Brevet FR2754351A1 — publié le 19980410

La présente invention est relative à un dispositif de suppression du faisceau d'ordre zéro émergeant d'un hologramme éclairé en lumière polarisée et, plus particulièrement, à un projecteur d'images vidéo équipé d'un tel dispositif. Les fonctions de nombreux composants optiques classiques, lentilles, filtres, etc. . peuvent aujourd'hui être réalisées à l'aide d'hologrammes qui présentent divers avantages, notamment ceux de présenter une forme plane peu encombrante et d'être de fabrication peu coûteuse. Cependant, le fonctionnement d'un hologramme, comme celui de toute optique faisant appel à la diffraction de la lumière, est fonction de la longueur d'onde de cette lumière. Lorsqu'un faisceau incident de lumière blanche éclaire l'hologramme, cette dépendance est à l'origine de la traversée de celui-ci par un faisceau dit "d'ordre zéro" non diffracté et donc non dévié, contrairement au faisceau diffracté par l'hologramme. La présence de ces deux faisceaux à la sortie de l'hologramme peut avoir pour effet de polluer le faisceau de lumière diffractée avec la lumière blanche du faisceau non diffracté. C'est le cas en particulier quand l'hologramme produit trois faisceaux de lumière rouge, verte et bleue respectivement, par exemple pour la projection d'images vidéo en couleurs, le faisceau d'ordre zéro, composé de lumière blanche, affecte la pureté des couleurs. Pour éviter cet inconvénient, on peut fabriquer l'hologramme de manière que le ou les faisceaux diffractés utiles s'écartent angulairement très fortement de l'axe du faisceau d'ordre zéro, ou exploiter les faisceaux diffractés à grande distance de l'hologramme, là où ces faisceaux sont suffisamment écartés spatialement pour que les objets qu'ils éclairent ne puissent recevoir aussi la lumière du faisceau d'ordre zéro. Cette solution conduit malheureusement à des ensembles très encombrants, qui ne conviennent évidemment pas dans des appareils tels que par exemple les projecteurs d'images vidéo ou de télévision destinés au grand public, dont l'encombrement doit être aussi réduit que possible. La présente invention a donc pour but de réaliser un dispositif de suppression du faisceau d'ordre zéro émergeant d'un hologramme éclairé en lumière blanche, qui soit à la fois efficace et d'encombrement réduit. La présente invention a aussi pour but de réaliser un projecteur d'images vidéo équipé d'un tel dispositif. On atteint ces buts de l'invention, ainsi que d'autres qui apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, avec un dispositif de suppression du faisceau d'ordre zéro émergeant d'un hologramme éclairé en lumière polarisée, ce dispositif étant remarquable en ce qu'il comprend a) une lame en un matériau biréfringent éclairée par ledit faisceau et le faisceau diffracté qui émergent de l'hologramme, cette lame étant agencée et dimensionnée de manière que l'un des faisceaux émerge de la lame sans que son plan de polarisation ait subi une rotation sensible alors que le plan de polarisation de l'autre a subi une rotation de 90" et, b) un polariseur éclairé par les deux faisceaux qui émergent de la lame biréfringente, le plan de transmittance maximum de ce polariseur étant parallèle au plan de polarisation du faisceau qui émerge de la lame biréfringente à partir du faisceau diffracté par l'hologramme. Ce plan de transmittance maximum étant alors perpendiculaire au plan de polarisation de l'autre faisceau, d'ordre zéro, qui émerge de la lame biréfringente, le faisceau d'ordre zéro se trouve éteint par le polariseur. L'hologramme, la lame biréfringente et le polariseur pouvant être très proches les uns des autres, voire accolés, on comprend que la suppression du faisceau d'ordre zéro s'opère dans un volume très faible. L'invention permet ainsi de réaliser un projecteur d'images vidéo de faible encombrement, les images étant formées dans une matrice active de cellules à cristaux liquides traversées chacune par un pinceau de lumière