WO2014033035A1 - Dispositif optique comportant un guide optique et procede de fabrication d'un tel dispositif - Google Patents

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Pascal Benoit
Guilhem Dubroca
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Definitions

  • the present invention relates to the field of optical devices comprising an optical guide and a device for injecting a light beam into the optical guide.
  • An optical guide generally has an injection section through which the light beam carrying an image is introduced.
  • the optical guide allows the light beam to propagate by total internal reflection, possibly through a specific treatment of the walls of the optical guide.
  • the light beam thus propagates to an extraction section for its output from the optical guide.
  • the extraction section may consist of a reflector terminating the optical guide by an inclined plane.
  • an injection device based on the use of a prism is used.
  • This prism is either molded in one and the same piece with the optical guide, or two separate pieces are assembled.
  • the molding of the prism and the optical guide in one and the same room is expensive and difficult to achieve.
  • the addition of a separate prism is often preferred, but poses a congestion problem, in particular with regard to the implementation of a complementary optical system based on lenses for generating a collimated beam.
  • the invention relates to an optical device comprising an optical guide adapted to propagate a light beam by successive total internal reflections and an injection device adapted to inject the light beam into the optical guide via an injection section.
  • the optical device is such that a polarizing material is present between the optical waveguide and the injection device at the injection section, and the injection device comprises a prism and an assembly formed of a quarter blade. wave and a curved mirror, the injection device being arranged such that a light beam reflected by the polarizing material in the direction of the curved mirror passes through the quarter wave plate, is then reflected by the curved mirror in direction of the polarizing material and crosses the quarter wave plate.
  • the size of the optical device is reduced.
  • the prism comprises a reflecting face, the injection device being arranged such that a light beam reflected by the polarizing material in the direction of the curved mirror is previously reflected by said reflecting face.
  • said reflecting face forms a 90 ° angle with a face of the prism against which said polarizing material is placed.
  • the optical device being intended to be used with a polarized light source providing said light beam
  • the injection device comprises at least one lens intended to be placed between said polarized light source and the prism.
  • the injection device comprises a doublet intended to be placed between said polarized light source and the prism, the doublet being such that it has a flat face.
  • the doublet can be easily glued to the prism, which simplifies the manufacture of the optical device.
  • the optical device being intended to be used with a polarized light source providing said light beam
  • the injection device comprises at least one half-wave plate intended to be placed between said polarized light source and the prism.
  • the polarization of the light beam can be adapted to the polarizing material used.
  • the curved mirror has an aspheric reflective surface.
  • the sharpness of an image diffused by the optical guide is better.
  • the invention also relates to a method of manufacturing an optical device comprising the following steps: obtaining an optical guide adapted to propagate a light beam by successive total internal reflections; obtaining an injection device comprising a prism and an assembly formed of a quarter-wave plate and a curved mirror, the injection device being intended to inject the light beam into the optical guide via a section of 'injection.
  • the method is such that it further comprises the following step: assembly of the injection device and the optical guide with placement of a polarizing material between the optical guide and the injection device at the injection section , the assembly being such that a light beam reflected by the polarizing material in the direction of the curved mirror via the quarter-wave plate is reflected by the curved mirror towards the polarizing material via the quarter-wave plate.
  • the manufacturing method makes it possible to obtain an optical device of small size.
  • the method comprises the following steps: obtaining a doublet, having a flat face, adapted to correct chromatic aberrations induced by the passage of the light beam from the curved mirror to an extraction section optical guide; assembly of the doublet and the prism, said flat face being placed against the prism.
  • an image broadcast via the optical guide has a better rendering.
  • the method comprises the following steps: obtaining a doublet, having a flat face, adapted to correct chromatic aberrations induced by the passage of the light beam from the curved mirror to an extraction section optical guide; assembly of the doublet and prism, a half-wave plate being interposed between said flat face and the prism.
  • the polarization of the light beam can be adapted to the polarizing material used.
  • FIG. 1 schematically illustrates a first optical device
  • FIG. 2 schematically illustrates a second optical device
  • FIG. 3 schematically illustrates a third optical device
  • FIG. 4 schematically illustrates a fourth optical device
  • FIG. 5 schematically illustrates steps of manufacturing such optical devices.
  • an optical device comprising an injection device and an optical guide
  • the injection device is used to inject a light beam into the optical guide via the polarizing material.
  • the injection device is based on the implementation of a prism on which are placed a quarter wave plate and a curved mirror, the latter to generate a collimated beam.
  • the arrangement is such that the injected light beam is reflected by the polarizing material towards the curved mirror which returns it to this polarizing material.
  • the quarter-wave plate is traversed twice, the light beam reflected by the curved mirror for the polarizing material is transmitted by the polarizing material in the optical guide.
  • the invention will be described with reference to a particular embodiment intended to be used in an optical system of ocular vision.
  • the invention can, however, be used in any other field using such optical guides, such as screens integrated in an automobile windshield or in the cockpit of an aircraft.
