Brevet FR2838529A1 — publié le 20031017

soit autre qu'un Laser. 4',, Awn ' 1 2838529 SEPARATEUR DE POLARISATION EN COUCHE MINCE, PRO CEDE POUR SA FABRICATION ET LENTILLE OPHTALMIQUE PRESENTANT DES INSERTS DE PROJECTION LE CONTENANT La présente invention concerne un séparateur de polarisation. L' invention concerne également un procédé de fabrication d'un tel séparateur de polarisation. Elle concerne aussi des lentilles ophtalmiques présentant des inserts de projection d'une image vers l'utilisateur comportant un tel séparateur de polarisation. 0 L'invention concerne enfin des dispositifs de projection d'une image vers l'utilisateur comprenant de telles lentilles ophtalmiques. Les séparateurs de polarisation sont des éléments optiques qui permettent de décomposer la lumière en ses composantes de polarisation différentes. La direction de polarisation de la lumière est défnie par rapport au plan d'oscillation du champ électrique. Le plus souvent, la lumière non polarisée est décomposée en ses deux polarisations linéaires orthogonales. On distingue alors la polarisation S (perpendiculaire) et la polarisation P (parallèle). Dans la lumière polarisée S. le plan d'oscillation est perpendiculaire au plan d'incidence défni par la normale de la surface et le vecteur d'incidence. Dans la lumière de polarisation P. le plan d' oscillation est parallèle au plan d' incidence. La séparation des composantes peut être réalisée par absorption ou par réflexion. La séparation de polarisation par réflexion est basée sur le principe de la transmission totale de la polarisation S. En effet, on sait qu'un rayon frappant un dioptre à un angle appelé angle de Brewster est décomposé en un rayon réfléchi totalement polarisé et un rayon réDracté partiellement polarisé de polarisation orthogonale. Le rayon réfléchi et le rayon transmis forment entre eux un angle droit. L'angle de Brewster dépend de l'indice de réfraction des deux milieux formant le dioptre. Les indices de réfraction étant variables avec la longueur d'onde, l'angle de Browster est également fonction de la longueur d'onde de la lumière. Ainsi, l'angle d'incidence d'un rayon ne pourra correspondre à l'angle de Browster que pour une certaine longueur d'onde seulement. Par conséquent, un tel polariseur n'est pleinement effcace que pour une longueur d'onde donnce seulement et ne permet pas la séparation de polarisation satisfaisante sur l' ensemble du spectre, notamment du spectre visible. Le séparateur de polarisation décrit dans US 5,400,179 présente un taux de séparation sensiblement constant pour des longueurs d'ondes supérieures à 720 nm, c'est-à-dire dans le proche infrarouge. Il est constitué d'un empilement de couches de 18554-16/04/02-1/14 2 2838529 matériaux dont l'oxyde de praséodymium Pr6O, ayant un indice de réfraction situé dans trois plages différentes. Par ailleurs, on conna^t des empilements de couches minces de matériaux de différents indices de réDraction sur un substrat comme revêtements antireflets. Ainsi, le document US 6,313,577 décrit un revêtement anti-reflets comportant des couches de titanate de praséodymium. Toutefois, cet empilement n'est pas adapté pour servir de séparateur de polarisation car le nombre de couches et les épaisseurs sont inadaptés. Ce traitement antireflets est optimisé pour une incidence normale, contrairement à un traitement de séparation de polarisation par réflexion, qui ne 0 fonctionne qu'en incidence oblique. Les types de séparateurs connus se révèlent cependant peu adaptés aux applications telles que les lentilles ophtalmiques présentant des inserts de projection d'une image vers l'utilisateur. On entend ici par lentilles ophtalmiques des systèmes de combinaison d'images 1S pour lunettes ou masques; une image est projetée vers l'_il du porteur par un chemin optique ménagé dans la lentille; on appelle alors "lentille" le système optique contenant les inserts, qui peut notamment être destiné à être monté dans une monture de lunettes ou dans un masque. Les