Brevet FR2771186A1 — publié le 19990521

DISPOSITIF À MIROIRS POUR FAIRE TOURNER LA POLARISATION D'UN SIGNAL ELECTROMAGNETIQUE L'invention est relative à un dispositif à miroirs pour faire tourner la polarisation d'une onde électromagnétique, notamment une onde lumineuse. Elle concerne aussi l'application d'un tel dispositif à un appareil de projection d'images du type à cristaux liquides. Dans un certain nombre de technologies il est néces- saire de faire tourner la polarisation d'une onde électromagnétique. Dans ce qui suit on se limitera à l'exemple d'un projecteur d'images fixes ou animées dans lequel les images sont engendrées dans un élément à cristaux liquides de type nématique. On sait que de tels cristaux liquides doivent être éclairés par de la lumière polarisée linéairement dans une direction déterminée par rapport aux axes du cristal liquide. Pour produire cette lumière polarisée linéairement, on utilise une source de lumière non polarisée et un séparateur de polarisation qui fournit, dans une première direction, de la lumière polarisée convenant pour éclairer l'élément à cristaux liquides et, selon une direction perpendiculaire, de la lumière présentant la polarisation croisée, c'està-dire une lumière dont le vecteur de polarisation est tourné de 90 par rapport à la lumière dans la première direction. Pour que la totalité, ou une grande partie, de l'énergie fournie par la source lumineuse soit utilisée pour éclairer l'élément à cristaux liquides, on fait souvent appel à un dispositif de rotation de polarisation qui fait tourner de 90 la polarisation de la lumière récupérée en polarisation croisée. Pour faire tourner la polarisation de 90 deux solu- tions sont connues. La première solution consiste à prévoir une lame dite quart d'onde, ou X/4, qui transforme la polarisation linéaire croisée en une polarisation circulaire dans un sens et un miroir qui réfléchit la lumière à polarisation circulaire. Le signal réfléchi présente une polarisation circulaire dans l'autre sens et, après traversée de la lame quart d'onde, la polarisation linéaire de ce signal est perpendiculaire à la direction qu'elle présentait à l'entrée de cette lame quart d'onde. Ainsi, à la sortie de la lame quart d'onde, après réflexion sur le miroir, la lumière présente la polarisation linéaire de direction conve- nable. Un tel dispositif, dans lequel les faisceaux entrant et sortant ont la même direction, est relativement peu encombrant; c'est pourquoi il est couramment utilisé. Il présente cependant l'inconvénient de ne fonctionner correctement que pour une seule longueur d'onde et pour une direction déterminée. La seconde solution connue consiste à prévoir un arrangement de deux miroirs constituant les faces d'un prisme à réflexion totale sur lesquelles la lumière présente une incidence de 45 . L'orientation et la disposition de ces miroirs sont telles que la polarisation garde la même direction après réflexion sur l'un des miroirs et prend la direction perpendiculaire après réflexion sur l'autre miroir. Un tel dispositif de rotation de la polarisation est peu sensible à la longueur d'onde. Toutefois, il présente un encombrement gênant. De plus, étant donné que le faisceau sortant de ce dispositif est perpendiculaire au faisceau entrant, il s'adapte mal aux applications usuelles qui nécessitent que le faisceau entrant et le faisceau sortant aient la même direction. L'invention fournit un dispositif de rotation de pola- risation qui présente les avantages des deux solutions connues jusqu'à présent sans leurs inconvénients. Le dispositif selon l'invention est donc insensible à la longueur d'onde, il est peu encombrant, et le faisceau de sortie est dans la même direction que le faisceau d'entrée. Ce dispositif dans lequel le faisceau de sortie pré- sente la même direction que le faisceau d'entrée, est caractérisé en ce qu'il comprend au moins un ensemble de trois miroirs sur lesquels la lumière est réfléchie à chaque fois avec une incidence de 45 et en ce que le faisceau incident et les miroirs sont disposés de façon telle que deux miroirs maintiennent la direction de polarisation et le troisième fait tourner cette polarisation de 900. Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, on prévoit une pluralité d'ensembles de trois miroirs, chaque ensemble formant un motif répété régulièrement, les motifs ayant tous des formes et des dimensions identiques. Il est particulièrement avantageux que ces motifs constituent des reliefs d'une face d'une plaque en matériau transparent. Dans ce cas, le dispositif de rotation de polarisation peut être réalisé par moulage, par exemple en une matière plastique transparente telle qu'une matière acrylique. On notera que les matières transparentes habituellement utilisées présentant un indice de réfraction compris généralement entre 1,4 et 1,7, la réflexion totale apparaît à partir d'un angle d'incidence de 40 environ. Dans ces conditions, l'incidence à 45 correspond à la réflexion totale, c'est-à-dire sans perte. De préférence, les motifs sont jointifs et, en projec- tion sur un plan perpendiculaire aux rayons incidents, ces motifs remplissent entièrement une surface, sans solution (interruption) de continuité. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront avec la description de certain de ses modes de réa- lisation, celle-ci étant effectuée en se référant aux dessins ci-annexés sur lesquels: la figure 1 est un schéma en perpective d'une partie d'un projecteur comprenant une plaque de rotation de polarisation conforme à l'invention, la figure 2 est un schéma montrant, en perspective, le relief de la plaque conforme à l'invention, la figure 3 est une vue de dessus à plus grande échelle du motif de la plaque représentée sur la figure 2, et la figure 4 est un schéma en perpective, dans un repère à trois axes rectangulaires, du motif de la plaque selon l'invention, ce schéma montrant aussi des rayons lumineux et leurs vecteurs de polarisation. Sur la figure 1, on a représenté une partie d'un pro- jecteur à cristaux liquides, appelé quelquefois "projecteur LCD". Ce projecteur comprend une source lumineuse 10 produisant un faisceau lumineux 12 non polarisé. Ce faisceau 12 est dirigé vers un séparateur 14 de polarisation, qui, dans l'exemple, se présente sous la forme de deux prismes 16 et 18 ayant une face commune 20 qui effectue la séparation de polarisation. Cette face 20 est orientée à 45 par rapport au faisceau incident 12. Le faisceau 12 atteignant cette face 20 est séparé, d'une part, en un faisceau transmis 22 polarisé linéairement avec un vecteur P1 qui, dans l'exemple, est horizontal et qui correspond à la polarisation souhaitée et, d'autre part, en un faisceau 24 réfléchi par la face 20, et donc perpendiculaire au faisceau incident 12, dont le vecteur de polarisation S est vertical, c'est-à-dire perpendiculaire au vecteur PI. Le faisceau 24, perpendiculaire au faisceau 22, est dirigé vers la plaque 26 en matériau transparent qui constitue le dispositif de rotation de polarisation conforme à l'invention. Le faisceau 24 pénètre dans la plaque 26 perpendiculairement à sa face d'entrée 28. Sur les reliefs se trouvant sur la face 30 opposée à la face 28, le faisceau incident 24 est réfléchi de manière telle qu'il ressort de la face 28 selon un faisceau 32, dans la même direction mais avec une polarisation P perpendiculaire à la polarisation S, c'est-à- dire une polarisation horizontale. Le faisceau 32 retraverse le séparateur 14 et en ressort, selon un faisceau 34, en ayant gardé la polarisation horizontale P2, comme la polarisation P1 du faisceau 22. Ces faisceaux 22 et 34 sont dirigés, par des moyens à miroir(s) (non représentés), vers un élément à cristaux liquides (non montré) formateur d'images. La plaque 26 de l'invention est réalisée en une matière plastique transparente. Elle présente des reliefs représentés en perspective sur la figure 2. Ces reliefs constituent un réseau régulier formé par la répétition d'un motif 40. Un motif élémentaire 40 est représenté en vue de dessus sur la figure 3 et en perspective sur la figure 4. Les motifs se déduisent les uns des autres par des translations selon des vecteurs parallèles au plan de la face d'entrée 28. Un tel motif 40 est formé de trois faces 42, 44, 46 constituant chacune un miroir. La première face 42 est perpendiculaire au plan de la face d'entrée 28. Certaines des faces 42 ont été représentées avec des hachures sur la figure 2, sur lesquelles on remarque que toutes les faces 42 sont soit dans le même plan soit parallèles entre elles. La seconde face 44 présente une inclinaison à 45 , d'une part par rapport à la face 42, et, d'autre part par rapport à la face d'entrée 28 de la plaque 26. De même, la troisième face 46 de chaque motif 40 est inclinée à 45 , d'une part par rapport à la face 42, et d'autre part par rapport à la face 28. Elle présente une arête commune 48 avec la face 44. Les faces 44 et 46 sont symétriques par rapport au plan défini par l'arête commune 48 et