EP2737360A1 - Dispositif pour la polarisation d'une sequence video a visionner en stereoscopie - Google Patents

Dispositif pour la polarisation d'une sequence video a visionner en stereoscopie

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Publication number
EP2737360A1
EP2737360A1 EP12738096.2A EP12738096A EP2737360A1 EP 2737360 A1 EP2737360 A1 EP 2737360A1 EP 12738096 A EP12738096 A EP 12738096A EP 2737360 A1 EP2737360 A1 EP 2737360A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
polarization
beams
beam splitter
cells
mirrors
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP12738096.2A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Stephen Palmer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Volfoni R&D
Original Assignee
Volfoni R&D
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Volfoni R&D filed Critical Volfoni R&D
Publication of EP2737360A1 publication Critical patent/EP2737360A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/28—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising
    • G02B27/283—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising used for beam splitting or combining
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B30/00—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images
    • G02B30/20—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images by providing first and second parallax images to an observer's left and right eyes
    • G02B30/22—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images by providing first and second parallax images to an observer's left and right eyes of the stereoscopic type
    • G02B30/24—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images by providing first and second parallax images to an observer's left and right eyes of the stereoscopic type involving temporal multiplexing, e.g. using sequentially activated left and right shutters
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    • G02B30/22—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images by providing first and second parallax images to an observer's left and right eyes of the stereoscopic type
    • G02B30/25—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images by providing first and second parallax images to an observer's left and right eyes of the stereoscopic type using polarisation techniques
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03B—APPARATUS OR ARRANGEMENTS FOR TAKING PHOTOGRAPHS OR FOR PROJECTING OR VIEWING THEM; APPARATUS OR ARRANGEMENTS EMPLOYING ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ACCESSORIES THEREFOR
    • G03B35/00—Stereoscopic photography
    • G03B35/18—Stereoscopic photography by simultaneous viewing
    • G03B35/26—Stereoscopic photography by simultaneous viewing using polarised or coloured light separating different viewpoint images
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N13/00—Stereoscopic video systems; Multi-view video systems; Details thereof
    • H04N13/30—Image reproducers
    • H04N13/332—Displays for viewing with the aid of special glasses or head-mounted displays [HMD]
    • H04N13/337—Displays for viewing with the aid of special glasses or head-mounted displays [HMD] using polarisation multiplexing
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N13/00—Stereoscopic video systems; Multi-view video systems; Details thereof
    • H04N13/30—Image reproducers
    • H04N13/332—Displays for viewing with the aid of special glasses or head-mounted displays [HMD]
    • H04N13/341—Displays for viewing with the aid of special glasses or head-mounted displays [HMD] using temporal multiplexing
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N13/00—Stereoscopic video systems; Multi-view video systems; Details thereof
    • H04N13/30—Image reproducers
    • H04N13/363—Image reproducers using image projection screens

Definitions

  • the invention relates to the display of stereoscopic video sequences, and in particular the display of stereoscopic video sequences in time-division multiplexing visible with passive glasses.
  • the display of stereoscopic video sequences in cinemas generally uses the alternating projection of two video subsequences taken at different angles of view.
  • the two sub-video sequences are thus multiplexed temporally.
  • a first video sequence is thus intended for the left eye, a second video sequence being intended for the right eye, thus creating an impression of relief.
  • the sampling frequency imposed by the cinema standard for a video sequence is greater than 48 Hz (so that the frame rate of the images is not perceptible to the eye)
  • the projection frequency on a cinema screen is at least 96 Hertz because each eye should only see the sequence that is intended for it.
  • a high-speed video projector emitting the two subsequences is used alternately without any particular polarization.
  • the light of the headlamp is separated into two beams having orthogonal polarizations in a beam splitter.
  • the beam splitter is transmissive for light in a first polarization, and reflective for light in a second polarization.
  • Polarization modulators are available on both light paths.
  • the beam reflected by the separator is returned to a mirror and superimposed on a screen beam passed through the separator.
  • the screen is for example a metallized screen configured to reflect the projected images while maintaining the polarization thereof.
  • the polarization modulators are controlled so that the beams of the two light paths have a so-called polarization P on the screen.
  • the polarization modulators are controlled so that the beams of the two light paths have a so-called S polarization on the screen.
  • the polarizations P and S are perpendicular.
  • the polarization modulators are thus synchronized with the subsequences emitted by the projector.
  • the two subsequences are displayed alternately on the screen 4 with perpendicular linear polarizations.
  • a first lens of the glasses has a transmissive filter for the polarization S: the filter blocks the first subsequence and is transmissive for the second subsequence.
  • the second glass of glasses has a transmissive filter for polarization P: the filter is transmissive for the first subsequence and transmissive for the second subsequence.
  • This type of display has the advantage of using glasses particularly simple and not sensitive to degradation in the context of use by the public.
  • this patent provides a high brightness for a given power of the projector.
  • the image seen by the user has insufficient sharpness and the polarization device has a relatively high cost and a complex focus.
  • this patent uses a deformation of the reflecting mirror to improve the superposition of the two beams on the screen.
  • the invention aims to solve one or more of these disadvantages.
