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DISPDSITIF DIVISEUR DES RAYONS LUMINEUX'.
On constate dans diverses branches de l'optique, en particulier ' dans la photographie et la télévision en couleur, la présence simultanée de plusieurs images, distinctes dans l'espace, du même champ de l'objet, chacu- ne de ces images représentant une gamme spectrale donnée. La séparation ou la combinaison de ces images doivent s'effectuer avec un minimum de perte de la lumière de leur gamme de façon à exercer le maximum d'effet sur la matiè- re qui sert à projeter l'image ou sur laquelle elle'est projetée, telle que les émulsions photographiquement sensibles, les diapositives de projection additive, les écrans photo-électriquement sensibles des appareils émetteurs de télévision, ou les écrans sensibles aux électrons des appareils récepteurs de télévision.
Plusieurs types de dispositif s connus ont pour but de permettre d'arriver à ce résultat et parmi les plus importants on peut citer ceux qui comportent des surfaces dites de division des rayons lumineux ou des réflec= teurs transparents qui partagent un faisceau lumineux incident en un faisceau transmis et un faisceau réfléchi ou combinent les deux faisceaux élémentai- res.
Ces dispositifs peuvent comporter une ou plusieurs surfaces de di- vision des rayons lumineux. Avec une seule surface, on obtient deux faisceaux pour les dispositifs à deux couleurs, mais on peut aussi la faire fonctionner avec trois ou un plus grand nombre d'éléments de couleur, en intercalant deux ou plusieurs surfaces de réception ou d'émission des images dans l'un des faisceaux lumineux élémentaires ou dans les deux.
Les dispositifs connus de ce dernier type-comportent, dans les appareils à trois couleurs, un prisme à une seule surface de partage des rayons lumineux dirigeant un faisceau élé- mentaire vers deux fenêtres, de façon à impressionner dans une fenêtre une pellicule enregistrant le vert (v) et dans l'autre fenêtre un élément dit bipack comportant des pellicules-superposées enregistrant le bleu (b) et le rouge (r). Les dispositifs dans lesquels on fait arriver plus de deux faisceaux élémentaires comportent plusieurs surfaces de partage des rayons lumineux,
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se coupant ou adjacentes.
La lumière qui arrive sur la surface postérieure des dispositifs comportant deux surfaces superposées sensibles aux images subit par elle- même une influence de.,la part de la surface antérieure, ce qui a certains pointsde vue est un inconvénient, compensé cependant parfois par le fait qu' avec un dispositif à deux faisceaux, la longueur globale des trajets opti- ques est plus courte, ou qu'on évite des complications de construction, ce qui facilite les combinaisons comportant des objectifs de courts longueur fo- cale acceptable et diminue les pertes de lumière le long du trajet optique.
De plus, en particulier lorsqu'on applique ces dispositifs aux appareils ci- nématographiques, ils simplifient dans une certaine mesure le mécanisme d'avan- cement de la pellicule et les problèmes de l'alignement et du repérage des i- mages.
Toutefois, en raison des restrictions précitées propres aux sur- faces superposées, la vitesse efficace de la surface postérieure de l'émul- sion diminue sous l'effet de l'absorption de la lumière par les éléments dis- posés en avant de cette surface, et qui dans ce cas sont généralement des filtres de couleur, outre l'émulsion antérieure et son support.
La possibilité d'utiliser un appareil de ce type dépend de l'éner- gie lumineuse finale dont on dispose et qui n'est jamais trop abondante. Le rendement global du dispositif, c'est-à-dire le rapport entre l'énergie lumi- neuse réellement utilisée et celle qui était disponible au début dans chaque faisceau élémentaire, a donc une importance primordiale.
Il a été préconisé d'améliorer le rendement global des dispositfs diviseurs des rayons lumineux comportant des surfaces de partage transparen- tes en y introduisant des réflecteurs à couche mince semi-dichroique, qui trans- mettent la presque totalité de la lumière dans les gammes bleue et rouge dans une fenêtre contenant les émulsions d'enregistrement du bleu et du rouge et réfléchissent dans une autre fenêtre la lumière verte.
Bien qu'il soit possi- ble d'appliquer des couches donnant satisfaction sur des réflecteurs conve- nant à des dispositifs de ce type, il est assez difficile de fabriquer des réflecteurs qui transmettent la lumière verte tout en réfléchissant la pres- que totalité de la lumière bleue et rouge, dispositif particulièrement avanta- geux à employer dans les appareils du type précité comportant des matières d'enregistrement superposées dans l'une des deux fenêtres qu'ils comportent.
Les dispositifs de ce dernier type posent un problème complètement différent de celui des dispositifs qui comportent l'élément bipack dans le faisceau di- rect. Ce problème consiste à réfléchir avec un rendement élevé deux bandes spectrales fixes séparées par une troisième bande qui ne doit pas être ré- fléchie. Cette situation est différente de celle qui se présente dans les dispositifs qui ne comportent que deux émulsions d'enregistrement et dans lesquels une gamme unique, par exemple la bande rouge-orangé est réfléchie et la bande bleu-vert est transmise, ou inversement. La situation est même différente de celle qui se présente dans les dispositifs qui comportent trois émulsions d'enregistrement dans deux fenêtres et dans lesquels les pellicules d'enregistrement du rouge et du vert, ou d'enregistrement du vert et du bleu, sont superposées.
