DISPOSITIF D'ECLAIRAGE ET APPLICATION A UN DISPOSITIF DE VISUALISATION
L'invention concerne un dispositif d'éclairage et son application à un dispositif de visualisation. Elle est applicable notamment à la séparation de polarisations, à la focalisation et à la séparation spectrale d'un faisceau lumineux ainsi qu'à l'agrandissement d'un faisceau par anamorphose .
Notamment , elle trouve une application particulière dans la visualisation par écran à cristal liquide monochrome et trichrome .
Pour générer des images vidéo de grande dimension on -V s'oriente actuellement vers l'utilisation de matrices actives à cristaux liquides dans des dispositifs de projection.
La projection d'images en couleurs est réalisable soit à partir de 3 valves monochromes, soit à partir d'une seule valve munie de filtres colorés.
Ces techniques de projection d'images, séduisantes pour leur compacité si on les compare aux tubes cathodiques, ont l'inconvénient de présenter un mauvais rendement lumineux de l'ordre de quelques pourcents . Les principales causes limitatives étant les suivantes : 20 - L'effet électro-optique dans le cristal liquide nécessite de travailler en lumière polarisée et conduit à une perte de 50 % de la lumière émise par la source à laquelle il faut ajouter l'absorption des polariseurs .
- La surface utile de chaque pixel est réduite du fait ••-' de la place occupée par le transistor et les électrodes de commande. Ce facteur constitue la limitation principale pour les dispositifs utilisant des cellules de petites dimensions et à haute résolution (pas des pixels < 100 μm) qui seront nécessaires aux besoins TVHD . ϋ - Des solutions de projection utilisant une seule valve présentent l'avantage d'être mises en oeuvre dans des
dispositifs particulièrement simples . Par contre elles conduisent à une perte de luminosité d'un facteur au moins trois sur chacune des trois composantes chromatiques, imposée par la répartition spatiale des filtres colorés . L'absorption non négligeable de ces filtres étant incompatible avec l'utilisation de sources lumineuses intenses, les dispositifs de projection à une valve sont donc actuellement limités à la projection d'images couleurs de faibles dimensions .
- Le format 16/9 de la TVHϋ, très mal adapté au diagramme d'émission des sources lumineuses, conduit à rechercher des architectures incluant des fonctions d'anamorphose de faisceau.
C'est pourquoi l'invention concerne un dispositif d'éclairage caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif holographique de séparation de polarisations éclairé par une source de lumière non polarisée et un dispositif holographique de focalisation recevant un faisceau polarisé du dispositif holographique de séparation de polarisations et permettant de focaliser ce faisceau. Une telle source d'éclairage est applicable à la visualisation d'un dispositif à cristal liquide qui nécessite une lumière polarisée.
L'invention concerne donc également un dispositif de visualisation caractérisé en ce qu'il comprend un écran à cristal liquide recevant le faisceau focalisé par le dispositif holographique de focalisation.
Les composants holographiques sont obtenus par interférence et permettent d'assurer des fonctions optiques complexes dans des films minces tel que cela est décrit dans le document : "L. Solymar, D .J. Cooke, Volume Holography and
Volume Grating - Académie Press (1981) .
Les propriétés de ces composants holographiques en terme de sélectivité angulaire, spectrale ou de polarisation sont décrites par l'intermédiaire du formalisme d'ondes couplées dans le document : H. Kogelnik, Bell Syst. Tech. J. 48, p2909
(1969) .
Leur intérêt pour une utilisation avec une source blanche du type de celle utilisée dans les dispositifs de projection peut se résumer comme suit : - Comme cela est illustré en figxxres 8a et 8b, des bandes passantes angulaire Δ θ = 7 , 5° (dans l'air) et spectrale Δλ = 40 nm sont obtenues dans des structures, d'environ 10 μm d'épaisseur (d) et présentant une variation d'indice Δ n d'environ 0, 03, fonctionnan t en réflexion (type HR) ou fonctionnant en transmission ( type HT) . Elles sont par conséquent compatibles avec les sources trichromes du type lampe à arc ( Δλ . = 10 nm ; le diamètre typique des sources de 3 mm collimatées à l'aide d'un condenseur de focale 30 mm et ouvert à f/1 correspond à une divergence angulaire Δ 0 o = 6°) .
- Les fonctions holographiques polarisantes présentent les mêmes propriétés de bande passante angulaire et spectrale .
Les fonctions holographiques "slantées" (réseau incliné d'un angle φ dans l'épaisseur) permettent de limiter la dispersion chromatique ( δ 0 ~ 1 mrcl/nm) .
À Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dnns la description qui va suivre faite à titre d'exemple et dans les figures annexées qui représentent : - la figure 1, un exemple do réalisation simplifié du dispositif de l'invention ; la figure 2, un exemple do réalisation de l'invention fonctionnant en monochrome ; la figure 3, un exemple de réalisation de l'invention fonctionnant en trichrome ;
- les figures 4a à 4c, les caractéristiques et points de fonctionnement d'un dispositif holographique de polarisation ; les figures 5a à 5c , des diagrammes de fonctionnement dans les couleurs bleue, verte, rouge ; la figure 6 , une variante de réalisation des
dispositifs des figures 2 et 3 améliorant le rendement de projection ; la figure 7, un autre exemple de réalisation détaillée du dispositif selon l'invention ; les figures 8a et 8b, des diagrammes de fonctionnement de composants soit en réElexion, soit en transmission ;
- les figures 9 et 10, une variante de réalisation du système de l'invention ; les figures 11, 12 et 13 des variantes de réalisation du dispositif de la figure 6.
Il existe des matériaux photopolymères, tels que ceux connus sous les marques commerciales Du Pont de Nemours ou les photopolymères Polaroid (DMP-128) qui présentent une résolution suffisante pour enregistrer des structures en réflexion ( Λ < 1 μm) avec des variations d'indice photoinduites pouvant atteindre 10 1 qui permettent la superposition dans un même film de plusieurs fonctions holographiques . Nous avons montré précédemment qu'une variation d'indice de 3.10 -2 par composante spectrale est suffisante pour assurer une bande passante angulaire et spectrale adaptée à l'une des trois composantes de la source et sans affecter les deux autres.
L'intérêt des matériaux photopolymères par rapport aux matériaux classiques types gélatine bichromatée, hormis la simplicité du process, réside dans la possibilité de le sensibiliser indifféremment dans tout le domaine visible. Par conséquent, les fonctions holographiques, dans ces matériaux pourront être enregistrées, à l'aide d'un laser accordable par exemple, pour chacune des trois longueurs d'onde respectives de fonctionnement. L'absence de changement de longueur d'onde entre l'enregistrement et la lecture, limite considérablement les aberrations des composants holographiques .
De tels dispositifs holographiques peuvent donc être utilisés pour réaliser des dispositifs d'éclairage à lumière
polarisée, focalisant plusieurs composantes de couleurs en un ou plusieurs points.
De tels dispositifs d'éclairage vont être décrits dans ce qui suit en application à la visualisation d'écrans à cristaux liquides .
La figure 1 représente un exemple de réalisation simplifié d'un dispositif de visualisation selon l'invention. Ce dispositif comporte : une source lumineuse 5 émettant un faisceau
10 lumineux F. qui peut être tout simplement une source de lumière blanche et non polarisée et collimatée, un dispositif holographique de polarisation HP. recevant le faisceau lumineux F. et enregistré de telle façon que, sous l'angle d'incidence du faiscoau F., il retransmet
-^ (réfléchi sur la figure 2) un faisceau de lumière polarisée selon une direction déterminée, un dispositif holographique de focalisation HL. recevant le faisceau de lumière polarisée transmis par le dispositif HP. et enregistré de telle façon qu'il transmette au 2U moins un faisceau convergent. Cependant, ce dispositif de focalisation HL n'est pas obligatoire ol peut ne pas exister dans le dispositif de l'invention ;
- un écran matriciel à cristal liquide LCD recevant le faisceau convergent et placé sensiblement au point de •" focalisation de ce faisceau.
L'écran à cristal liquide LCT) possède normalement plusieurs éléments images (pixels) . Le dispositif holographique de focalisation est enregistré de façon à transmettre, en échange du faisceau polarisé qu'il reçoit , autant de faisceaux ™ qu'il y a d'éléments images, chacun de ces faisceaux étant sensiblement focalisé au centre d'un élément image.
Le faisceau lumineux F. de la source doit faire un
1 angle d'incidence approprié avec le plan d'incidence du dispositif holographique de polarisation HP.. De même, le faisceau polarisé transmis par le dispositif HP. doit faire un
angle approprié avec le dispositif holographique de focalisation
HL.. i
Sur le dispositif de la figure 1, le dispositif holographique de focalisation HL. a été placé parallèlement à l'écran à cristal liquide LCD de telle façon que les différents faisceaux transmis par HL. focalisent dans une cellule de l'écran LCD.
