DISPOSITIF DE COLLIMATION DE FAIBLE ENCOMBREMENT,
EN PARTICULIER POUR VISUEL DE CASQUE
La présente invention se rapporte à un dispositif de collimation de faible encombrement, en particulier pour visuel de casque.
Un premier type de dispositif de collimation connu comporte une optique de collimation telle que décrite dans le brevet US 3 432 219.
Cette optique comporte essentiellement un miroir sphérique semiréfléchissant, une lame semi-réfléchissante et un objectif à lentilles. Cet objectif forme à partir d'un objet proche (par exemple un tube cathodique) une image virtuelle sur la sphère focale du miroir sphérique et la lame semi-réfléchissante mélange les rayons issus de l'objectif aux images extérieures passant par le miroir sphérique. Ce visuel connu présente des coefficients de transmission acceptables (12,5 % maximum pour la transmission objet/oeil et 25 % maximum pour la transmission images extérieures/oeil), mais son champ vertical et limité par l'interaction entre la lame semi-réfléchissante et le miroir sphérique ainsi que par le visage de l'observateur. Ce champ est au maximum d'environ 450 dans le sens vertical et d'environ 600 dans le sens horizontal.
On connaît un second type d'optique de collimation d'après le brevet US 3 443 858. Cette optique connue comporte essentiellement un dispositif mélangeur, par exemple une lame semi-réfléchissante mélangeant des images virtuelles d'un objet proche à des images extérieures lointaines, cette lame étant suivie d'un polariseur, d'un miroir sphérique semi-réfléchissant et d'un "sandwich" de quatre lames, respectivement une lame quart d'onde, une lame semi-réfléchissante, une autre lame quart d'onde, et un polariseur. Ce dispositif optique connu est compact, présente un champ visuel relativement élevé (au maximum d'environ 1000 en vertical et 1200 en horizontal), mais son rendement lumineux est très faible : le coefficient de transmission image collimatée d'objet proche/oeil est de 1,56 % au maximum et le coefficient de transmission scène extérieure/oeil est de 6,25 % au maximum).
La présente invention a pour objet un dispositif de collimation de faible encombrement et le plus léger possible, dont le champ visuel soit le plus étendu possible, avec un rendement lumineux au moins aussi bon que celui des dispositifs connus, et formant une image nette.
Le dispositif de collimation conforme à l'invention comporte un dispositif polariseur à sélection de polarisation circulaire suivi d'un miroir sphérique semi-réfléchissant, d'une lame quart d'onde et d'un polariseur linéaire réfléchissant.
Le dispositif optique de l'invention, utilisé en tant que visuel mélangeur comporte, en tant que dispositif mélangeur, disposé en amont du miroir sphérique, soit une lame semi-réfléchissante, soit un polariseur réfléchissant linéaire associé à une lame quart d'onde.
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée de deux modes de réalisation, pris à titre d'exemples non limitatifs et illustrés par le dessin annexé, sur lequel
- la figure 1 est un schéma simplifié expliquant le fonctionnement d'un polariseur linéaire réfléchissant;
- la figure 2 est un schéma simplifié d'un dispositif optique de collimation conforme à l'invention;
- la figure 3 est un schéma simplifié d'une variante à mélangeur du dispositif de la figure 2, conforme à l'invention;
- les figures 4 et 5 sont des schémas de variantes des dispositifs des figures 2 et 3 respectivement.
L'invention est expliquée ci-dessous en référence à un visuel de casque, mais il est bien entendu qu'elle n'est pas limitée à une telle application, et peut être mise en oeuvre dans tout dispositif de collimation avec ou sans mélange des images issues d'une source disposée à distance finie à des images que l'on peut considérer comme étant à l'infini.
La présente invention fait appel à un polariseur linéaire réfléchissant. Sa propriété essentielle, mise en oeuvre par la présente invention, est de réfléchir, pratiquement en totalité la composante de polarisation linéaire d'un sens donné, par exemple "S", de la lumière incidente, et de transmettre pratiquement intégralement sa composante linéaire perpendiculaire, ici "P". Un tel polariseur réfléchissant est fabriqué par la firme 3M. On a représenté en figure 1 un rayon lumineux incident 1 arrivant sur un tel polariseur 2. La composante "S" référencée 3 est transmise, alors que la composante "P" référencée 4 est réfléchie.
On a représenté en figure 2 un mode de réalisation simplifié du collimateur conforme à l'invention. Ce collimateur est destiné à former sensiblement à l'infini l'image d'un objet 5, qui se trouve à faible distance (quelques centimètres à quelques dizaines de centimètres par exemple) d'un observateur, symbolisé en 6 par un oeil.
L'objet 5 est par exemple un écran de tube cathodique, un projecteur de diapositives ou de films cinématographiques, ou une optique de reprise disposée à une extrémité d'une fibre optique dont l'autre extrémité est fixée devant une source d'images éloignée. Si nécessaire, on place devant l'objet 5 un objectif de grandissement 7.
