Brevet FR2978564A1 — publié le 20130201

DISPOSITIF POUR LA POLARISATION D'UNE SEQUENCE VIDEO A VISIONNER EN STEREOSCOPIE L'invention concerne l'affichage de séquences vidéo stéréoscopiques, et 5 en particulier l'affichage de séquences vidéo stéréoscopiques en multiplexage temporel visibles avec des lunettes passives. L'affichage de séquences vidéo stéréoscopiques dans des cinémas utilise généralement la projection alternée de deux sous-séquences vidéo prises selon des angles de vue distincts. Les deux sous séquences vidéo sont donc 10 multiplexées temporellement. Une première séquence vidéo est ainsi destinée à l'oeil gauche, une deuxième séquence vidéo étant destinée à l'oeil droit, créant ainsi une impression de relief. La fréquence d'échantillonnage imposée par le standard du cinéma pour une séquence vidéo étant supérieure à 48 Hz (pour que la cadence de défilement des images ne soit pas perceptible par l'oeil), la 15 fréquence de projection sur un écran de cinéma est d'au moins 96 Hertz car chaque oeil ne doit voir que la séquence qui lui est destinée. Selon un mode de fonctionnement connu, on utilise un projecteur vidéo à grande vitesse émettant les deux sous-séquences en alternance sans polarisation particulière. Selon le principe décrit dans le brevet US7857455, la 20 lumière du projecteur est séparée en deux faisceaux présentant des polarisations orthogonales dans un séparateur de faisceau. Le séparateur de faisceau est transmissif pour la lumière selon une première polarisation, et réflectif pour la lumière selon une deuxième polarisation. On forme ainsi deux chemins lumineux. On dispose des modulateurs de polarisation sur les deux 25 chemins lumineux. Le faisceau réfléchi par le séparateur est renvoyé sur un miroir et superposé sur un écran au faisceau ayant traversé le séparateur. L'écran est par exemple un écran métallisé configuré pour réfléchir les images projetées en conservant la polarisation de celles-ci. Pour la première sous-séquence, les modulateurs de polarisation sont 30 commandés de sorte que les faisceaux des deux chemins lumineux présentent une polarisation dite P sur l'écran. Pour la deuxième sous-séquence, les modulateurs de polarisation sont commandés de sorte que les faisceaux des deux chemins lumineux présentent une polarisation dite S sur l'écran. Les polarisations P et S sont perpendiculaires. Les modulateurs de polarisation sont 35 ainsi synchronisés avec les sous-séquences émises par le projecteur. Ainsi, les deux sous-séquences sont affichées en alternance sur l'écran 4 avec des polarisations linéaires perpendiculaires. L'utilisateur dispose pour sa part de lunettes stéréoscopiques polarisées dites passives. En pratique, un premier verre des lunettes dispose d'un filtre 40 transmissif pour la polarisation S : le filtre bloque la première sous-séquence et est transmissif pour la deuxième sous-séquence. Le deuxième verre des lunettes dispose d'un filtre transmissif pour la polarisation P : le filtre est transmissif pour la première sous-séquence et transmissif pour la deuxième sous-séquence. Ainsi, chaque oeil visionne seulement la sous- séquence qui lui est destinée. Ce type d'affichage présente l'avantage de faire appel à des lunettes particulièrement simples et peu sensibles aux dégradations dans le cadre d'une utilisation par le public. Le dispositif décrit dans ce brevet permet d'obtenir une luminosité élevée pour une puissance donnée du projecteur. Cependant, l'image vue par l'utilisateur présente une netteté insuffisante et le dispositif de polarisation présente un coût relativement élevé ainsi qu'une mise au point complexe. En effet, pour compenser une inégalité de longueur entre les deux chemins optiques, ce brevet fait appel à une déformation du miroir réfléchissant pour améliorer la superposition des deux faisceaux sur l'écran. L'invention vise à résoudre un ou plusieurs de ces inconvénients. L'invention porte ainsi sur un dispositif pour la polarisation d'une séquence vidéo à visionner en stéréoscopie, comprenant : - un séparateur de faisceaux destiné à recevoir un faisceau lumineux incident de