La position du dispositif holographique de polarisation HP. par rapport à la direction du faisceau F. émis par la source et par rapport au dispositif holographique de focalisation HL., est déterminée par les conditions d'enregistrement de l'hologramme . De même , sur la figure 1, le dispositif holographique HP. fonctionne en transmission mais il pourrait fonctionner en réflexion. De même, le dispositif holographique HL. qui fonctionne en transmission pourrait fonctionner en réflexion.
La section du faisceau F. peut être de forme différente de celle de l'écran LCD . Notamment, la section du faisceau F. peut être circulaire ou carrée tandis que l'écran LCD peut être rectangulaire (format 16 x 9) . Pour avoir un éclairage uniforme de l'écran, il faut réaliser une anamorphose du faisceau. Cette anamorphose est faite soit par le dispositif HP. soit par le dispositif HL., compte-fenu que ces dispositifs peuvent aisément travailler hors d'axe , c'est-à-dire en-dehors des lois de la réflexion (lois de DES CARTER) .
La figure 2 représente un exemple de réalisation particulier du dispositif de l'invention.
Ce dispositif associe, sur un prisme PR d'angle voisin de 45°, le dispositif holographique HP. et le dispositif holographique de focalisation HL..
L'écran LCD est placé pratiquement sur la matrice HL. pour limiter l étendue géométrique de l'image de la source S à une dimension proche de la surface utile du pixel, compte tenu des divergences angulaires déjà citées ( Δ 0 = ± 2°) (dans le milieu d'indice n) .
Le polariseur HP. est un composant holographique du type de celui décrit sur les figures 4a à 4c . Il peut être enregistré sur un film de matériau photosensible directement déposé sur l'une des faces du cube . Son fonctionnement dans le dispositif décrit précédemment permet de réfléchir la lumière polarisée perpendiculairement au plan d'incidence (notation © ) centrée autour de la composante chromatique de la source à la longueur d'onde λ . pour laquelle le composant a été enregistré et au voisinage de l'angle d'enregistrement. Il fonctionne
10 également pour un autre couple longueur d'onde λ . - angle d'incidence 0. pour lequel la relation de Bragg reste satisfaite compte-tenu des conditions d'enregistrement.
On a typiquement une bande passante angulaire Δ 0 = 5° et spectrale Δλ = 20 nm pour lesquelles l'efficacité de -^ diffraction est supérieure à 50% dans les conditions suivantes :
Δ n = 0,035 : variation d'indice photoinduite d = 12 μm : épaisseur d'un matériau
Λ~ 0, 26 μm : pas des franges
-•v 0 R = 45° à λ = 0, 55 μm : angle moyen de fonctionnement. _
Le composant HL. est destiné à focaliser la composante chromatique λ . dans un élément image Ci de l'écran LCD dont la commande électrique est associée à λ .. Le composant HL. est
" donc équivalent à une matrice de microlentilles imbriquées, dont le taux de remplissage de 100 % est autorisé par le principe de superposition des hologrammes mais impossible à réaliser par des moyens d'optique classique . Chacune de ces lentilles fonctionnent hors d'axe ce qui a les deux avantages suivants :
--•' - conservation de l'anamorphose du faisceau cylindrique d'éclairage en un format proche de 16/9 qui est obtenu par la réflexion à 45° dans le prisme sur le dispositif de focalisation HP ι.,' limitation de la dispersion chromatique du dispositif HL. puisque le réseau type HT est constitué de
strates inclinées par rapport à la surface du support du dispositif .
H convient de préciser ici, en ce qui concerne l'anamorphose, que le faisceau incident F. peut faire un angle d'incidence sur le plan du dispositif HP. différent de 45° . Le réseau holographique étant enregistré de façon à satisfaire les conditions de réflexion, on obtient une anamorphose du faisceau lors de la réflexion.
On donne ici un exemple de réalisation de matrice de mierolentilles holographiques compatibles avec des éléments images de l'écran LCD au pas de 100 μm. Cette matrice sera enregistrée dans une couche photosensible à l'aide d'un masque M. et restituée en plaçant l'écran LCD à la place du masque M.. Le masque M. peut d'ailleurs être l'écran LCD lui-même ou un équivalent (éventuellement uri masque bolo graphique) . La focale de ces microlentilles étant donc imposée par l'épaisseur de la contre-électrode de l'écran LCD et de son support typiquement f = 1 mm.
Les caractéristiques d'une microlentilles élémentaire de la matrice HL. peuvent être :
f = 1 mm : focale d'une microl en tille φ τ = 0, 3 mm : diamètre d'une microlon tille θ _ = 45° : angle de lecture de HL. (dans le prisme d'indice n = 1, 52) θ , = 180° : angle moyen de diffraction de HL. φ = 112, 5 : inclinaison moyenne de diffraction de HL.
