Brevet FR2693561A1 — publié le 19940114

SOURCE DE LUMIÈRE POLARISÉE ET RÉTROPROJECTEUR UTILISANT CETTE SOURCE La présente invention concerne ré une source de lumière polarisée, particulièrement adaptée à des montages du type projecteur ou rétroprojecteur destinés à éclairer des plaques à cristaux liquides pour en projeter l'image. On utilise couramment dans le cadre de conférences, d'exposés ou de cours des systèmes dits rétroprojecteurs qui permettent de projeter sur écran un texte ou dessin figurant sur un support translucide de façon à rendre le dessin visible à de multiples observateurs. Parallèlement, on a développé pour l'affichage d'ordinateurs portables des plaques de type à cristaux liquides qui sont observables quand elles sont éclairées. L'idée est venue de projeter sur écran l'image affi cubée par un ordinateur en plaçant une plaque à cristaux liquides servant classiquement d'affichage pour l'ordinateur sur la plaque d'exposition d'un rétroprojecteur. Ceci permet de réaliser des projections d'affichage sans nécessiter la réalisation d'un matériel spécifique et d'utiliser un même appareil pour deux applications distinctes : projection de dessins sur support translucide et projection d'images éventuellement mobiles correspondant à des signaux de sortie d'ordinateur. On se heurte toutefois à une difficulté qui est qu'avec un rétroprojecteur normal, le contraste et la luminosité obtenus à partir d'une image formée sur une plaque à cristaux liquides est bien moins bon que celui que l'on obtient à partir d'une image sur support translucide. Ceci est essentiellement dû au fait qu'un système de plaque à cristaux liquides comprend un polariseur d'entrée qui absorbe à lui seul une grande partie d'une lumière incidente non polarisée, couramnent environ 65 % de cette lumière incidente (le minimum théorique étant de 50 %). Ainsi, un obj et de la présente invention est de prévoir un rétroprojecteur qui fournisse un contraste du même ordre de grandeur que 1 'élément que l'on cherche à projeter soit un support translucide ou une plaque à cristaux liquides. Pour atteindre cet objet, la demanderesse propose d'utiliser un rétroprojecteur ou un projecteur dans lequel le faisceau irradiant la feuille ou plaque dont on veut faire l'image sur un écran est un faisceau de lumière polarisée. Ainsi, un objet de la présente invention est de prévoir un système de formation d'un faisceau de lumière polarisée qui sera appelé ci-après source de lumière polarisée. Un autre objet de la présente invention est de prévoir une source de lumière polarisée qui soit simple à réaliser et de haut rendement. Un autre objet de la présente invention est de prévoir une source de lumière polarisée qui soit stable mécaniquement et peu sensible aux vibrations telles que celles provenant d'un ventilateur de refroidissement. Pour atteindre ces objets, la présente invention prévoit une source de lumière polarisée comprenant deux lentilles confocales définissant un axe optique ; une source lumineuse de petite dimension disposée sensiblement au foyer commun ; un ensemble réflecteur/rotateur de polarisation disposé d'un côté desdites lentilles pour renvoyer le faisceau sur lui-même ; une pluralité de lames à faces parallèles disposées d'un deuxième côté desdites lentilles et inclinées à l'angle de Brewster par rapport à l'axe optique ; et un premier miroir pour renvoyer sur lui-même le faisceau défléchi par les lames. Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'ensemble réflecteur/rotateur est constitué d'un deuxième miroir perpendiculaire à l'axe optique précédé d'une lame quart d'onde orientée à 45" de la direction de polarisation de 1 'onde renvoyée par le premier miroir. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles la figure 1 représente le schéma d'un polariseur rectiligne classique à lames de Brewster ; la figure 2 représente sous forme schématique une source de lumière polarisée selon la présente invention la figure 3 représente de façon schématique 1 'appli- cation d' une source de lumière selon la présente invention à un rétroprojecteur ; et la figure 4 représente de façon schématique 1 'appli- cation d'une source de lumière selon la présente invention à un projecteur. Le schéma de la figure 1 représente un faisceau de lumière incidente non polarisée 1 dirigé selon 1 'incidenoe de Brewster (environ 570 pour des lames de verre) sur une succession de lames transparentes parallèles les unes aux autres 2 pour fournir un faisceau transmis 3 et un faisceau réfléchi 4. Le faisceau réfléchi par les lames est éventuellement