polarisée émergeant d'un hologramme. Le projecteur est remarquable en ce qu'il comprend un dispositif suivant l'invention, de suppression du faisceau d'ordre zéro émergeant dudit hologramme. D'autres caractéristiques et avantages du dispositif suivant la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen du dessin annexé dans lequel - la figure 1 est un schéma du dispositif suivant l'invention, - la figure 2 est un schéma du système optique d'un projecteur d'images vidéo équipé du dispositif suivant l'invention, et - la figure 3 est un schéma d'une variante du système optique représenté à la figure 2. On se réfère à la figure 1 du dessin annexé où on a représenté schématiquement, en coupe axiale, le dispositif suivant l'invention. Celui comprend une source (non représentée) d'un faisceau d'axe 1 (ou faisceau 1) de lumière à polarisation plane, incident sur un hologramme 2 dont émerge un faisceau d'axe 3 (ou faisceau 3) d'ordre zéro, non dévié par l'hologramme, et un faisceau d'axe 4 (ou faisceau 4), diffracté et donc dévié. Le dispositif comprend en outre une lame 5 en un matériau biréfringent, agencée de manière à intercepter les deux faisceaux 3 et 4, qui présentent à la sortie de l'hologramme 2 la même polarisation plane d'orientation repérée par la double flèche F1, à 450 du plan de la figure 1. Avantageusement, suivant l'invention, l'hologramme est conçu et réalisé pour que le faisceau diffracté utile 4, réalisant tel ou tel traitement optique du faisceau incident 1, émerge perpendiculairement à l'hologramme et éclaire la lame 5 à l'incidence normale. Comme on le verra plus loin, cette caractéristique permet de donner au dispositif suivant l'invention une compacité maximale. La lame 5 biréfringente utilisée est uniaxiale, d'axe rapide 6 normal à ses deux faces d'extrémité, ou d'axe rapide 7 parallèle à ces faces. Dans le cas d'une lame d'axe 6 parallèle au faisceau 4 diffracté par l'hologramme, on comprend que la lame n'agit pas sur l'orientation du plan de polarisation de la lumière de ce faisceau, qui émerge ainsi de la lame 5 (faisceau 4') avec une polarisation d'orientation inchangée, comme schématisé par la double flèche F1 repérant cette orientation. Par contre! l'angle d'incidence du faisceau 3 d'ordre zéro sur la lame 5 est égal à l'angle O de diffraction, qui sépare les deux faisceaux émergeant de l'hologramme 2. Le faisceau se propage alors dans l'épaisseur de la lame en faisant un angle ss, tel que, selon la deuxième loi de Descartes nO étant l'indice ordinaire de la lame 5. On sait qu'alors la lame 5 introduit entre les deux composantes TE et TM du faisceau 3 un déphasage #TE - #TM tel que #TE - #TM = [2#d/#COSss] . [n0-(n02COS2ss+ne2sin2ss)] (2) X étant la longueur d'onde de la lumière, ne et d l'indice extraordinaire et l'épaisseur, respectivement, de la lame 5. Si on suppose maintenant que la polarisation plane du faisceau 3 est telle que le vecteur électrique du rayonnement est incliné de 45" sur le plan d'incidence du faisceau, comme schématisé à la figure 1, les composantes TE et TM du faisceau 3 d'ordre zéro présentent des intensités égales et le plan de polarisation du faisceau 3 tourne de 90 dans sa traversée de la lame 5 si #TE - #TM = # c'est-à-dire, en introduisant cette condition dans l'équation (2) ci-dessus, si 2d[n,(n," COS2 P+n, sin2 ]=Acosss (3) En choisissant l'épaisseur d de la lame et l'angle O de diffraction de l'hologramme de manière que la relation (3) soit satisfaite, les plans de polarisation des deux faisceaux 3' et 4' qui émergent de la lame 5 sont orientés à 900 l'un de l'autre. Suivant l'invention, ces faisceaux sont interceptés par un polariseur classique 9 orienté de manière que son plan de transmittance maximum soit orienté parallèlement à la direction de la double flèche F1, de manière que ce polariseur transmette le faisceau diffracté 4'. Le polariseur absorbe simultanément le faisceau 3 d'ordre zéro dont le plan de polarisation, repéré par la flèche F2, est orienté à 90" de