  • the invention thus relates to a device for polarizing a video sequence to be viewed in stereoscopy, comprising:
  • a beam splitter for receiving an incident light beam so as to separate it into first and second beams respectively having first and second perpendicular polarizations, the beam splitter comprising four prisms each comprising first and second perpendicular faces, the first face of each prism having a phase retardation plate, the second face of each prism having a light reflecting layer according to the first polarization and transmitting light in the second polarization, the four prisms being arranged so that the first face of each prism is attached to the second face of an adjacent prism;
  • control circuit defining the polarization rotation of said first and second cells so that the first and second beams having crossed respectively the first and second cells simultaneously have the same polarization, and so that this same polarization alternates between two perpendicular states;
  • first and second mirrors respectively reflecting the first and second beams from the beam splitter.
  • said prisms comprise a rectangular triangle section.
  • the beam splitter and the mirrors are configured so that the light path of said first and second beams is symmetrical with respect to a plane.
  • the first and second mirrors reflect the first and second beams in the direction of the incident beam.
  • said prisms each comprise an edge disposed in a plane including the optical axis of the beam splitter.
  • said retardation plates are half wave plates whose optical axis is inclined at 45 ° with respect to the first polarization.
  • control circuit controls the alternating polarization at a frequency greater than 50 Hz, and preferably less than 250 Hz.
  • said cells with rotation of variable polarization are liquid crystal cells.
  • said cells with rotation of variable polarization are interposed between the beamsplitter and the mirrors.
  • the invention also relates to a projection system of a video sequence to be viewed in stereoscopy, comprising:
  • FIG 1 is a schematic representation of a stereoscopic viewing system according to one embodiment of the invention.
  • FIG 2 is a schematic sectional representation of a polarization device and light rays passing therethrough;
  • FIG. 3 is a diagrammatic representation in section of different optical components of the polarization device
  • FIG. 4 is a schematic representation of the light beams and their polarization for a first sub-video sequence
  • FIG. 5 is a schematic representation of the light beams and their polarizations for a second video sub-sequence.
  • FIG 1 is a schematic representation of a stereoscopic display system 1 in which the invention is implemented.
  • the display system 1 comprises a high-speed projector 2, capable of projecting images at a frequency higher than 50 Hertz (144 Hz generally).
  • the projector 2 can thus project a stereoscopic sequence.
  • the projector 2 thus projects in temporal multiplexing two video sub-sequences of the stereoscopic sequence.
  • the light at the output of the projector 2 has no particular polarization, the projector 2 forming an incoherent light source.
  • the luminous flux can pass through a collimating lens inside the projector 2.
  • a stereoscopic polarization device 3 is connected to the projector 2.
  • the projector 2 transmits a synchronization signal to a control module 31 of the polarization device.
  • the stereoscopic sequence projected by the projector 2 passes through a polarization module 32, intended to differentiate the two video subsequences by generating respective perpendicular polarizations.
  • the light from the projector 2 thus passes through the polarization module 32.
  • the polarization module 32 forms two beams F1 and F2 having the same polarization.
  • the polarization of the beams F1 and F2 alternately change between two perpendicular states called respectively "p" and "s” thereafter.
  • the beams F1 and F2 are projected in superposition on a screen 4.
  • the metallized screen 4 has the property of reflecting the luminous flux while maintaining the same polarization as the incident luminous flux.
  • the glasses 6 comprise a frame 600 on which two passive shutters 601 and 602 are mounted.
  • the shutter 601 comprises a transparent glass surmounted by a transmissive linear polarizer for the "P" polarization
  • the shutter 602 comprises a transparent glass surmounted by a transmissive linear polarizer for the "S" polarization .
  • each glass is transmissive for the sub-video sequence intended for it, and each glass is shut off for the sub-video sequence that is not intended for it.
  • Figure 2 is a schematic sectional representation of the polarization module 32 and the light beams therethrough.
  • the polarization module 32 comprises a housing in which different optical components are housed.
  • the polarization module 32 comprises a beam splitter provided with prisms 321 to 324.
  • the optical axis of the beam splitter is defined by the perpendicular to the input faces of the prisms 323 and 324 and passing through a common edge between the prisms 321. at 324.
  • the optical axis of the beam splitter is coincident with the optical axis of the floodlight 2.
  • the polarization module 32 also comprises polarization modulators 331 and 332.
  • the polarization modulators 331 and 332 are arranged horizontally, symmetrically from on both sides of the beam splitter.
  • the polarization at the output of the polarization modulators 331 and 332 is controlled by via the control circuit 31.
  • the polarization module 32 also includes reflecting mirrors 341 and 342.
  • the reflecting mirrors 341 and 342 are inclined and arranged symmetrically with respect to the beam splitter.
  • the polarization modulator 331 is disposed between the prism 321 and the mirror 341.
  • the polarization modulator 332 is disposed between the prism 322 and the mirror 342.
  • the polarization module 32 further comprises exit windows 351 and 352.
  • the exit windows 351 and 352 are arranged in vertical planes and face respectively the mirrors 341 and 342.
  • the beam splitter is configured to separate the incoherent light from the projector 2 into two beams respectively having P and S polarization.
  • the light decomposes into a radius R1 crossing this interface and a radius R3 reflected by this interface.
  • the polarized portion P of the ray Ra is transmitted, while the polarized portion S of the ray is reflected.
  • the reflected ray R2 and polarized P is transmitted by the interface between the prisms 321 and 323.
  • the transmitted ray R1 and polarized P is reflected at the interface between the prisms 321 and 324.