inserts peuvent comprendre des miroirs, des lames semiréfléchissantes, des cubes séparateurs de polarisation, des lames quart d'onde, des lentilles, des miroirs, des lentilles réfléchissantes concaves (un miroir de Mangin, par exemple) des lentilles diffractives et/ou des composants holographiques. Un dispositif de projection d'images vers l'utilisateur comprend alors la lentille montée dans des lunettes ou masques et une source d'images telle qu'un afficheur à cristaux liquides, plus particulièrement un micro-display. Dans de telles applications, les éléments séparateurs de polarisation servent au traitement de la lumière polarisée émise par les afficheurs actuellement utilisés tels que les microdisplays. L'efficacité du séparateur de polarisation déterminera le contraste et la perte d'intensité et donc la luminosité de l'image et constitue donc un facteur primordial. Le choix de certains polymères comme substrat de la lentille ophtalmique impose une contrainte supplémentaire au cahier des charges. En effet, certains polymères doivent subir un traitement thermique à des températures supérieures à C. Après ce type de traitement, on constate souvent l'apparition de craquelures aux interfaces de l'empilement. 3s L'invention propose alors un séparateur de polarisation qui surmonte les inconvénients de l'art antérieur exposés et notamment résiste à des températures entre 100 et 150 C. 18554-16/04/02-2/14 3 2838529 L' invention est basée en particulier sur la découverte que l'utilisation de titanate de praséodymium permet d'obtenir des séparateurs de polarisation ayant une résistance accrue vis-à-vis de la température. s L'invention fournit donc un séparateur de polarisation comprenant un substrat pourvu d'un empilement alterné de couches de PrTiO3 et d'un matériau à indice de réfraction inférieur, l'épaisseur de ces couches e et e2 satisfaisant respectivement les relations: e, - 'n2 e - J 'n2 4nI2 24n22 dans lesquelles est la longueur d'onde considérée, n est l'indice de réfraction de la première couche et n2 l'indice de réfraction de la deuxième couche respectivement. Selon un mode de réalisation, le substrat est organique. Selon un mode de réalisation, le substrat organique est un polythiouréthane. Selon un mode de réalisation, le deuxième matériau est le dioxyde de siliclum. Selon un mode de réalisation, le séparateur comporte respectivement au moins 6 couches de titanate de prascodymium et du deuxième matériau. Selon un mode de réalisation, le séparateur est réalisé sous forme de cube formé de deux prismes dont un est revêtu de couches de PrTiO3 et de matériau à bas indice. L' invention a aussi pour obj et un procédé de fabrication d ' un séparateur de polarisation comprenant les étapes suivantes: 2s (i) fourniture d'un substrat; (ii) dépôt d'une couche de titanate de prascodymium d'une epaisseur e telle que définie à la revendication 1; (iii) dépôt d'une couche d'un deuxième matériau d'un indice de rétraction inférieur d'une épaisseur e2 telle qu définie à la revendication 1; et (iv) répétition des étapes (ii) et (iii) au moins une fois. Selon un mode de réalisation, l'étape iv) comprend au moins 5 répétitions des étapes ii) et iii). S elon un mode de réalisation, le sub strat est maintenu pendant les étap es ii) à iv) à une température supérieure à l'ambiante. 1 8554-16/04/02-3/14 4 2838529 Selon un mode de réalisation, le substrat est maintenu pendant les étapes ii) à iv) à une température comprise entre 80 et 1 20 C. Selon un mode de réalisation, le substrat est soumis à un nettoyage ionique préalablement à l'étape ii). Selon un mode de réalisation, le nettoyage ionique est réalisé à l' argon. Selon un mode de réalisation, la vitesse d'évaporation pendant l'étape ii) et iii) est de 1 à 10 nm/s; de prétérence 2 à 5 nm/s. L'invention a encore pour objet une lentille ophtalmique présentant des inserts 0 de projection d'une image vers l'utilisateur comprenant un séparateur de polarisation selon l'invention. Selon un mode de réalisation, le