Brevet FR2685100A1 — publié le 19930618

_ A SEPARATEUR DE POLARISATIONS OPTIQUE ET APPLICATION A UN SYSTEME DE VISUALISATION L'invention concerne un séparateur de polarisations optique et son application à un système de visualisation. Plus particulièrement, l'invention concerne un composant optique de faible épaisseur et de grande dimension dont la fonction est de polariser une onde Incidence Issue d'une source de lumière cohérente ou incohérente (lampe halogène, lampe à arc par exemple,) Le composant obtenu s'intègre tout particulièrement dans une configuration optique de système de projection vidéo et l'invention concerne donc également un système de visualisation notamment à cristal liquide. Un miroir de Bragg relu selon les conditions de la figure 1 constitue un polariseur pour l'onde incidente: l'angle de Bragg 9 ' = 450 à la longueur d'onde X étant également l'incidence de Brewster de l'interface N; N + A n L'onde réfléchie par ce composant est polarisée perpendiculairement, alors que l'onde transmise est située dans le plan d'incidence. Dans sa forme classique, le composant est constitué de deux prismes à 45 d'indice N accolés au composant holographique enregistré par des moyens annexes sur un matériau à variation d'indice photoinduite Ce "prisme séparateur de polarisation" réalise une fonction optique importante dans un projecteur vidéo intégrant des matrices actives à cristal liquide Des architectures optiques originales exploitant les propriétés de polarisation et de diffraction sélective en longueur d'onde de ces composants ont fait l'objet de la Demande de Brevet français n O 90 14620 Dans certaines configurations optiques le cube séparateur de polarisation peut être de dimension équivalente à l'écran LCD ( 10 x 10 cm 2 typiquement) ce qui conduit à la réalisation d'un composant en verre ou plastique de grande dimension, donc lourd et encombrant. L'invention permet de réaliser un séparateur de polarisations de faible épaisseur donc peu lourd et peu encombrant. L'invention concerne donc un séparateur de polarisations, caractérisé en ce qu'il comprend un miroir de Bragg enserré entre deux lames dont les faces opposées au miroir de Bragg ont une forme d'échelette. L'invention concerne également un système de visualisation appliquant le séparateur, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un dispositif de visualisation électrooptique commandable modifiant l'état polarisation du faisceau de sortie, selon son état de commande, le séparateur recevant de la lumière polarisée, retransmettant la lumière d'une polarisation sur une partie du dispositif de visualisation et réfléchissant la lumière d'une autre polarisation sur une autre partie du dispositif de visualisation. Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre et dans les figures annexées qui représentent: la figure 1, un séparateur de polarisations connu dans la technique et décrit précédemment; la figure 2, un exemple de réalisation d'un séparateur de polarisations selon l'invention; la figure 3, un exemple de réalisation d'un dispositif de visualisation selon l'invention; les figures 4 à 7, une variante de réalisation du dispositif de visualisation selon l'invention. En se reportant à la figure 2, on va tout d'abord décrire un exemple de réalisation d'un séparateur de polarisations selon l'invention. Ce séparateur de polarisations comporte deux réseaux 2 et 3 de microprismes type "Fresnel" dont l'angle au sommet vaut de préférence 900 pour obtenir une efficacité maximale du composant; un élément séparateur de polarisation 1 enserré entre les deux réseaux de microprismes 2 et 3 Cet élément séparateur 1 peut être un miroir de Bragg enregistré sur matériau photopolymère. Les prismes 20, 21, du réseau 2 et les prismes 30, 31, du réseau 3 sont en un matériau dont l'indice est adapté à celui de l'élément séparateur Ide façon que la différence d'indices entre les prismes et l'élément séparateur 1 soit faible, voire nulle Par exemple, l'élément séparateur 1 peut être en matériau polymère de même que les prismes Selon un mode de réalisation préféré, les réseaux de microprismes 2 et 3 sont réalisés sous la forme de plaques comportant des surfaces cannelées en forme de prismes. Un faisceau incident FI non polarisé dont la direction fait