Dans le cas où l'émulsion d'enregistrement du vert est su- perposée à une autre émulsion, les deux gammes de couleurs à réfléchir sont adjacentes dans le spectre. Ces bandes adjacentes peuvent être considérées comme une seule bande de réflexion, non séparée par des gammes intermédiai- res. Avec la forme de construction qui est nécessaire pour obtenir une ré- flexion de fort rendement d'une largeur de bande donnée dans un réflecteur à bande unique, on n'obtient pas les mêmes résultats dans les réflecteurs con- venant à deux bandes séparées et en réalité cette forme de construction peut être nuisible au point de vue de la qualité qu'on désire obtenir.
Les moyens dont on dispose pour régler le rendement et la largeur de bande des réflecteurs à bande unique consistent à faire varier l'épaisseur des diverses couches de matière diélectrique et à augmenter le nombre de couches qui forment le réflec- teur. Un troisième moyen consiste à combiner les effets de deux réflecteurs
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identiques séparés par un intervalle juste suffisant pour éviter les inter- férences optiques nuisibles, au moyen d'une matière optique interposée.
Au- cun de ces moyens ni aucune de leurs combinaisons ne sont suffisants pour. obtenir un réflecteur du bleu et du rouge dont la largeur de bande et les caractéristiques de rendement sont comparables à celles des meilleurs ré- flecteurs à bande unique, si les diverses couches sont assez épaisses pour réfléchir à la fois la lumière rouge et la lumière bleue.
Un des principaux objets de l'invention consiste dans un disposi- tif diviseur des rayons lumineux dans lequel deux gammes spectrales séparées par une troisième gamme sont réfléchies avec un rendement global élevé, tan- dis que la troisième gamme est transmise, et qui permet de régler facilement et avec précision la sélection et l'équilibre des couleurs.
Un autre objet de l'invention consiste dans un dispositif particu- lièrement efficace de partage des rayons lumineux pour appareils photographi- ques, dans lequel les pellicules d'enregistrement du bleu et du rouge sont im- pressionnées par un faisceau élémentaire unique réfléchi dans un dispositif diviseur des rayons lumineux, tandis que la pellicule enregistrant le vert est impressionnée par un second faisceau transmis.
L'invention se propose en outre de réaliser un dispositif du type précité relativement peu coûteux à fabriquer, facile à essayer et à surveil- ler au cours de la fabrication et en service, et représentant d'une manière générale un progrès technique dans les dispositifs optiques dont les éléments consistent en faisceaux de lumière¯de couleur contenant plusieurs images.
Le dispositif optique suivant l'invention en vue de faire se cor- respondre des images élémentaires de différentes gammes spectrales comporte un élément de transmission de la lumière dont une surface coupe obliquement un faisceau lumineux délimité par un dispositif optique quelconque approprié, ladite surface étant recouverte de deux couches transparentes de réflexion sélective, formées chacune de plusieurs couches élémentaires d'une épaisseur égale à une fraction de longueur d'onde et constituées par des matières à fort et faible indice de réfraction alternant entre elles, le nombre, l'épaisseur et la matière des couches élémentaires étant choisis de façon que l'une des couches principale réfléchisse une première gamme spectrale et transmette une seconde et une troisième gamme,
tandis que la seconde couche principale ré- fléchit la troisième gamme et transmet la seconde.
Suivant une autre caractéristique de l'invention, les résultats précités sont obtenus en combinant un élément transparent comportant au moins trois surfaces extérieures de transmission de la lumière et au moins une sur- face intérieure partageant les rayons lumineux et inclinée par rapport aux surfaces extérieures, des dispositifs d'ouverture tels que des fenêtres d'ex- position disposées à côté des surfaces extérieures et contenant une matière sensible telle que des émulsions photographiques logées dans des dispositifs de support, un réflecteur recouvert d'une couche mince se composant de plusieurs couches élémentaires dichroîquement sélectives disposées sur la surface de par- tage des rayons, ledit réflecteur transmettant deux gammes spectrales et en réfléchissant une troisième,
et un second réflecteur dichroiquement sélectif déposé sur la surface de partage des rayons et qui transmet une gamme spectra- le et réfléchit la seconde de ces deux gammes.
Suivant une troisième caractéristique, l'invention concerne un dispositif diviseur d'un faisceau lumineux en deux faisceaux élémentaires de gammes spectrales choisies impressionnant une émulsion sensible disposée dans les fenêtres respectives, ce dispositif comportant un élément transparent dont une surface est inclinée par rapport au faisceau, et deux réflecteurs dichroi- quement sélectifs déposés sur cette surface et comportant plusieurs couches diélectriques sélectivement réfléchissantes d'une épaisseur égale à une frac- tion de longueur d'onde et dont les indices de réfraction sont alternative- ment forts et faibles,
le nombre et l'épaisseur des couches du réflecteur an-
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térieur étant choisis de façon à réfléchir à peu près exclusivement la lu- mière de la gamme spectrale rouge ou bleue, tandis que ce réflecteur transmet au réflecteur postérieur la lumière des gammes spectrales respectives bleue et verte ou verte et rouge, le nombre et l'épaisseur des couches du réflec- teur postérieur étant choisis de façon à réfléchir la lumière de la gamme spectrale bleue ou rouge et à transmettre la lumière de la gamme spectrale verte.