Λ moyen = 0,45 μm : pas moyen des strates de HLi Δn = 0,03 : variation d'indice photoinduite d = 7 μm : épaisseur de HL..
Cette lentille travaille pour l'infini et son foyer et la dimension Δ x de la tache au foyer peut être calculée approximativement à l'aide de la tache de diffraction Δ x (diff) et de la divergence de l'onde de lecture λ , conduisant
à un élargissement Δx (div) :
Δ x = Δ x(diff) + Δx(div)
Dans l'exemple pris si on considère toujours Δ 0= ± 2°on a :
Δ x(diff) = 4,5 μm Δ x(div) ~ 2 f Δ 0= 72 μm Δ x ~ 76 μm
Dans ces types d'architectures le rendement lumineux de l'image projetée ne sera pas affecté par la surface utile de chaque pixel tant que son coefficient de transmission est supérieur à 45 % pour l'exemple donné . Pour réaliser l'enregistrement de la matrice de microlentilles dans le dispositif holographique de focalisation
HL, on utilise un masque par exemple.
Ce masque est un masque du même type que celui utilisé pour réaliser la matrice d'électrodes de l'écran LCD . Seule la dimension φ j , du pixel transparent du masque doit être adaptée à la divergence de la microlentille qui doit être ' enregistrée. Dans l'exemple on aura donc :
M 2 λ f/ φ τ = 4, 5 μm
L'emplacement de l'élément image transparent du masque correspondant à l'élément image de l'écran (LCD) est adressé par la commande de l'écran.
Le masque peut également être un écran à cristal liquide éclairé à la longueur λ . de la source et adressé électriquement pour enregistrer la matrice HL..
Comme on l'a déjà noté, l'exemple de réalisation de l'invention prévoit un dispositif de focalisation (HL) réalisé sous forme d'une matrice de microlentilles . On prévoit également de ne pas avoir de dispositif de focalisation dans le dispositif
de l'invention.
Le dispositif de la figure 2 fonctionne de la manière suivante :
La source S éclaire uniformément un dispositif holographique de polarisation HP.. Le faisceau F. entre dans le prisme PR perpendiculairement à la face d'entrée. Une composante de polarisation est retransmise sans être pratiquement déviée tandis que l'autre composante est réfléchie . Le faisceau réfléchi est transmis au dispositif holographique de focaHsation HL. qui le focalise dans les différents éléments images de l'écran LCD . Par ailleurs, l'écran LCD est commandé par des moyens non représentés pour visualiser une image.
Dans ce qui précède on a considéré un fonctionnement à une seule longueur d'onde λ . (fonctionnement monochrome) et le dispositif HL. a été enregistré pour focaliser une longueur d'onde λ ..
1
Le dispositif peut également fonctionner avec plusieurs longueurs d'ondes notamment avec trois longueurs d'ondes (fonctionnement trichrome) correspondant aux longueurs d'ondes du bleu (0, 46 μm) , du vert (0, 55 μ ) , du rouge (0, 68 μm) par exemple.
La figure 3 illustre un tel système trichrome. Dans ce système, l'écran LCD possède, pour chaque élément image, une cellule image CR destinée à moduler une longueur d'onde correspondant au bleu, une cellule image Cv destinée à moduler une longueur d'onde correspondant au vert et une cellule image Cp destinée à moduler une longueur d'onde correspondant au rouge. Sur la figure 3, ces cellules ont été représentées de façon agrandie mais trois cellules ainsi réunies peuvent ne correspondre en dimensions qu'à un seul élément image de la figure 2.
Le dispositif holographique de focalisation HL a été enregistré pour focaliser la composante de longueur d'onde correspondant au bleu , contenue dans le faisceau retransmis par le dispositif HP dans les cellules modulant le bleu de l'écran
LCD . De même il doit focaliser la composante verte dans les cellules modulant le vert, et la composante rouge dans les cellules modulant le rouge .
Les bandes passantes angulaires et spectrales pour les trois composantes chromatiques de la source S sont données sur les figures 5a à 5c .
Pour enregistrer un tel hologramme dans HL on utilise un masque réalisé de la même façon que l'écran à cristal liquide LCD . Ce masque sera par exemple un écran à cristal liquide . L'emplacement d'un élément image du masque correspondant à une couleur et correspondant à un élément image de l'écran LCD est adressé par la commande de la composante chromatique de la couleur considérée de l'écran à cristal liquide de masquage .
Le dispositif de la figure 6 est une variante des dispositifs précédents dans laquelle la lumière réfléchie par le dispositif de polarisation HP éclaire une partie (la moitié par exemple) du dispositif de focalisation HL et de l'écran LCD .