façon à le séparer en des premier et deuxième faisceaux présentant respectivement des première et deuxième polarisations perpendiculaires, le séparateur de faisceau comportant quatre prismes comportant chacun des première et deuxième faces perpendiculaires, la première face de chaque prisme comportant une lame retardatrice de phase, la deuxième face de chaque prisme comportant une couche réfléchissant la lumière selon la première polarisation et transmettant la lumière selon la deuxième polarisation, les quatre prismes étant disposés de sorte que la première face de chaque prisme est accolée à la deuxième face d'un prisme adjacent ; - des première et deuxième cellules à rotation de polarisation variable, traversées respectivement par les premier et deuxième faisceaux issus du 30 séparateur de faisceaux; - un circuit de commande définissant la rotation de polarisation desdites première et deuxième cellules de sorte que les premier et deuxième faisceaux ayant traversé respectivement les première et deuxième cellules présentent simultanément une même polarisation, et de sorte que cette même polarisation 35 alterne entre deux états perpendiculaires ; - des premier et deuxième miroirs réfléchissant respectivement les premier et deuxième faisceaux issus du séparateur de faisceaux. Selon une variante, lesdits prismes comportent une section de triangle rectangle. Selon encore une variante, le séparateur de faisceaux et les miroirs sont configurés de sorte que le chemin lumineux desdits premier et deuxième faisceaux soit symétrique par rapport à un plan. Selon une autre variante, les premier et deuxième miroirs réfléchissent les premiers et deuxième faisceaux selon la direction du faisceau incident. Selon encore une autre variante, lesdits prismes comportent chacun une arête disposée dans un plan incluant l'axe optique du séparateur de faisceaux. Selon une variante, lesdites lames retardatrices sont des lames demi-onde dont l'axe optique est incliné à 45° par rapport à la première polarisation. Selon encore une variante, le circuit de commande commande l'alternance de polarisation à une fréquence supérieure à 50Hz, et de préférence inférieure à 250Hz. Selon encore une autre variante, lesdites cellules à rotation de polarisation variable sont des cellules à cristaux liquides. Selon une variante, lesdites cellules à rotation de polarisation variable sont interposées entre le séparateur de faisceaux et les miroirs. L'invention porte également sur un système de projection d'une séquence vidéo à visionner en stéréoscopie, comprenant : - un dispositif tel que décrit ci-dessus ; -un dispositif de projection dont l'axe optique est confondu avec l'axe optique du séparateur de faisceaux ; - un écran à conservation de polarisation intersectant les premier et deuxième faisceaux réfléchis par lesdits miroirs. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique d'un système de visionnage en stéréoscopie selon un mode de réalisation de l'invention ; -la figure 2 est une représentation schématique en coupe d'un dispositif de polarisation et de rayons lumineux le traversant ; - la figure 3 est une représentation schématique en coupe de différents composants optiques du dispositif de polarisation ; - la figure 4 est une représentation schématique des faisceaux lumineux et 35 de leur polarisation pour une première sous séquence vidéo ; - la figure 5 est une représentation schématique des faisceaux lumineux et de leurs polarisations pour une deuxième sous séquence vidéo. La figure 1 est une représentation schématique d'un système d'affichage 40 stéréoscopique 1 dans lequel l'invention est mise en oeuvre. Le système d'affichage 1 comprend un projecteur à grande vitesse 2, apte à projeter des images à une fréquence supérieure à 50 Hertz (144 Hz généralement). Le projecteur 2 peut ainsi projeter une séquence stéréoscopique. Le projecteur 2 projette ainsi en multiplexage temporel deux sous-séquences vidéo de la séquence stéréoscopique. La lumière à la sortie du projecteur 2 ne présente pas de polarisation particulière, le projecteur 2 formant une source de lumière