Brevet FR2793566A1 — publié le 20001117

SEPARATEUR DE POLARISATIONS L'invention concerne un séparateur de polarisations optiques réalisant la séparation spatiale de deux composantes de polarisation orthogonales avec une large acceptance angulaire et spectrale. Ce séparateur est applicable particulièrement dans la visualisation à cristal liquide. En effet, I'utilisation de séparateurs de polarisations ou PBS (Polarization Beam Splitter) permet d'améliorer le rendement lumineux dans des architectures de projecteurs à cristaux liquides transmissifs ou de séparer le faisceau issu de l'éclairage de celui, modulé, devant être projeté, dans des architectures de projecteurs cristaux liquides réflexifs. Il existe deux grandes familles de séparateurs de polarisation Une première famille utilise conjointement un filtre interférentiel composé de couches diélectriques et l'effet Brewster. Il s'agit du polariseur de type Neille décrit par exemple dans le document " High Performance Thin Film Polarizer for the UV and visible spectral regions " de J.A. DOBROWOLSKI and A. WALDORF, Applied Optics, Vol. 20, p. 111, 1981. Cette technique est très utilisée dans les séparateurs de polarisations actuellement disponibles sur le marché. Un tel séparateur se présente généralement sous forme d'un cube, les couches diélectriques faisant un angle de 45 avec la normale. Leur principal défaut est la faible acceptance angulaire, de l'ordre de + 7 , souvent insuffisante pour les applications en visualisation. La bande spectrale accessible dépend de la combinaison des couches et peut atteindre l'ensemble du spectre visible. Une deuxième famille de séparateurs utilise la réflexion totale de la lumière lorsque celle-ci franchit un dioptre, passant d'un milieu d'indice nl à un milieu d'indice n2 avec nl > n2. L'angle OR à partir duquel il y a réflexion totale se déduit des lois de Fresnel: OR =arcsin n2 n. Pour tout angle 0 > OR, il y aura réflexion totale. Le principe d'un tel séparateur est représenté par la figure 1 ainsi que par exemple dans la demande de brevet français n 2 685 500. Deux prismes 1 et 2 d'indice élevé sont séparés par une couche biréfringente 3 composée d'un cristal liquide polymérisé. L'axe optique de la couche est confondu avec le directeur de la molécule de cristal liquide de forme allongée. Les molécules sont alignées selon le plan de la couche de cristal liquide. Soit ne l'indice extraordinaire du cristal liquide, no l'indice ordinaire. Pour les cristaux liquides nématiques, on a ne > no. Supposons les indices des deux primes égaux à ne. L'une des polarisations incidentes sur l'interface prisme/couche de cristal liquide avec un angle n0 0 = oR =arcsin - ne verra l'indice ne et sera intégralement transmise, tandis que la polarisation orthogonale verra no se retrouvant ainsi dans des conditions de réflexion totale: elle est alors intégralement réfléchie. Soit P la polarisation dans le plan d'incidence (plan du dessin de la figure 1). Soit S la polarisation perpendiculaire au plan d'incidence (et perpendiculaire au plan du dessin). On voit que: - P voit l'indice no et est totalement réfléchie pour 0 > OR - S voit l'indice ne et est totalement transmise. L'exemple numérique donné dans la demande de brevet français n 2 685 500 correspond au cas du cristal liquide nématique: no = 1.5 ne = 1.65 indice des 2 prismes OR = 65 (dans le prisme) pour stabiliser la structure, le cristal liquide est polymérisé. Les angles pour lesquels la séparation de polarisation s'opère sont compris entre 62 et 85 (on ne compte pas les angles de 85 à 90 difficiles à utiliser) soit 12 dans un milieu d'indice 1.7 ce qui correspond à + 20 dans l'air. On voit que l'acceptance angulaire de ce composant est meilleure que celle d'un séparateur interférentielBrewster. La réflexion totale est de plus indépendante de la longueur d'onde 2B, dans la mesure o les indices ne et no de la couche varient peu avec X. L'invention concerne un dispositif dans lequel la couche biréfringente est de nature différente. L'invention concerne donc un séparateur de polarisations comprenant un milieu séparateur compris entre deux éléments transparents d'indices déterminés, caractérisé en ce que le milieu séparateur comprend une structure périodique de couches de matériaux d'indices différents de pas faible devant la longueur d'onde d'un faisceau incident. Cet empilement forme par " form birefringence " un milieu biréfringent uniaxe d'axe optique perpendiculaire au plan de la structure périodique. Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre et dans les figures annexées qui représentent: - la figure 1, un exemple de séparateur connu dans la technique; - la figure 2, un exemple de réalisation d'un séparateur selon l'invention; - la figure 3, un schéma explicatif de la structure de la figure 2; - les figures 4 et 5, des courbes d'indices ordinaire et extraordinaire. On va maintenant décrire un exemple de réalisation d'un séparateur de polarisations selon l'invention. Ce séparateur tel que celui représenté en figure 2 comporte une structure périodique d'indice 13 comprise entre deux milieux 1 1 et 12 transparents aux longueurs d'ondes du faisceau lumineux incident à traiter. La structure périodique est de préférence une alternance de couches minces de deux matériaux d'indices différents nl et n2. Elle peut être également un réseau en volume enregistré dans un matériau holographique. Le pas de la structure périodique est faible devant les longueurs d"ondes du faisceau incident. Lorsque le pas de la structure périodique d'indice, est suffisamment faible devant la longueur d'onde de la lumière incidente, celle- ci ne résout pas la modulation d'indice de la structure et voit un milieu biréfringent uniaxe " artificiel " dont l'axe optique est normal au plan des couches d'indice égal. Pour un empilement de couches minces d'indices nl, n2 et d'épaisseur d1, d2, on démontre que les indices vus par une lumière de longueur d'onde X telle que X >> dl, d2 (typiquement dl, d2 2 = 1 2 2 dl +d2 1 d1 +d2 2 i l2 + -'2 2 2 La différence n e - n o est toujours négative donc ne OR. La polarisation S incidente voit un indice no, égal à celui du prisme, et est donc intégralement transmise. On va maintenant décrire deux exemples pratiques de réalisation selon l'invention. Selon un premier exemple, le milieu biréfringent est réalisé par un empilement de couches de MgF2 et de TiO2 avec: indice du MgF2: 1.38 = nl, épaisseur d1 indice du TiO2: 2.4 = n2, épaisseur d2 La courbe de la figure 4 donne les évolutions de ne et no en fonction de la proportion k de MgF2 en épaisseur dans l'empilement: k= dl d1 +d2 On voit que pour k = 0.75 on a no = 1.7 et ne = 1.5. Il est possible d'utiliser des prismes d'indice 1.7. L'angle OR pour le saut d'indice 1. 7-1.5 est égal à 62 . L'épaisseur des couches diélectriques dl et d2 pour être dans les conditions de " form biréfringence " pour l'ensemble du spectre visible est environ telle que dl + d2 On démontre que pour le cas considéré, l'épaisseur totale du multicouche doit être au moins égale à X pour avoir une réflexion totale non frustrée. L'épaisseur de 7 paires de couches MgF2 / TiO2 telles que dl + d2 = 100 nm vérifie cette condition pour tout le spectre visible (Xe [0.4 pm - 0.65 pm]). Selon un deuxième exemple de réalisation, le milieu biréfringent est constitué d'un empilement de couches de silicium et de couches de MgF2. La bande passante angulaire du composant est proportionnelle à l'écart entre indice ordinaire et indice extraordinaire, lui-même fortement corrélé à l'écart entre les indices des deux matériaux constituant l'empilement diélectrique. On peut utiliser des matériaux à très fort indice tel le silicium (n = 3.8), malgré le fait qu'ils ne sont pas transparents dans le visible (partie imaginaire de l'indice de 0.1 dans le bleu et de 0.01 dans le rouge). En effet, son fort indice permet de réaliser des empilements dans lesquels il n'intervient que pour une part très faible, environ 10 % (cf. figure ), son absorption est alors négligeable. On voit sur la figure 5 que l'écart entre les indices ordinaire et extraordinaire obtenus avec 10 % de silicium est de 0.35. On pourrait utiliser d'autres semiconducteurs tels que AsGa et C (diamant). REVENDICATIONS 1. Séparateur de polarisations comprenant un milieu séparateur compris entre deux éléments transparents d'indices déterminés, caractérisé en ce que le milieu séparateur comprend une structure périodique de couches de matériaux d'indices différents de pas faible devant la longueur d'onde d'un faisceau incident, formant un milieu biréfringent uniaxe d'axe optique perpendiculaire au plan de la structure périodique, les deux éléments transparents étant en matériau d'indice sensiblement égal à l'indice ordinaire (no) de la structure périodique. 2. Séparateur de polarisations selon la revendication 1, O10 caractérisé en ce que la structure périodique comprend une alternance de couches. 3. Séparateur de polarisations selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure périodique est un réseau holographique en volume. 4. Séparateur selon l'une des revendications selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que l'épaisseur de la structure périodique est au moins égale à la longueur d'onde du faisceau incident.