un angle, dit angle de Brewster avec la normale au plan des strates de l'élément 1, voit sa lumière polarisée selon une direction, contenue dans le plan d'incicdence, transmise selon une direction PT colinéaire avec la direction d'incidence La lumière polarisée selon la direction perpendiculaire au plan d'incidence est réfléchie selon une direction FR perpendiculaire à la direction d'incidence. Selon un mode préféré de réalisation, le faisceau FI faisant un angle de 450 avec le plan des strates de l'élément 1, les faces des prismes, telles que 35, sont perpendiculaires à la direction du faisceau incident De même, les faces de sortie du faisceau réfléchi, telles que 36, sont perpendiculaires à la direction FR Les faces de sortie du faisceau transmis, telles que 26, sont perpendiculaires à la direction PT. Selon ce mode de réalisation, les directions FI, FT, FR sont inclinées à 45 par rapport aux faces principales de l'élément 1 Chaque prisme 20, 21, 30, 31, est alors un prisme dont l'angle au sommet est 9 Q O et dont les faces sont inclinées à 45 par rapport aux faces principales de l'élément 1 Le faisceau FI est alors transmis et réfléchi sans déformation selon les faisceaux FT et FR Par contre si on veut faire subir au faisceau une anamorphose, le réseau de strates n'est pas enregistré parallèlement au plan de l'élément 1 Le faisceau FI étant toujours incliné de 450 par rapport au plan des strates et étant toujours perpendiculaire à la face 35, les faces 35 et 36 ne sont plus à 45 par rapport à l'élément 1. En se reportant aux figures 3 et 4, on va maintenant décrire une application du séparateur de l'invention à un dispositif de visualisation. Le dispositif de la figure 3 est une application aux dispositifs précédents dans laquelle la lumière réfléchie par le dispositif séparateur de polarisations HP éclaire une partie (la moitié par exemple) d'un dispositif de Localisation HL et d'un écran LCD. La lumière qui n'est pas réfléchie (polarisation parallèle au plan d'incidence) et qui est transmise par le dispositif de polarisation HP éclaire l'autre partie du dispositif de focalisation HL et l'autre partie de l'écran. Toute la lumière de la source peut être donc utilisée. Les réseaux RZ 1 et RZ 2 accolés au dispositif de focalisation HL permettent d'obtenir une incidence normale sur les faces d'entrées des réseaux RZ 1 et RZ 2 Cependant, il est également possible de ne pas prévoir de réseaux RZ 1, RZ 2 Le dispositif de focalisation permet de défléchir et de focaliser la lumière vers les éléments image de l'écran LCD. Il est possible de prévoir une lame demi-onde X /2 qui fait tourner la polarisation de la lumière éclairant l'une des parties de l'écran Sur la figure 3, cette lame demi-onde est placée sur le trajet du faisceau transmis par le dispositif HP L'écran LCD est alors commandé électriquement de façon uniforme sur toute sa surface Avantageusement, la lame demi-onde peut être une cellule à cristal liquide passive fonctionnant dans le mode guide d'onde (chromatique) Cette lame demi-onde pourrait être placée sur le trajet du faisceau réfléchi au lieu du faisceau transmis par le dispositif HP avant ou après l'écran LCD Egalement, de préférence, cette lame demi-onde pourrait être placée de façon à être perpendiculaire au faisceau. On peut également ne pas prévoir la lame demi-onde. Dans ce cas, les deux parties de l'écran sont donc éclairées par des faisceaux de lumière de polarisations orthogonales On peut alors commander les deux parties de l'écran de façon inversée. Selon une variante de réalisation représentée en figure 7, on prévoit un dispositif de déviation HRED des faisceaux transmis au dispositif de focalisation HL. En effet, pour éviter d'avoir sur l'écran LCD, dans la partie médiane de l'écran, une zone non éclairée, le dispositif HRED permet de dévier l'un, l'autre ou les deux faisceaux FT et FR de façon à les rapprocher A titre d'exemple, sur la figure 7, le faisceau FR est défléchi pour l'accoler au faisceau FT. Les faisceaux ET et FR sont ensuite transmis au dispositif de focalisation HL qui les focalise sur les différents éléments image de l'écran LCD Selon l'invention, le dispositif HRED est réalisé sous la forme d'un dispositif holographique. La figure 4 représente une variante de