la direction perpendiculaire à la face 28. La géométrie du motif 40 va maintenant être décrite de façon précise avec la figure 4. Pour définir la forme et les dimensions du motif, on a tracé un trièdre trirectangle avec des axes Ox d'abscisses, Oy d'ordonnées et Oz d'altitudes. L'origine O de ce trièdre se trouve au point commun à l'arête 48 et à la face 42. Le plan défini par les axes Ox et Oy est parallèle à la face 28. La face 42 a la forme générale d'un V renversé avec deux arêtes d'extrémité A1-A2 et C1-C2 de longueurs égales, de mêmes altitudes et parallèles à l'axe Oz. Les coordonnées des sommets Ai, O, C1, C2, B1 et A1 de cette face 42 sont les suivantes: o a ao O; A1 a; A2; B1 av 0 ar 2 2 o o -a -a C2 l C a2 -a, 1a2 De façon classique, dans chaque colonne associée à chaque point la première valeur représente l'abscisse, la seconde valeur représente l'ordonnée et la troisième valeur représente l'altitude. a est une longueur qui, dans l'exemple, a pour valeur 1 mm environ ou moins. On notera que la notation des sommets est telle que l'indice 1 correspond à l'altitude - a- et l'indice 2 à l'al- titude -a g. La face 44 présente la forme générale d'un losange dont les sommets sont A1, O, E1 et F2. Les coordonnées des sommets E1 et F2 sont les suivantes: a a o a E1 a F2 -aJ Enfin, la troisième face 46 est identique à la face 44, c'est-à-dire qu'elle a la forme d'un losange O, C1, D2, E1. Le sommet D2 a pour coordonnées: a -a Un motif adjacent 40' qui se déduit du motif 40 par une translation selon l'axe Ox, se raccorde au motif 40 de façon telle que ce motif 40' présente ses sommets F'2,E'1 et D'2 confondus avec les sommets respectivement A2, B1 et C2. Le motif adjacent 40", qui se déduit du motif 40 par une translation selon la direction de l'axe Oy des ordonnées, présente des sommets A"2, A"1 et F2" confondus avec les sommets, respectivement C2, C1 et D2 du motif 40. Ainsi tous les motifs se raccordent sans discontinuité, c'est-à-dire sans solution de continuité et ils sont tous à la même altitude. La face 30 se présente comme une face avec des reliefs de profondeur totale On voit qu'en projection sur le plan Oxy, parallèlement à l'axe Oz, les motifs occupent entièrement la surface, sans espaces vides. L'épaisseur de la plaque 26 est au moins a-wX. Dans un exemple, cette épaisseur est de l'ordre de 2 à 3 mm. L'orientation de la plaque 26 par rapport au séparateur de polarisation 14 doit être choisie de façon telle qu'un rayon entrant présente son vecteur de polarisation parallèle à la direction E1C1 ou parallèle à la direction AlE1, c'est-à-dire à 45 par rapport aux axes Ox et Oy et, de toute façon, parallèle au plan défini par ces axes Ox et Oy et donc parallèle à la face d'entrée 28. On considère d'abord un rayon incident 24 selon l'axe Oz et de polarisation V parallèle à AlE1 qui est réfléchi en premier lieu par la face 44. Le rayon réfléchi 50 présente un vecteur de polarisa- tion V' également parallèle à AlE1. Ce rayon 50 se réfléchit sur la première face 42 perpendiculaire à la face d'entrée. Le rayon 52 qui en résulte présente un vecteur de polarisation V'1 qui est tourné à 90 , c'est-à-dire parallèle à E1C1. Le rayon 52 se réfléchit sur la face 46, également avec une incidence de 45 . Le rayon sortant 32 est parallèle au rayon entrant 24, c'est-à- dire parallèle à l'axe Oz, et son vecteur de polarisation V'2 est encore parallèle à E1C1, c'est- à-dire perpendiculaire au vecteur V de polarisation du faisceau incident 24. On comprend aisément qu'un rayon incident sur la face 46 de direction Oz et ayant une polarisation parallèle à E1C1 sort avec une polarisation perpendiculaire. Un rayon 24 entrant avec une polarisation parallèle à E1C1 et réfléchi en premier lieu par la face 44 est renvoyé de manière telle que le rayon réfléchi 50 présente une polarisation de direction perpendiculaire, c'est-à-dire parallèle à AlE1. Les réflexions ultérieures sur les faces 42 et 46 ne modifient plus l'orientation du vecteur de polarisation qui ressort ainsi avec une direction parallèle à A1E1. En résumé: les rayons pénètrent dans la plaque 26 perpendiculairement à la face 28 avec un vecteur de polarisation à 45 par rapport aux axes Ox et Oy; chaque rayon incident est d'abord réfléchi par le miroir à réflexion totale 44 ou 46 sous une incidence de 450; le miroir 42, également à réflexion totale, reçoit le rayon venant du miroir 44 ou 46 et le réfléchit aussi; l'incidence est également de 45 et les rayons incident et réfléchi sont dans