séparateur de polarisation est réalisé sous forme de cube. L'invention a encore pour objet un dispositif de projection d'une image vers l'utilisateur comprenant une lentille selon l'invention. Selon un mode de réalisation, le dispositif de projection comprend en outre un micro-display à cristaux liquides. L'invention sera décrite plus en détail à l' aide des figures en annexe, lesquelles montrent: Fig. 1 une représentation schématique d'un séparateur de polarisation selon un mode de réalisation de l'invention; Fig. 2 la transmittance de la lumière polarisée P et S respectivement en fonction de la longueur d'onde d'un séparateur de polarisation selon l'exemple 1; et Fig. 3 une représentation schématique d'une lentille ophtalmique présentant des inserts de projection d'une image vers l'utilisateur selon un mode de réalisation de l'invention. Un mode de réalisation d'un séparateur de polarisation selon l'invention est représenté schématiquement à la figure 1. Le séparateur comprend alors sur un substrat d'indice n3 un empilement de couches alternées de deux matériaux d'indice n et n2 respectivement. Le matériau d'indice n peut être le matériau à haut indice, à savoir PrTiO3, ou le matériau à bas indice; en effet, le séparateur de polarisation fonctionne aussi bien dans les deux cas. 1 8554-1 6/04/024/14 s 2838529 A chaque longueur d'onde correspond un couple de couches dont les épaisseurs el et e2 des constituants d'indice n et n2 respectivement sont calculées comme suit: e = n2 e = n2 Pour étre efficace dans une large plage de longueur d'onde, on découpe le spectre en différentes longueurs d'onde \. Le PrTiO3 est utilisé comrne matériau à haut indice. De préférence, le matériau est déposé sur le substrat en partant d'un composé non stocchiométrique [disponible chez Merck sous le nom de Substance H2] lequel est déposé par dépôt sous vide en 0 présence d'oxygène. Le composé se trouve alors sous la forme oxydée et forme un film transparent qui correspond à la formule PrTiO3. L'indice du PrTiO3 est de 2,00095 à 635 nm (longueur d'onde de référence). Le deuxième matériau a donc un indice inférieur à celui-ci. Parmi ces matériaux, on peut citer notamment le SiO2 et le MgF2, le SiO2, dont l'indice de réfraction est de 1,4786 à 635 nm s'étant révélé particulièrement adapté. Le substrat peut étre tout substrat transparent compatible avec le PrTiO3 et le matériau à bas indice et notamment il peut s'agir de substrats minéraux ou organiques, les substrats organiques étant toutefois préférés, étant entendu que son indice n3 est compris entre les indices n, et n2. On entend par le terme " substrat minéral " un substrat en verre minéral, en contraste avec la notion de " substrat organique " formé d'un polymère. Les substrats organiques posent des problèmes particuliers d'une part en raison de leur faible résistance à la température, d'autre part du fait que les couches minces adbèrent mal au substrat. Les substrats organiques présentent en outre un coefficient de dilatation thermique plus élevé que les substrats minéraux. A titre d'exemple, alors que la dilatation typique d'un substrat minéral est de l'ordre de 71 06 C-, celle du polycarbonate est de 70 10-6 C- et celle du MR8 (dont la composition est définie ci après) est de 75 10-6 C-', soit dix fois plus. I1 est possible que cette forte dilatation thermique soit la raison pour laquelle on observe fréquemment des craquelures sur la surface des séparateurs de polarisation de type multicouches sur substrat organique. Ces craquelures sont tout particulièrement génantes dans des applications de vision. 