  • the radii R1 and R2 pass through the polarization modulator 331 and reach the mirror 341.
  • the radii R1 and R2 are reflected by the mirror 341 and pass through the exit window 351.
  • a first light beam F1 is thus formed at the exit of the window 351.
  • the reflected ray R3 and polarized S is transmitted by the interface between the prisms 322 and 323.
  • the transmitted ray R4 and polarized S is reflected at the interface between the prisms 322 and 324.
  • the rays R3 and R4 pass through the polarization modulator 332 and reach the mirror 342.
  • the rays R3 and R4 are reflected by the mirror 342 and pass through the exit window 352.
  • a second light beam F2 is thus formed at the exit of the window 352.
  • the beam splitter generates two light beams perpendicular to the incident beam.
  • the mirrors 341 and 342 reflect these beams so that the beams F1 and F2 projected on the screen 4 are parallel to the incident beam.
  • FIG. 3 is a schematic sectional representation of the structure of an exemplary beam splitter that can be integrated into the module
  • the prisms 321 to 324 comprise respective transparent elements 381 to 384.
  • the transparent elements 381 to 384 have a cross section in the form of a right triangle.
  • the transparent elements 381 to 384 are for example made of glass or of any other transparent and optically neutral material, for example a synthetic material.
  • the prisms 321 to 324 are fixed together, for example by means of an index matching glue.
  • the prism 321 has a polarization separation layer 371 on a first face of the transparent element, and a half-wave type plate 361 on a second face.
  • the polarization separation layer 371 is reflective for the polarization P and transmissive for the S polarization.
  • a half-wave type plate induces in a manner known per se a phase delay of 180 ° on the polarization along its slow axis.
  • the optical axis of the blade 361 (its fast axis) is inclined at 45 ° with respect to the direction of polarization S.
  • the prism 322 comprises a polarization separation layer 372 on a first face of the transparent element, and a half-wave type plate
  • the polarization separation layer 372 is reflective for the polarization P and transmissive for the S polarization.
  • a half-wave type plate induces in a manner known per se a phase delay of 180 ° on the polarization along its slow axis.
  • the optical axis of the blade 362 is inclined at 45 ° with respect to the direction of polarization S.
  • the prism 323 comprises a polarization separation layer 373 on a first face of the transparent element, and a half-wave type plate
  • the polarization separation layer 373 is reflective for the polarization P and transmissive for the S polarization.
  • a half-wave type waveguide induces in a manner known per se a phase delay of 180 ° on the polarization along its slow axis.
  • the optical axis of the blade 363 is inclined at 45 ° with respect to the direction of polarization S.
  • the prism 324 comprises a polarization separation layer 374 on a first face of the transparent element, and a half-wave type plate
  • the polarization separation layer 374 is reflective for the polarization P and transmissive for the S polarization.
  • a half-wave type plate induces in a manner known per se a phase delay of 180 ° on the polarization along its slow axis.
  • the optical axis of the blade 364 is inclined at 45 ° with respect to the direction of polarization S.
  • the polarized portion P of the ray Ra is reflected on the layer 373, polarized S, passing through the plate 363, transmitted by the separation layer 372.
  • the radius R3 thus reaches the polarization modulator 332 with a polarization S;
  • the polarized portion S of the radius Ra is transmitted by the polarized layer 373 P through the blade 361, reflected by the separation layer 371.
  • the radius R1 thus reaches the polarization modulator 331 with a polarization P;
  • the polarized portion P of the radius Rb having passed through the blade 363 is reflected on the layer 372, polarized S, passing through the blade 363, transmitted by the separation layer 373 and polarized by the blade 361.
  • the radius R2 thus reaches the polarization modulator 331 with a polarization P;
  • the polarized portion S of the radius Rb having passed through the blade 363 is transmitted by the layer 372, polarized P, while passing through the blade 362, reflected by the separation layer 374, and then polarized S through the blade 362 again.
  • the radius R4 thus, the polarization modulator 332 is reached with a polarization S.
  • the control module 31 commands the polarization module 331 to transform the polarization P of the radii R1 and R2 into an S polarization by applying a adequate polarization rotation.
  • the radii R1 and R2 reflected on the mirror 341 coming out of the window 351 and applied to the screen 4 therefore have a polarization S.
  • the control module 31 commands the polarization module 332 to maintain the polarization S of the R3 and R4 radii .
  • the rays R3 and R4 reflected on the mirror 342 coming out of the window 352 and applied to the screen 4 thus have a polarization S.
  • the beams F1 and F2 thus have the same polarization S arriving on the screen 4. This polarization S is visible through the shutter 602 of the glasses 6.
  • the control module 31 commands the polarization module 332 to transform the polarization S of the R3 and R4 radii into a polarization P by applying an appropriate polarization rotation.
  • the rays R3 and R4 reflected on the mirror 342 coming out of the window 352 and applied to the screen 4 therefore have a polarization P.
  • the control module 31 commands the polarization module 331 to maintain the polarization P of the radii R1 and R2 .
  • the rays R1 and R2 reflected on the mirror 341 coming out of the window 351 and applied to the screen 4 therefore have a polarization P.
  • the beams F1 and F2 thus have the same polarization P arriving on the screen 4. This polarization P is visible through the shutter 601 of the glasses 6.
  • the beams F1 and F2 are superimposed on the screen 4 after traveling the same distance.