  • Fig. 1 schematically illustrates a first optical device.
  • the first optical device comprises an optical guide 1.5, in a transparent material, adapted to propagate a light beam by successive total internal reflections.
  • the optical guide 1.5 is for example a blade with parallel faces.
  • the optical guide 1.5 comprises an injection section on one of its faces parallel to the direction of propagation of the light beam, through which the beam bright is injected.
  • the optical guide 1.5 further comprises an extraction section (not shown) on one of its faces parallel to the direction of propagation of the light beam, through which the light beam emerges to the eye of a user.
  • the first optical device further comprises an injection device based on a prism 1.4 for injecting the light beam into the optical guide 1.5 via the injection section.
  • the prism 1.4 is interposed between a polarized light source and the optical guide 1.5.
  • the polarized light source is for example obtained by means of a source 1.1 of the LCD type ("Liquid Crystal Display” in English) or LCoS ("Liquid Crystal on Silicon” in English), coupled to a beam splitter 1.2 polarizer (PBS for "Polarizing Beam Splitter”).
  • the polarizers by beam separation separate an incident beam into two beams of different polarizations, generally rectilinear and perpendicular to each other.
  • Polarization polarizers have the advantage of absorbing very little light. An absorption polarizer can however be used.
  • the injection device may further comprise at least one lens interposed between the polarized light source and the prism 1.4, so as to correct aberrations, inter alia chromatic aberrations.
  • the first injection device comprises a curved mirror 1.7.
  • the length of the path that the light beam must traverse between the curved mirror 1.7 and the extraction section may introduce chromatic aberrations, since the refractive index of the material constituting the optical guide 1.5 varies as a function of the wavelength.
  • An alternative is to select a material to make the prism 1.4 which is adapted to compensate for these chromatic aberrations.
  • a doublet 1.3 of lenses is preferably implemented. Such a doublet is typically constituted a divergent lens with high refractive index and high dispersion, and a convergent lens with low refractive index and low dispersion. Diffractive lenses could also be used.
  • the polarized light is thus injected into the prism 1.4, and the polarized light impinges on a reflecting face 1.8 of the prism 1.4, this reflecting face 1.8 being opposed to that by which the polarized light is injected.
  • the reflective face 1.8 is made by metal deposition, for example aluminum, which provides a reflective effect with a small footprint.
  • the first optical guide is further adapted so that the prism 1.4 and the optical guide 1.5 are separated from a polarizing material 1.9 at the injection section.
  • the implementation of the polarizing material 1.9 is performed by deposition of thin layers forming a surface separating two polarization states. Small diameter metal wires, of the order of 200 nm, can also be used to form a grid polarizer. These two approaches make it possible to obtain a polarizing effect with a small footprint.
  • the polarizing material 1.9 is such that it reflects any light beam whose polarization state is that of the light beam reflected by the reflecting face 1.8, that is to say that of the light beam injected into the prism 1.4 in the frame of the first optical device.
  • the polarizing material 1.9 is further such that it passes through any light beam in another state of polarization.
  • the injection device further comprises on a face opposite to the reflective face 1.8 a quarter wave type 1.6 delay blade.
  • a delay plate is an optical hardware element capable of modifying the polarization of a light beam passing through it. Unlike a polarizer, the polarization state of the light at the output of the delay plate depends on the state at the input. This effect comes from the birefringence of the crystal, often quartz or Icelandic spar, in which the blade is made. Drawn polymer films, or a liquid crystal whose molecules have been oriented, can also be used, so as to facilitate the bonding on the prism 1.4 and the optical guide 1.5 and / or to reduce manufacturing costs.
  • a delay plate can delay one of these two components relative to the other, that is to say to cause a phase shift.
  • the most common delay blades are half-wave and quarter-wave plates.
  • Half-wave plates often referred to as ⁇ / 2 blades, create a delay of half a wavelength. They make it possible to change the direction of a linear polarization.
  • the quarter-wave plates often labeled ⁇ / 4 blades, create a quarter-wavelength delay. The quarter-wave plates make it possible to pass from a rectilinear polarization to a circular polarization, and vice versa.
  • the injection device further comprises, in association with the quarter wave plate 1.6, the curved mirror 1.7 already mentioned.
  • the reflecting surface of the curved mirror 1.7 is preferably aspherical, to obtain a good image sharpness.
  • the light beam coming from the reflecting face 1.8 of the prism 1.4 is reflected by the face of the prism 1.4 where the polarizing material 1.9 is placed.
  • the light beam then passes through the quarter wave plate 1.6 and is reflected on the curved mirror 1.7, then crosses the quarter wave plate 1.6.
  • the quarter-wave plate 1.6 being traversed twice, the same effect as a half-wave plate is obtained.
  • the state of polarization of the light beam then changes from a state where the beam is reflected by the face of the prism 1.4 against which the polarizing material 1.9 is placed in a state where the beam passes through the polarizing material.