D'autres caractéristiques de l'invention, outre celles qui pré- cèdent, ressortiront de la description des principes fondamentaux de l'in- vention et de celle de quelques formes de mise en oeuvre de l'invention, avec les dessins ci-joints à l'appui, sur lesquels : la fig. 1 représente, sous forme schématique, un dispositif de partage des rayons lumineux suivant l'invention ; la fig. 2 représente à plus grande échelle les couches superpo- sées de la fig. 1; la fig. 3 est un graphique représentant les caractéristiques de transmission et de réflexion des couches de la fig. 2; la fig. 4 est un graphique semblable à celui de la fig. 3, repré- sentant la caractéristique d'un réflecteur antérieurement connu ; la fig. 5 indique sous forme schématique, semblable à la fig. l, la manière dont fonctionnent des couches en forme de coins ;
et la fig. 6 représente de la même manière que la fig. 1 une forme de réalisation dont la couche antérieure réfléchit le rouge au lieu du bleu.
D'une manière générale, les diviseurs de rayons lumineux du type suivant l'invention, fig. 1, comportent un objectif L, un prisme cubique P dont les éléments Pl et P2 comportent des surfaces extérieures de transmis- sion de la lumière p1, p2, p3, et une région de partage D formée de surfa- ces adjacentes internes p5, p6, qui limitent deux groupes ou couches Dl, D2 formées de couches élémentaires minces, diélectriques, décrites en détail plus loin. Le rayonnement incident visible est désigné par les rayons bleu, vert et rouge, b, g et r, qui représentent les faisceaux respectifs de lu- mière de couleur.
Le rayon g est transmis et enregistre la portion verte de l'image sur une émulsion G disposée sur un support Sg, tandis que les rayons réfléchis b et r enregistrent les portions bleue et rouge des images sur les émulsions B et R déposées respectivement sur les supports Sb et Sr. Pour les raisons indiquées plus loin, on peut intercaler une plaque Q d'un quart de longueur d'onde entre l'objectif et le prisme. Dès filtres Fl et F2 peuvent être intercalés entre le prisme et les matières d'enregistrement s'il parait avantageux de modifier la largeur de bande ou l'intensité des faisceaux res- pectifs. Les couches Dl, D2 peuvent être en forme de coins dont la valeur'du gradient est déterminée par les raisons indiquées plus loin.
La fig. 2 représente la forme de construction détaillée des deux couches Dl et D2. La couche Dl réfléchit la lumière bleue, et transmet les lu- mières verte et rouge, tandis que la couche D2 réfléchit la lumière rouge et transmet les lumières bleue et verte. Le rendement de chacun de ces réflecteurs- transmetteurs peut être très élevé, étant donné qu'il n'a qu'à séparer deux gammes spectrales. Les couches Dl et D2 sont de préférence superposées direc- tement sur une des surfaces p5ou p6, ou bien elles peuvent être appliquées séparément sur les surfaces p5ou p6 des éléments respectifs Pl, P2 du prisme.
Dans les deux cas, les éléments Pl et P2 sont collés l'un sur l'autre par une colle optique appropriée A, convenant aux couches directement superposées, fig. 2. On règle les caractéristiques de réflexion de chaque couche ou groupe de couches par rapport aux caractéristiques des trajets respectifs des fais- ceaux, qui consistent dans les indices de réfraction des prismes Pl et P2 et de la colle et dans les propriétés de la matière d'enregistrement et des fil- tres, s'ils existent.
Jusqu'à présent, on a combiné deux couches identiques pour obtenir
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un dispositif réfléchissant une bande unique. Suivant l'invention, les ré- flecteurs sont différents et chaque couche est optiquement indépendante de l'autre, de sorte qu'on peut augmenter notablement le rendement de chaque bande de réflexion sans exercer d'influence appréciable sur les largeurs de bandes.
En combinant ainsi sans interférence deux couches se composant-de couches élémentaires multiples, on obtient deux bandes de réflexion sépa- rées, d'une largeur de bande appropriée, ce qu'on ne pourrait obtenir ni par un réflecteur unique à couches entremêlées de dimensions choisies de' façon à réfléchir deux longueurs d'onde respectives, par exemple dans les régions du bleu et du rouge, ni par deux réflecteurs identiques ou à peu près identiques. Suivant l'invention, les deux.réflecteurs doivent être d'une for- me de construction différente et produire chacun une bande de réflexion dif- férente .
La région de partage D de la forme de réalisation de la fig. 1, comporte deux couches de base Dl et D2 réfléchissant respectivement la lu- mière bleue et la lumière rouge et se composant chacune d'un assez grand nom- bre de couches élémentaires, de façon à obtenir une forte intensité de réfle- xion et des largeurs de bande spectrale nettement délimitées. La couche ré- fléchissant la lumière bleue d'une forme de réalisation donnant de bons ré- sultats dans la pratique comporte vingt couches élémentaires, et la couche réfléchissant la lumière rouge en comporte dix-neuf, les couches élémentaires à fort indice de réfraction étant en sulfure de zinc, et les couches à faible indice de réfraction en fluorure de plomb.