  • the sharpness of the image formed on the screen 4 is optimal.
  • the optical system of the polarization module 32 does not require to apply a mechanical deformation on any mirror, the sharpness of the image is thus optimized for a reduced cost and complexity.
  • the brightness of the video sequence on the screen 4 is optimal, for a given light output of the projector 2.
  • the polarization module 32 does not require the use of a linear polarizer which does not induce no high light absorption.
  • the polarization separation layers 371 to 374 may be implemented in the form of dielectric coatings known as 'MacNeille'. These coatings may be formed of a stack of layers alternating a high refractive index and a reduced refractive index (for example the alternation of indices of 2, 1 and 1, 62, for transparent elements 381 to 384 having a refractive index of 1.815.
  • the polarization separation layers 371 to 374 may also be implemented in the form of gratings.
  • the half wave plates 361 to 364 are formed in a manner known per se in a material having adequate birefringence properties.
  • Polarization modulators 331 and 332 are typically formed of liquid crystal cells. Such liquid crystal cells are voltage controlled to selectively apply zero polarization rotation or 90 ° polarization rotation to the light rays passing therethrough.
  • the polarization module 32 advantageously comprises a transmissive heat shield 353 at its inlet.
  • This heat shield 353 makes it possible to limit the heating of the polarization module 32 because of the infrared radiation of the projector 2 placed nearby.
  • the invention has been described for an example in which the beams F1 and F2 have a linear polarization analyzed by the shutters of the glasses 6.
  • the invention can also be implemented by forming the beams F1 and F2 with circular polarizations. , placing a quarter-wave plate in front of the outlet 351 and a second quarter-wave plate in front of the outlet 352 (these blades being oriented at 45 ° to the polarization axis of the beams emerging from the polarization modulators) and providing the glasses 6 corresponding quarter wave blades.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif pour la polarisation d'une séquence vidéo à visionner en stéréoscopie, comprenant: - un séparateur de faisceaux destiné à séparer un faisceau incident en des premier et deuxième faisceaux présentant respectivement des première et deuxième polarisations perpendiculaires comportant quatre prismes (321, 322, 323, 324); - des première et deuxième cellules (331,332) à rotation de polarisation variable, traversées respectivement par les premier et deuxième faisceaux issus du séparateur de faisceaux; - un circuit de commande (31) définissant la rotation de polarisation desdites première et deuxième cellules de sorte que les premier et deuxième faisceaux ayant traversé respectivement les première et deuxième cellules présentent simultanément une même polarisation, et de sorte que cette même polarisation alterne entre deux états perpendiculaires; - des premier et deuxième miroirs (341,342) réfléchissant respectivement les premier et deuxième faisceaux issus du séparateur de faisceaux.

Description

DISPOSITIF POUR LA POLARISATION D'UNE SEQUENCE VIDEO A VISIONNER EN STEREOSCOPIE
L'invention concerne l'affichage de séquences vidéo stéréoscopiques, et en particulier l'affichage de séquences vidéo stéréoscopiques en multiplexage temporel visibles avec des lunettes passives.
L'affichage de séquences vidéo stéréoscopiques dans des cinémas utilise généralement la projection alternée de deux sous-séquences vidéo prises selon des angles de vue distincts. Les deux sous séquences vidéo sont donc multiplexées temporellement. Une première séquence vidéo est ainsi destinée à l'oeil gauche, une deuxième séquence vidéo étant destinée à l'oeil droit, créant ainsi une impression de relief. La fréquence d'échantillonnage imposée par le standard du cinéma pour une séquence vidéo étant supérieure à 48 Hz (pour que la cadence de défilement des images ne soit pas perceptible par l'oeil), la fréquence de projection sur un écran de cinéma est d'au moins 96 Hertz car chaque oeil ne doit voir que la séquence qui lui est destinée.
Selon un mode de fonctionnement connu, on utilise un projecteur vidéo à grande vitesse émettant les deux sous-séquences en alternance sans polarisation particulière. Selon le principe décrit dans le brevet US7857455, la lumière du projecteur est séparée en deux faisceaux présentant des polarisations orthogonales dans un séparateur de faisceau. Le séparateur de faisceau est transmissif pour la lumière selon une première polarisation, et réflectif pour la lumière selon une deuxième polarisation. On forme ainsi deux chemins lumineux. On dispose des modulateurs de polarisation sur les deux chemins lumineux. Le faisceau réfléchi par le séparateur est renvoyé sur un miroir et superposé sur un écran au faisceau ayant traversé le séparateur. L'écran est par exemple un écran métallisé configuré pour réfléchir les images projetées en conservant la polarisation de celles-ci.
Pour la première sous-séquence, les modulateurs de polarisation sont commandés de sorte que les faisceaux des deux chemins lumineux présentent une polarisation dite P sur l'écran. Pour la deuxième sous-séquence, les modulateurs de polarisation sont commandés de sorte que les faisceaux des deux chemins lumineux présentent une polarisation dite S sur l'écran. Les polarisations P et S sont perpendiculaires. Les modulateurs de polarisation sont ainsi synchronisés avec les sous-séquences émises par le projecteur. Ainsi, les deux sous-séquences sont affichées en alternance sur l'écran 4 avec des polarisations linéaires perpendiculaires.