un plan parallèle au plan xOy; le rayon réfléchi par le miroir 42 subit une dernière réflexion, avec une incidence à 450, sur le miroir 46 ou 44. Le vecteur de polarisation subit une modification de direction sur un seul des trois miroirs. Bien que dans le mode de réalisation décrit ci-dessus le séparateur de polarisation soit constitué par un ensemble de deux prismes, il va de soi que tout autre séparateur de polarisation peut convenir, par exemple une lame verre/air fonctionnant avec une incidence sous angle de Brewster ou un film séparateur de polarisation tel que celui vendu sous la dénomination DBEF (Duel Brightness Enhanced Film) par la firme 3M. I"l.m I,min i., 1 w_,,,_11... -,_.. -..................... REVENDICATIONS 1. Dispositif à miroirs pour faire tourner de 90 la polarisation d'un signal électromagnétique, notamment d'un signal lumineux, le rayon de sortie ayant sensiblement la même direction que le rayon d'entrée, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un ensemble (40) de trois miroirs (42, 44, 46) disposés de façon telle qu'un rayon pénétrant avec une incidence de 45 sur l'un des miroirs est réfléchi avec la même incidence sur les autres miroirs, le vecteur de polarisation (V) du rayon incident étant présenté de façon telle par rapport aux miroirs qu'une réflexion sur l'un des trois miroirs modifie la direction de polarisation tandis que les réflexions sur les deux autres miroirs ne modifient pas cette direction de polarisation. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité d'ensembles (40, 40', 40") de miroirs, chaque ensemble formant un motif qui est répété régulièrement, les motifs ayant tous des formes et des dimensions identiques. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'en projection parallèle au rayon incident (24), sur un plan (xOy) perpendiculaire au rayon incident, les motifs sont jointifs et remplissent entièrement une surface déterminée, sans solution de continuité. 4. Dispositif selon la revendication 2 ou 3, caracté- risé en ce que les motifs constituent des reliefs d'une face (30) d'une plaque (26) en matériau transparent, l'indice de réfraction du matériau de cette plaque étant tel que les réflexions à 45 à l'intérieur de cette plaque correspondent à des réflexions totales. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la plaque présente une face d'entrée (28) par laquelle les faisceaux entrent et sortent perpendiculairement à cette face, et en ce que chaque motif (40) comporte une face (42) perpendiculaire à la face d'entrée. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les motifs sont tous à la même altitude par rapport à la face d'entrée (28). 7. Dispositif selon la revendication 5 ou 6, caracté- risé en ce que les seconde (44) et troisième faces (46) de chaque motif sont symétriques par rapport à un plan contenant leur arête commune (48) et la direction (Oz) perpendiculaire à la face d'entrée (28). 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que dans un repère trirectangle (Oxyz) pour lequel le plan (Oxy) des abscisses et des ordonnées est parallèle à la face d'entrée (28) et l'origine correspond au sommet (O) du motif le plus éloigné de cette face d'entrée (28), les sommets O, Ai, A2, B1, C2, C1, F2, E1 et D2 du motif ont les coordonnées suivantes: o o oo o a a o O; A 1 A2; B1 o a2 -a'J- a-/2 2 2 o o a -a -a -a C2 C1; D2 -a- - -a.N[ a a o a E1 a 2 F2 -av a étant une longueur constante. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 8, caractérisé en ce que la plaque est réalisée par moulage. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 9, caractérisé en ce que le matériau de la plaque contient une matière plastique. 11. Application du dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes à la conversion du rayonnement d'une source (10) de rayonnement (12) non polarisé en un rayonnement présentant une polarisation linéaire d'une direction déterminée, l'appareil comprenant en outre un séparateur (14) de polarisation délivrant un premier rayonnement (22) avec une polarisation linéaire (Pl) selon une direction déterminée et un rayonnement (24) selon la polarisation (S) perpendiculaire qui est appliqué au dispositif de rotation de polarisation de façon que la polarisation du rayonnement sortant (32) soit dans le même plan que la polarisation (P1) du premier rayonnement (22). 12. Appareil de projection à élément formateur d'images à cristaux liquides comprenant un dispositif selon l'une quel- conque des revendications 1 à 10.