  • the light beam After passing through the quarter-wave plate 1.6 for the second time, the light beam then passes through the face of the prism 1.4 where the polarizing material 1.9 is placed and is thus injected into the optical guide 1.5. The light beam then propagates by successive total internal reflections to the extraction section.
  • the reflecting face 1.8 of the prism 1.4 forms an angle of
  • the injection section may be non-parallel to the direction of propagation of the light beam in the optical guide.
  • the optical guide noted 4.5 in FIG. 4, then has a shape such that its thickness decreases linearly at the injection zone relative to the remainder of the optical guide 4.5, the thickness of the optical guide 4.5 is thus greater in the direction of the extraction zone.
  • the shape of the prism, noted 4.4 in FIG. 4 is then adapted accordingly, the other elements remaining identical.
  • Fig. 2 schematically illustrates a second optical device.
  • the second optical device substantially incorporates the elements of the first device described in connection with FIG. 1.
  • the reflecting face of the prism 1.4 is however made by gluing or assembling a plane mirror 2.8 on this face, and the polarizing material is made by bonding a polarizing plate 2.9 such that it reflects any light beam which the state of polarization is that of the light beam reflected by the reflecting face of the prism 1.4 and as traversed by any light beam in another state of polarization.
  • the injection device of the second optical device further comprises a half wave plate 2.10 between the doublet 1.3 and the prism 1.4.
  • the half-wave plate 2.10 may also be placed between the doublet 1.3 and the polarizer 1.2.
  • the arrangement of FIG. 2 facilitates the production of the second optical device by implementing a doublet with a flat face against which is glued the half wave plate 2.10, which itself is glued on the prism 1.4. This avoids the presence of mechanical elements to ensure assembly. It should be noted that this form of the doublet 1.3 also makes it possible to stick it directly on the prism, as shown in FIG. 1.
  • Fig. 3 schematically illustrates a third optical device, to dispense with the reflective face of the prism 1.4.
  • the light beam is then injected via a face of a prism 3.4, opposite to that where are placed the quarter-wave plate 1.6 and the curved mirror 1.7.
  • the light beam is then injected towards the polarizing material 1.9 which reflects it in the direction of the quarter-wave plate 1.6 and the curved mirror 1.7.
  • the shape of the prism 3.4 differs from that of the prism 1.4 in that the face of the prism 3.4 forms an acute angle with the face where the polarizing material is placed, this acute angle being substantially equal to that formed by the face where the blade is placed.
  • quarter wave 1.6 and the curved mirror 1.7 with the face where the polarizing material is placed Fig. 5 schematically illustrates steps of manufacturing such optical devices.
  • the optical guide 1.5, 4.5 is obtained, for example by molding.
  • an injection device is obtained.
  • the injection device comprises at least one prism on which are glued the quarter wave plate 1.6 and the curved mirror 1.7.
  • the shape of the prism is in this case that of the prism 3.4.
  • the quarter wave plate 1.6 and the curved mirror 1.7 are mechanically assembled on the prism or any other element integral with the prism.
  • a mirror is positioned on the prism, on a face opposite to that where is placed the assembly formed by the quarter wave plate 1.6 and the curved mirror 1.7 and where the light beam is intended to be injected.
  • the shape of the prism is in this case that of the prism 1.4 or 4.4.
  • This mirror can be obtained by depositing or gluing a blade, as already mentioned in relation with FIGS. 1 and 2.
  • the doublet 1.3 is assembled to the prism.
  • the doublet 1.3 preferably having a flat face, perpendicular to the axis of travel of the light beam, it is glued to the prism.
  • the assembly formed by the doublet 1.3 and the half wave plate 2.10 is assembled to the prism.
  • the doublet 1.3 preferably having a flat face, perpendicular to the path axis of the light beam, it is glued to the half wave plate 2.10 and the half wave plate 2.10 is glued to the prism.
  • the injection device is assembled to the optical guide 1.5, with insertion of a polarizing material between the optical guide 1.5 and the injection device, the polarizing material being as previously described.
  • the assembly can be carried out by depositing the polarizing material, by placing metal wires in order to form a grid polarizer or a polarization plate.

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Description

DISPOSITIF OPTIQUE COMPORTANT UN GUIDE OPTIQUE ET PROCEDE DE
FABRICATION D'UN TEL DISPOSITIF
La présente invention concerne le domaine des dispositifs optiques comportant un guide optique et un dispositif d'injection d'un faisceau lumineux dans le guide optique.
Un guide optique comporte généralement une section d'injection, par laquelle le faisceau lumineux transportant une image est introduit. Le guide optique permet au faisceau lumineux de se propager par réflexion totale interne, éventuellement grâce à un traitement spécifique des parois du guide optique. Le faisceau lumineux se propage ainsi jusqu'à une section d'extraction permettant sa sortie du guide optique. La section d'extraction peut être constituée d'un réflecteur terminant le guide optique par un plan incliné.