L'utilisateur dispose pour sa part de lunettes stéréoscopiques polarisées dites passives. En pratique, un premier verre des lunettes dispose d'un filtre transmissif pour la polarisation S : le filtre bloque la première sous-séquence et est transmissif pour la deuxième sous-séquence. Le deuxième verre des lunettes dispose d'un filtre transmissif pour la polarisation P : le filtre est transmissif pour la première sous-séquence et transmissif pour la deuxième sous-séquence. Ainsi, chaque oeil visionne seulement la sous- séquence qui lui est destinée.
Ce type d'affichage présente l'avantage de faire appel à des lunettes particulièrement simples et peu sensibles aux dégradations dans le cadre d'une utilisation par le public.
Le dispositif décrit dans ce brevet permet d'obtenir une luminosité élevée pour une puissance donnée du projecteur. Cependant, l'image vue par l'utilisateur présente une netteté insuffisante et le dispositif de polarisation présente un coût relativement élevé ainsi qu'une mise au point complexe. En effet, pour compenser une inégalité de longueur entre les deux chemins optiques, ce brevet fait appel à une déformation du miroir réfléchissant pour améliorer la superposition des deux faisceaux sur l'écran.
L'invention vise à résoudre un ou plusieurs de ces inconvénients.
L'invention porte ainsi sur un dispositif pour la polarisation d'une séquence vidéo à visionner en stéréoscopie, comprenant :
-un séparateur de faisceaux destiné à recevoir un faisceau lumineux incident de façon à le séparer en des premier et deuxième faisceaux présentant respectivement des première et deuxième polarisations perpendiculaires, le séparateur de faisceau comportant quatre prismes comportant chacun des première et deuxième faces perpendiculaires, la première face de chaque prisme comportant une lame retardatrice de phase, la deuxième face de chaque prisme comportant une couche réfléchissant la lumière selon la première polarisation et transmettant la lumière selon la deuxième polarisation, les quatre prismes étant disposés de sorte que la première face de chaque prisme est accolée à la deuxième face d'un prisme adjacent ;
-des première et deuxième cellules à rotation de polarisation variable, traversées respectivement par les premier et deuxième faisceaux issus du séparateur de faisceaux;
-un circuit de commande définissant la rotation de polarisation desdites première et deuxième cellules de sorte que les premier et deuxième faisceaux ayant traversé respectivement les première et deuxième cellules présentent simultanément une même polarisation, et de sorte que cette même polarisation alterne entre deux états perpendiculaires ;
-des premier et deuxième miroirs réfléchissant respectivement les premier et deuxième faisceaux issus du séparateur de faisceaux.
Selon une variante, lesdits prismes comportent une section de triangle rectangle. Selon encore une variante, le séparateur de faisceaux et les miroirs sont configurés de sorte que le chemin lumineux desdits premier et deuxième faisceaux soit symétrique par rapport à un plan.
Selon une autre variante, les premier et deuxième miroirs réfléchissent les premiers et deuxième faisceaux selon la direction du faisceau incident.
Selon encore une autre variante, lesdits prismes comportent chacun une arête disposée dans un plan incluant l'axe optique du séparateur de faisceaux.
Selon une variante, lesdites lames retardatrices sont des lames demi- onde dont l'axe optique est incliné à 45° par rapport à la première polarisation.
Selon encore une variante, le circuit de commande commande l'alternance de polarisation à une fréquence supérieure à 50Hz, et de préférence inférieure à 250Hz.
Selon encore une autre variante, lesdites cellules à rotation de polarisation variable sont des cellules à cristaux liquides.
Selon une variante, lesdites cellules à rotation de polarisation variable sont interposées entre le séparateur de faisceaux et les miroirs.
L'invention porte également sur un système de projection d'une séquence vidéo à visionner en stéréoscopie, comprenant :
-un dispositif tel que décrit ci-dessus ;
-un dispositif de projection dont l'axe optique est confondu avec l'axe optique du séparateur de faisceaux ;
-un écran à conservation de polarisation intersectant les premier et deuxième faisceaux réfléchis par lesdits miroirs. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels :
-la figure 1 est une représentation schématique d'un système de visionnage en stéréoscopie selon un mode de réalisation de l'invention ;
-la figure 2 est une représentation schématique en coupe d'un dispositif de polarisation et de rayons lumineux le traversant ;
-la figure 3 est une représentation schématique en coupe de différents composants optiques du dispositif de polarisation ;
-la figure 4 est une représentation schématique des faisceaux lumineux et de leur polarisation pour une première sous séquence vidéo ;
-la figure 5 est une représentation schématique des faisceaux lumineux et de leurs polarisations pour une deuxième sous séquence vidéo.
La figure 1 est une représentation schématique d'un système d'affichage stéréoscopique 1 dans lequel l'invention est mise en œuvre. Le système d'affichage 1 comprend un projecteur à grande vitesse 2, apte à projeter des images à une fréquence supérieure à 50 Hertz (144 Hz généralement). Le projecteur 2 peut ainsi projeter une séquence stéréoscopique. Le projecteur 2 projette ainsi en multiplexage temporel deux sous-séquences vidéo de la séquence stéréoscopique. La lumière à la sortie du projecteur 2 ne présente pas de polarisation particulière, le projecteur 2 formant une source de lumière incohérente. Le flux lumineux peut traverser une lentille de collimation à l'intérieur du projecteur 2.
