Brevet FR2699289A1 — publié le 19940617

ECRAN DE PROJECTION HOLOGRAPHIQUE ET PROCEDE DE REALISATION S L'invention concerne un écran de projection holographique et son procédé de réalisation. Un système de projection est constitué d'une image émettrice de petite dimension, qui est agrandie par une optique adaptée et projetée sur un écran L'image émettrice est gdnéralement une transmittance active ou non 1 o active éclairée par une source lumineuse colimatée. Lorsque la projection est dite frontale, le spectateur est placé du même côté que le projecteur par rapport à l'écran, qui réfléchit alors l'image vers le spectateur. Lorsque le projecteur éclaire l'arrière de l'écran par rapport au 515 spectatr, il s'agit d'un écran rétroprojecteur. Compte teu de la faible luminosité des images issues du projectur, il est préférable que l'écran soit directif et à gain pour qu'une grande partie de la lumière émise par l'écran atteigne l'oeil du spectateur. Par aileurs dans le cas des écrans à projection frontale il peut être avantageux pour des raisons de commodité de pouvoir positionner le projecteu non pas au milieu par rapport à l'cran de projection mais sur les côtés ou en hault ou en bas Ce type de fonctionnement du projecteur est obtenu habituelement en décentrant l'image émettrice par rapport à l'axe optique du système de projection. Mais pour que la lumière diffusée par l'écran atteigne le spectateur il faudrait dans ce cas que l'écran à gain possède une indicatrice de luminance hors d'axe par rapport à la direction du rayon moyen réfléchit Ainsi comme cela est représenté en figure 1, un faisceau incident FI (faisceau de projection) se réfléchit sur l'écran EC, de façon classique, selon une direction F 2 Pour qu'il atteigne le spectateur, il faut qu'il soit dirigé selon une direction de lobe F 3. Un tel écran, échappant par principe aux lois de la réflexion géométrique, n'est pas réalisable dans une structure classique On sait par contre réaliser en optique classique des écrans effectuant en transmission ces fonctions diffusion avec gain 'hors d'axe" Il s'agit de structures complexes de type Fresnel lenticulaire Par conséquent, les système de type projection frontale utilisent des écrans soit à très faible gain (salle de cinéma), soit de type Lambertient. On note par ailleurs, comme inconvénient majeur des dispositifs à projection frontale, le faible contraste de l'image projetée dès lors que l'éclairage ambiant augmente Ceci est lié à la nature même de l'écran, de type surface blanche, qui rediffuse une grande partie de lumière incidente quelle que soit son origine. On prét're donc génralement des dispositifs de type "rétro projection" dont l'écran diffusant possède une "black matrix'" qui permet d'augmenter sensiblement le contraste de l'image pour un même éclairage ambiant. Pour illustrer l'état de la technique, on cite le document suivant décrivant différenmts dispositifs de projection: M KAWASHIMA et al, "Display and projection devices for EDTV", s EEE Transactions on Consumer Electronics, Vol 34, N l, February 1988, 100-110. L'invention a pour objet un écran réalisé par une méthode holographique plus S ifiquement adapté à la projection frontale et permettant de fournir les différentes ciac ques souhaitées illustrées sur la figure 2. La quantité de lumière qui atteint l'oeil du spectateur dépend: de la direction du rayon moyen issu de l'image à projeter réfléchie par l'écran vers le spectateur; du lobe de diffusion de la lumière autour du rayon moyen. L es principales sques souhaitées sont: direction en chaque point de l'écran du rayon moyen issu de l'objection de projection dans la direction du spectateur (horizontale par exemple): fonction hors d'axe Les ordres de grandeur des angles d'incidence sur l'écran sont spécifiés sur la figure 2 ls sont variables d'une extrémité à l'autre de l'écran. Diffusion de la lumière autour du rayon moyen. Gain d'écran: lobe de diffusion anisotrope, plus large en horizontal qu'en vertical, typiquement plus ou moins 15 en vertical pour plus ou moins 30 à 45 plus moins 45 en horizontal suivant les applications. Réalisation de ces fonctions pour les trois primaires chromatiques rouge, vert et bleu sans "color shift". Diffusion minimum de la lumière ambiante vers le spectateur pour obtenir un meilleur contraste. L'invention concerne donc un écran de projection