réfléchi dans une direction souhaitée par un miroir 5. L'utilisation de tels moyens de polarisation de la lumière est bien connue de façon théorique et pratique et est par exemple décrite dans la demande de brevet européen 0421628. On peut ensuite utiliser l'un ou 1 'autre des faisceaux polarisés 3 et 4 ou encore prévoir un moyen de rotation de polarisation pour conférer le même état de polarisation aux faisceaux 3 et 4 et des moyens pour combiner ces deux faisceaux en un faisceau unique. Un inconvénient de ces systèmes est que les moyens de recombinaison utilisent des systèmes à lame semi-réfléchissante et perdent une quantité notable de lumière ou bien juxtaposent les deux faisceaux qui ne sont par conséquent pas strictement coaxiaux et fournissent un éclairement non uniforme sur une surface éclairée. Ceci est particulièrement gênant dans une application du type rétroprojecteur ou projecteur dans laquelle on veut éclairer uniformément une plaque d'exposition. Pour pallier ces inconvénients, la présente invention propose une source de lumière polarisée dans laquelle la polarisation est obtenue par un ensemble de lames orientées à l'angle de Brewster et dans laquelle le faisceau de sortie correspond à une combinaison coaxiale des deux faisceaux polarisés obtenus par les lames de Brewster. Ainsi, la figure 2 représente une source de lumière blanche non polarisée 10, pratiquement ponctuelle, par exemple une lampe à arc, placée au voisinage du foyer commun de deux lentilles 11 et 12 de préférence très légèrement hors de 1 'axe. Derrière la lentille 12 sont placées des lames 13 orientées à l'angle de Brewster, par exemple de simples lames en verre. Derrière la lentille 11 est placée une lame quart d'onde convenablement orientée 14 suivie d'un miroir plan 15 perpendiculaire à 1 'axe optique défini par les lentilles parallèles et confocales 11 et 12. Le système comprend en outre un miroir plan 16 renvoyant sur lui-même le faisceau réfléchi par les lames de Brewster 13. Pour expliquer le fonctionnement du dispositif précédemment décrit, on a indiqué dans la figure les états de polarisation de rayons lumineux à l'intérieur de cadres rectangulaires selon les symboles usuels, en regard de flèches portés sur les rayons et indiquant le sens de propagation. L 'état de polarisation P1 du faisceau se propageant en aller-retour entre la lame de Brewster et le miroir 16 est l'état de polarisation rectiligne S. L'état de polarisation P2 du faisceau sortant du système est l'état de polarisation rectiligne P. L 'état de polarisation P3 du faisceau renvoyé par le miroir 16 et les lames de Brewster 13 vers la source lumineuse 1 est l'état de polarisation S. Derrière la lentille 11, les rayons se dirigeant vers la lame quart gronde 14 ont un état de polarisation P4 qui correspond à la superposition d'une d'onde non polarisée provenant de la source lumineuse 10 et d'une d'onde polarisée S correspondant aux rayons revenant du miroir 16. Après passage par la lame quart d'onde 14, le miroir 15 et à nouveau la lame quart d'onde (dont les axes sont placés à 45" de la direction de polarisation imposée par la lame de Brewster 13), l'état de polarisation P5 correspond à la superposition d'une onde non polarisée qui est l'onde provenant de la source 10, réfléchie par le miroir 15, et d'une onde polarisée P correspondant à l'onde renvoyée par le miroir 16 dont la polarisation a été tournée de 90" par l'assemblage de la lame quart d'onde 14 et du miroir 15. Derrière la lentille 12, les rayons lumineux qui se propagent vers la lame de Brewster ont un état de polarisation P6 qui correspond à la superposition de trois ondes : l'onde non polarisée émise directement par la source 10 à travers la lentille 12, l'onde non polarisée émise par la source 10 et renvoyée par le miroir 15, et l'onde polarisée P résultant de l'onde renvoyée par les miroirs 16 et 15 et ayant subi une rotation de polarisation. Cette dernière onde polarisée P est transmise par les lames de Brewster 13 sans modification de polarisation et les ondes non polarisées subissent l'effet de polarisation normale des lames de Brewster. On a désigné dans la figure par la référence 18 le faisceau lumineux transmis par les lames de Brewster 13 en provenance du miroir 16. On notera que, puisque la lumière renvoyée par le miroir 16 est normalement pratiquement totalement polarisée de type S, ce faisceau transmis a une intensité sensiblement nulle. Ainsi, le dispositif selon la présente invention est théoriquement un dispositif sans perte. En pratique, il existera toujours des pertes et