Un dispositif de polarisation stéréoscopique 3 est connecté au projecteur 2. Le projecteur 2 transmet un signal de synchronisation à un module de commande 31 du dispositif de polarisation. La séquence stéréoscopique projetée par le projecteur 2 traverse un module de polarisation 32, destiné à différencier les deux sous-séquences vidéo en générant des polarisations respectives perpendiculaires. La lumière issue du projecteur 2 traverse ainsi le module de polarisation 32. Le module de polarisation 32 forme deux faisceaux F1 et F2 présentant une même polarisation. La polarisation des faisceaux F1 et F2 changent alternativement entre deux états perpendiculaires appelés respectivement « p » et « s » par la suite. Les faisceaux F1 et F2 sont projetés en superposition sur un écran 4. L'écran 4 métallisé a la propriété de réfléchir le flux lumineux en conservant la même polarisation que le flux lumineux incident.
Un spectateur muni de lunettes stéréoscopiques 6 dites passives visionne la séquence vidéo en stéréoscopie. Les lunettes 6 comportent une monture 600 sur laquelle deux obturateurs passifs 601 et 602 sont montés. De façon connue en soi, l'obturateur 601 comporte un verre transparent surmonté d'un polariseur linéaire transmissif pour la polarisation « P », et l'obturateur 602 comporte un verre transparent surmonté d'un polariseur linéaire transmissif pour la polarisation « S ». Ainsi, chaque verre est transmissif pour la sous séquence vidéo qui lui est destinée, et chaque verre est obturant pour la sous séquence vidéo qui ne lui est pas destinée. La figure 2 est une représentation schématique en coupe du module de polarisation 32 et des faisceaux lumineux le traversant. Le module de polarisation 32 comprend un boîtier dans lequel différents composants optiques sont logés. Le module de polarisation 32 comprend un séparateur de faisceaux munis de prismes 321 à 324. L'axe optique du séparateur de faisceau est défini par la perpendiculaire aux faces d'entrée des prismes 323 et 324 et passant par une arête commune entre les prismes 321 à 324. L'axe optique du séparateur de faisceaux est confondu avec l'axe optique du projecteur 2. Le module de polarisation 32 comprend également des modulateurs de polarisation 331 et 332. Les modulateurs de polarisation 331 et 332 sont disposés horizontalement, symétriquement de part et d'autre du séparateur de faisceaux. La polarisation en sortie des modulateurs de polarisation 331 et 332 est commandée par l'intermédiaire du circuit de commande 31 . Le module de polarisation 32 comprend également des miroirs réfléchissants 341 et 342. Les miroirs réfléchissants 341 et 342 sont inclinés, et disposés symétriquement par rapport au séparateur de faisceaux. Le modulateur de polarisation 331 est disposé entre le prisme 321 et le miroir 341 . Le modulateur de polarisation 332 est disposé entre le prisme 322 et le miroir 342. Le module de polarisation 32 comprend en outre des fenêtres de sortie 351 et 352. Les fenêtres de sortie 351 et 352 sont disposées dans des plans verticaux et font face respectivement aux miroirs 341 et 342.
Le séparateur de faisceaux est configuré pour séparer la lumière incohérente provenant du projecteur 2 en deux faisceaux présentant respectivement une polarisation P et S.
Pour un premier rayon Ra arrivant à l'interface entre les prismes 321 et 323, la lumière se décompose en un rayon R1 traversant cette interface et un rayon R3 réfléchi par cette interface. À l'interface, la partie polarisée P du rayon Ra est transmise, tandis que la partie polarisée S du rayon est réfléchie.
Pour un second rayon Rb arrivant à l'interface entre les prismes 322 et 323, la lumière se décompose en un rayon R4 traversant cette interface et un rayon R2 réfléchi par cette interface. À l'interface, la partie polarisée P du rayon Rb est réfléchie, tandis que la partie polarisée S de ce rayon est transmise.
Le rayon réfléchi R2 et polarisé P est transmis par l'interface entre les prismes 321 et 323. Le rayon transmis R1 et polarisé P est réfléchi à l'interface entre les prismes 321 et 324. Les rayons R1 et R2 traversent le modulateur de polarisation 331 et atteignent le miroir 341 . Les rayons R1 et R2 sont réfléchis par le miroir 341 et traversent la fenêtre de sortie 351 . Un premier faisceau lumineux F1 est ainsi formé à la sortie de la fenêtre 351 .
Le rayon réfléchi R3 et polarisé S est transmis par l'interface entre les prismes 322 et 323. Le rayon transmis R4 et polarisé S est réfléchi à l'interface entre les prismes 322 et 324. Les rayons R3 et R4 traversent le modulateur de polarisation 332 et atteignent le miroir 342. Les rayons R3 et R4 sont réfléchis par le miroir 342 et traversent la fenêtre de sortie 352. Un deuxième faisceau lumineux F2 est ainsi formé à la sortie de la fenêtre 352.
Le séparateur de faisceaux génère deux faisceaux lumineux perpendiculaires au faisceau incident. Les miroirs 341 et 342 réfléchissent ces faisceaux de sorte que les faisceaux F1 et F2 projeté sur l'écran 4 sont parallèles au faisceau incident.