La lumière qui n'est pas réfléchie (polarisation parallèle au plan d'incidence) et qui est transmise par le dispositif de polarisation HP éclaire l'autre partie du dispositif de focalisation et l'autre partie de l'écran . Toute la lumière de la source peut être donc utilisée .
Il est possible de prévoir une lame demi-onde λ /2 qui fait tourner la polarisation de la lumière éclairant l'une des parties de l'écran . Sur la figure 6 , cette lame demi-onde est placée sur le trajet du faisceau transmis par le dispositif HP. L'écran LCD est alors commandé électriquement de façon uniforme sur toute sa surface . Avantageusement, la lame demi-onde peut être une cellule à cristal liquide passive fonctionnant dans le mode guide d'onde (chromatique) . Cette lame demi- onde pourrait être placée sur le trajet du faisceau réfléchi au lieu du faisceau transmis par le dispositif HP . Egalement, de préférence, cette lame demi-onde pourrait être placée de façon à être perpendiculaire au faisceau, par exemple comme dans le cas de la figure 9 qui sera décrite ultérieurement .
On peut également ne pas prévoir la lame demi-onde. Dans ce cas, les deux parties de l'écran sont donc éclairées par des faisceaux de lumière de polarisations orthogonales. On peut alors commander les deux parties de l'écran de façon inversée. La figure 7 représente un exemple de réalisation du dispositif de l'invention dans lequel la matrice HPL est un hologramme fonctionnant en réflexion (type HR) et présentant simultanément des propriétés de polarisation .
L'écran LCD étant toujours placé contre le composant HPL on introduit dans le dispositif des fonctions HM2 type miroir holographique. Le dispositif de la figure 7 utilise un prisme PR fonctionnant en réflexion totale sur l'une de ses faces. L'autre face comportant successivement, de droite à gauche, une matrice holographique de microlentilles polarisantes HPL un miroir holographique - HM2 et l'écran LCD . Il est à noter que le dispositif HPL pourrait être également un dispositif holographique polarisant sans enregistrement de microlentilles .
Le principe de fonctionnement de ce dispositif est basé sur l'exploitation des propriétés de sélectivité spectrale étroite des structures holographiques en réflexion. Il est décrit comme suit :
Le faisceau " d'éclairage collimaté est réfléchi totalement par la face M du prisme PR qui réalise si on le désire une anamorphose au format 16/9 par exemple. Cette réflexion peut se faire par un hologramme HM1. Le faisceau traverse une première fois HPL sans être diffracté à une incidence telle que l'on soit sous incidence de Bragg pour HM2 et hors Bragg pour HPL. H est alors totalement réfléchi par HM2, HM2 ayant été enregistré pour réfléchir ce faisceau à l'incidence de Bragg pour HPL. La partie de l'onde polarisée perpendiculairement au plan d'incidence est alors diffractée efficacement par HPL pour être focalisée dans les pixels de l'écran LCD . Le composant HM est alors traversé une seconde fois sans diffraction puisqu'il est cette fois ci à une incidence hors Bragg.
On notera que la face M du prisme PR n'est pas nécessairement réalisée avec un composant holographique, il peut s'agir d'une réflexion soit métallique ou diélectrique, soit totale à l'interface du dioptre air- verre . On a présenté ici une structure dans laquelle la fonction polarisante est réalisée sur la fonction lentille . On notera qu'elle peut être de manière indifférente réalisée dans HM2 ou encore une fois sur M comme dans le dispositif des figures 2 et 3, si ce composant est holographique . A titre d'exemple de réalisation du dispositif de la figure 7, on présente ici un exemple non restrictif d'association de deux composants HPL et HM2 visant à démontrer la compatibilité des bandes spectrales et angulaires de ces composants . Les propriétés de sélectivité angulaire et spectrale des dispositifs holographiques' associées à une source blanche de petite dimension, permettent de s'affranchir des dispersions chromatiques des composants holographiques .
Dans ce type de réalisation monobloc, les propriétés holographiques (sélectivités angulaire et spectrale) permettent d'éviter l'utilisation de miroirs dichroïques .