incohérente. Le flux lumineux peut traverser une lentille de collimation à l'intérieur du projecteur 2. Un dispositif de polarisation stéréoscopique 3 est connecté au projecteur 2. Le projecteur 2 transmet un signal de synchronisation à un module de commande 31 du dispositif de polarisation. La séquence stéréoscopique projetée par le projecteur 2 traverse un module de polarisation 32, destiné à différencier les deux sous-séquences vidéo en générant des polarisations respectives perpendiculaires. La lumière issue du projecteur 2 traverse ainsi le module de polarisation 32. Le module de polarisation 32 forme deux faisceaux F1 et F2 présentant une même polarisation. La polarisation des faisceaux F1 et F2 changent alternativement entre deux états perpendiculaires appelés respectivement « p » et « s » par la suite. Les faisceaux F1 et F2 sont projetés en superposition sur un écran 4. L'écran 4 métallisé a la propriété de réfléchir le flux lumineux en conservant la même polarisation que le flux lumineux incident. Un spectateur muni de lunettes stéréoscopiques 6 dites passives visionne la séquence vidéo en stéréoscopie. Les lunettes 6 comportent une monture 600 sur laquelle deux obturateurs passifs 601 et 602 sont montés. De façon connue en soi, l'obturateur 601 comporte un verre transparent surmonté d'un polariseur linéaire transmissif pour la polarisation « P », et l'obturateur 602 comporte un verre transparent surmonté d'un polariseur linéaire transmissif pour la polarisation « S ». Ainsi, chaque verre est transmissif pour la sous séquence vidéo qui lui est destinée, et chaque verre est obturant pour la sous séquence vidéo qui ne lui est pas destinée. La figure 2 est une représentation schématique en coupe du module de polarisation 32 et des faisceaux lumineux le traversant. Le module de polarisation 32 comprend un boîtier dans lequel différents composants optiques sont logés. Le module de polarisation 32 comprend un séparateur de faisceaux munis de prismes 321 à 324. L'axe optique du séparateur de faisceau est défini par la perpendiculaire aux faces d'entrée des prismes 323 et 324 et passant par une arête commune entre les prismes 321 à 324. L'axe optique du séparateur de faisceaux est confondu avec l'axe optique du projecteur 2. Le module de polarisation 32 comprend également des modulateurs de polarisation 331 et 332. Les modulateurs de polarisation 331 et 332 sont disposés horizontalement, symétriquement de part et d'autre du séparateur de faisceaux. La polarisation en sortie des modulateurs de polarisation 331 et 332 est commandée par l'intermédiaire du circuit de commande 31. Le module de polarisation 32 comprend également des miroirs réfléchissants 341 et 342. Les miroirs réfléchissants 341 et 342 sont inclinés, et disposés symétriquement par rapport au séparateur de faisceaux. Le modulateur de polarisation 331 est disposé entre le prisme 321 et le miroir 341. Le modulateur de polarisation 332 est disposé entre le prisme 322 et le miroir 342. Le module de polarisation 32 comprend en outre des fenêtres de sortie 351 et 352. Les fenêtres de sortie 351 et 352 sont disposées dans des plans verticaux et font face respectivement aux miroirs 341 et 342. Le séparateur de faisceaux est configuré pour séparer la lumière incohérente provenant du projecteur 2 en deux faisceaux présentant respectivement une polarisation P et S. Pour un premier rayon Ra arrivant à l'interface entre les prismes 321 et 323, la lumière se décompose en un rayon R1 traversant cette interface et un rayon R3 réfléchi par cette interface. À l'interface, la partie polarisée P du rayon Ra est transmise, tandis que la partie polarisée S du rayon est réfléchie. Pour un second rayon Rb arrivant à l'interface entre les prismes 322 et 323, la lumière se décompose en un rayon R4 traversant cette interface et un rayon R2 réfléchi par cette interface. À l'interface, la partie polarisée P du rayon Rb est réfléchie, tandis que la partie polarisée S de ce rayon est transmise. Le rayon réfléchi R2 et polarisé P est transmis par l'interface entre les prismes 321 et 323. Le rayon transmis R1 et polarisé