La figure 3 est une représentation en coupe schématique de la structure d'un exemple de séparateur de faisceaux pouvant être intégré dans le module de polarisation 32. Les prismes 321 à 324 comportent des éléments transparents respectifs 381 à 384. Les éléments transparents 381 à 384 présentent une section transversale en forme de triangle rectangle. Les éléments transparents 381 à 384 sont par exemple réalisés en verre ou en tout autre matériau transparent et optiquement neutre, par exemple un matériau synthétique. Les prismes 321 à 324 sont fixés ensemble, par exemple par l'intermédiaire d'une colle à adaptation d'indice.
Le prisme 321 comporte une couche de séparation de polarisation 371 sur une première face de l'élément transparent, et une lame de type demi-onde 361 sur une deuxième face. La couche de séparation de polarisation 371 est réfléchissante pour la polarisation P et transmissive pour la polarisation S. Une lame de type demi-onde induit de façon connue en soi un retard de phase de 180° sur la polarisation selon son axe lent. L'axe optique de la lame 361 (son axe rapide) est incliné à 45 ° par rapport à la direction de polarisation S.
Le prisme 322 comporte une couche de séparation de polarisation 372 sur une première face de l'élément transparent, et une lame de type demi-onde
362 sur une deuxième face. La couche de séparation de polarisation 372 est réfléchissante pour la polarisation P et transmissive pour la polarisation S. Une lame de type demi-onde induit de façon connue en soi un retard de phase de 180° sur la polarisation selon son axe lent. L'axe optique de la lame 362 est incliné à 45 ° par rapport à la direction de polarisation S.
Le prisme 323 comporte une couche de séparation de polarisation 373 sur une première face de l'élément transparent, et une lame de type demi-onde
363 sur une deuxième face. La couche de séparation de polarisation 373 est réfléchissante pour la polarisation P et transmissive pour la polarisation S. Une lame de type demi-onde induit de façon connue en soi un retard de phase de 180° sur la polarisation selon son axe lent. L'axe optique de la lame 363 est incliné à 45 ° par rapport à la direction de polarisation S.
Le prisme 324 comporte une couche de séparation de polarisation 374 sur une première face de l'élément transparent, et une lame de type demi-onde
364 sur une deuxième face. La couche de séparation de polarisation 374 est réfléchissante pour la polarisation P et transmissive pour la polarisation S. Une lame de type demi-onde induit de façon connue en soi un retard de phase de 180° sur la polarisation selon son axe lent. L'axe optique de la lame 364 est incliné à 45 ° par rapport à la direction de polarisation S.
Ainsi :
-la partie polarisée P du rayon Ra est réfléchie sur la couche 373, polarisée S en traversant la lame 363, transmise par la couche de séparation 372. Le rayon R3 atteint donc le modulateur de polarisation 332 avec une polarisation S ; -la partie polarisée S du rayon Ra est transmise par la couche 373, polarisée P en traversant la lame 361 , réfléchie par la couche de séparation 371 . Le rayon R1 atteint donc le modulateur de polarisation 331 avec une polarisation P ;
-la partie polarisée P du rayon Rb ayant traversé la lame 363 est réfléchie sur la couche 372, polarisée S en traversant la lame 363, transmise par la couche de séparation 373 et polarisée P par la lame 361 . Le rayon R2 atteint donc le modulateur de polarisation 331 avec une polarisation P ;
-la partie polarisée S du rayon Rb ayant traversé la lame 363 est transmise par la couche 372, polarisée P en traversant la lame 362, réfléchie par la couche de séparation 374, puis polarisée S en traversant à nouveau la lame 362. Le rayon R4 atteint donc le modulateur de polarisation 332 avec une polarisation S. Pour une sous séquence destinée à l'œil gauche, le module de commande 31 commande au module de polarisation 331 de transformer la polarisation P des rayons R1 et R2 en polarisation S en appliquant une rotation de polarisation adéquate. Les rayons R1 et R2 réfléchis sur le miroir 341 , sortant de la fenêtre 351 et appliqués sur l'écran 4 ont donc une polarisation S. Le module de commande 31 commande au module de polarisation 332 de maintenir la polarisation S des rayons R3 et R4. Les rayons R3 et R4 réfléchis sur le miroir 342, sortant de la fenêtre 352 et appliqués sur l'écran 4 ont donc une polarisation S. Les faisceaux F1 et F2 présentent ainsi une même polarisation S en arrivant sur l'écran 4. Cette polarisation S est visible à travers l'obturateur 602 des lunettes 6.
Pour une sous séquence destinée à l'œil droit, le module de commande 31 commande au module de polarisation 332 de transformer la polarisation S des rayons R3 et R4 en polarisation P en appliquant une rotation de polarisation adéquate. Les rayons R3 et R4 réfléchis sur le miroir 342, sortant de la fenêtre 352 et appliqués sur l'écran 4 ont donc une polarisation P. Le module de commande 31 commande au module de polarisation 331 de maintenir la polarisation P des rayons R1 et R2. Les rayons R1 et R2 réfléchis sur le miroir 341 , sortant de la fenêtre 351 et appliqués sur l'écran 4 ont donc une polarisation P. Les faisceaux F1 et F2 présentent ainsi une même polarisation P en arrivant sur l'écran 4. Cette polarisation P est visible à travers l'obturateur 601 des lunettes 6.