Pour injecter le faisceau lumineux dans le guide optique, un dispositif d'injection basé sur la mise en œuvre d'un prisme est utilisé. Ce prisme est soit moulé dans une seule et même pièce avec le guide optique, soit deux pièces séparées sont assemblées. Pour atteindre la précision requise, le moulage du prisme et du guide optique dans une seule et même pièce est onéreux et délicat à réaliser. L'ajout d'un prisme séparé est souvent privilégié, mais pose un problème d'encombrement, notamment en ce qui concerne la mise en œuvre d'un système optique complémentaire à base de lentilles permettant de générer un faisceau collimaté.
Il est souhaitable de pallier ces différents inconvénients de l'état de la technique. Il est notamment souhaitable de fournir une solution à encombrement réduit. II est en outre souhaitable de fournir une solution qui soit de fabrication simple, fiable et à faible coût.
L'invention concerne un dispositif optique comportant un guide optique adapté pour propager un faisceau lumineux par réflexions internes totales successives et un dispositif d'injection adapté pour injecter le faisceau lumineux dans le guide optique via une section d'injection. Le dispositif optique est tel qu'un matériau polarisant est présent entre le guide optique et le dispositif d'injection au niveau de la section d'injection, et le dispositif d'injection comporte un prisme et un ensemble formé d'une lame quart d'onde et d'un miroir courbe, le dispositif d'injection étant agencé de telle sorte qu'un faisceau lumineux réfléchi grâce au matériau polarisant en direction du miroir courbe traverse la lame quart d'onde, est ensuite réfléchi par le miroir courbe en direction du matériau polarisant et retraverse la lame quart d'onde. Ainsi, l'encombrement du dispositif optique est réduit.
Selon un mode de réalisation particulier, le prisme comporte une face réfléchissante, le dispositif d'injection étant agencé de telle sorte qu'un faisceau lumineux réfléchi grâce au matériau polarisant en direction du miroir courbe est préalablement réfléchi par ladite face réfléchissante. Ainsi, pour un même encombrement global du dispositif optique, des éléments assurant l'injection du faisceau lumineux dans le prisme sont éloignés du champ de vision d'un utilisateur du dispositif optique. L'ergonomie est ainsi améliorée.
Selon un mode de réalisation particulier, ladite face réfléchissante forme un angle de 90° avec une face du prisme contre laquelle ledit matériau polarisant est placé. Ainsi, la fabrication du dispositif optique est simplifiée et les coûts sont réduits par rapport à l'état de la technique.
Selon un mode de réalisation particulier, le dispositif optique étant destiné à être utilisé avec une source de lumière polarisée fournissant ledit faisceau lumineux, le dispositif d'injection comporte au moins une lentille destinée à être placée entre ladite source de lumière polarisée et le prisme. Ainsi, des aberrations peuvent être corrigées.
Selon un mode de réalisation particulier, le dispositif d'injection comporte un doublet destiné à être placé entre ladite source de lumière polarisée et le prisme, le doublet étant tel qu'il comporte une face plane. Ainsi, le doublet peut être facilement collé au prisme, ce qui simplifie la fabrication du dispositif optique.
Selon un mode de réalisation particulier, le dispositif optique étant destiné à être utilisé avec une source de lumière polarisée fournissant ledit faisceau lumineux, le dispositif d'injection comporte au moins une lame demi-onde destinée à être placée entre ladite source de lumière polarisée et le prisme. Ainsi, la polarisation du faisceau lumineux peut être adaptée au matériau polarisant utilisé.
Selon un mode de réalisation particulier, le miroir courbe comporte une surface réfléchissante asphérique. Ainsi, le piqué d'une image diffusée par le guide optique est meilleur.
L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un dispositif optique comportant les étapes suivantes : obtention d'un guide optique adapté pour propager un faisceau lumineux par réflexions internes totales successives ; obtention d'un dispositif d'injection comportant un prisme et un ensemble formé d'une lame quart d'onde et d'un miroir courbe, le dispositif d'injection étant destiné à injecter le faisceau lumineux dans le guide optique via une section d'injection. Le procédé est tel qu'il comporte en outre l'étape suivante : assemblage du dispositif d'injection et du guide optique avec placement d'un matériau polarisant entre le guide optique et le dispositif d'injection au niveau de la section d'injection, l'assemblage étant tel qu'un faisceau lumineux réfléchi grâce au matériau polarisant en direction du miroir courbe via la lame quart d'onde est réfléchi par le miroir courbe en direction du matériau polarisant via la lame quart d'onde. Ainsi, le procédé de fabrication permet d'obtenir un dispositif optique d'encombrement réduit.
Selon un mode de réalisation particulier, le procédé comporte les étapes suivantes : obtention d'un doublet, ayant une face plane, adapté pour corriger des aberrations chromatiques induites par le passage du faisceau lumineux depuis le miroir courbe jusqu'à une section d'extraction du guide optique ; assemblage du doublet et du prisme, ladite face plane étant placée contre le prisme. Ainsi, une image diffusée via le guide optique a un meilleur rendu.