celui du faisceau diffracté. La lumière qui émerge du polariseur est alors complètement débarrassée du faisceau d'ordre zéro. On remarquera que, grâce à leur parallélisme, obtenu par l'orientation, suivant l'invention, du faisceau diffracté 4 perpendiculairement au plan de l'hologramme et à celui de la lame 5, l'hologramme 2, la lame 5 et le polariseur 9 peuvent être accolés à l'un des deux autres éléments, ou tous ensemble, ce qui donne au dispositif un encombrement très réduit, conformément à l'un des buts assignés à la présente invention. Si l'axe de la lame 5 est orienté suivant la flèche 7, parallèlement aux faces d'extrémité de la lame et à 450 du plan de polarisation de la lumière incidente sur cette lame, on établit le même écart de 900 entre les plans de polarisation des faisceaux 3' et 4' qui émergent de cette lame, en choisissant d et O pour que la relation suivante soit satisfaite 2 (ne - nO) d = Rcosp/(l-cosp) fi vérifiant la relation (1) ci-dessus. On absorbe le faisceau d'ordre zéro 3' transmis comme expliqué précédemment. On a réalisé un dispositif conforme aux caractéristiques exposées ci-dessus. Des mesures ont montré que le dispositif permet de réduire d'au moins 400 fois l'intensité du faisceau d'ordre zéro, dont l'influence sur le faisceau de lumière utile devient alors négligeable. La lame 5 du dispositif suivant l'invention peut être réalisée à l'aide de divers matériaux biréfringents bien connus dans la technique. Ce peut être par exemple une lame dite "demi-onde" réalisée dans un cristal uniaxial, ou une lame de mica, convenablement taillé. On pourra utiliser aussi un film d'un polymère biréfringent tel qu'un film d'alcool polyvinylique étiré, une cellule à cristaux liquides ou encore une lame faite en un matériau optiquement actif tel que décrit dans l'ouvrage intitulé "Optical wave in crystal", auteurs : A. Yariv, P. Yech, New York, Wiley International Publications, 1984. On peut encore utiliser, suivant l'invention, une lame en un verre poreux biréfringent, tel que l'un de ceux décrits l'ouvrage intitulé "Phase separation in glass préparé par O.V. Mazurin et E.A. Porai-Koshits, édité en 1984 par North Holland (Amsterdam-Oxford- New York-Tokyo). Les lames réalisées par taille d'un cristal biréfringent tel le mica sont coûteuses, tant du fait du prix du cristal lui-même que du coût de sa tailler qui doit être très précise. Pour réduire le coût de la lame 5, on peut penser à utiliser des films de polymères biréfringents mais ceux-ci sont desservis par un fort taux de diffusion de la lumière et par des propriétés mécaniques et physiques sujettes à des dégradations. C'est pourquoi, suivant l'invention, on utilisera préférentiellement du verre poreux pour constituer la lame 5. Le verre poreux présente la stabilité du verre et une biréfringence substantielle (voir l'ouvrage de Mazurin et autres précité, et un ouvrage rédigé sous la direction de B.G. Varshal intitulé "Biphasic glasses : structure, propertie, applications", édité par l'Académie des Sciences de l'URSS, Léningrad, 1991. Des expériences ont montré que l'on pouvait réaliser un verre poreux faiblement dispersif et présentant une biréfringence caractérisée par une valeur de Ino - nel d'environ 1,3.10-3. On peut alors réaliser une lame 5 d'une épaisseur d'environ 1 mm, en un tel verre poreux, sans grande contrainte sur la précision d'usinage des surfaces de la lame, ce qui réduit encore le prix d'une telle lame, réalisée en un matériau peu coûteux. A titre d'exemple illustratif et non limitatif de la présente invention, on va maintenant décrire son application à la projection d'images vidéo ou de télévision, en liaison avec les figures 2 et 3 du dessin annexé. On retrouve dans ces figures, l'hologramme 2 (ou 2', ou 2") la lame biréfringente 5 et le polariseur 9 du dispositif suivant l'invention. A la figure 2, on a représenté schématiquement le système optique d'un projecteur d'images vidéo affichées sur un panneau constitué par une matrice 