Matrice de microlentilles polarisantes HPL
f = 1 mm 0T = 0, 3 mm (focale et ouverture d'une μlentille)
θ j, = 63° Θ = 0 à λ = 0, 55 μm (respectivement angle de lecture et de diffraction moyen)
φ = 37, 5° Δn = 0, 025 d = 12 μm
Λ = 0, 24 μm moyen ' ^
Miroir holographique HM2
Θβ = -27° θ , = 63° à λ = o, 55 μm (angle de lecture et de
diffraction respectivement)
φ = 162° Δ n = 0,05 d = 13 μm
Λ = 0, 26 μm
La figure 9 représente une variante de réalisation du dispositif de l'invention. Ce dispositif comporte un premier dispositif de séparation de polarisations HPD1 disposé incliné (à 45° par exemple) par rapport à l'écran LCD et permettant d'éclairer la moitié de l'écran LCD . Il reçoit un faisceau incident RVB selon une direction parallèle à l'écran LCD. H réfléchit vers l'écran LCD l'une des polarisations RI du faisceau incident à une longueur d'onde déterminée (longueur d'onde correspondant au rouge par exemple) . H retransmet sans déflexion l'autre polarisation R2 du faisceau de la même longueur d'onde (rouge) ainsi que la lumière à toutes les autres longueurs d'ondes (notamment celles correspondant au vert et au bleu) . Un deuxième dispositif de séparation de polarisations
HPD2 fonctionnant à la même longueur d'onde que HPD1 (le rouge selon l'exemple pris) réfléchi le faisceau R2 vers l'écran LCD. Ce dispositif de séparation peut également être un miroir holographique fonctionnant à la longueur d'onde à réfléchir (le rouge) :
L'écran LCD reçoit les faisceaux RI et R2 par l'intermédiaire d'un dispositif de focalisation HL qui focalise comme cela a été décrit précédemment la lumière sur les différents éléments images de l'écran LCD . Cependant, il est également possible de ne pas prévoir de dispositif de focaHsation HL. En sortie de l'écran LCD un troisième dispositif de séparation de polarisations HPD3 laisse passer la lumière d'une certaine polarisation et réfléchi (non transmission) la lumière de polarisation perpendiculaire et cela en fonction de l'image affichée par l'écran LCD .
De plus, les deux parties de l'écran recevant les deux faisceaux RI et R2 peuvent être commandés en inverse . Ou bien, il est possible de prévoir une lame λ /2 qui fait tourner de 90° la polarisation de l'un de ces faisceaux . Par exemple, comme cela est représenté sur la figure 9, la lame λ /2 est placée entre le premier dispositif de séparations de polarisation HPD et le deuxième dispositif de séparations de polarisation HPD 2.
Le dispositif de la figure 9 fonctionne à une seule longueur d'onde ou plus précisément à une gamme de longueurs d'ondes relativement étroite . La lumière à d'autres longueurs d'ondes n'est pas déviée et ressort selon le faisceau VB .
Pour traiter d'autres longueurs d'ondes l'invention prévoit de disposer d'autres dispositifs tels que celui de la figure 9 selon une disposition représentée en figure 10. Sur cette figure 10 on a aligné de ,. : autres dispositifs sur la direction du faisceau VB . Le premier dispositif est conçu pour traiter une gamme de longueurs d'ondes correspondant par exemple au vert. Il ne dévie pas la lumière possédant une longueur d'onde appartenant à une troisième gamme, le bleu par exemple .
Les trois dispositifs Dl, D2 , D3 traitent ainsi trois gammes de longueurs d'ondes différentes c'est-à-dire des gammes correspondants respectivement au rouge, au vert et au bleu .
Les trois faisceaux issus des trois dispositifs Dl, D2, D3 sont superposés à l'aide de trois miroirs HPR, HPV, HPB recevant en parallèle les trois faisceaux traités et disposés en série sur la direction des faisceaux réfléchis de façon à rendre colinéaires les trois faisceaux réfléchis R , V , B . Ces trois s ' s' s faisceaux sont transmis à une optique de sortie OP. Sur la figure 9, le faisceau incident FI est parallèle au plan de l'écran LCD et cela est utile si l'on veut disposer, comme on va le voir, en série plusieurs blocs de constructions identiques tel que celui de la figure 9. Cependant le faisceau incident RVB peut être perpendiculaire au plan de l'écran LCD .
De plus , sur la figure 10, on dispose les différents
éléments du système de façon que les trajets optiques des différents faisceaux soient égaux. Notamment, les écrans à cristaux liquides LCDR, LCDV, LCDB , correspondant aux trois gammes de longueurs d'ondes traités sont disposés à des distances différentes des dispositifs Dl, D2 , D3.
Par exemple, si on suppose que la dimension de chaque dispositif Dl, D2, D3 selon la direction du faisceau RVB est égale à L, l'écran LCDR est placé à une distance 2L du dispositif Dl. L'écran LCDV est placé à une distance L du dispositif D2 et l'écran LCDB est pratiquement accolé au dispositif D3.
