Brevet FR2693004A1 — publié le 19931231

DISPOSITIF DE COLLIMATION DE FAIBLE ENCOMBREMENT, EN PARTICULIER POUR VISUEL DE CASQUE La présente invention se rapporte à un dispositif de collimation de faible encombrement, en particulier pour visuel de casque. 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 semiréfléchissant, une lame semi-réfléchissante 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 ainsi que par le visage de l'observateur. Ce champ est au maximum d'environ 450 dans le sens vertical et d'environ 600 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 semi-réfléchissante, 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 1000 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 de collimation de faible encombrement et le plus léger possible, dont le champ visuel soit le plus étendu possible, avec un rendement lumineux au moins aussi bon que celui des dispositifs connus, et formant une image nette. Le dispositif de collimation conforme à l'invention comporte un polariseur linéaire suivi d'un miroir sphérique sélectivement semiréfléchissant, d'une lame quart d'onde et d'un miroir plan sélectif à sélection de polarisation circulaire. 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 trois 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, 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 présentent 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 1400C) 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 l'hélice des cristaux liquides (dans le cas présent, la lumière à polarisation circulaire gaucher 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 (41 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 passe-bande. 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, comme on le voit sur la figure 3. Sur cette figure 3, la courbe de transmission Tî, relative au faisceau 3, montre que le filtre 2 transmet un peu plus de 50% de la lumière incidente dans les bandes bleue, verte et rouge 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 8 (en amont de l'objectif 7 dans le cas présent), un miroir sphérique semi-transparent 9, une lame quart d'onde 10 et un miroir sélectif 11. Dans l'exemple représenté sur la figure 4, L'objet 5 se trouve en face de l'observateur 6, et les éléments 7 à 11 sont disposés sur le même axe optique AO 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 ci-dessous 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 d'un premier sens (par exemple P dans le cas représenté en figure 4), et le rôle du miroir sélectif 1 1 est de ne laisser passer, dans la même bande de longueurs d'onde, que la composante de polarisation circulaire d'un second sens lié au premier (sens gauche pour la figure 4) et de réfléchir l'autre composante de polarisation circulaire (sens droit). Le miroir 9 reçoit un traitement holographique lui permettant de ne réfléchir 50 % de la lumière que dans la bande de fréquences correspondant à celle de la lame 11. Bien entendu, si la source 5 est déjà polarisée (par exemple si c'est un écran LCD), le polariseur 8 est supprimé. Le miroir 1 1 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 AO, et on suppose que le faisceau F1 a une longueur d'onde comprise dans la bande B des éléments 8 et 11. A la sortie du polariseur 8, dans la bande de longueurs d'onde considérée, seule subsiste la composante de polarisation P de ce faisceau (faisceau F2 dont les rayons extrêmes sont respectivement référencés 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 P. II traverse la lame 10 en devenant un faisceau à polarisation circulaire droite, et se réfléchit donc sur le miroir il (qui ne laisse passer, dans la bande de longueurs d'ondes considérée, que la lumière à polarisation circulaire gauche).Le faisceau ainsi réfléchi est encore à polarisation circulaire droite. Après traversée de la lame 10, il devient à polarisation linéaire S. II se réfléchit une seconde fois sur le miroir sphérique 9 (à revêtement holographique) en restant à polarisation S. Le faisceau réfléchi par le miroir 9 (rayons extrêmes 18, 19 parallèles à l'axe AO) est collimaté du fait que le miroir 9 est sphérique. Après une troisième traversée de la lame 10, il devient à polarisation circulaire gauche. II traverse donc le miroir 11, et l'observateur, même placé très près du miroir 11, aura toujours l'impression d'observer une image à l'infini de l'objet 5. On notera que, dans la bande de longueurs d'onde considérée, l'observateur 6 ne perçoit que les rayons collimatés par le miroir 9. Le rendement lumineux théorique maximum 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 semi-transparent 9, 12,5 % après réflexion sur la face concave du miroir 9, et également 12,5 % après traversée du miroir Il (puisqu'il s'agit de la même composante 18, à polarisation circulaire gauche, avant et après le miroir 11, 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 à 11 sont les mêmes qu'en figure 4 et disposés de la même façon. On dispose sur l'axe AO, en amont du miroir 9, un mélangeur 20, qui est ici une lame à faces parallèles, inclinée à 450 par exemple par rapport à l'axe AO, et qui comporte un revêtement identique à celui du miroir 9. 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 en grande partie le spectre visible (comme en figure 3). Dans la lumière 21 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 22 à polarisation P 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 et la lame 10 en direction de l'observateur, se réfléchit sur le miroir 11, puis retraverse la lame 10 et se réfléchit sur le miroir 9 qui la collimate en direction de l'observateur 6 (rayon 23). A partir d'un rayon lumineux (24) issu de la source S, la lame 20 supprime une bande de fréquences correspondant à celle de la lame 11, et laisse passer toutes les autres fréquences (rayon émergent 25) pratiquement sans atténuation. Cette bande de fréquences étant éliminée du rayon 25, le miroir 9 et la lame 11 n' apportent pratiquement aucune atténuation. L'invention a été décrite ci-dessus pour les figures 4 et 5 en référence à des couches holographiques et à des couches de cristaux liquides sélectives en réflexion dans une bande de fréquences d'environ 50 nm, c'est-à-dire que seule une bande de fréquences (par exemple dans le vert) provenant de la source 5 parvient à l'observateur 6. Pour pouvoir profiter des possibilités d'une source 5 bichrome ou trichrome, il faut superposer les couches holographiques sur les éléments 9 et 20 et les couches de cristaux liquides sur l'élément 1 1 (par exemple couches rouge et verte en bichrome et couches rouge, verte et bleue en trichrome). Bien entendu, ces bandes de fréquences sont supprimées dans le faisceau issu de la source "S". REVENDICATIONS 1. Dispositif de collimation de faible encombrement, caractérisé par le fait qu'il comporte un polariseur linéaire (8) suivi d'un miroir sphérique sélectivement semi-réfléchissant (9), d'une lame quart d'onde (10) et d'un miroir plan sélectif à sélection de polarisation circulaire (11) 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le miroir plan sélectif comporte un revêtement à cristaux liquides cholestériques et que le miroir sphérique comporte un revêtement semiréfléchissant holographique lui faisant réfléchir la lumière uniquement dans la bande de fréquences dans laquelle le revêtement du miroir sélectif plan a une action sélective. 3. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'un dispositif mélangeur sélectif (20) est interposé entre le polariseur et le miroir sphérique. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le dispositif mélangeur est une lame à faces parallèles portant un revêtement identique à celui du miroir sphérique. 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les éléments sélectifs comportent plusieurs revêtements sélectifs agissant chacun dans une bande de fréquences spécifique.