18554-16/04102-5/14 Des matériaux appropriés comme substrats organiques sont par exemple les polymères de la classe des polythiouréthanes, obtenus à partir d'un polythiol et un polyisocyanate. De tels matériaux ainsi que leur procédé d'obtention sont décrits par exemple dans les brevets US 4,689,387 et US 4,775,733. s Des polythiols appropriés peuvent être par exemple le pentaerythrol tetrakis (thioglycolate), le pentaerythrol tetrakis(mercaptopropionate) ou encore le MDO [4 mercaptomethyl-3.6-dithia-1.8-octanedithiol]. Le polyisocyanate peut étre notamment le xylylène diisocyanate. Un subskat organique particulièrement approprié est obtenu par polymérisation 0 de compositions à base de xylylène diisocyanate, de pentaerythritol tetrakis(mercaptoproprionate) et de MDO. Un tel produit est disponible chez Mitsui sous la dénomination MR8. En tant que substrat minéral, on peut utiliser par exemple le matériau 1. 6 de Corning, Code 60043, dont les constantes optiques sont sensiblement identiques à celles du MR8. Un séparateur de polarisation idéal réfléchit la totalité de la lumière polarisée perpendiculairement au plan d'incidence (S) alors qu'il transmet la totalité de la lumière polarisée parallèlement au plan d' incidence (P). En réalité, du aux effets des imperfections, de l'absorption etc., l'efficacité d'un séparateur est bien inférieure. L'efficacité d'un polariseur peut être exprimoe comme le produit de la réflexion de la polarisation S (Rs) et de la transmission de la polarisation P (Tp), à savoir (Rs)x(Tp). On recherche alors un polariseur assurant une efficacité supérieure à 80%, et de préférence supérieure à 90%. La limite inférieure du nombre de couches de l'empilement est donnée par la régularité souhaitée de la transmittance pour l'ensemble du spectre de la lumière. Dans la plupart des applications, ce spectre est celui de la lumière visible, c'est-à-dire des longueurs d'onde comprises entre 400 et 700nm. En effet, plus le séparateur comporte de couches et plus on améliore la sélectivité du polariseur à une longueur d'onde donnée ou bien, plus on élargit le spectre dans lequel s'opère la séparation de polarisation. La limite supérieure du nombre de couches est donnée par le coût de leur dépôt. En outre, à partir d'un certain seuil, l' absorption peut réduire le rendement en lumière polarisée. Etant posé ces principes, un séparateur de polarisation efficace comprend de préférence un empilement comportant 5 à 20, en particulier 10 à 15 couches de matériaux de différents indices. L' angle d'incidence optimal A du séparateur de polarisation est tel que sin A = nl. n2 n n 2 8554-16/04/02-6/14 - 7 2838529 On constate à partir de cette relation que l'indice du substrat n3 et l'angle d'incidence souhaité interviennent dans le choix des matériaux pour les couches minces de l'empilement. Le séparateur de polarisation selon la présente invention est particulièrement adapté à des applications du type appareils de vision portables telles que les lentilles ophtalmiques présentant des inserts de projection d'une image vers l'utilisateur. Un exemple d'une telle lentille est illustré à la figure 3. L'image est émise par une source 1. La source 1 peut être un afficheur miniaturisé tel qu'un microdisplay à cristaux liquides émettant une lumière polarisée. Le système optique de la lentille 0 ophtalmique de projection 10 comprend une lentille de champ 2. Sur le trajet optique parcouru par l'image à l'intérieur de la lentille ophtalmique 10 est intercalé un miroir 3 et le séparateur de polarisation 4. Collé au séparateur de polarisation 4 est une lame quart d'onde 5 et un miroir de Mangin 6. Le fonctionnement de la lentille ophtalmique 10 est le suivant. La lumière polarisée provenant de la source 1 passe tout d'abord par une lentille de champ 2. Après traversée de celle-ci, elle est réfléchie par un miroir 3 qui la renvoie à un angle de 90 . La lumière traverse ensuite le séparateur de polarisation 4, une des composantes de polarisation linéaire (S) étant réfléchie et l'autre (:P) transmise. La composante transmise traverse une lame quart d'onde 5 dont les axes sont disposés à 45 de la direction de propagation, dans le plan perpendiculaire à la direction de propagation, puis frappe un miroir de Mangin 6, lequel réfléchit la lumière qui repasse à travers la lame quart d'onde. La lumière maintenant polarisée S est réfléchie par le séparateur de