Entre l'objet 5 (ou l'objectif 7, s'il existe) et l'observateur 6, on dispose respectivement un polariseur circulaire 8 (en amont de l'objectif 7 dans le cas présent), un miroir sphérique semi-transparent 9, une lame quart d'onde 10 et un polariseur linéaire réfléchissant il. Dans l'exemple représenté sur la figure 4, l'objet 5 se trouve en face de l'observateur 6, et les éléments 7 à il sont disposés sur le même axe optique AO joignant l'oeil de l'observateur au centre de l'objet 5. Cependant, il est possible de disposer l'objet hors du champ visuel normal de l'observateur (c'est-à-dire lorsqu'il regarde droit devant lui sans bouger la tête), comme on le décrit ci-dessous en référence à la figure 3.
Le rôle du polariseur 8 est de ne laisser passer, qu'une composante de polarisation circulaire (par exemple droite dans le cas représenté en figure 2). Le rôle du polariseur réfléchissant 11 est de réfléchir la lumière polarisée linéairement d'un premier type (type S dans le cas présent) lié au sens de la polarisation de la composante traversant le polariseur 8, et de laisser passer la lumière polarisée linéairement de l'autre type (type P dans le cas présent). Le miroir 9 reçoit un traitement holographique lui permettant de ne réfléchir 50 % environ de la lumière que dans une bande de fréquences donnée.
On a référencé 12, 13 les rayons extrêmes d'un faisceau F1 de lumière produit par l'objet 5 dans l'axe AO. A la sortie du polariseur 8, seule subsiste la composante de polarisation circulaire droite de ce faisceau (faisceau F2 dont les rayons extrêmes sont respectivement référencés 14, 15). Ce faisceau F2 traverse le miroir sphérique 9. A la sortie du miroir 9, le faisceau (rayons extrêmes 16, 17 respectivement) est toujours à polarisation circulaire droite. II traverse la lame quart d'onde 10 en devenant un faisceau à polarisation S, et se réfléchit donc sur le polariseur réfléchissant 11 (qui ne laisse passer que la lumière à polarisation P). Le faisceau ainsi réfléchi est encore à polarisation S.
Après traversée de la lame 10, il devient à polarisation circulaire gauche.
II se réfléchit une seconde fois sur le miroir sphérique 9 en restant à polarisation circulaire gauche. Le faisceau réfléchi par le miroir 9 (rayons extrêmes 18, 19 parallèles à l'axe AO) est collimaté du fait que le miroir 9 est sphérique. Après une troisième traversée de la lame 10, il devient à polarisation P. II traverse donc le polariseur réfléchissant 11, et l'observateur, même placé très près du polariseur réfléchissant 11, aura toujours l'impression d'observer une image à l'infini de l'objet 5.
On notera que l'observateur 6 ne perçoit que les rayons collimatés par le miroir 9.
Le rendement lumineux théorique maximum de ce collimateur est estimé ainsi (valeurs approchées dans une bande de fréquence, dépendant des caractéristiques des polariseurs et des traitements réfléchissants utilisés) : si on a 100 % de la lumière arrivant sur le polariseur 8, on a 50 % après sa traversée, 25 % après la traversée du miroir semi-transparent 9, 12,5 % après réflexion sur la face concave du miroir 9, et également 12,5 % après traversée du polariseur réfléchissant 11 (puisqu'il s'agit de la même composante 18, à polarisation P, avant et après le polariseur réfléchissant 11, qui est pratiquement intégralement transmise). Le rendement maximal de ce collimateur est donc de 12,5 %.
On a représenté en figure 3 une variante du dispositif de la figure 2. Sur cette figure, les mêmes éléments que ceux de la figure 2 sont affectés des mêmes références numériques. Cette variante se distingue essentiellement par le fait qu'elle permet de mélanger aux images de l'objet proche des images provenant d'une autre source S n'ayant pas besoin d'être collimatée, par exemple des scènes extérieures. L'objet 5 est disposé hors du champ de vision normal de l'observateur placé en 6 (c'est-à-dire le champ de vision qu'il a lorsqu'il regarde droit devant lui sans bouger la tête), et on lui adjoint une optique de grandissement 7.
Les éléments 9 à 11 sont les mêmes qu'en figure 2 et disposés de la même façon. On dispose sur l'axe AO, en amont du miroir 9, un mélangeur 20, qui est ici une lame semi réfléchissante, inclinée à 450 par exemple par rapport à l'axe AO, et qui comporte un revêtement identique à celui du miroir 9.
Dans la lumière 21 issue de l'objet 5 (pour simplifier le dessin, on n'a représenté qu'un seul rayon issu de chaque source), dirigée vers le mélangeur 20, la composante 22 à polarisation circulaire droite est réfléchie en direction du miroir 9. Comme décrit ci-dessus en référence à la figure 4, cette composante 22 traverse le miroir 9 et la lame quart d'onde 10 en direction de l'observateur, se réfléchit sur le polariseur réfléchissant 11, puis retraverse la lame quart d'onde 10 et se réfléchit sur le miroir 9 qui la collimate en direction de l'observateur 6 (rayon 23).