holographique, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une couche en matériau photosusibe dans lequel au moins un réseau d'indice peut être enregistré par interférence d'une onde optique d'enregistrement et d'une onde optique objet, l'épaisseur de la couche en matériau photosensible étant supérieure ou égale à no M/2 it X no étant l'indice moyen du matériau photosensible; A étant le pas moyen du réseau d'indice; étant la longueur d'onde d'enregistement L'invention concerne également un procédé de réalisation d'un écran holographique, caractérisé en ce que: on réalise au moins une couche d'un matériau photosensible permettant d'enregistrer au moins un réseau de strates d'indices par interférence d'une onde objet à une onde d'enregistement, l'épaisseur de cette couche étant supriereou égale à N O A/2 x%. no étant lindice moyen du matriau photosensible; A étant le pas moyen du réseau d'indice; étant la longueur d'onde d'enregitment. on enregistre le réseau de strate d'indices par éclairement de la couche à l'aide d'une onde objet faisant un premier angle d'"inidence avec le plan de la couche et d'une onde d'enregistrement faisant un deuxième angle d'incidence avec le plan de la couche. Les différents objets et caractérstiques de l'invention apparaitront plus clairement dans la description qui va suivre faite à titre d'exemple en se portant aux figures annexées qui représentent: les figures 1 et 2, des schémas explicatifs du système de projection auxquels doit obéir l'invention; les figures 3 a et 3 b, un exemple de réalisation d'un écran de projection frontal selon l'invention; les figures 4 a et 4 b, un exemple de réalisafion d'un écan de rétroprojection selon l'invention; la figure 5, un exemple de réalisation compacte d'un dispositif holographique selon l'invention. L'écran selon l'invention est une structure diffractante de phase qui, éclairée par les rayons issus de l'image à projeter, diffracte une onde diffuse selon un rayon moyen choisi et ayant un lobe de diffusion choisi également, assurant ainsi les deux fonctions diffusion et gain hors d'axe. Cet écran comporte un hologramme réalisé optiquement, éventuellement en une fois de façon globale et non usiné mécaniquement point par point. Cet hologramme est enregistré dans une plaque holographique 1 (voir figures 3 a, 3 b, 4 a, 4 b) comportant une couche photosensible permettant d'enregistrer l'hologramme Cette couche photosensible a pour caracristique d'avoir une épaisseur d qui répond à la relation 2 %/no A 2 > = 1 dans laquelle: X = longueur d'onde d'enregistrement d = épaisseur de la couche photosensible no= indice moyen du milieu photosensible A = pas moyen du réseau enregistré Avec une telle couche photosensible, comme on le verra ci-après, on obtiendra après en isuem t avec une onde Or fisant un angle d'incidence dtemin 6, un écran qui ne réfléchira que la lumière incidente selon quasiment le même angle et qui sera donc insensible à la lumière ambiante Le réseau enregistr aura des propriétés de sélectivité angulaire et spectrale dites de Bragg et une firte efficacité de diffraction à la longueur d'onde d' gstrement. En se reportant à la figure 3 a, on va décrire un procédé de réalisation d'un écran à projection fotale son l'invention fonctionnant pour une gamme de longueur étroite autour d'une des trois longueurs d'ondes prmaires du triangle des couleurs. Comme cela est représenté sur la figure 3 a, on dispose une source lumineuse L éclairant la face 11 d'une plaque holographique avec une onde lumi S Or sous une incidence de e degrés Un réBseau diffûeur de lumière 2 est placé pr nt à la fiace 11 de la plaque hooraphique De façon préentielle, le réseau 2 est accolé ou quasiment accolé à la face 11 Le réseau diffuseur reçoit une onde d'éclairement OP et retransmet à la plaque 1 une onde diff e Oo De préférence, l'onde objet d'éclairement Op est une onde plane perpendiulaire ou quasi-perpendiculaire à la face 11. Rappellons tout d'abord qu'un hologramme enregistre les interférences entre une onde objet Oo et une onde de référence Or. L'hologramme mune fois développé restitue l'onde objet s'il est éclairé par l'onde de référence La réponse en fréquence spatiale (A-1) du matériau photosensible de l'hologramme peut être exploitée pour ajuster le lobe de diffusion du faisceau diffracté On peut donc combiner les caractéristiques du réseau diffuseur et donc des lobes de diffusion