FR2780519A1

FR2780519A1 - Collimator with enhanced transmission coefficient

Info

Publication number: FR2780519A1
Application number: FR9808157A
Authority: FR
Inventors: Michel Lacroix
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1998-06-26
Filing date: 1998-06-26
Publication date: 1999-12-31
Anticipated expiration: 2018-06-26
Also published as: FR2780519B1

Abstract

The collimator consists of a 45-degree plate (10) followed by a spherical semi-reflective mirror (12), and has an image source (13) such as a cathode ray tube or LCD screen. The plate (10) is covered with a layer of DBEF film and forms part of an optical apparatus (11, 12, 17) which ensures a different polarisation of the light rays arriving direct from the image source and those reflected by the spherical mirror. The collimator can also incorporate a circular or linear polariser before the convex face of the mirror.

Description

La présente invention se rapporte à un dispositif de collimation àThe present invention relates to a collimation device with

coefficient de transmission amélioré. improved transmission coefficient.

Les dispositifs tels que les visuels de casque comportent généralement un collimateur associé à une source d'images synthétiques (tube cathodique ou écran à cristaux liquides). On a représenté en figure 1 un tel collimateur 1. Ce collimateur 1 comporte essentiellement une lame semi-réfléchissante 2 disposée à 45 par rapport à l'axe de visée de l0 l'utilisateur. Un miroir sphérique semi-réfléchissant 4 est disposé au- delà de la lame 2, son axe optique étant confondu avec l'axe 3. Une source d'images est disposée latéralement, de telle sorte que son axe optique 6 soit perpendiculaire à l'axe 3 et intersecte ce dernier sur le plan de la lame 2, du côté du miroir 4. Un dispositif optique 7 est disposé sur l'axe 6, entre la Devices such as helmet visuals generally include a collimator associated with a source of synthetic images (cathode ray tube or liquid crystal screen). There is shown in Figure 1 such a collimator 1. This collimator 1 essentially comprises a semi-reflecting plate 2 disposed at 45 relative to the line of sight of l0 the user. A semi-reflecting spherical mirror 4 is disposed beyond the plate 2, its optical axis being coincident with the axis 3. A source of images is arranged laterally, so that its optical axis 6 is perpendicular to the axis 3 and intersects the latter on the plane of the blade 2, on the side of the mirror 4. An optical device 7 is arranged on the axis 6, between the

source 5 et la lame 2.source 5 and slide 2.

Avec le dispositif 1, l'observateur ne perçoit que 25 % de l'intensité lumineuse des scènes extérieures (50 % de pertes à la traversée du miroir 4 et 50 % à la traversée de la lame 2), et il ne perçoit que 12,5 % de l'intensité lumineuse des images de la source 5 (50 % de pertes à la réflexion sur la lame 2, puis 50 % de pertes à la réflexion sur le miroir 4 et With device 1, the observer perceives only 25% of the light intensity of the external scenes (50% of losses when passing through the mirror 4 and 50% when passing through the blade 2), and he perceives only 12 , 5% of the light intensity of the images of the source 5 (50% of losses on reflection on the plate 2, then 50% of losses on reflection on the mirror 4 and

% à la traversée de la lame 2).% when crossing the blade 2).

La présente invention a pour objet un dispositif de collimation du type précité qui présente une plus faible atténuation de la lumière de la source d'images que le dispositif connu précité, tout en ayant un bon contraste, et qui ne soit pas plus complexe et plus onéreux que le dispositif connu. Le dispositif de collimation conforme à l'invention, du type à lame à 45 suivie d'un miroir sphérique semi-réfléchissant, et comportant une source d'images, est caractérisé en ce que la lame à 45 comporte un film DBEF et qu'elle est associée à un dispositif optique polarisant de façons différentes les rayons lumineux arrivant sur elle en provenance directe de la source d'images et ceux réfléchis par le miroir sphérique après réflexion sur The present invention relates to a collimation device of the aforementioned type which has a lower attenuation of the light from the image source than the aforementioned known device, while having good contrast, and which is not more complex and more more expensive than the known device. The collimation device according to the invention, of the 45-blade type followed by a spherical semi-reflecting mirror, and comprising an image source, is characterized in that the 45-blade comprises a DBEF film and that it is associated with an optical device polarizing in different ways the light rays arriving on it coming directly from the image source and those reflected by the spherical mirror after reflection on

la lame à 45 .the blade at 45.