réalisation du système de la figure 3 permettant d'obtenir des trajets égaux en tous points à partir de la source S jusqu'à un écran LCD Ce dispositif comporte, bien que cela ne soit pas obligatoire, le dispositif holographique de focalisation HL accolé à l'écran LCD Le dispositif holographique de séparation de polarisations HP est situé selon un plan médian à l'écran LCD et au dispositif HL Le faisceau d'entrée est tel que son angle d'incidence sur le dispositif HP est de 45 Pour obtenir cet angle d'incidence, un dispositif holographique Hl enregistré pour dévier le faisceau d'entrée de façon à le retransmettre sous une incidence sensiblement de 450 au dispositif HP De préférence, le faisceau d'entrée est perpendiculaire au dispositif Hl. En fonctionnement à plusieurs longueurs d'ondes (fonctionnement trichrome), le dispositif holographique Hi défléchi le faisceau d'entrée ayant une longueur d'onde située dans une bande étroite, le vert par exemple Les faisceaux possédant d'autres longueurs d'ondes ne sont pas déviés (faisceaux FB et FR) Par contre, une lame dichroïque LBR réfléchit ces faisceaux FB et FR vers d'autres dispositifs de visualisation placés en série (mais non représentés sur la figure). Dans l'exemple de réalisation de la figure 4, la lame dichroique LBR est en aval du dispositif Hl, mais elle pourrait également être en amont du dispositif Hi. La figure 5 représente une variante de réalisation du dispositif de l'invention Ce dispositif comporte un premier dispositif de séparation de polarisations HPD 1 disposé incliné (à 45 par exemple) par rapport à l'écran LCD et permettant d'éclairer la moitié de l'écran LCD Il reçoit un faisceau incident RVB selon une direction parallèle à l'écran LCD Il réfléchit vers l'écran LCD l'une des polarisations Rl du faisceau incident à une longueur d'onde déterminée (longueur d'onde correspondant au rouge par exemple) Il retransmet sans déflexion l'autre polarisation R 2 du faisceau de la même longueur d'onde (rouge) ainsi que la lumière à toutes les autres longueurs d'ondes (notamment celles correspondant au vert et au bleu). Un deuxième dispositif de séparation de polarisations HPD 2 fonctionnant à la même longueur d'onde que HPDI (le rouge selon l'exemple pris) réfléchi le faisceau R 2 vers l'écran LCD Ce dispositif de séparation peut également être un miroir holographique fonctionnant à la longueur d'onde à réfléchir (le rouge): L'écran LCD reçoit les faisceaux Rl et R 2 par l'intermédiaire d'un dispositif de focalisation HL qui focalise comme cela a été décrit précédemment la lumière sur les différents éléments Images de l'écran LCD Cependant, il est également possible de ne pas prévoir de dispositif de focalisation HL En sortie de l'écran LCD un troisième dispositif de séparation de polarisations HPD 3 laisse passer la lumière d'une certaine polarisation et ne retransmet pas la lumière de polarisation perpendiculaire et cela en fonction de l'image affichée par l'écran LCD. De plus, les deux parties de l'écran recevant les deux faisceaux Ri et R 2 peuvent être commandés en inverse Ou bien, il est possible de prévoir une lame demi-onde A /2 qui fait tourner de 90 la polarisation de l'un de ces faisceaux Par exemple, comme cela est représenté sur la figure 5, la lame X /2 est placée entre le premier dispositif de séparation de polarisations HPD et le deuxième dispositif de séparation de polarisations HPD 2. Le dispositif de la figure 5 fonctionne à une seule longueur d'onde ou plus précisément à une gamme de longueurs d'ondes relativement étroite La lumière à d'autres longueurs d'ondes n'est pas déviée et ressort selon le faisceau VB. Pour traiter d'autres longueurs d'ondes l'invention prévoit de disposer d'autres dispositifs tels que celui de la figure 5 selon une disposition représentée en figure 6 Sur cette figure 6, on a aligné deux autres dispositifs sur la direction du faisceau VB Le premier dispositif est conçu pour traiter une gamme de longueurs d'ondes correspondant par exemple au vert Il ne dévie pas la lumière possédant une longueur d'onde appartenant à une troisième gamme, le bleu par exemple. Les trois dispositifs Dl, D 2, D 3 traitent ainsi trois gammes de longueurs d'ondes différentes c'est-à-dire des gammes correspondants respectivement au