Ainsi qu'il a déjà été dit, les couches peuvent être appliquées par des procédés d'évaporation appropriés sur les faces respectives des prismes Pl et P2, ou bien la totalité des couches élémentaires des deux couches peuvent être appliquées directement les unes sur les autres sur la surface de l'hypothénuse d'un des prismes élémentaires, . par exemple P1, puis on colle la surface recouverte sur la surface.non recou- verte de l'autre prisme élémentaire tel que P2. Les données numériques des cou- ches sont indiquées sur la fig. 2 sur laquelle n désigne les indices de réfrac- tion et nt l'épaisseur optiqueo Les valeurs de nt correspondent au centre des couches au point où elles coupent l'axe Pa du dispositif (rayon g de la fig.l) à 45 , la valeur de t étant mesurée perpendiculairement à la couche.
L'épaisseur qui convient de la couche etsi on le désire, le gra- dient du coin peuvent être déterminés en faisant correspondre empiriquement les valeurs théoriques aux conditions de fonctionnement de l'appareil d'ap- plication des couches, en tenant compte, lorsqu'il s'agit de couches en forme de coins,de l'inclinaison de la surface de l'échantillon au cours de l'évapo- ration par rapport au plan qui convient à l'application d'une couche d'épais- seur constante.
Les prismes du type décrit ci-après à propos de la fig. 5 des- tinés à fournir une répartition uniforme des couleurs dans les applications photographiques, ont été obtenus en appliquant la couche réfléchissant la lu- mière bleue sur sa face prismatique qui a été inclinée pendant l'application d'un angle de 12 par rapport au plan suivant lequel on obtiendrait une épais- seur de couche constante, et en appliquant la couche.réfléchissant la lumière rouge sur la surface prismatique inclinée suivant angle de 8 .
Les conditions théoriques dans lesquelles on obtient l'uniformité à l'oeil ne sont pas néces- sairement celles qui conviennent à l'uniformité photographique du fait que, dans l'exemple en question, les gradients du coin des.couches qui réfléchis- sent les longueurs d'onde les plus longues et les plus courtes sont respecti- vement les plus petits et les plus grands. L'épaisseur optique nt de chaque couche du réflecteur D2 qui réfléchit la lumière rouge et transmet les lu- mières bleue et verte, est égale à un quart de la longueur d'onde de la lu- mière rouge,tandis que l'épaisseur optique de chaque couche du réflecteur Dl qui réfléchit la lumière bleue et transmet les lumières verte et rouge, est égale à un quart de longueur d'onde de la lumière bleue.
La longueur d'onde dans chaque cas est celle pour laquelle on désire obtenir la réflectance maxi- mum. On peut choisir d'autres multiples du quart de ces longueurs d'onde pour certaines des couches ou pour toutes les couches, s'il y a lieu de faire varier les longueurs d'onde de l'un ou l'autre des réflecteurs. L'épaisseur matériel- le 1 de chaque couche peut être obtenue par la formule suivante :
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t = #
4n cos 0 dans laquelle 0 = arc sinus 0,707 N (pour le rayon passant par l'axe) @ N étant l'indice de réfraction du verre constituant le prisme, n l'indice de réfraction de la couche en question et \ la longueur d'onde maximum de la bande de réflexion qu'on désire.
Une colle convenant au collage des deux éléments du prisme consiste consiste en méthacrylate d'isobutyle dissous dans le xylène sous forme de solution ayant la consistance du miel. On constate qu'il n'est pas indispensable d'écarter les deux couches Dl, D2 l'une de l'autre pour empê- cher les effets d'interférence indésirableso On obtient des résultats satis- faisants avec une valeur
T = (20 à 30) # = 0,0050 à 0,0075 mm.
N pour l'épaisseur de la couche de colle de la substance précitée, N étant l'in- dice de réfraction de la colle et # la longueur d'onde maximum. L'épaisseur de la couche de colle n'a pas une valeur aussi critique que lorsqu'il s'agit d'un dispositif diviseur de rayons dans lequel on obtient deux gammes de ré- flexion,par exemple les gammes rouge et bleue, avec deux réflecteurs iden- tiques. La tolérance de l'épaisseur de la couche de colle est très grande par rapport à celle des couches diélectriques.
Le partage des rayons lumineux obtenu avec un réflecteur dichroi- que double des fig. 1 et 2 est représenté sur la fig. 3 sur laquelle les pour- centages de transmission et de réflexion sont portés en fonction de la lon- gueur d'onde. Sur cette figure, la courbe dl en pointillé est la courbe ca- ractéristique du groupe de couche D2 réfléchissant la lumière rouge, tandis que la courbe d2 en tirets est la courbe correspondante du groupe de couches Dl réfléchissant la lumière bleue. La courbe dg représente la caractéristi- que spectrale de la gamme du vert transmise par le groupe de couches Dl ainsi que D2.
Les formes des bandes représentées par les courbes précitées sont beaucoup plus avantageuses que celles des dispositifs diviseurs de ray- ons lumineux connus précités réfléchissant la lumière magenta et comportant deux couches identiques. La caractéristique de ce réflecteur ordinaire est représentée sur la fig. 4 à titre de comparaison avec la fig. 3.
Les épaisseurs de couches qui conviennent doivent exister dans la direction du trajet de la lumière passant dans le dispositif de partage des rayons et par suite la formule de l'épaisseur contient le facteur cos # qui varie en fonction de l'angle entre les réflecteurs et les rayons incidents.