On notera que les éléments 7 et 8 des figures 4 et 5 peuvent être permutés entre eux.
A partir d'un rayon lumineux (24) issu de la source S, la lame 20 supprime une bande de fréquences et laisse passer toutes les autres fréquences (rayon émergent 25) pratiquement sans atténuation. Cette bande de fréquences étant éliminée du rayon 25, le miroir 9 et la lame 10 n'apportent pratiquement aucune atténuation. Seule la lame i1 réfléchissante apporte une atténuation d'environ 50 % (la seule composante P la traverse).
Dans les modes de réalisation représentés en figures 4 et 5, les éléments identiques à ceux des figures 2 et 3 (en particulier les éléments 9, 10 et 11) sont affectés des mêmes références numériques.
En figure 4, les rayons issus de l'objet 5 traversent l'optique 7 (si elle existe), un polariseur linéaire 26 ne laissant passer que la composante P de la lumière issue de l'objet 5, une lame quart d'onde 27, et les éléments 9 à i1 déjà décrits ci-dessus. Après la lame 27, la lumière provenant de l'objet 5 est à polarisation circulaire droite, et par conséquent elle est traitée de la même façon qu'expliqué ci-dessus en référence à la figure 2.
Le mode de réalisation de la figure 5 permet de mélanger les images issues d'une source proche 5 (images devant être collimatées) à des images d'une source S (ne devant pas être collimatées). Comme dans le cas de la figure 5, la source 5 est disposée hors du champ visuel normal de l'observateur 6, alors que la source S est sensiblement proche de l'axe optique A.O, passant par 6 et sur lequel sont disposés les éléments 9 à 11, identiques à ceux des figures 2 à 4.
Sur l'axe optique A.O, on dispose, en amont du miroir sphérique 9, un dispositif mélangeur 28, incliné par exemple à 450 par rapport à l'axe A.O. Ce dispositif 28 comporte un polariseur linéaire réfléchissant 29 de type "S" (réfléchissant la lumière polarisée P et transmettant la lumière polarisée S) suivi d'une lame quart d'onde 30.
La lumière issue de l'objet 5, après être passée par l'objectif 7, s'il existe, traverse une première fois, pratiquement sans altération, la lame quart d'onde 30, et arrive sur le polariseur réfléchissant 29. La composante S est transmise et perdue, alors que la composante P est réfléchie par le polariseur 29, traverse une deuxième fois la lame 30 et devient une composante à polarisation circulaire droite. Elle est donc ensuite collimatée par les éléments 9 à il comme expliqué ci-dessus en référence à la figure 2.
De la lumière issue de la source S, la composante P est réfléchie par le polariseur réfléchissant 29 et perdue, tandis que sa composante S est transmise par le polariseur 29, devient à polarisation circulaire gauche après avoir traversé la lame quart d'onde 30, passe le miroir 9, devient à polarisation P après traversée de la lame quart d'onde 10 et traverse donc le polariseur réfléchissant 1 1.
Bien entendu, ce mode de réalisation de la figure 5 peut être utilisé en simple collimateur (source S supprimée), le dispositif 28 jouant alors le rôle de miroir de renvoi pour les images issues de l'objet 5 placé hors du champ visuel normal de l'observateur placé en 6.
Dans les modes de réalisation des figures 4 et 5, le rendement lumineux maximal pour les rayons collimatés est de 12,5 % (perte d'environ la moitié de l'énergie lumineuse au passage des éléments 29 et 9 et lors de la réflexion sur le miroir 9) et de 25 % pour les rayons non collimatés (perte d'environ la moitié au passage des éléments 29 et 9).
L'invention a été décrite ci-dessus pour les figures 2 et 3 en référence à des couches réfléchissantes holographiques sélectives en réflexion dans une bande de fréquences d'environ 50 nm, c'est-à-dire que seule une bande de fréquences (par exemple dans le vert) provenant de la source 5 parvient à l'observateur 6. Pour pouvoir profiter des possibilités d'une source 5 bichrome ou trichrome, il faut superposer les couches holographiques sur les éléments 9 et 20 (par exemple couches rouge et verte en bichrome et couches rouge, verte et bleue en trichrome). Bien entendu, ces bandes de fréquences sont supprimées dans le faisceau issu de la source "S".
Bien entendu on peut remplacer sur les éléments 9 et 20 les couches réfléchissantes holographiques sélectives en réflexion dans une bande de fréquences donnée par une couche métallique dont la bande des fréquences réfléchies couvre la totalité du spectre visible.
Dans les modes de réalisation décrits ci-dessus, on peut bien entendu changer le type de polarisation des polariseurs, à condition de le changer pour tous les éléments à la fois. Ainsi, dans le mode de réalisation de la figure 3, si le polariseur 8 est à polarisation circulaire gauche, le polariseur réfléchissant il doit alors être de type "S" (il doit transmettre la lumière polarisée S et réfléchir celle polarisée P).
Selon un mode de réalisation de l'invention, le polariseur 8, lorsqu'il est constitué par un polariseur circulaire, comporte au moins un revêtement à cristaux liquides cholestériques.