Du fait de la symétrie du système optique du module de polarisation 32, les faisceaux F1 et F2 se superposent sur l'écran 4 après avoir parcouru une même distance. Ainsi, la netteté de l'image formée sur l'écran 4 est optimale. En outre, le système optique du module de polarisation 32 ne nécessite pas d'appliquer une déformation mécanique sur un quelconque miroir, la netteté de l'image étant ainsi optimisée pour un coût et une complexité réduits. En outre, la luminosité de la séquence vidéo sur l'écran 4 est optimale, pour une puissance lumineuse donnée du projecteur 2. En effet, le module de polarisation 32 ne nécessite pas l'utilisation d'un polariseur linéaire ce qui n'induit pas d'absorption lumineuse élevée.
Les couches de séparation de polarisation 371 à 374 peuvent être mises en oeuvre sous la forme de revêtements diélectriques dits de 'MacNeille'. Ces revêtements peuvent être formés d'un empilement de couches alternant un indice de réfraction élevé et un indice de réfraction réduit (par exemple l'alternance d'indices de 2, 1 et 1 ,62, pour des éléments transparents 381 à 384 présentant un indice de réfraction de 1 .815.. Les couches de séparation de polarisation 371 à 374 peuvent également être mises en oeuvre sous la forme de réseaux de grilles.
Les lames demi-onde 361 à 364 sont formées de façon connue en soi dans un matériau présentant des propriétés de biréfringence adéquates.
Les modulateurs de polarisation 331 et 332 sont typiquement formés de cellules à cristaux liquides. De telles cellules à cristaux liquides sont commandées en tension pour appliquer sélectivement une rotation de polarisation nulle ou une rotation de polarisation de 90 ° sur les rayons lumineux les traversant.
Le module de polarisation 32 comprend avantageusement un écran thermique transmissif 353 à son entrée. Cet écran thermique 353 permet de limiter réchauffement du module de polarisation 32 du fait du rayonnement infrarouge du projecteur 2 disposé à proximité.
L'invention a été décrite pour un exemple dans lequel les faisceaux F1 et F2 présentent une polarisation linéaire analysée par les obturateurs des lunettes 6. Cependant, l'invention peut également être mise en oeuvre en formant les faisceaux F1 et F2 avec des polarisations circulaires, en plaçant une lame quart d'onde devant la sortie 351 et une seconde lame quart d'onde devant la sortie 352 (ces lames étant orienté à 45° de l'axe de polarisation des faisceaux sortant des modulateurs de polarisation) et en munissant les lunettes 6 des lames quart d'onde correspondantes.

Claims

REVENDICATIONS
Dispositif (3) pour la polarisation d'une séquence vidéo à visionner en stéréoscopie, caractérisé en ce qu'il comprend :
-un séparateur de faisceaux destiné à recevoir un faisceau lumineux incident de façon à le séparer en des premier et deuxième faisceaux présentant respectivement des première et deuxième polarisations perpendiculaires, le séparateur de faisceau comportant quatre prismes (321 , 322, 323, 324) comportant chacun des première et deuxième faces perpendiculaires, la première face de chaque prisme comportant une lame retardatrice de phase, la deuxième face de chaque prisme comportant une couche réfléchissant la lumière selon la première polarisation et transmettant la lumière selon la deuxième polarisation, les quatre prismes étant disposés de sorte que la première face de chaque prisme est accolée à la deuxième face d'un prisme adjacent ;
-des première et deuxième cellules (331 ,332) à rotation de polarisation variable, traversées respectivement par les premier et deuxième faisceaux issus du séparateur de faisceaux;
-un circuit de commande (31 ) définissant la rotation de polarisation desdites première et deuxième cellules de sorte que les premier et deuxième faisceaux ayant traversé respectivement les première et deuxième cellules présentent simultanément une même polarisation, et de sorte que cette même polarisation alterne entre deux états perpendiculaires ;
-des premier et deuxième miroirs (341 ,342) réfléchissant respectivement les premier et deuxième faisceaux issus du séparateur de faisceaux.
Dispositif (3) selon la revendication 1 , dans lequel lesdits prismes comportent une section de triangle rectangle.
Dispositif (3) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le séparateur de faisceaux et les miroirs sont configurés de sorte que le chemin lumineux desdits premier et deuxième faisceaux soit symétrique par rapport à un plan.
Dispositif (3) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les premier et deuxième miroirs (341 ,342) réfléchissent les premiers et deuxième faisceaux selon la direction du faisceau incident.
Dispositif (3) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel lesdits prismes comportent chacun une arête disposée dans un plan incluant l'axe optique du séparateur de faisceaux.
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel lesdites lames retardatrices sont des lames demi-onde dont l'axe optique est incliné à 45 ° par rapport à la première polarisation. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le circuit de commande (31 ) commande l'alternance de polarisation à une fréquence supérieure à 50Hz, et de préférence inférieure à 250Hz.
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel lesdites cellules (331 , 332) à rotation de polarisation variable sont des cellules à cristaux liquides.
9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel lesdites cellules à rotation de polarisation variable sont interposées entre le séparateur de faisceaux et les miroirs.
10. Système de projection d'une séquence vidéo à visionner en stéréoscopie, comprenant :
-un dispositif (3) selon l'une quelconque des revendications précédentes ; -un dispositif de projection (2) dont l'axe optique est confondu avec l'axe optique du séparateur de faisceaux ;
-un écran à conservation de polarisation (4) intersectant les premier et deuxième faisceaux réfléchis par lesdits miroirs.
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