Pour réaliser les conditions qui conviennent à un cas particulier donné, on peut déposer chaque couche sous forme de coin à angle aigu, dont l'extrémi- té la plus mince se trouve du côté de l'objectif. Dans les applications de photographie en couleurs avec les dispositifs des fig. 1 et 2, on constate qu'en faisant correspondre la forme du coin aux rayons délimités par la pupil- le d'entrée de l'objectif, on obtient une répartition satisfaisante sur la surface d'enregistrement des lon gueurs d'onde de la lumière réfléchie. Ainsi que l'indique la fig. 5, ces rayons sont définis par la pupille ouverte E'po et la pupille décalée vers le bas E' ps.
En faisant correspondre la forme du coin à ces rayons divergents d'incidence oblique différente, on peut régler les longueurs.d'onde et les intensités aux points de réception o, p et g de façon à réaliser la compensation ou le réglage entre des limites pouvant être prévues de la répartition du champ de saturation, de la brillance et de la teinte, tout en pouvant employer sous forme interchangeable des objectifs de longueurs focales différentes.
Pour obtenir avec les réflecteurs du type précité des caractéris-
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tiques de réflexion et de transmission analogues à celle de la fig. 3,il est nécessaire que la lumière arrivant dans le dispositif de partage des rayons ne comporte pas une composante considérable de lumière polarisée dans un plan. Etant donné que certains objets polarisent la lumière qu'ils réfléchis- sent, on transforme cette lumière polarisée dans un plan en lumière-polari- sée circulairement ou elliptiquement.en posant une plaque d'un quart de longueur d'onde devant le cube de partage des rayons, telle que la plaque Q de la fig. 1.
On peut employer une plaque d'un quart de longueur d'onde di- te achromatique, telle qu'elle est décrite dans le brevet des Etats-Unis d'A- mérique n 2 441 049,qui transforme la lumière polarisée dans un plan en lu- mière polarisée circulairement dans une gamme de longueur d'onde relativement large.
Si la sélectivité obtenue par les réflecteurs dichroiques Dl et D2 ne correspond pas aux caractéristiques de sensibilité des émulsions choi- sies, on peut interposer des filtres dans les fenêtres d'exposition, tels que les filtres Fl et F2 de la fig. 1.
Au lieu de réfléchir la gamme de grande longueur d'onde, telle que la gamme rouge, par la couche postérieure et la gamme de courte longueur d'onde, telle que la gamme bleue, par la première couche, on peut renverser cet ordre, ainsi qu'on peut le voir d'après la description détaillée du dis- positif de la fig. 6, qui dérive de celui de la fig. l, et sur laquelle les- mêmes éléments sont désignés par les mêmes références. Sur cette figure, la couche antérieure D3, de même composition que la couche D2 de la fig. 2, ré- fléchit la lumière rouge et transmet les lumières bleue et verte, tandis que la couche postérieure D4, semblable à la couche Dl de la fig. 2 réfléchit la lumière bleue et transmet la lumière verte.
Pour obtenir le meilleur rendement avec les couches dont la ma- tière diélectrique consiste en sulfure de zinc, on donne la préférence au dispositif de la fig. l, car le sulfure de zinc absorbe une certaine quantité de la gamme bleue. Si la couche réfléchissant la lumière bleue est disposée derrière le réflecteur rouge, comme sur la fig. 6, le faisceau bleu doit tra- verser une épaisseur beaucoup plus forte de sulfure de zinc que dans le dispo- sitif de la fig. 1 et par suite une certaine quantité de cette lumière est per- due avant que le faisceau atteigne l'émulsion B.
Il est évident que les couches dichroïques superposées suivant 1' invention peuvent être appliquées non seulement sur les dispositifs cubiques du type décrit, mais encore à n'importe quel dispositif de partage ou de com- binaison des rayons lumineux d'une forme de construction appropriée ou autre à choisir de préférence, et il doit être bien entendu en outre que le princi- pe de l'invention peut être appliqué à d'autres gammes spectrales que celles dont il est spécialement question ci-dessus.
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LIGHT RAY DIVIDER DEVICE '.
We observe in various branches of optics, in particular in photography and color television, the simultaneous presence of several images, distinct in space, of the same field of the object, each of these images representing a given spectral range. The separation or combination of these images should be carried out with a minimum of loss of light from their range so as to exert the maximum effect on the material which is used to project the image or on which it is. projected, such as photographically sensitive emulsions, additive projection slides, photo-electrically sensitive screens of television transmitting devices, or electron sensitive screens of television receiving devices.
Several types of known device are intended to make it possible to achieve this result and among the most important are those which include so-called dividing surfaces of light rays or transparent reflectors which share an incident light beam in one. transmitted beam and a reflected beam or combine the two elementary beams.
These devices can include one or more light ray dividing surfaces. With a single surface, two beams are obtained for two-color devices, but it can also be made to work with three or more color elements, by interposing two or more surfaces for receiving or emitting images. in one of the elementary light beams or in both.
The known devices of the latter type comprise, in three-color devices, a prism with a single surface for sharing the light rays directing an elementary beam towards two windows, so as to impress in a window a film registering green. (v) and in the other window a so-called bipack element comprising superimposed films recording blue (b) and red (r). The devices in which more than two elementary beams are made to arrive have several light ray sharing surfaces,
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intersecting or adjacent.
