de la longueur d'onde. Dans une bande B de longueurs d'onde, d'une largeur d'environ 50 nm, et centrée sur la longueur d'onde L, il y a pratiquement autant de lumière réfléchie (4) que de lumière transmise (3), du fait que la lumière incidente (1) ainsi décomposée comporte la même quantité de composante à polarisation circulaire gauche et de composante à polarisation circulaire droite. En dehors de la bande B, la transmission est de pratiquement 100%. Une telle utilisation n'est généralement intéressante que si la lumière incidente est monochromatique, ou si l'on a besoin de réaliser une fonction passebande. Pour couvrir la bande de longueurs d'ondes du domaine visible, il faut utiliser au moins trois couches de cristaux liquides cholestériques. Dans le cas simplifié de trois couches, leurs bandes respectives B sont par exemple situées dans le rouge, le vert et le bleu. De préférence, on utilise au moins cinq couches, comme indiqué dans le deuxième article précité, et comme on le voit sur la figure 3. Sur cette figure 3, la courbe de transmission R1, relative au faisceau 3, montre que le filtre 2 transmet un peu plus de 50% de la lumière incidente dans une bande B1 s'étendant de 420 à 680 nm environ, et qu'il réfléchit pratiquement autant de lumière dans cette bande (courbe R1). On a représenté en figure 4 un mode de réalisation simplifié du collimateur conforme à l'invention. Ce collimateur est destiné à former sensiblement à l'infini l'image d'un objet 5, qui se trouve à faible distance (quelques centimètres à quelques dizaines de centimètres par exemple) d'un observateur, symbolisé en 6 par un oeil. L'objet 5 est par exemple un écran de tube cathodique, un projecteur de diapositives ou de films cinématographiques, ou une optique de reprise disposée à une extrémité d'une fibre optique dont l'autre extrémité est fixée devant un générateur d'images éloigné. Si nécessaire, on place devant l'objet 5 un objectif de grandissement 7. Entre l'objet 5 (ou l'objectif 7, s'il existe) et l'observateur 6, on dispose respectivement un polariseur rotatif 8, un miroir sphérique semi-transparent 9 et un miroir sélectif 10. Dans l'exemple représenté sur la figure 4, l'objet 5 se trouve en face de l'observateur 6, et les éléments 7 à 10 sont disposés sur le même axe optique 11 joignant l'oeil de l'observateur au centre de l'objet 5. Cependant il est possible de disposer l'objet hors du champ visuel normal de l'observateur (c'est-àdire lorsqu'il regarde droit devant lui sans bouger la tête), comme on le décrit cidessous en référence à la figure 5. Le rôle du polariseur 8 est de ne laisser passer, dans une bande de longueurs d'onde, qu'une composante de polarisation circulaire d'un premier sens (par exemple droit dans le cas représenté en figure 4), et le rôle du miroir sélectif 10 est de ne laisser passer, dans la même bande de longueurs d'onde, que la composante de polarisation circulaire d'un second sens inverse du premier (sens gauche pour la figure 4) et de réfléchir la composante du premier sens (sens droit). Le polariseur 8 est soit un polariseur linéaire classique accolé à une lame quart d'onde, soit une lame à cristaux liquides cholestériques de préférence siliconés, du type cité ci-dessus. Le miroir 10 est une lame à cristaux liquides cholestériques, de préférence siliconés. On a référencé 12, 13 les rayons extrêmes d'un faisceau F1 de lumière produit par l'objet 5 dans l'axe 11, et on suppose que le faisceau F1 a une longueur d'onde comprise dans la bande B des éléments 8 et 10. A la sortie du polariseur 8, dans la bande de longueurs d'onde considérée, seule subsiste la composante de polarisation circulaire droite de ce faisceau (faisceau F2). On a respectivement les rayons extrêmes 14, 15. Ce faisceau F2 traverse le miroir sphérique 9. A la sortie du miroir 9, le faisceau (rayons extrêmes 16, 17 respectivement) est toujours à polarisation circulaire droite, et se réfléchit donc sur le miroir 10 (qui ne laisse passer, dans la bande de longueurs d'ondes considérée, que la lumière à polarisation circulaire gauche).Le faisceau ainsi réfléchi (rayons 16, 17 respectivement, est encore à polarisation circulaire droite. I1 se réfléchit une seconde fois sur le miroir sphérique 9 à revêtement métallique en changeant de sens de polarisation circulaire, qui devient gauche. Le faisceau réfléchi par le miroir 9 (rayons extrêmes 18, 19 parallèles à l'axe 11) est collimaté du fait que le miroir 9 est sphérique, et il est à polarisation circulaire gauche. I1 traverse donc le miroir 10, et l'observateur, même placé très près du miroir 10, aura toujours l'impression d'observer une image à l'infini de l'objet 5. Le rendement lumineux de ce collimateur est estimé ainsi (valeurs approchées dans la bande B, dépendant des caractéristiques des cristaux liquides utilisés) : si on a 100 % de la lumière arrivant sur le polariseur 8, on a 50 % après sa traversée, 25 % après la traversée du miroir 9, 12,5 % après réflexion sur la face concave du