de ce réseau avec la réponse du matériau photosensible pour ajuster les lobes de diffusion de l'hologramme à la lecture. Comme cela est représenté en figure 3 a, à l'enregistrement, l'onde objet Oo est constituée de l'onde issue d'un diffuseur 2 éclairé par une onde plane Op se propageant selon l'axe horizontal Cette onde Oo doit se rapprocher le plus possible de l'onde Os de la figure 2 que l'on souhaite envoyer au spectateur La plaque optimale ou onde d'enristement est l'onde arrivant sur la plaque holographique 1 avec les mnmes caractéistiques angulaire que l'onde s Oi de la figure 2. La plaque holographique 1 comporte un milieu photosensible type photopolymère ou en gélatine bichromatée qui enregistre l'intensité de la figure d'interférenmce entre les deux ondes Oo et Or sous forme de variations d'indices de réfraction (hologramme de phase). Le réseau d'indices enregistré dans la plaque 1 est représelté par les traits pointillés 12. La figure 3 b représente l'utilisation de l'é=an de la figure 3 a convenablement enregistré Après avoir enregistré l'hologramme, la face 11 est recouverte d'une couche 6 absorbant la lumir. La face 10 de l'cau est éclair 6 par une onde de lecture Oi émis par une source lumineuse L' de sensiblement même longueur que la source L de la figure 3 a et faint sensiblement également un angle d'incidence O avec la face (comm en figure 3 a). En raison de la réflexion sur le réseau d'indice enregistré dans la plaque 1, celle-ci réfléchit le faisceau Oi et transmet vers le spectat Mur 4 un faisceau diffusé similaire à l'onde objet Oo La lumière qui n'est pas incidente sur la face 10 selon l'angle traverse la couche 1, atteint la couche absorbante 6 est absorbée par cette couche. En plaçant entre la source L' et l'écran 1, un modulateur spatial d'intensité lumineuse 5, représentant par exemple une image, on va afficher sur l'écran 1 cette image. L'efficacité de fonction de diffraction (fonctionnant en réflexion ou en transmission) de 100 % peut être obtenue pour une onde de lecture Oi ayant la même direction et la même longueur d'onde que l'onde de référence Or (condition de Bragg) De plus, pour des valeurs de la modulation d'indice Al - 0,04-0,07, l'hologranmme possède une bande passante angulaire et spectrale importante: Par exemple, pour le cas précédent avec une variation d'indice de 0,05 si l'on relit l'hologramme avec une onde de largeur spectrale de plus ou moins 30 nm autour de la longueur d'onde d'enregistrement, on aura encore environ 80 % d'efficacité de diffraction Cette largeur spectrale est typique pour les primaires issues des sources blanches couramment utilisées pour la projection De mêmae avec une onde ayant une largeur angulaire de plus ou moins 3 en plus d'une largeur spectrale de 60 nm on obtiendra 70 % d'efficacité de diffraction On peut donc diffracter aisément toute la largeur spectrale d'une primsaire donnde. S Par contre la lumière ambiante qui arrive sur l'écran avec une incidence située en-dehors de la bande passante angulaire centrée sur l'incidence de Bragg n'est pas diffractée par l'écran vers le spectateur Elle est transmise par la couche 1 puis est absorbée par la couche 6 et le contraste de l'image projetée en est renforcé Ceci constitue un avantage supplémenaire de l'écran holographique. La figure 4 représente un procédé d'enregistrement d'un écran fonctionnant par rétroproection. La couche photosensible 1 de l'écran a les mmes caractsques que décrites prcdemimt (d > > no A 2/2) L'eegistraement d'un réseau de Bragg se fait comme précédemment par interfrence d'une onde de référence Or et d'une onde objet Oo Ces deux ondes éclairent la mème face 1 de la couche photosensible 11 Un réseau de strates 12 est ainsi enregistré. Pou la lecture, comme cela est représenté en figure 4 b, une onde de lecture Oi quasiment identique à l'onde Or en inclinaison et en longueur d'onde éclaire la face 11 Le réseau de strautes 12 diffracte ce faisceau et transmet une onde Os vers le spectaeur 4 Un modulateur spatial d'intesité lumineuse 5 ou image transparente placé entre la source L' et la face 11 permet ainsi d'afficher par réutroprjection une image contenue dans le modulateur 5. Dans les deux cas de projection (figures 3 b et 4 b), il est possible 2 S d'obtenir une efficacité de diffraction de 100 % pour la longueur d'onde d'eregistment Toute l'énergie de l'onde Oi dite 'de lecture" peut