The light which arrives on the posterior surface of devices comprising two superimposed image-sensitive surfaces is itself influenced by the part of the anterior surface, which in certain points of view is a drawback, however sometimes compensated by the fact that with a two-beam device, the overall length of the optical paths is shorter, or that construction complications are avoided, which facilitates combinations with objectives of short acceptable focal lengths and reduces losses. of light along the optical path.
In addition, particularly when applying these devices to cinematographic apparatus, they to some extent simplify the film advancement mechanism and the problems of image alignment and registration.
However, because of the aforementioned restrictions specific to superimposed surfaces, the effective speed of the posterior surface of the emulsion decreases under the effect of the absorption of light by the elements arranged in front of this surface. , and which in this case are generally color filters, in addition to the previous emulsion and its support.
The possibility of using a device of this type depends on the final light energy available and which is never too abundant. The overall efficiency of the device, that is to say the ratio between the light energy actually used and that which was available at the start in each elementary beam, is therefore of paramount importance.
It has been recommended to improve the overall efficiency of light-ray dividing devices with transparent partition surfaces by introducing semi-dichroic thin-film reflectors, which transmit almost all of the light in the blue ranges. and red in one window containing the recording emulsions of blue and red and reflect green light in another window.
Although it is possible to apply satisfactory coats to reflectors suitable for devices of this type, it is quite difficult to fabricate reflectors which transmit green light while reflecting almost all of the light. blue and red light, a particularly advantageous device for use in apparatus of the aforementioned type comprising recording materials superimposed in one of the two windows which they comprise.
Devices of the latter type pose a completely different problem from that of devices which include the bipack element in the direct beam. This problem consists in reflecting with high efficiency two fixed spectral bands separated by a third band which must not be reflected. This situation is different from that which occurs in devices which have only two recording emulsions and in which a single range, for example the red-orange band is reflected and the blue-green band is transmitted, or vice versa. The situation is even different from that in devices which have three recording emulsions in two windows and in which the recording films of red and green, or recording films of green and blue, are superimposed.
In the case where the green recording emulsion is superimposed on another emulsion, the two color ranges to be reflected are adjacent in the spectrum. These adjacent bands can be viewed as a single reflection band, not separated by intermediate ranges. With the form of construction which is necessary to achieve high efficiency reflection of a given bandwidth in a single band reflector, the same results are not obtained in reflectors having two separate bands and in reality this form of construction can be detrimental from the point of view of the quality which one wishes to obtain.
The means available for controlling the efficiency and bandwidth of single band reflectors is to vary the thickness of the various layers of dielectric material and to increase the number of layers which form the reflector. A third way is to combine the effects of two reflectors
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identical separated by an interval just sufficient to avoid harmful optical interference, by means of an interposed optical material.
None of these means nor any of their combinations are sufficient for. obtain a reflector of blue and red with a bandwidth and performance characteristics comparable to the best single band reflectors, if the various layers are thick enough to reflect both red and blue light .
One of the main objects of the invention consists in a device for dividing light rays in which two spectral ranges separated by a third range are reflected with a high overall efficiency, while the third range is transmitted, and which makes it possible to easily and precisely adjust color selection and balance.
Another object of the invention consists in a particularly efficient device for sharing light rays for photographic cameras, in which the recording films of blue and red are impressed by a single elementary beam reflected in a beam. device for dividing the light rays, while the film registering the green is impressed by a second transmitted beam.
The invention further proposes to provide a device of the aforementioned type relatively inexpensive to manufacture, easy to test and monitor during manufacture and in service, and generally representing technical progress in the devices. optics, the elements of which consist of beams of colored light containing several images.
The optical device according to the invention with a view to making elementary images of different spectral ranges correspond to each other comprises a light transmission element, one surface of which cuts obliquely a light beam delimited by any suitable optical device, said surface being covered. two transparent layers of selective reflection, each formed of several elementary layers with a thickness equal to a fraction of a wavelength and made up of materials with a high and low refractive index alternating between them, the number, the thickness and the material of the elementary layers being chosen so that one of the main layers reflects a first spectral range and transmits a second and a third range,
while the second main layer reflects the third range and transmits the second.
According to another characteristic of the invention, the aforementioned results are obtained by combining a transparent element comprising at least three exterior light transmission surfaces and at least one interior surface sharing the light rays and inclined with respect to the exterior surfaces, apertures such as display windows arranged adjacent to exterior surfaces and containing sensitive material such as photographic emulsions housed in support devices, a thin-film coated reflector consisting of several layers dichroically selective elementaries arranged on the ray sharing surface, said reflector transmitting two spectral ranges and reflecting a third,
and a second dichroically selective reflector deposited on the ray sharing surface and which transmits a spectral range and reflects the second of these two ranges.