polarisation vers l'_il de l'observateur. Le mode de réalisation décrit à la figure 3 permet alors de renvoyer la lumière 2s polarisée émise par l'afficheur vers l'_il 7 avec un minium de pertes et donc un maximum d'intensité. De préLérence, la lentille ophtalmique est réalisce dans le même matériau que le substrat sur lequel a été déposé l'empilement de couches minces, donc par exemple un polythiouréthane tel que le MR8. Dans ce cas, le séparateur peut être constitué par un prisme. En effet, le fait d'utiliser pour le séparateur un substrat de même composition, donc de même indice de réfraction que le matériau constituant la lentille ophtalmique, permet de rendre le séparateur de polarisation moins visible pour le porteur, et de réduire ainsi la gêne occasionnée dans la fonction ophtalmique du verre. Pour ce type d'applications, lorsque l'indice n3 est sensiblement différent de l'indice de la lentille ophtalmique, le séparateur de polarisation est avantageusement réalisé sous forme de cube séparateur, composé de deux prismes, l'un d'entre eux 18554.doc-13/12/02-7/14 8 2838529 portant sur une de ses faces un empilement tel que décrit ci-dessus. Il est également possible de concevoir le séparateur de polarisation sous la forme d'une lame immergée dans la lentille ophtalmique. EXEMPLE 1 Un palet biplan de MR8 de 6,8 mm d'épaisseur et de diamètre de 65 à 70 mm est nettoyé dans un bain à ultrasons, puis soumis à un traitement thermique à 60 C dans l'étuve pendant 3 heures. Le palet ainsi préparé est ensuite introduit dans une installation de dépôt sous 0 vide. I1 est alors soumis à un nettoyage ionique à l'argon à une pression de 3 10-5 mbar sous 120 V de tension à l'anode et 1 A de courant d'ion pendant 2 minutes. Puis on dépose une couche de PrTiO3 d'une épaisseur indiquée dans le tableau 1, à une pression de 2,5 10-5 mbar dans les conditions suivantes: vitesse d'évaporation: 3nm/s; pression d'oxygène: 5 1 0-s mbar; source d'évaporation: canon à électrons. L'épaisseur de la couche déposée est suivie au moyen d'une balance à quartz et l'évaporation est arrétée lorsque l'épaisseur indiquée au tableau 1 est atteinte. Ensuite, on procède au dépôt d'une couche de SiO2 d'une épaisseur indiquée dans le tableau 1 dans les mémes conditions. On dépose ainsi alternativement douze couches au total. On découpe enfin le palet ainsi traité de façon à obtenir les séparateurs de polarisation ayant la forme désirée Les caractéristiques optiques d'un séparateur de polarisation ainsi obtenu sont indiquées à la figure 2 pour une incidence à 45 . La figure 1 montre la transmittance respective du séparateur de polarisation vis-à-vis de la lumière de polarisation perpendiculaire et parallèle. On constate que la transmittance est en moyenne d' environ 95% pour la lumière de polarisation P alors que la lumière de polarisation S est réfléchie à 90% en moyenne. 18554-16/04/02-8/14 9 2838529 Tableau 1 Couche Matériau Epaisseur [nm] 1 SiO2 162,25 2 PrTiO3 104,44 3 SiO2 161, 13 4 PrTiO3 87,49 SiO2 166,51 6 PrTiO3 87,22 7 SiO2 129,95 8 PrTiO3 69,43 9 SiO2 106,53 PrTiO3 54,35 11 SiO2 102,68 12 PrTiO3 65,77 EXEMPLE 2 On procède de la même façon qu'à l'exemple 1, sauf que pendant tout le cycle de traitement, le substrat est chanffé à une température de 80 C. EXEMPLE 3 (exemple de comparaison! On procède de la méme façon qu'à l'exemple 1, mais en remplaçant le PrTiO3 0 par du ZrO2. Les épaisseurs respectives des couches sont indiquées dans le tableau 2. 