être re- dirigée dans l'axe horizontal avec un lobe de diffusion choisi. Ces conditions sont réalisées avec par exemple: X = 0,535 nm A moyen = 0,2; 0,4 pm no = 1,5 d = 8/um L'invention présente les avantages suivants: Une bonne efficacité lumineuse: l'écran de diffusion très mince absorbe peu de lumière L'exploitation de l'effet Bragg permet de réaliser les fonctions re-direction + diffusion avec une efficacité d'environ 80 % en tenant compte de l'extension angulaire et spectrale de l'image à projeter. Très bon contraste de l'image: la sélectivité Bragg limite la réflexion de l'éclairage ambiant. Une technologie simple: l'hologramme s'enregistre en une fois et aucun usinage mécanique n'est nécessaire Ce n'est pas le cas pour les écrans actuels en transmission qui utilisent des microlentilles de Fresnel usinées de quelques centaines de microns de diamètre pour re-diriger les rayons. Une duplication optique du composant une fois le 'master réalisé. Aucunes pertes de résolution, lidée, dans les écrans classiques, à la taille du grain du diffuseur. Les exemples qui précèdent fonctionnent avec une longueur d'onde d'e S t La projection est donc monochrome L'invention est également applicable à la réalisation d'un écran trichromatique. Selon une première forme de réalisation l'écran de projection comporte une couche en mntia photosenible dans tout le spectre de la lumière visible L'épaisseur de la couche phoosenble est supérieure à n OM 1 > 2 ul, dans laquele m est la longueur d'onde moyenne du spectre de longueurs d'ondes auxquelles est sensible à la couche photosensible Pour réaliser l'écran on enregise dans la môme couche phoenle tmois fonctions monochromes Chaque fonction monochrome est enregistre comme décrit pr ldemment à l'aide d'une onde optique dont la longueur d'onde correspond à une longuaeur d'onde primaire (rouge, vert ou bleu) et dont la direction fait un angle d'incidence O avec le plan de la couche photosible Les enregistrements des mris fonctions amonochrmes se font simultanm t ou séparément selon le même angle d'incidence O et avec le même réseau diffuseur 2. Comme cela a été décdrit pr ment la projection sur un tel écran se fait avec une source trichrome orientée vers l'écran selon le même angle d'incidence e. Selon une deuxième forme de réalisation l'écran comporte au moins deux couches en matriaux photosensibles Chacune de ces couches est sensiblement à une longueur d'onde primaire particulière (rouge, vert ou bleu) et est transparente aux autres longueurs d'ondes primaires. Selon la figure 5, les trois couches 1 V, 1 R, l B sont superposées. Elles sont réalisées par exemple sur un support transparent 8 Puis après l'registrement des hologrammes dans les couches 1 V, 1 R, l B, une couche 6 absorbant la lumière est appliquée sur la face de l'écran non visible par le spectateur (dans le cas de la réalisation d'un écran à projection frontale). Le procédé de l'invention permet également d'obtenir une dissymétrisation du lobe de diffusion de chaque point de l'écran. Couramment, les spectaturs étant répartis ou se déplacent dans un plan horizontal par rapport à l'écran. Pour restituer à la lecture de l'écran diffractant, un diffuseur ayant un lobe de diffusion plus grand en horizontal qu'en vertical, il suffit que le diffuseur 'objet' (réseau diffuseur 2) utilise lors de l'enregistement possède cette propriété: la dissymétrie du lobe de diffusion est alors intégrée à l'écran lors de l'enregistrement des hologrmnes De même si l'on désire un écran lo ayant plusieurs lobes de diffusion. Des réseaux diffuseurs assymétriques existent et sont constitués de matrice(s) de microlentilles cylindriques associées à un diffuseur symétrique On peut également éclairer le réseau diffuseur 2 avec une onde de section non pas cixculaire mais elliptique, le grand axe sur l'horizontale L'onde diffusée aura alors la symétrie de la source. n -xste également damns le commerce des diffuse ho hiques ayant des ca stiques de diffusions assymétriques ou multilobes. On remarque par ailleus que l'onde de référence n'est pas obligatgoiremeniorueet itégale à l'onde Oi mais dans ce cas l'efficacité de l'écran éclairé par Oi n'est pas optimale. On remarque également que l'onde éclairant le diffuseur peut tre quelconque Elle ne dépend que de la direction moyenne de diffusion que l'on souhaite à la Nrestitution. REVENDICATIONS 1 Ecran de projection holographique, caractérisé en ce quil comporte au moins une couche en matériau photosensible ( 1) dans lequel au moins un réseau dndice peut être enregistré par intre d'une onde optique d'enregistrement et d'une onde optique objet, l'répaisseur de la couche en matériau photosensible étant supérieure ou égale à n OL 2/2 pl no étant lindice moyen du matériau photosensible; L étant le pas moyen du réseau d'indice; 1 étant la longueur d'onde d'ereistm 2 Ecran selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il a été enregistré pour consituier un écran de projection frontale. 