According to a third characteristic, the invention relates to a device for dividing a light beam into two elementary beams of selected spectral ranges impressing a sensitive emulsion arranged in the respective windows, this device comprising a transparent element, one surface of which is inclined relative to the beam. , and two dichroically selective reflectors deposited on this surface and comprising several selectively reflecting dielectric layers of a thickness equal to a fraction of a wavelength and of which the refractive indices are alternately strong and weak,
the number and thickness of the layers of the an-
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being chosen so as to reflect almost exclusively the light of the red or blue spectral range, while this reflector transmits to the rear reflector the light of the respective spectral ranges blue and green or green and red, the number and the the thickness of the layers of the rear reflector being chosen so as to reflect the light of the blue or red spectral range and to transmit the light of the green spectral range.
Other characteristics of the invention, in addition to those which precede, will emerge from the description of the fundamental principles of the invention and from that of some embodiments of the invention, with the accompanying drawings. support, on which: FIG. 1 shows, in schematic form, a device for sharing light rays according to the invention; fig. 2 shows on a larger scale the superposed layers of FIG. 1; fig. 3 is a graph showing the transmission and reflection characteristics of the layers of FIG. 2; fig. 4 is a graph similar to that of FIG. 3, showing the characteristic of a previously known reflector; fig. 5 indicates in schematic form, similar to FIG. l, the way wedge-shaped layers work;
and fig. 6 represents in the same way as FIG. 1 an embodiment of which the front layer reflects red instead of blue.
In general, light ray dividers of the type according to the invention, FIG. 1, have an objective L, a cubic prism P whose elements P1 and P2 have external light transmitting surfaces p1, p2, p3, and a partition region D formed of adjacent internal surfaces p5, p6 , which limit two groups or layers D1, D2 formed of thin elementary layers, dielectric, described in detail below. Visible incident radiation is designated by the blue, green and red rays, b, g and r, which represent the respective beams of colored light.
The ray g is transmitted and records the green portion of the image on an emulsion G placed on a support Sg, while the reflected rays b and r record the blue and red portions of the images on the emulsions B and R deposited respectively on the supports Sb and Sr. For the reasons indicated below, a Q plate of a quarter wavelength can be inserted between the objective and the prism. Filters F1 and F2 can be interposed between the prism and the recording materials if it appears advantageous to modify the bandwidth or the intensity of the respective beams. The layers D1, D2 can be in the form of wedges, the value of the gradient of which is determined for the reasons indicated below.
Fig. 2 shows the detailed construction form of the two layers D1 and D2. The D1 layer reflects blue light, and transmits green and red light, while the D2 layer reflects red light and transmits blue and green light. The efficiency of each of these reflectors-transmitters can be very high, since it only has to separate two spectral ranges. The layers D1 and D2 are preferably superimposed directly on one of the surfaces p5 or p6, or they can be applied separately on the surfaces p5 or p6 of the respective elements P1, P2 of the prism.
In both cases, the elements P1 and P2 are glued to each other by a suitable optical glue A, suitable for directly superimposed layers, fig. 2. The reflection characteristics of each layer or group of layers are adjusted with respect to the characteristics of the respective beam paths, which consist in the refractive indices of the prisms P1 and P2 and of the glue and in the properties of the material. registration and filters, if they exist.
So far, two identical layers have been combined to obtain
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a device reflecting a single band. According to the invention, the reflectors are different and each layer is optically independent of the other, so that the efficiency of each reflection band can be significantly increased without exerting any appreciable influence on the bandwidths.
By combining in this way without interference two layers consisting of multiple elementary layers, one obtains two separate reflection bands of an appropriate bandwidth, which could not be achieved by a single reflector with interlayered layers of dimensions. chosen so as to reflect two respective wavelengths, for example in the regions of blue and red, or by two identical or nearly identical reflectors. According to the invention, the two reflectors must be of a different form of construction and each produce a different reflection band.
The partition region D of the embodiment of FIG. 1, comprises two base layers D1 and D2 reflecting respectively blue light and red light and each consisting of a fairly large number of elementary layers, so as to obtain a high intensity of reflection and clearly demarcated spectral bandwidths. The blue light reflecting layer of one embodiment which gives good results in practice has twenty elementary layers, and the red light reflecting layer has nineteen, the high refractive index elementary layers being zinc sulfide, and low refractive index layers of lead fluoride.
As has already been said, the layers can be applied by appropriate evaporation methods to the respective faces of the prisms P1 and P2, or else all of the elementary layers of the two layers can be applied directly to one another. on the surface of the hypothenuse of one of the elementary prisms,. for example P1, then the covered surface is glued on the surface not covered with the other elementary prism such as P2. The numerical data of the layers are shown in fig. 2 on which n denotes the refractive indices and nt the optical thickness o The values of nt correspond to the center of the layers at the point where they intersect the axis Pa of the device (radius g in fig.l) at 45, the value of t being measured perpendicular to the layer.
The suitable thickness of the layer and, if desired, the gradient of the wedge can be determined by empirically matching the theoretical values to the operating conditions of the coating apparatus, taking into account, when 'these are wedge-shaped layers, the inclination of the sample surface during evaporation relative to the plane suitable for the application of a thick layer constant.
The prisms of the type described below with reference to FIG. 5 intended to provide a uniform color distribution in photographic applications were obtained by applying the blue light reflective layer to its prism face which was tilted during application at an angle of 12 to the surface. plane along which one would obtain a constant thickness of the layer, and by applying the layer reflecting the red light on the prismatic surface inclined at an angle of 8.