18554-16/04/02-9114 2838529 Tableau 2 Couche Matériau Epaisseur [nm] 1 SiO2 154.74 2 ZrO2 108.36 3 SiO2 152.92 4 ZrO2 90.09 SiO2 166.17 6 ZrO2 85.98 7 SiO2 126.77 8 ZrO2 71.75 9 SiO2 106.81 ZrO2 55.87 11 SiO2 99.58 12 ZrO2 66.36 Test de résistance thermique Les séparateurs de polarisation fabriqués selon les exemples 1 à 3 ont été soumis à un test pour évaluer leur résistance à la température. Pour cela, le séparateur de polarisation est placé dans une étuve chauffée à une température de 60 C pendant une heure. Ensuite, l'aspect visuel des substrats est évalué. Lorsque le substrat ne présente aucune craquelure, on augmente la 0 température de consigne de l'étuve de 10 C et on recommence le test. La température critique est alors définie comme étant celle o les substrats présentent des craquelures. Les températures critiques ainsi déterminées sont portées dans le tableau 3. Tableau 3 i Exemple Température critique [ C] 1 110 C 2 130 C 3 90 C On constate que les séparateurs de polarisation obtenus selon l'invention, c'est à-dire selon l'exemple 1 et 2, présentent une température critique supérieure, pouvant atteindre 110 , voire 130 C si l'on chauffe le substrat pendant le cycle de dépôt. 18554-16/04/02-10/14 En dehors des applications décrites ci-dessus, le séparateur de polarisation pent être utile dans tous les domaines de fourniture et de traitement de la lumière polarisce. Par ailleurs, il est possible d'utiliser le séparateur de polarisation selon l'invention afin de séparer la lumière en ses composantes de polarisation circulaire ou elliptique. 18554-16/04/02-1 1/14 12 2838529 RE VEND IC ATI ON S 1.- Séparateur de polarisation comprenant un substrat pourvu d'un empilement s alterné de couches de PrTiO3 et d'un matériau à indice de réfraction inférieur, l'épaisseur de ces couches e et e2 satisfaisant respectivement les relations: 4n,: 4n:2 dans lesquelles ? est la longueur d'onde considérée, n est l'indice de réfraction de la première couche et n2 l'indice de réfraction de la deuxième couche respectivement. 2.- Séparateur selon la revendication 1, dans lequel le substrat est organique. 3.- Séparateur selon la revendication 2, dans lequel le substrat organique est un polythiouréthane. 4.- Séparateur selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le deuxième matériau est le dioxyde de silicium. 5.- Séparateur selon l'une des revendications 1 à 4, comportant respectivement au moins 6 couches de titanate de praséodymium et du deuxième matériau. 6.- Séparateur selon l'une des revendications 1 à 5, réalisé sous forme de cube formé de deux prismes dont un est revêtu de couches de PrTiO3 et de matériau à bas indice selon les revendications 1 à 5. 7.- Procédé de fabrication d'un séparateur de polarisation comprenant les étapes suivantes: (i) fourniture d'un substrat; (ii) dépôt d'une couche de titanate de prascodymium d'une épaisseur e telle que définie à la revendication 1; (iii) dépôt d'une couche d'un deuxième matériau d'un indice de réDraction inférieur d'une épaisseur e2 telle qu définie à la revendication 1; et (iv) répétition des étapes (ii) et (iii) au moins une fois. 18554-16/04/02-12/14 13 2838529 8.- Procédé selon la revendication 7, dans lequel l'étape iv) comprend au moins 5 répétitions des étapes ii) et iii). 9.- Procédé selon la revendication 8, dans lequel dans lequel le substrat est maintenu pendant les étapes ii) à iv) à une température supérieure à l'ambiante. 10.- Procédé selon l'une des revendications 7 à 9, dans lequel le substrat est maintenu pendant les étapes ii) à iv) à une température comprise entre 80 et 1 20 C. 11.- Procédé selon l'une des revendications 7 à 10, dans lequel le substrat est soumis à un nettoyage ionique préalablement à l'étape ii). 12.- Procédé selon la revendication 11, dans lequel le nettoyage ionique est réalisé à l'argon. 13.- Procédé selon l'une des revendications 7 à 12, dans lequel la vitesse d'évaporation pendant l'étape ii) et iii) est de 1 à 10 nm/s; de préférence 2 à 5 nm/s. 14.- Lentille ophtalmique présentant des inserts de projection d'une image vers l'utilisateur comprenant un séparateur de polarisation selon l'une des revendications 1 à6. 15.- Lentille ophtalmique selon la revendication 14, dans lequel le séparateur de polarisation est réalisé sous forme de cube. 16.- Dispositif de projection d'une image vers l'utilisateur comprenant une lentille selon la revendication 14 ou 15. 17. Dispositif de projection selon la revendication précédente comprenant en outre un micro-display à cristaux liquides.