un état de polarisation non parfaitement rectiligne à la sortie du dispositif. Par exemple, comme la source lumineuse 10 n'est pas une source monochromatique, l'an- gle de Brewster n'est pas parfait pour toutes les longueurs d'onde. De même, la lame quart d'onde 14 est une lame quart d'onde parfaite seulement pour la longueur d' onde moyenne de la lumière émise par la source. D'autres sources de pertes résultent de l'absorption des différents composants optiques (lentilles, lames) et de la réflexion non exactement égale à 100 % des miroirs.Néanmoins, tout ceci correspond à des pertes et défauts que 1 'on retrouve normalement dans tous les systèmes optiques et que l'on peut minimiser par des moyens connus, par exemple en prévoyant des traitements anti-reflets sur les lentilles, et en améliorant la qualité de chacun des composants. On désigne par la référence 20 le faisceau de sortie de la source de lumière polarisée selon la présente invention. On notera que la disposition de la source lumineuse 10 au centre d'un système confocal rend le système mécaniquement très stable. La figure 3 montre comment la source de lumière polarisée selon la présente invention peut avantageusement être utilisée en tant que source lumineuse pour un rétroprojecteur pouvant servir à projeter l'image d'un dessin sur un support translucide ou d'une image formée sur une plaque à cristaux liquides. La figure 3 représente très schématiquement la structure d'un tel rétroprojecteur dont la source lumineuse est constituée par le faisceau de sortie 20 d'une source telle que celle de la figure 2. Ce faisceau lumineux est élargi par un objectif 21 pour éclairer une plaque support translucide constituée classiquement d'une lentille de Fresnel 22, cette lentille de Fresnel fournissant en sortie un faisceau de lumière parallèle ou convergent. L'image de la plaque d'exposition 22 est projetée par un objectif à repliement 23 sur un écran 24. Comme la lumière éclairant la plaque d'exposition 22 est une lumière polarisée, on pourra y placer ou bien un support translucide classique ou bien une plaque à cristaux liquides 25 convenablement orientée par rapport à la direction de polarisation du faisceau incident. Ainsi, le polariseur d'entrée du système à cristaux liquides devient inutile. S'il est maintenu, pour utiliser des systèmes existants, il aura une absorption négligeable puisque la lumière incidente est déjà polarisée rectiligne selon la bonne orientation. La figure 4 montre comment la source de lumière polarisée selon la présente invention peut avantageusement être utilisée en tant que source lumineuse pour un projecteur destiné à projeteur 1' image d'une plaque à cristaux liquides de petites dimensions. Celle-ci peut être placée dans le faisceau 20 devant un objectif à l'emplacement désigné par la réf érenoe 27. Cet objectif comprend par exemple une lentille de Fresnel 28 disposée devant un objectif de projection 29 fournissant un faisceau 30. La présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. Par exemple, le système de renvoi de lumière et de rotation de polarisation indiqué dans le mode de réalisation particulier de la figure 2 comme étant constitué d'une lame quart d'onde et d'un miroir 15 peut être remplacé par un miroir en toit éventuellement associé à une lame demi-onde. De même, chaque élément décrit comme étant une simple lentille pourra être remplacé par un objectif plus sophistiqué. REVENDICATIONS 1. Source de lumière polarisée comprenant deux lentilles confocales (11, 12) définissant un axe optique une source lumineuse de petite dimension (10) disposée sensiblement au foyer desdites lentilles ; un ensemble réf lecteur/rotateur de polarisation (14, 15) disposé d'un côté desdites lentilles pour renvoyer le faisceau sur lui-même; une pluralité de lames à fates parallèles (13) disposées d'un deuxième côté desdites lentilles et inclinées à l'angle de Brewster par rapport à l'axe optique ; et un premier miroir (16) pour renvoyer sur lui-même le faisceau défléchi par les lames. 2. Source de lumière polarisée selon la revendication 1, caractérisée en ce que 1 'ensemble réflecteur/rotateur est constitué d'un deuxième miroir (15) perpendiculaire à l'axe optique précédé d'une lame quart d'onde (14) orientée à 45O de la direction de polarisation de l'onde renvoyée par le premier miroir (16). 3. Rétroprojecteur caractérisé en ce qutil comprend une source de lumière polarisée selon la revendication 1. 4. Projecteur d'écran à cristaux liquides caractérisé en ce qu'il comprend une source de lumière polarisée selon la revendication 1.