10 rectangulaire de cellules à cristaux liquides commandées électriquement par des moyens électroniques (non représentés), les différentes cellules de la matrice étant délimitées par un masque opaque 11 (dit "black matrix") accolé à celle-ci. Il s'agit donc de projeter une image réelle de l'image réelle affichée par la matrice 10 sur un écran de projection (non représenté) à l'aide d'un objectif de projection 12 reprenant l'image affichée. Pour ce faire, on projette, de manière connue, de la lumière polarisée à travers chaque cellule à cristaux liquides de la matrice 10, ces cellules agissant sélectivement en obturateur (ou "vanne") de lumière. La lumière provient d'une source 13 de lumière blanche, qui traverse un analyseur 14 qui lui donne une polarisation plane. Avantageusement, cet analyseur peut être remplacé par un convertisseur de lumière tel que décrit dans la demande de brevet français déposée ce jour par la demanderesse et intitulée "Convertisseur de lumière blanche naturelle en lumière à polarisation plane", ce convertisseur évitant toute perte d'énergie lumineuse issue de la source 13. La lumière ainsi polarisée est reçue par l'hologramme 2'. Conformément à un agencement connu de la publication intitulée "Compact spatio-chromatic single LCD Projection Architecture" par B.H.Loiseaux et autres, publiée sous la référence 57-4 aux pages 87 et 88 des actes de la Conférence ASIA DISPLAY'95 qui s'est tenue à Hiroshima, Japon. Cet hologramme produit une pluralité de triplets de pinceaux de lumière rouge R, verte V et bleue B respectivement, les pinceaux de chaque triplet étant focalisés par une microlentille d'un réseau 15 de telles microlentilles sur trois cellules adjacentes 16, 17, 18 de la matrice 10, qui définissent un des pixels de l'image à projeter. Bien entendu, comme cela apparaît sur le schéma de la figure 1, les pinceaux émis par l'hologramme 2 traversent une lame biréfringente 5 et un polariseur 9 convenablement orientés pour absorber, suivant l'invention, le faisceau d'ordre zéro ayant traversé l'hologramme, de manière que ce faisceau n'éclaire pas le réseau 15 de microlentilles qui focalisent ces pinceaux. La commande électronique des cellules de la matrice débloque sélectivement le passage de la lumière à travers un polariseur 19 disposé en avant de l'objectif 12, ce polariseur étant orienté de manière à bloquer normalement le passage de cette lumière, suivant un mode de fonctionnement classique d'une matrice à cellules à cristaux liquides. On remarquera, que de manière particulièrement compacte, la lame 2', la lame 5 et le polariseur 9 sont accolés les uns aux autres. On se réfère maintenant à la figure 3 du dessin annexé où l'on a représenté un autre mode de réalisation du système optique d'un projecteur d'images vidéo incorporant le dispositif suivant l'invention. Sur cette figure, des références numériques identiques à des références utilisées sur la figure 2 repèrent des éléments identiques ou similaires. C'est ainsi que l'on retrouve dans le système optique de la figure 3, les éléments 5, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 16, 17, 18 et 19 définis ci-dessus. En fait le système optique de la figure 3 se distingue de celui de la figure 2 par le contenu de l'hologramme 2" accolé à la lame biréfringente 5 et par l'absence du réseau de microlentilles 15 du système de la figure 2. On décrit dans la publication intitulée "Holographic optical element for liquid crystal projectors" par N. Ichikawa, référencée S32-1 dans les actes de la conférence ASIA DISPLAY'95 précitée, la structure et le fonctionnement d'un hologramme propre à constituer l'hologramme 2". On y décrit également un procédé de fabrication de cet hologramme. Celui-ci est constitué par une pluralité de réseaux, associés chacun à un des triplets de cellules rouge, verte et bleue constitutives d'un pixel de la matrice 10 à cristaux liquides. Chaque réseau diffracte la lumière incidente de manière à former trois pinceaux rouge, vert et bleu respectivement, focalisés chacun sur la cellule 16, 17, 18 correspondante du triplet. Le réseau 15 de microlentilles du dispositif de la figure 2 devient alors inutile. On remarquera que les composants 2", 5, 9, 11 et 10 étant tous plans peuvent être accolés les uns aux autres, ce qui donne au système optique une très grande compacité, conformément à l'un des objectifs essentiels poursuivis par la présente invention. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. REVENDICATIONS 1. Dispositif de suppression du faisceau (3) d'ordre zéro émergeant d'un hologramme (2;2';2") éclairé en lumière polarisée, caractérisé en ce qu'il comprend a) une lame (5) en un matériau biréfringent éclairée par ledit faisceau (3) et le faisceau diffracté (4) qui émergent de l'hologramme (2;2';2"), cette lame (5) étant agencée et dimensionnée de manière que l'un des faisceaux émerge de la lame (5) sans que son plan de polarisation ait subi une rotation sensible alors que le plan de polarisation de l'autre a subi une rotation de 90" et, b) un polariseur (9) éclairé par les deux faisceaux qui émergent de la lame biréfringente (5), le plan de transmittance maximum de ce polariseur (9) étant parallèle au plan de polarisation du faisceau (4') qui émerge de la lame biréfringente à partir du faisceau (4) diffracté par l'hologramme (2;2';2"). 2. Dispositif conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que la lame (5) est en matériau biréfringent uni-axe, ledit axe (6) étant perpendiculaire à la surface de la lame (5) dont les indices de réfraction ordinaire (nO) et extraordinaire (ne) sont liés à l'épaisseur (d) de la lame et à l'angle de diffraction O de l'hologramme par les relations 2dans nO-(n02cos2ss+ne2sin2ss) fi)112] = icosss et fi = arcsin (sinO/no) 3. Dispositif conforme à la revendication 1, ou à la revendication 2 caractérisé en ce que la lame (5) en matériau biréfringent est constitué par du verre poreux. 4. Dispositif conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que la lame (5) en matériau biréfringent est uni-axe, ledit axe (7) étant parallèle à la surface de la lame (5) et orienté à 450 du plan de polarisation des faisceaux incidents sur la lame (5), les indices de réfraction ordinaires (nO) et extraordinaire (ne) étant liés à l'épaisseur (d) de la lame et à l'angle de diffraction O de l'hologramme par les relations 2d (nO-ne) d = Acosss/ (1 -cos) ss= = arcsin (sinO/no > 5. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le faisceau (4) diffracté par l'hologramme (2;2';2") ou le faisceau d'ordre zéro est orienté perpendiculairement à la surface de l'hologramme. 6. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'au moins deux des éléments du groupe formé par : l'hologramme (2;2';2"), la lame biréfringente (5) et le polariseur (9) sont accolés l'un à l'autre. 7. Projecteur d'images vidéo affichées dans une matrice active (10) de cellules à cristaux liquides traversées chacune par un pinceau de lumière polarisée émergeant d'un hologramme (2l;2l'), caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de suppression (5, 9) du faisceau d'ordre zéro émergeant dudit hologramme (2';2") conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 6. 8. Projecteur conforme à la revendication 7, caractérisé en ce que l'hologramme (2') diffracte un triplet de pinceaux (R, V, B) de lumière de chacune des trois couleurs primaires (R, V, B), sur chacune des microlentilles optiques d'un réseau (15) de telles lentilles accolé à la matrice (10) pour éclairer des triplets de cellules (16, 17, 18) associées à un pixel particulier de l'image à projeter. 9. Projecteur conforme à la revendication 7, caractérisé en ce que l'hologramme (2") est constitué par l'assemblage d'une pluralité de réseaux de diffraction qui diffractent et focalisent, chacun, trois pinceaux de lumière d'une des trois couleurs primaires (R, V, B) respectivement, sur trois cellules (16, 17, 18) associées à un pixel particulier de l'image à projeter.