P est réfléchi à l'interface entre les prismes 321 et 324. Les rayons R1 et R2 traversent le modulateur de polarisation 331 et atteignent le miroir 341. Les rayons R1 et R2 sont réfléchis par le miroir 341 et traversent la fenêtre de sortie 351. Un premier faisceau lumineux F1 est ainsi formé à la sortie de la fenêtre 351. Le rayon réfléchi R3 et polarisé S est transmis par l'interface entre les prismes 322 et 323. Le rayon transmis R4 et polarisé S est réfléchi à l'interface entre les prismes 322 et 324. Les rayons R3 et R4 traversent le modulateur de polarisation 332 et atteignent le miroir 342. Les rayons R3 et R4 sont réfléchis par le miroir 342 et traversent la fenêtre de sortie 352. Un deuxième faisceau lumineux F2 est ainsi formé à la sortie de la fenêtre 352. Le séparateur de faisceaux génère deux faisceaux lumineux perpendiculaires au faisceau incident. Les miroirs 341 et 342 réfléchissent ces faisceaux de sorte que les faisceaux F1 et F2 projeté sur l'écran 4 sont parallèles au faisceau incident. La figure 3 est une représentation en coupe schématique de la structure d'un exemple de séparateur de faisceaux pouvant être intégré dans le module de polarisation 32. Les prismes 321 à 324 comportent des éléments transparents respectifs 381 à 384. Les éléments transparents 381 à 384 présentent une section transversale en forme de triangle rectangle. Les éléments transparents 381 à 384 sont par exemple réalisés en verre ou en tout autre matériau transparent et optiquement neutre, par exemple un matériau synthétique. Les prismes 321 à 324 sont fixés ensemble, par exemple par l'intermédiaire d'une colle à adaptation d'indice. Le prisme 321 comporte une couche de séparation de polarisation 371 sur une première face de l'élément transparent, et une lame de type demi-onde 361 sur une deuxième face. La couche de séparation de polarisation 371 est réfléchissante pour la polarisation P et transmissive pour la polarisation S. Une lame de type demi-onde induit de façon connue en soi un retard de phase de 180° sur la polarisation selon son axe lent. L'axe optique de la lame 361 (son axe rapide) est incliné à 45° par rapport à la direction de polarisation S. Le prisme 322 comporte une couche de séparation de polarisation 372 sur une première face de l'élément transparent, et une lame de type demi-onde 362 sur une deuxième face. La couche de séparation de polarisation 372 est réfléchissante pour la polarisation P et transmissive pour la polarisation S. Une lame de type demi-onde induit de façon connue en soi un retard de phase de 180° sur la polarisation selon son axe lent. L'axe optique de la lame 362 est incliné à 45° par rapport à la direction de polarisation S. Le prisme 323 comporte une couche de séparation de polarisation 373 sur une première face de l'élément transparent, et une lame de type demi-onde 363 sur une deuxième face. La couche de séparation de polarisation 373 est réfléchissante pour la polarisation P et transmissive pour la polarisation S. Une lame de type demi-onde induit de façon connue en soi un retard de phase de 180° sur la polarisation selon son axe lent. L'axe optique de la lame 363 est incliné à 45° par rapport à la direction de polarisation S. Le prisme 324 comporte une couche de séparation de polarisation 374 sur une première face de l'élément transparent, et une lame de type demi-onde 364 sur une deuxième face. La couche de séparation de polarisation 374 est réfléchissante pour la polarisation P et transmissive pour la polarisation S. Une lame de type demi-onde induit de façon connue en soi un retard de phase de 180° sur la polarisation selon son axe lent. L'axe optique de la lame 364 est incliné à 45° par rapport à la direction de polarisation S. Ainsi : -la partie polarisée P du rayon Ra est réfléchie sur la couche 373, polarisée S en traversant la lame 363, transmise par la couche de séparation 372. Le rayon R3 atteint donc le modulateur de polarisation 332 avec une polarisation S ; -la partie polarisée S du rayon Ra est transmise par la couche 373, polarisée P en traversant la lame 361, réfléchie par la couche de