3 Ecran selon la revendication 1, caractérisé en ce quil a été enregistré pour constituer un écran de rétroprojection. 1 's 4 Ecran selon la revendication 1, caractérisé en ce quel comporte sur la face arrière de la couche photosensible ( 1) non visible par les spectateurs, une couche ( 6) en matériau absorbant la lumière. Ecran selon la rev Mdicaion 1, caractérisé ean ce quil comporte un empilement de couches ( 1 V, l B, 1 R) sensmbles chacune à une longueur d'onde d'gstm t 6 Ecran salon la revendication 5, carisé en ce qul comporte trois couches ( 1 V, 1 B, 1 R) sensible chacune i une longueur d'onde primaire. 7 Ecran selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche photosensible ( 1) est sensible à une gamme de longueurs d'ondes comprenant les trois longueurs d'ondes primaires, 1 étant la longueur d'onde moyenne de cette gamme de longueurs d'ondes. 8 Procédé de réalisation d'un écran holographique, caractérisé en ce que: on réalise au moins une couche ( 1) dmun matériau photosensible permettant d'enregistrer au moins un réseau de strates d'indices par interférence d'une onde objet à une onde d'enregistrement, l'répaisseur de cette couche étant supérieure ou égale à n OL 2/2 pl no étant r'indice moyen du matériau photosensible; L étant le pas moyen du réseau dindice; 1 étant la longueur d'onde d'enregistrement on enregistre le réseau de strates dindices par éclairement de la couche ( 1) à raide d'une onde objet faisant un premier angle d'incidence avec le plan de la couche ( 1) et dune onde d'enregistrement faisant un deuxième angle d'incidence avec le plan de la couche ( 1). 9 Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le premier angle d'incidence détermine une direction sur laquelle pourra se trouver un j observateur lors de lutilisation de l'écran et le deuxième angle d'incidence détermne la direction selon laquelle devra être dirigé le faisceau d'un projecteur d'image. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la couche ( 1) en matériau photosensible possède une première face ( 10) destinée à être visible par les spectateurs et une deuxième face ( 11) opposée à la première, ronde objet éclairant la deuxième face et l'onde d'eregistrment éclairant la première face de façon à réaliser un écran à projection frontale. 11 Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la couche ( 1) en matériau photosensible possède une première face ( 10) destinée à être visible par les spectateurs et une deuxième face ( 11) opposée à la première, run de l'objet et l'onde d'enregistrement éclairant siltament la deuxième face de façon à réaliser un écran de rétroprojection. 12 Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'on réalise un empilement de plusieurs couches (IV, l R, l B) de maturiaux actives chacune pour une longueur d'onde déterminée et qu'on enregistre dams chaque couche au moins un réseau de strates i l'aide d'une onde ayant ladite longueur d'onde déterminée. 13 Procédé selon la revendication 12, caractrisé en ce qu'on réalise un empilement de trois couches (IV, IR, l B) actives pour l'une des trois longueurs d'ondes primaires du spectre du visible 14 Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la couche ( 1) en matériau photosensible est en matériau sensible aux trois longueurs d'ondes primaires du spectre du visible. Procédé selon rune des revendications 12 à 14, caractérisé en ce que les enregistrements à l'aide des différentes longueurs d'ondes se font simultanément ou successivement. 16 Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la couche ( 1) en matériau photosensible possède une première faice ( 10) destinée à être visible par les spectateurs et une deuxième face ( 1) opposée à la première, la deuxième face étant recouverte d'un matériau absorbant la lumière visible.