Selon un mode de réalisation particulier, le procédé comporte les étapes suivantes : obtention d'un doublet, ayant une face plane, adapté pour corriger des aberrations chromatiques induites par le passage du faisceau lumineux depuis le miroir courbe jusqu'à une section d'extraction du guide optique ; assemblage du doublet et du prisme, une lame demi-onde étant intercalée entre ladite face plane et le prisme. Ainsi, la polarisation du faisceau lumineux peut être adaptée au matériau polarisant utilisé.
Les caractéristiques de l'invention mentionnées ci-dessus, ainsi que d'autres, apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un exemple de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints, parmi lesquels :
- la Fig. 1 illustre schématiquement un premier dispositif optique ;
- la Fig. 2 illustre schématiquement un second dispositif optique ;
- la Fig. 3 illustre schématiquement un troisième dispositif optique ;
- la Fig. 4 illustre schématiquement un quatrième dispositif optique ;
- la Fig. 5 illustre schématiquement des étapes de fabrication de tels dispositifs optiques.
Afin de réduire l'encombrement d'un dispositif optique comportant un dispositif d'injection et un guide optique, il est proposé de placer un matériau polarisant entre le dispositif d'injection et le guide optique. Le dispositif d'injection sert à injecter un faisceau lumineux dans le guide optique via le matériau polarisant. Le dispositif d'injection est basé sur la mise en œuvre d'un prisme sur lequel sont placés une lame quart d'onde et un miroir courbe, ce dernier permettant de générer un faisceau collimaté. L'agencement est tel que le faisceau lumineux injecté est réfléchi par le matériau polarisant en direction du miroir courbe qui le renvoie vers ce matériau polarisant. Comme la lame quart d'onde est traversée deux fois, le faisceau lumineux réfléchi par le miroir courbe à destination du matériau polarisant est transmis, par le matériau polarisant, dans le guide optique.
L'invention va être décrite en référence à un mode particulier de réalisation destiné à être utilisé dans un système optique de vision oculaire. L'invention peut toutefois être utilisée dans tout autre domaine mettant en œuvre de tels guides optiques, tels que des écrans intégrés dans un pare -brise d'automobile ou encore dans le cockpit d'un avion.
La Fig. 1 illustre schématiquement un premier dispositif optique. Le premier dispositif optique comprend un guide optique 1.5, dans un matériau transparent, adapté pour propager un faisceau lumineux par réflexions internes totales successives. Le guide optique 1.5 est par exemple une lame à faces parallèles.
Le guide optique 1.5 comporte une section d'injection sur une de ses faces parallèles à la direction de propagation du faisceau lumineux, par laquelle le faisceau lumineux est injecté. Le guide optique 1.5 comporte en outre une section d'extraction (non représentée) sur une de ses faces parallèles à la direction de propagation du faisceau lumineux, par laquelle le faisceau lumineux ressort jusqu'à l'œil d'un utilisateur. On peut se référer au brevet FR 2 925 172 Bl qui décrit un guide optique doté d'une section d'extraction constituée de microstructures réfléchissantes formées en surface du guide optique. Ces microstructures sont constituées des prismes ayant un angle permettant la sortie du faisceau lumineux du guide optique. Les microstructures sont espacées par des espaces interstitiels formés dans le prolongement de la surface du guide optique. Ces espaces interstitiels, c'est-à-dire non couverts de microstructures et prenant place entre celles-ci, sont transparents et permettent ainsi d'obtenir l'effet de vision à travers (see-through en anglais). Cela permet de voir l'image transportée par le faisceau lumineux, ainsi que les scènes au- delà du guide optique.
Le premier dispositif optique comporte en outre un dispositif d'injection basé sur un prisme 1.4 permettant l'injection du faisceau lumineux dans le guide optique 1.5 via la section d'injection. Le prisme 1.4 s'intercale entre une source de lumière polarisée et le guide optique 1.5. La source de lumière polarisée est par exemple obtenue grâce à une source 1.1 de type LCD (« Liquid Crystal Display » en anglais) ou LCoS (« Liquid Crystal on Silicon » en anglais), couplée à un polariseur 1.2 par séparation de faisceau (PBS pour « Polarizing Beam Splitter » en anglais). Les polariseurs par séparation de faisceau séparent un faisceau incident en deux faisceaux de polarisations différentes, en général rectilignes et perpendiculaires entre elles. Les polariseurs par séparation de faisceau ont l'avantage d'absorber très peu la lumière. Un polariseur par absorption peut toutefois être utilisé.