The theoretical conditions under which eye uniformity is obtained are not necessarily those suitable for photographic uniformity because, in the example in question, the corner gradients of the reflecting layers the longest and shortest wavelengths are respectively the smallest and the largest. The optical thickness nt of each layer of the reflector D2 which reflects red light and transmits blue and green light is equal to a quarter of the wavelength of red light, while the optical thickness of each layer of reflector D1 which reflects blue light and transmits green and red light, is equal to a quarter wavelength of blue light.
The wavelength in each case is that for which it is desired to obtain the maximum reflectance. Other multiples of a quarter of these wavelengths can be chosen for some of the layers or for all of the layers, if the wavelengths of either reflector need to be varied. The material thickness 1 of each layer can be obtained by the following formula:
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t = #
4n cos 0 in which 0 = arc sine 0.707 N (for the ray passing through the axis) @ N being the refractive index of the glass constituting the prism, n the refractive index of the layer in question and \ the length maximum wave of the desired reflection band.
A suitable adhesive for bonding the two elements of the prism consists of isobutyl methacrylate dissolved in xylene in the form of a solution having the consistency of honey. It is noted that it is not essential to separate the two layers D1, D2 from each other to prevent undesirable interference effects o Satisfactory results are obtained with a value
T = (20 to 30) # = 0.0050 to 0.0075 mm.
N for the thickness of the adhesive layer of the aforementioned substance, N being the refractive index of the adhesive and # the maximum wavelength. The thickness of the glue layer is not as critical a value as in the case of a beam splitting device in which two ranges of reflection are obtained, for example the red and blue ranges, with two identical reflectors. The tolerance of the thickness of the adhesive layer is very large compared to that of the dielectric layers.
The sharing of the light rays obtained with a double dichroic reflector of FIGS. 1 and 2 is shown in fig. 3 on which the transmission and reflection percentages are plotted as a function of the wavelength. In this figure, the dotted curve d1 is the characteristic curve of the group of layers D2 reflecting red light, while the d2 curve in dashes is the corresponding curve of the group of layers D1 reflecting blue light. The curve dg represents the spectral characteristic of the range of green transmitted by the group of layers D1 as well as D2.
The shapes of the bands represented by the aforementioned curves are much more advantageous than those of the aforementioned known light ray dividing devices reflecting magenta light and comprising two identical layers. The characteristic of this ordinary reflector is shown in fig. 4 by way of comparison with FIG. 3.
The suitable layer thicknesses must exist in the direction of the path of the light passing through the ray sharing device and hence the thickness formula contains the factor cos # which varies with the angle between the reflectors and the incident rays.
In order to achieve the conditions which are suitable for a particular given case, each layer can be deposited in the form of an acute angle wedge, the thinnest end of which is on the side of the objective. In color photography applications with the devices of FIGS. 1 and 2, it can be seen that by matching the shape of the wedge to the rays delimited by the entrance pupil of the objective, a satisfactory distribution over the recording surface of the wavelengths of the lens is obtained. reflected light. As shown in fig. 5, these rays are defined by the open pupil E'po and the downwardly shifted pupil E 'ps.
By matching the shape of the wedge to these divergent radii of different oblique incidence, the wavelengths and intensities at the receiving points o, p and g can be adjusted so as to achieve compensation or adjustment between limits. can be provided for the distribution of the saturation field, brightness and tint, while being able to interchangeably employ lenses of different focal lengths.
To obtain with reflectors of the aforementioned type characteristics
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reflection and transmission ticks similar to that of FIG. 3, it is necessary that the light entering the ray sharing device does not have a considerable component of plane polarized light. Since some objects polarize the light they reflect, we transform this plane-polarized light into circularly or elliptically-polarized light by placing a quarter-wavelength plate in front of the cube of sharing of rays, such as plate Q of fig. 1.
A quarter-wavelength di-achromatic plate, as described in US Pat. No. 2,441,049, which transforms polarized light in a plane can be employed. in circularly polarized light over a relatively wide wavelength range.
If the selectivity obtained by the dichroic reflectors D1 and D2 does not correspond to the sensitivity characteristics of the emulsions chosen, filters can be interposed in the exposure windows, such as the filters F1 and F2 of FIG. 1.
Instead of reflecting the long wavelength range, such as the red range, by the posterior layer and the short wavelength range, such as the blue range, by the first layer, we can reverse this order, as can be seen from the detailed description of the device of FIG. 6, which derives from that of FIG. 1, and on which the same elements are designated by the same references. In this figure, the anterior layer D3, of the same composition as the layer D2 of FIG. 2, reflects red light and transmits blue and green light, while the posterior layer D4, similar to the layer D1 in FIG. 2 reflects blue light and transmits green light.
In order to obtain the best efficiency with the layers whose dielectric material consists of zinc sulphide, preference is given to the device of FIG. l, because zinc sulfide absorbs a certain amount of the blue range. If the blue light reflecting layer is placed behind the red reflector, as in fig. 6, the blue beam must pass through a much greater thickness of zinc sulphide than in the device of fig. 1 and therefore some of this light is lost before the beam reaches emulsion B.
It is obvious that the superimposed dichroic layers according to the invention can be applied not only to cubic devices of the type described, but also to any light ray sharing or combining device of a suitable form of construction. or the like to be preferably chosen, and it should be further understood that the principle of the invention can be applied to spectral ranges other than those especially discussed above.