Le système de la figure 10 permet ainsi de conserver l'équidistance entre la source S et les écrans à cristaux liquides LCDR, LCDV et LCDB d'une part, et les écrans à cristaux liquides et l'optique de projection d'autre part.
L'encombrement du système de la figure 10 est environ 3L x 3L x 1, L étant la dimension d'un dispositif tel que Dl selon la direction du faisceau BVR et 1, la dimension Dl perpendiculairement au plan de la figure 10. I*-*-** figure 11 représente une variante de réalisation du système de la figure 6 permettant d'obtenir des trajets égaux en tous points à partir de la source S jusqu'à un écran LCD . Ce dispositif comporte, bien que cela ne soit pas obligatoire, le dispositif holographique de focalisation HL accolé à l'écran LCD . Le dispositif holographique de polarisation HP est situé selon un plan médian à l'écran LCD et au dispositif HL. Le faisceau d'entrée est tel que son angle d'incidence sur le dispositif HP est de 45° . Pour obtenir cet angle d'incidence, un cube CU est accolé au dispositif HP par une face et reçoit par une face voisine FA le faisceau d'entrée . A cette face FA est associé un dispositif holographique Hl enregistré pour dévier le faisceau d'entrée de façon à le retransmette sous une incidence sensiblement de 45° au dispositif HP. De préférence, le faisceau d'entrée est perpendiculaire à la face FA et au dispositif Hl .
En fonctionnement à plusieurs longueurs d'ondes
(fonctionnement trichrome) , le dispositif holographique Hl défléchi le faisceau d'entrée ayant une longueur d'onde située dans une bande étroite, le vert par exemple . Les faisceaux possédant d'autres longueurs d'ondes ne sont pas déviés (faisceaux FB et FR) . Par contre, le cube CU possède une lame dichroïque LBR réfléchissant ces faisceaux FB et FR vers d'autres dispositifs de visualisation D'2 et D'3.
Dans l'exemple de réalisation de la figure 11, la lame dichroïque LBR est en aval du dispositif Hl (dans le cube CU) , 0 mais elle pourrait également être en amont du dispositif Hl .
La figure 12 représente un exemple d'agencement de ces dispositifs . Dans cet agencement, les écrans à cristaux liquides LCDV, LCDB et LCDR sont disposés de façon à être équidistants de l'optique de projection OP. -5 Le dispositif D'2 fonctionne à une bande de longueurs d'ondes correspondant au bleu. Il est couplé au dispositif D'1 par un miroir MBR qui peut être un miroir holographique réfléchissant le bleu et le rouge .
Le dispositif D'3 fonctionne à une bande de longueurs 0 d'ondes correspondant au rouge . Il est couplé au dispositif D'2 par un miroir MR .
Les faisceaux traités par les écrans LCDV, LCDB et LCDR sont rendus colinéaires comme dans le système de la figure 10. -5 II est à noter que si les écrans LCDV, LCDB et LCDR sont équidistants de l'optique de sortie OP, ils ne sont pas équidistants de la source S dans cet exemple de réalisation. Cela peut donc induire des différences de luminosité pour les différentes couleurs en raison de la divergence des faisceaux. 0 On peut remédier à cela en prévoyant dans les dispositifs holographiques des fonctions de divergence et/ou de convergence .
On peut également prévoir de telles fonctions de divergence et/ou de convergence dans chacun des dispositifs holographiques des différents exemples de réalisation précédents .
Par exemple, en figure 9, les différents points de
l'écran LCD ne sont pas équidistants de la source S. Si le faisceau d'éclairage est divergent, l'éclairage de l'écran n'est pas uniforme. Pour y remédier, on prévoit d'inclure une fonction de convergence dans le dispositif HMD par exemple. Selon une variante de l'invention, il est possible d'introduire une fonction de convergence ou de divergence dans les dispositifs de séparation de polarisations tels que les dispositifs HPD1 ou HMD (ou HPD2) de la figure 9. Cette fonction de convergence ou de divergence a pour but de compenser les éventuelles inhomogénéités d'éclairements dues notamment au fait que l'écran LCD est éclairé en deux parties et que les faisceaux d'éclairement de ces deux parties parcourent des trajets différents.
Selon une autre variante de réalisation le faisceau d'éclairement de l'écran LCI fait un angle avec la normale au plan de l'écran, cet angle pouvant par exemple atteindre 10°. Dans ces conditions, sur les différentes figures annexées, on doit considérer que les différents faisceaux et les différents dispositifs font un angle par rapport aux positions représentées. Cela permet d'optimiser le contraste de l'écran
LCD. Par exemple dans la description de la figure 9, le faisceau FI ' peut alors n'être pas parallèle au plan de l'écran mais faire un angle.