Le dispositif d'injection peut comporter en outre au moins une lentille intercalée entre la source de lumière polarisée et le prisme 1.4, de manière à corriger des aberrations, entre autres des aberrations chromatiques. En effet, comme détaillé par la suite, le premier dispositif d'injection comporte un miroir courbe 1.7. La longueur du chemin que doit parcourir le faisceau lumineux entre le miroir courbe 1.7 et la section d'extraction peut introduire des aberrations chromatiques, puisque l'indice de réfraction du matériau constituant le guide optique 1.5 varie en fonction de la longueur d'onde. Une alternative consiste à sélectionner un matériau pour fabriquer le prisme 1.4 qui soit adapté pour compenser ces aberrations chromatiques. Un doublet 1.3 de lentilles est préférentiellement mis en œuvre. Un tel doublet est typiquement constitué d'une lentille divergente à fort indice de réfraction et à forte dispersion, et d'une lentille convergente à faible indice de réfraction et à faible dispersion. Des lentilles diffractives pourraient aussi être utilisées.
La lumière polarisée est donc ainsi injectée dans le prisme 1.4, et la lumière polarisée vient frapper une face réfléchissante 1.8 du prisme 1.4, cette face réfléchissante 1.8 étant opposée à celle par laquelle la lumière polarisée est injectée. En ce qui concerne le premier dispositif optique, la face réfléchissante 1.8 est réalisée par dépôt métallique, par exemple d'aluminium, ce qui permet d'obtenir un effet réfléchissant avec un encombrement réduit.
Le premier guide optique est en outre adapté de telle sorte que le prisme 1.4 et le guide optique 1.5 sont séparés d'un matériau polarisant 1.9 au niveau de la section d'injection. En ce qui concerne le premier dispositif optique, la mise en œuvre du matériau polarisant 1.9 est réalisée par dépôt de couches minces formant une surface séparant deux états de polarisation. Des fils métalliques de faible diamètre, de l'ordre de 200 nm, peuvent aussi être utilisés pour former un polariseur à grille. Ces deux approches permettent d'obtenir un effet polarisant avec un encombrement réduit.
Le matériau polarisant 1.9 est tel qu'il réfléchit tout faisceau lumineux dont l'état de polarisation est celui du faisceau lumineux réfléchi par la face réfléchissante 1.8, c'est-à-dire celui du faisceau lumineux injecté dans le prisme 1.4 dans le cadre du premier dispositif optique. Le matériau polarisant 1.9 est en outre tel qu'il est traversé par tout faisceau lumineux dans un autre état de polarisation.
Le dispositif d'injection comporte en outre sur une face opposée à la face réfléchissante 1.8 une lame à retard 1.6 de type quart d'onde. Une lame à retard est un élément matériel optique capable de modifier la polarisation d'un rayon lumineux la traversant. Contrairement à un polariseur, l'état de polarisation de la lumière à la sortie de la lame à retard dépend de l'état à l'entrée. Cet effet vient de la biréfringence du cristal, souvent du quartz ou du spath d'Islande, dans lequel est faite la lame. Des films polymères étirés, ou un cristal liquide dont les molécules ont été orientées, peuvent aussi être utilisés, de manière à faciliter le collage sur le prisme 1.4 et le guide optique 1.5 et/ou à réduire les coûts de fabrication. Considérant que la polarisation d'un faisceau lumineux peut être représentée selon deux composantes, une lame à retard permet de retarder une de ces deux composantes par rapport à l'autre, c'est-à-dire de provoquer un déphasage. Les lames à retard les plus courantes sont les lames demi- onde et les lames quart d'onde. Les lames demi-onde, souvent notées lames λ/2, créent un retard d'une moitié de longueur d'onde. Elles permettent de changer la direction d'une polarisation linéaire. Les lames quart d'onde, souvent notées lames λ/4, créent un retard d'un quart de longueur d'onde. Les lames quart d'onde permettent de passer d'une polarisation rectiligne à une polarisation circulaire, et vice versa.
Le dispositif d'injection comporte en outre, en association avec la lame quart d'onde 1.6, le miroir courbe 1.7 déjà mentionné. La surface réfléchissante du miroir courbe 1.7 est préférentiellement asphérique, pour obtenir un bon piqué d'image.
Le faisceau lumineux en provenance de la face réfléchissante 1.8 du prisme 1.4 est réfléchi par la face du prisme 1.4 où est placé le matériau polarisant 1.9. Le faisceau lumineux traverse alors la lame quart d'onde 1.6 et vient se réfléchir sur le miroir courbe 1.7, puis retraverse la lame quart d'onde 1.6. La lame quart d'onde 1.6 étant traversée deux fois, le même effet qu'une lame demi-onde est obtenu. L'état de polarisation du faisceau lumineux passe alors d'un état où le faisceau est réfléchi par la face du prisme 1.4 contre laquelle est placé le matériau polarisant 1.9 à un état où le faisceau traverse le matériau polarisant. Après avoir traversé pour la deuxième fois la lame quart d'onde 1.6, le faisceau lumineux traverse donc la face du prisme 1.4 où est placé le matériau polarisant 1.9 et est ainsi injecté dans le guide optique 1.5. Le faisceau lumineux se propage ensuite par réflexions internes totales successives jusqu'à la section d'extraction.