miroir 9, et également 12,5 % après traversée du miroir 10 (puisqu'il s'agit de la même composante 18, à polarisation circulaire gauche, avant et après le miroir 10, qui est pratiquement intégralement transmise). Le rendement maximal de ce collimateur est donc de 12,5 %. On a représenté en figure 5 une variante du dispositif de la figure 4. Sur cette figure, les mêmes éléments que ceux de la figure 4 sont affectés des mêmes références numériques. Cette variante se distingue essentiellement par le fait qu'elle permet de mélanger aux images de l'objet proche des images provenant d'une autre source S n'ayant pas besoin d'être collimatée, par exemple des scènes extérieures. L'objet 5 est disposé hors du champ de vision normal de l'observateur placé en 6 (c'est-à-dire le champ de vision qu'il a lorsqu'il regarde droit devant lui sans bouger la tête), et on lui adjoint une optique de grandissement 7. Les éléments 9 et 10 sont les mêmes qu'en figure 4 et disposés de la même façon. On dispose sur l'axe 11, en amont du miroir 9, un mélangeur 20, qui est ici une lame de verre, incIinée à 45" par rapport à l'axe 11, et qui comporte un revêtement à cristaux liquides cholestériques du type décrit ci-dessus et ayant les mêmes propriétés que celles du revêtement du miroir 10. Dans le cas illustré en figure 5, les cristaux liquides sont à hélice "à droite", et donc laissent passer, dans une bande de longueurs d'onde caractéristique, la lumière à polarisation circulaire gauche, en réfléchissant celle à polarisation circulaire droite. Bien entendu, comme exposé ci-dessus, cette bande de longueurs d'onde caractéristique peut être assez étroite (environ 50 nm comme en figure 2) ou couvrir le spectre visible (comme en figure 3). Dans la lumière issue de l'objet 5 (pour simplifier le dessin, on n'a représenté qu'un seul rayon issu de chaque source), dirigée vers le mélangeur 20, la composante 21 à polarisation circulaire gauche est pratiquement transmise en totalité (sans être réfléchie), alors que la composante à polarisation circulaire droite est pratiquement totalement réfléchie en direction du miroir 9. Comme décrit ci dessus en référence à la figure 4, cette composante 22 traverse le miroir 9 en direction de l'observateur, se réfléchit sur le miroir 10, puis se réfléchit sur le miroir 9 qui la collimate un direction de l'observateur 6. A partir d'un rayon lumineux 24 issu de l'autre source S, la composante 25 à polarisation circulaire droite est pratiquement entièrement réfléchie par le mélangeur 20, tandis que la composante 26 à polarisation circulaire gauche est pratiquement entièrement transmise, traverse le miroir 9 et le miroir 10 pour arriver sans déviation à l'observateur 6. Pour ce qui est des rayons lumineux produits par la source 5, le rendement lumineux maximal est, comme dans le cas de la figure 4, de 12,5 %, puisque le mélangeur 20 réfléchit environ la moitié de l'énergie lumineuse provenant de la source 5 (rayon réfléchi 22). Le rendement lumineux vis-à-vis de la source S est estimé ainsi: (valeurs approximatives): on a 50 % après la traversée du mélangeur 20, 25 % après traversée du miroir 9, et également 25 % après traversée du miroir 10 (il s'agit de la même composante avant et après traversée du miroir 10). Ce rendement lumineux est donc d'environ 25 %.I1 peut même être supérieur à cette valeur pour une lumière incidente à large spectre, si les dispositifs 20 et 10 ne comportent par exemple que trois couches de cristaux liquides cholestériques dont les bandes B de réflexion sont situées dans le rouge, le vert et le bleu respectivement, les longueurs d'ondes intermédiaires étant alors transmises sans atténuation. Le champ visuel maximal des dispositifs des figures 4 et 5 est d'environ 100" dans le sens vertical et d'environ 1200 dans le sens horizontal. REVENDICATIONS 1. Dispositif optique de collimation de faible encombrement, à grand champ et luminosité élevée, caractérisé par le fait qu'il comporte un polariseur rotatif (8, 20) à sélection de composante de polarisation circulaire suivi d'un miroir sphérique semi-réfléchissant (9) et d'un miroir sélectif à sélection de polarisation circulaire (10) 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le polariseur rotatif comporte un polariseur linéaire associé à une lame quart d'onde. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le polariseur rotatif et le miroir sélectif comportent chacun au moins une couche de cristaux liquides cholestériques. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le polariseur rotatif (20) est utilisé en mélangeur et que ses cristaux liquides cholestériques sont à hélice de même sens que celui de l'hélice des cristaux liquides du miroir sélectif. 5. Dispositif selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé par le fait que les couches de cristaux liquides sont des films de cristaux liquides cholestériques siliconés. 6. Utilisation du dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, pour un visuel de casque.