séparation 371. Le rayon R1 atteint donc le modulateur de polarisation 331 avec une polarisation P ; -la partie polarisée P du rayon Rb ayant traversé la lame 363 est réfléchie sur la couche 372, polarisée S en traversant la lame 363, transmise par la couche de séparation 373 et polarisée P par la lame 361. Le rayon R2 atteint donc le modulateur de polarisation 331 avec une polarisation P ; -la partie polarisée S du rayon Rb ayant traversé la lame 363 est transmise par la couche 372, polarisée P en traversant la lame 362, réfléchie par la couche de séparation 374, puis polarisée S en traversant à nouveau la lame 362. Le rayon R4 atteint donc le modulateur de polarisation 332 avec une polarisation S. Pour une sous séquence destinée à l'oeil gauche, le module de commande 31 commande au module de polarisation 331 de transformer la polarisation P des rayons R1 et R2 en polarisation S en appliquant une rotation de polarisation adéquate. Les rayons R1 et R2 réfléchis sur le miroir 341, sortant de la fenêtre 351 et appliqués sur l'écran 4 ont donc une polarisation S. Le module de commande 31 commande au module de polarisation 332 de maintenir la polarisation S des rayons R3 et R4. Les rayons R3 et R4 réfléchis sur le miroir 342, sortant de la fenêtre 352 et appliqués sur l'écran 4 ont donc une polarisation S. Les faisceaux F1 et F2 présentent ainsi une même polarisation S en arrivant sur l'écran 4. Cette polarisation S est visible à travers l'obturateur 602 des lunettes 6. Pour une sous séquence destinée à l'oeil droit, le module de commande 31 commande au module de polarisation 332 de transformer la polarisation S des rayons R3 et R4 en polarisation P en appliquant une rotation de polarisation adéquate. Les rayons R3 et R4 réfléchis sur le miroir 342, sortant de la fenêtre 352 et appliqués sur l'écran 4 ont donc une polarisation P. Le module de commande 31 commande au module de polarisation 331 de maintenir la polarisation P des rayons R1 et R2. Les rayons R1 et R2 réfléchis sur le miroir 341, sortant de la fenêtre 351 et appliqués sur l'écran 4 ont donc une polarisation P. Les faisceaux F1 et F2 présentent ainsi une même polarisation P en arrivant sur l'écran 4. Cette polarisation P est visible à travers l'obturateur 601 des lunettes 6. Du fait de la symétrie du système optique du module de polarisation 32, les faisceaux F1 et F2 se superposent sur l'écran 4 après avoir parcouru une même distance. Ainsi, la netteté de l'image formée sur l'écran 4 est optimale. En outre, le système optique du module de polarisation 32 ne nécessite pas d'appliquer une déformation mécanique sur un quelconque miroir, la netteté de l'image étant ainsi optimisée pour un coût et une complexité réduits. En outre, la luminosité de la séquence vidéo sur l'écran 4 est optimale, pour une puissance lumineuse donnée du projecteur 2. En effet, le module de polarisation 32 ne nécessite pas l'utilisation d'un polariseur linéaire ce qui n'induit pas d'absorption lumineuse élevée. Les couches de séparation de polarisation 371 à 374 peuvent être mises en oeuvre sous la forme de revêtements diélectriques dits de `MacNeille'. Ces revêtements peuvent être formés d'un empilement de couches alternant un indice de réfraction élevé et un indice de réfraction réduit (par exemple l'alternance d'indices de 2,1 et 1,62, pour des éléments transparents 381 à 384 présentant un indice de réfraction de 1.815.. Les couches de séparation de polarisation 371 à 374 peuvent également être mises en oeuvre sous la forme de réseaux de grilles. Les lames demi-onde 361 à 364 sont formées de façon connue en soi dans un matériau présentant des propriétés de biréfringence adéquates. Les modulateurs de polarisation 331 et 332 sont typiquement formés de cellules à cristaux liquides. De telles cellules à cristaux liquides sont commandées en tension pour appliquer sélectivement une rotation de polarisation nulle ou une rotation de polarisation de 90° sur les rayons lumineux les traversant. Le module de polarisation 32 comprend avantageusement un écran thermique transmissif 353 à son entrée. Cet écran thermique 353 permet