Préférentiellement, la face réfléchissante 1.8 du prisme 1.4 forme un angle de
90° avec celle où est placé le matériau polarisant 1.9, ce qui permet que, sur une même face, se fasse l'injection de la lumière dans le prisme 1.4 et soit placé l'ensemble formé par la lame quart d'onde 1.6 et le miroir courbe 1.7. La face où se fait l'injection de la lumière et où est placé l'ensemble formé par la lame quart d'onde 1.6 et le miroir courbe 1.7 forme un angle aigu avec la face où est placé le matériau polarisant. Un angle différent de 90° entre la face réfléchissante 1.8 et celle où est placé le matériau polarisant 1.9 implique un prisme de section de forme pentagonale, l'injection de la lumière dans le prisme et l'ensemble formé par la lame quart d'onde 1.6 et le miroir courbe 1.7 étant alors placés, du même côté du prisme, mais sur des faces différentes. La fabrication du prisme, lorsqu'il est à section quadrilatérale, s'en trouve alors facilitée.
Il convient de noter, que comme présenté à la Fig. 4, la section d'injection peut être non parallèle à la direction de propagation du faisceau lumineux dans le guide optique. Le guide optique, noté 4.5 sur la Fig. 4, a alors une forme telle que son épaisseur diminue linéairement au niveau de la zone d'injection par rapport au reste du guide optique 4.5, l'épaisseur du guide optique 4.5 étant ainsi plus importante en direction de la zone d'extraction. La forme du prisme, noté 4.4 sur la Fig. 4 est alors adaptée en conséquence, les autres éléments restant identiques.
La Fig. 2 illustre schématiquement un second dispositif optique. Le second dispositif optique reprend en substance les éléments du premier dispositif décrit en relation avec la Fig. 1. La face réfléchissante du prisme 1.4 y est cependant réalisée par collage ou assemblage d'un miroir plan 2.8 sur cette face, et le matériau polarisant y est réalisé par collage d'une lame polarisante 2.9 telle qu'elle réfléchit tout faisceau lumineux dont l'état de polarisation est celui du faisceau lumineux réfléchi par la face réfléchissante du prisme 1.4 et telle qu'elle est traversée par tout faisceau lumineux dans un autre état de polarisation.
Le dispositif d'injection du second dispositif optique comporte en outre une lame demi-onde 2.10 entre le doublet 1.3 et le prisme 1.4. Cela permet de mettre le faisceau lumineux dans l'état de polarisation dans lequel le faisceau lumineux doit être pour être réfléchi par la lame polarisante 2.9, lorsque le faisceau lumineux n'est pas dans cet état de polarisation en sortie du polariseur 1.2. La lame demi-onde 2.10 peut aussi être placée 10 entre le doublet 1.3 et le polarisateur 1.2. L'agencement de la Fig. 2 permet de faciliter la réalisation du second dispositif optique en mettant en œuvre un doublet avec une face plane contre laquelle est collée la lame demi-onde 2.10, qui elle-même est collée sur le prisme 1.4. On évite ainsi la présence d'éléments mécaniques pour assurer l'assemblage. Il convient de noter que cette forme du doublet 1.3 permet aussi de le coller directement sur le prisme, comme présenté sur la Fig. 1.
La Fig. 3 illustre schématiquement un troisième dispositif optique, permettant de se passer de la face réfléchissante du prisme 1.4. Le faisceau lumineux est alors injecté via une face d'un prisme 3.4, opposée à celle où sont placés la lame quart d'onde 1.6 et le miroir courbe 1.7. Le faisceau lumineux est alors injecté en direction du matériau polarisant 1.9 qui le réfléchit en direction de la lame quart d'onde 1.6 et du miroir courbe 1.7.
La forme du prisme 3.4 diffère de celle du prisme 1.4 en ce que la face du prisme 3.4 forme un angle aigu avec la face où est placé le matériau polarisant, cet angle aigu étant substantiellement égal à celui que forme la face où sont placés la lame quart d'onde 1.6 et le miroir courbe 1.7 avec la face où est placé le matériau polarisant La Fig. 5 illustre schématiquement des étapes de fabrication de tels dispositifs optiques.
Dans une étape 5.1, le guide optique 1.5, 4.5, est obtenu, par exemple par moulage.
Dans une étape 5.2, un dispositif d'injection est obtenu. Le dispositif d'injection comporte au minimum un prisme sur lequel sont collés la lame quart d'onde 1.6 et le miroir courbe 1.7. La forme du prisme est dans ce cas celle du prisme 3.4. En variante, la lame quart d'onde 1.6 et le miroir courbe 1.7 sont assemblés mécaniquement sur le prisme ou tout autre élément solidaire avec le prisme.
Dans une variante, un miroir est positionné sur le prisme, sur une face opposée à celle où est placé l'ensemble formé par la lame quart d'onde 1.6 et le miroir courbe 1.7 et où le faisceau lumineux est destiné à être injecté. La forme du prisme est dans ce cas celle du prisme 1.4 ou 4.4. Ce miroir peut être obtenu par dépôt ou par collage d'une lame, comme déjà mentionné en relation avec les Figs. 1 et 2.