rouge, au vert et au bleu. Les trois faisceaux issus des trois dispositifs Dl, D 2, D 3 sont superposés à l'aide de trois miroirs HPR, HPV, HPB recevant en parallèle les trois faisceaux traités et disposés en série sur la direction des faisceaux réfléchis de façon à rendre colinéaires les trois faisceaux réfléchis R, VS BS Ces trois faisceaux sont transmis à une optique de sortie OP. L'invention présente les avantages suivants utilisation d'un réseau de microprismes de faible épaisseur réalisé par moulage plastique, par exemple épaisseur de 5 à 10 mm au moins; miroir de Bragg enregistré optiquement sur film photopolymère adhéré aux réseaux de microprismes; structure de faible poids et compatible avec la réalisation de fonctions "cube séparateur de polarisation" de très grandes dimensions 15 x 15 cm par exemple. Mb REVENDICATIONS 1 Séparateur de polarisations optique, caractérisé en ce qu'il comprend un miroir de Bragg ( 1) enserré entre deux lames ( 2, 3) dont les faces opposées au miroir de Bragg ont une forme d'échelette. 2 Séparateur de polarisations optique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte: une lame séparatrice de polarisation ( 1) recevant un faisceau incident (Fl) sur une face d'incidence ( 10), transmettant une première polarisation (F 2) du faisceau incident selon une première direction colinéaire avec la direction du faisceau incident et réfléchissant une deuxième polarisation (F 3) du faisceau incident selon une deuxième direction faisant un angle droit dans le milieu de la lame séparatrice avec la première direction; un premier réseau de prismes ( 2) disposé sur la face d'incidence ( 10), chaque prisme présentant une face perpendiculaire à la direction du faisceau d'incidence et une face perpendiculaire à la deuxième direction; un deuxième réseau de prismes ( 3) disposé sur la face de la lame séparatrice opposée à la face d'incidence, chaque prisme présentant une face perpendiculaire à la première direction. 3 Séparateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la lame séparatrice est un réseau de Bragg. 4 Séparateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque prisme est en un matériau similaire à celui de la lame séparatrice ( 1). Séparateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la lame séparatrice est en matériau polymère. 6 Séparateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le réseau de Bragg est un réseau holographique. 7 Séparateur selon la revendication 4, caractérisé en ce que les réseaux de prismes ( 2) et ( 3) sont en matériau polymère d'indice sensiblement équivalent à celui de la lame séparatrice. 8 Séparateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la direction du faisceau d'incidence fait un angle de sensiblement 45 avec le plan des strates du réseau de Bragg. 9 Séparateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la première direction est perpendiculaire à la deuxième direction. Séparateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'angle au sommet de chaque prisme est de 90 '. 11 Séparateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les réseaux de prismes sont réalisés sous forme de plaques présentant des échelettes. 12 Système de visualisation appliquant le séparateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un dispositif de visualisation électrooptique commandable agissant, selon son état de commande, sur l'une ou l'autre des polarisations, le séparateur recevant de la lumière non polarisée, retransmettant la lumière d'une polarisation sur une partie du dispositif de visualisation et réfléchissant la lumière d'une autre polarisation sur une autre partie du dispositif de visualisation. 13 Système de visualisation, selon la revendication 12, caractérisé en ce que le séparateur de polarisation est éclairé par une source de lumière (S) non polarisée, transmet selon un premier trajet, la lumière polarisée selon une première direction de polarisation et réfléchissant selon iiiu deuxième trajet la lumière polarisée selon une deuxième direction de polarisation orthogonale à la première direction, un dispositif de réflexion étant situé sur l'un des deux trajets et réfléchissant la lumière parallèlement à l'autre trajet de façon à rendre parallèles les deux faisceaux des deux polarisations.