Selon une autre variante de l'invention, tous les éléments du dispositif de l'invention ne sont pas réalisés selon les techniques holographiques. Par exemple, les séparateurs dichroïques ainsi que les polariseurs peuvent être réalisés selon les techniques d'optiques classiques tout en fournissant une compatibilité avec des éléments réalisés en holographie. La figure 13 représente une variante de réalisation de la figure 12 dans laquelle la séparation chromatique n'est pas prévue dans les dispositifs D'1, D'2, D'3 mais entre ces dispositifs et la source.
Comme on peut le voir on prévoit un séparateur chromatique SCV qui filtre les longueurs d'onde correspondant
au vert pour les transmettre au dispositif D'1. Les autres longueurs d'onde sont réfléchies vers un autre séparateur chromatique SCB qui réfléchit les longueurs d'onde correspondant au bleu vers le dispositif D'2 et qui transmet les autres longueurs d'ondes correspondant au rouge au dispositif
D'3 par l'intermédiaire d'un miroir SCR.
Les dispositifs D'1, D'2, D'3 sont constitués de la même façon mais ne comportent pas, à la différence de ceux des figures 11 et 12, des lames de séparation chromatique (lame dichroïque LBR) dans le cube CU. Le dispositif Hl n'a pas besoin d'être sélectif en longueurs d'onde pour dévier le faisceau qu'il reçoit puisque la sélection en longueurs d'ondes a déjà été faite .
Les dispositifs D'1, D'2, D'3 peuvent être placés côte à côte. En sortie, les miroirs ΗPV, HPB et HPR sont orientés de façon que les trois trajets des trois gammes de longueurs d'ondes traitées soient quasiment égaux.
Le dispositif de projection selon l'invention permet :
" Un gain notable du rendement lumineux du projecteur par rapport aux structures classiques provenant :
. pour un facteur 3, de l'absence de filtres colorés, les fonctions dichroïques étant réalisées par des composants holographiques .
pour un facteur pouvant atteindre 2, 2, de la focalisation dans les pixels permettant de s'affranchir du taux de transmission de l'écran LCD (dans le cas des pixels au pas de 100 μm) .
. pour un facteur 1, 3 du taux de remplissage de 100 % obtenu avec des matrices de lentilles holographiques .
on s'attend également à un gain notable sur
l'efficacité du polarisateur holographique comparé au cube polarisant dichroïque diélectrique large bande spectrale.
La réalisation de structures optiques à faible coût et copiables optiquement à partir d'un dispositif maître .
Les dispositifs de visualisation selon l'invention sont donc basés sur l'utilisation de matrices à cristaux liquides LCD dans un système de projection utilisant des composants holographiques de volume. Elles permettent simultanément :
- d'accroître le rendement lumineux de projection en exploitant les propriétés des hologrammes de volume qui permettent l'obtention d'efficacités de diffraction élevées pouvant atteindre la limite théorique de 100 % et des taux de polarisation atteignant 1/1000 sur les faisceaux réfléchis et transmis .
d'intégrer dans des films minces d'épaisseur inférieure à 100 μm une fonction optique complexe réalisant à la fois la polarisation HP de la source d'éclairage, la focalisation sélective HL., dans chacun des pixels de la matrice, et la séparation chromatique de chacune des trois composantes chromatiques λ . rouge- vert-bleue de la source.
- la compatibilité avec des impératifs de production industrielle en utilisant les procédés de duplication des hologrammes.
H est bien évident que la description qui précède n'a été faite qu'à titre d'exemple et que d'autres variantes peuvent être envisagées sans sortir du cadre de l'invention. Notamment, les dispositions des dispositifs holographiques et leurs inclinaisons par rapport aux faisceaux lumineux à traiter ainsi que la nature de ces dispositifs holographiques n'ont été indiquées que pour illustrer la description. Egalement,
l'invention a été décrite, dans ses exemples de réalisations détaillées représentés par les figures, en application à un système de visualisation d'un écran à cristal liquide . Cependant, on rappelle qu'elle concerne avant tout un dispositif d'éclairage qui est utilisé dans les exemples représentés pour l'éclairage de l'écran à cristal liquide, mais il pourrait ne pas y avoir d'écran à cristal liquide où il pourrait y avoir tout autre dispositif . La réalisation des dispositifs holographiques est connue dans la technique . On sait, par exemple, enregistrer de façon permanente des hologrammes fonctionnant sous faisceau de lecture d'intensité importante .