Dans une autre variante, le doublet 1.3 est assemblé au prisme. Le doublet 1.3 comportant préférentiellement une face plane, perpendiculaire à l'axe de parcours du faisceau lumineux, il est collé sur le prisme.
Dans une autre variante, l'ensemble formé par le doublet 1.3 et la lame demi- onde 2.10 est assemblé au prisme. Le doublet 1.3 comportant préférentiellement une face plane, perpendiculaire à l'axe de parcours du faisceau lumineux, il est collé sur la lame demi-onde 2.10 et la lame demi-onde 2.10 est collée au prisme.
Dans une étape 5.3 suivante, le dispositif d'injection est assemblé au guide optique 1.5, avec insertion d'un matériau polarisant entre le guide optique 1.5 et le dispositif d'injection, le matériau polarisant étant tel que précédemment décrit. L'assemblage peut être réalisé par dépôt du matériau polarisant, par la mise en place de fils métalliques afin de former un polariseur de grille ou d'une lame polarisation.

Claims

REVENDICATIONS
1/ Dispositif optique comportant un guide optique (1.5 ; 4.5) adapté pour propager un faisceau lumineux par réflexions internes totales successives et un dispositif d'injection adapté pour injecter le faisceau lumineux dans le guide optique via une section d'injection,
le dispositif d'injection comportant un prisme (1.4 ; 3.4 ; 4.4) et un ensemble formé d'une lame quart d'onde (1.6) et d'un miroir courbe (1.7), le dispositif d'injection étant agencé de telle sorte qu'un faisceau lumineux réfléchi dans le prisme grâce à un matériau polarisant en direction du miroir courbe traverse la lame quart d'onde, est ensuite réfléchi par le miroir courbe en direction du matériau polarisant et retraverse la lame quart d'onde,
caractérisé en ce que le matériau polarisant (1.9) est présent entre le guide optique et le prisme du dispositif d'injection au niveau de la section d'injection.
21 Dispositif optique selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le prisme comporte une face réfléchissante (1.8), le dispositif d'injection étant agencé de telle sorte qu'un faisceau lumineux réfléchi grâce au matériau polarisant en direction du miroir courbe est préalablement réfléchi par ladite face réfléchissante.
3/ Dispositif optique selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite face réfléchissante forme un angle de 90° avec une face du prisme contre laquelle ledit matériau polarisant est placé. 4/ Dispositif optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, le dispositif optique étant destiné à être utilisé avec une source de lumière polarisée fournissant ledit faisceau lumineux, le dispositif d'injection comporte au moins une lentille destinée à être placée entre ladite source de lumière polarisée et le prisme.
5/ Dispositif optique selon la revendication 4, caractérisé en ce que le dispositif d'injection comporte un doublet (1.3) destiné à être placé entre ladite source de lumière polarisée et le prisme, le doublet étant tel qu'il comporte une face plane. 6/ Dispositif optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que, le dispositif optique étant destiné à être utilisé avec une source de lumière polarisée fournissant ledit faisceau lumineux, le dispositif d'injection comporte au moins une lame demi-onde (2.10) destinée à être placée entre ladite source de lumière polarisée et le prisme.
7/ Dispositif optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le miroir courbe comporte une surface réfléchissante asphérique. 8/ Procédé de fabrication d'un dispositif optique comportant les étapes suivantes :
obtention (5.1) d'un guide optique adapté pour propager un faisceau lumineux par réflexions internes totales successives ;
obtention (5.2) d'un dispositif d'injection comportant un prisme et un ensemble formé d'une lame quart d'onde et d'un miroir courbe, le dispositif d'injection étant destiné à injecter le faisceau lumineux dans le guide optique via une section d'injection ;
caractérisé en ce qu'il comporte en outre l'étape suivante :
assemblage (5.3) du dispositif d'injection et du guide optique avec placement d'un matériau polarisant entre le guide optique et le prisme du dispositif d'injection au niveau de la section d'injection, l'assemblage étant tel qu'un faisceau lumineux réfléchi dans le prisme grâce au matériau polarisant en direction du miroir courbe traverse la lame quart d'onde, est ensuite réfléchi par le miroir courbe en direction du matériau polarisant et retraverse la lame quart d'onde.
91 Procédé de fabrication selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes :
obtention d'un doublet, ayant une face plane, adapté pour corriger des aberrations chromatiques induites par le passage du faisceau lumineux depuis le miroir courbe jusqu'à une section d'extraction du guide optique ;
assemblage du doublet et du prisme, ladite face plane étant placée contre le prisme. 10/ Procédé de fabrication selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes :
obtention d'un doublet, ayant une face plane, adapté pour corriger des aberrations chromatiques induites par le passage du faisceau lumineux depuis le miroir courbe jusqu'à une section d'extraction du guide optique ;
assemblage du doublet et du prisme, une lame demi-onde étant intercalée entre ladite face plane et le prisme.
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