de limiter l'échauffement du module de polarisation 32 du fait du rayonnement infrarouge du projecteur 2 disposé à proximité. L'invention a été décrite pour un exemple dans lequel les faisceaux F1 et F2 présentent une polarisation linéaire analysée par les obturateurs des lunettes 6. Cependant, l'invention peut également être mise en oeuvre en formant les faisceaux F1 et F2 avec des polarisations circulaires, en plaçant une lame quart d'onde devant la sortie 351 et une seconde lame quart d'onde devant la sortie 352 (ces lames étant orienté à 45° de l'axe de polarisation des faisceaux sortant des modulateurs de polarisation) et en munissant les lunettes 6 des lames quart d'onde correspondantes.35 REVENDICATIONS1. Dispositif (3) pour la polarisation d'une séquence vidéo à visionner en stéréoscopie, caractérisé en ce qu'il comprend : -un séparateur de faisceaux destiné à recevoir un faisceau lumineux incident de façon à le séparer en des premier et deuxième faisceaux présentant respectivement des première et deuxième polarisations perpendiculaires, le séparateur de faisceau comportant quatre prismes (321, 322, 323, 324) comportant chacun des première et deuxième faces perpendiculaires, la première face de chaque prisme comportant une lame retardatrice de phase, la deuxième face de chaque prisme comportant une couche réfléchissant la lumière selon la première polarisation et transmettant la lumière selon la deuxième polarisation, les quatre prismes étant disposés de sorte que la première face de chaque prisme est accolée à la deuxième face d'un prisme adjacent ; - des première et deuxième cellules (331,332) à rotation de polarisation variable, traversées respectivement par les premier et deuxième faisceaux issus du séparateur de faisceaux; - un circuit de commande (31) définissant la rotation de polarisation desdites première et deuxième cellules de sorte que les premier et deuxième faisceaux ayant traversé respectivement les première et deuxième cellules présentent simultanément une même polarisation, et de sorte que cette même polarisation alterne entre deux états perpendiculaires ; - des premier et deuxième miroirs (341,342) réfléchissant respectivement les premier et deuxième faisceaux issus du séparateur de faisceaux. 2. Dispositif (3) selon la revendication 1, dans lequel lesdits prismes comportent une section de triangle rectangle. 3. Dispositif (3) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le séparateur de faisceaux et les miroirs sont configurés de sorte que le chemin lumineux desdits premier et deuxième faisceaux soit symétrique par rapport à un plan. 4. Dispositif (3) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les premier et deuxième miroirs (341,342) réfléchissent les premiers et deuxième faisceaux selon la direction du faisceau incident. 5. Dispositif (3) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel lesdits prismes comportent chacun une arête disposée dans un plan incluant l'axe optique du séparateur de faisceaux. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel lesdites lames retardatrices sont des lames demi-onde dont l'axe optique est incliné à 45° par rapport à la première polarisation. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le circuit de commande (31) commande l'alternance de polarisation à une fréquence supérieure à 50Hz, et de préférence inférieure à 250Hz. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel lesdites cellules (331, 332) à rotation de polarisation variable sont des cellules à cristaux liquides. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel lesdites cellules à rotation de polarisation variable sont interposées entre le séparateur de faisceaux et les miroirs. 10. Système de projection d'une séquence vidéo à visionner en stéréoscopie, comprenant : - un dispositif (3) selon l'une quelconque des revendications précédentes ; -un dispositif de projection (2) dont l'axe optique est confondu avec l'axe optique du séparateur de faisceaux ; - un écran à conservation de polarisation (4) intersectant les premier et deuxième faisceaux réfléchis par lesdits miroirs.