Selon un premier mode de réalisation de l'invention, le dispositif à deux polarisations différentes comporte une lame quart d'onde accolée au According to a first embodiment of the invention, the device with two different polarizations comprises a quarter-wave plate attached to the

film DBEF, du côté du miroir sphérique. DBEF film, on the side of the spherical mirror.

Selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, le dispositif à deux polarisations différentes comporte une lame quart d'onde disposée According to a second embodiment of the invention, the device with two different polarizations comprises a quarter-wave plate arranged

devant la face concave du miroir sphérique. in front of the concave face of the spherical mirror.

La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la The present invention will be better understood on reading the

description détaillée de deux modes de réalisation, pris à titre d'exemples detailed description of two embodiments, taken as examples

non limitatifs et illustrés par le dessin annexé, sur lequel: - la figure 1, déjà mentionnée ci-dessus est une vue schématique d'un collimateur de l'art antérieur, et - les figures 2 et 3 sont des vues schématiques de deux modes de nonlimiting and illustrated by the appended drawing, in which: - Figure 1, already mentioned above is a schematic view of a collimator of the prior art, and - Figures 2 and 3 are schematic views of two modes of

réalisation d'un collimateur conforme à l'invention. production of a collimator in accordance with the invention.

Le collimateur optique 8 représenté en figure 2 comporte, sur l'axe de visée 8A de l'observateur 9, une lame semi-réfléchissante 10 à sélection de polarisation en film DBEF, inclinée à 45 par rapport à cet axe, à laquelle est accolée une lame quart d'onde 11. Le film DBEF, fabriqué par la Société " 3M " a la propriété de réfléchir des ondes lumineuses polarisées linéairement d'une sorte (de polarisation " S " dans le présent exemple) et de laisser passer celles ayant l'autre polarisation linéaire (polarisation " P " dans le présent exemple). La lame quart d'onde 11 est disposée du côté de la lame 10 opposé à l'observateur 9. L'ensemble des lames 10 et 11 a la propriété de réfléchir des ondes lumineuses à polarisation circulaire d'une sorte (polarisation circulaire droite dans le présent exemple) et de laisser passer celles ayant l'autre sorte de polarisation circulaire (gauche, dans le The optical collimator 8 represented in FIG. 2 comprises, on the line of sight 8A of the observer 9, a semi-reflecting plate 10 with polarization selection in DBEF film, inclined at 45 relative to this axis, to which is attached a quarter-wave plate 11. The DBEF film, manufactured by the company "3M" has the property of reflecting light waves linearly polarized of a kind (polarization "S" in the present example) and letting those having the other linear polarization (polarization "P" in the present example). The quarter-wave plate 11 is arranged on the side of the plate 10 opposite to the observer 9. All of the plates 10 and 11 have the property of reflecting light waves of circular polarization of a kind (right circular polarization in this example) and let the ones with the other kind of circular polarization pass (left, in the

présent exemple). Devant la lame 11, on dispose un miroir sphérique semi- this example). In front of the blade 11, there is a semi-spherical mirror

réfléchissant 12, dont l'axe optique se confond avec l'axe 8. reflective 12, the optical axis of which merges with axis 8.

La source d'images 13 est disposée de façon que son axe optique 14 soit perpendiculaire à l'axe 8 et coupe ce dernier sur la face libre de la lame 11, en un point 15. Cette source d'images est, dans le présent exemple, un tube cathodique, relié à un générateur d'images réelles et/ou synthétiques (non représenté). Devant la source 13, on dispose une optique The image source 13 is arranged so that its optical axis 14 is perpendicular to the axis 8 and cuts the latter on the free face of the blade 11, at a point 15. This image source is, in the present example, a cathode ray tube, connected to a generator of real and / or synthetic images (not shown). In front of the source 13, there is an optical

18, de façon que l'axe optique du dispositif 18 soit confondu avec l'axe 14. 18, so that the optical axis of the device 18 coincides with the axis 14.

Le fonctionnement du collimateur décrit ci-dessus est le suivant. The operation of the collimator described above is as follows.

Les rayons lumineux issus de la source 13 sont polarisés circulairement à droite en étant réfléchis par l'ensemble des lames 10 + 11 vers le miroir sphérique 12. Ce miroir les réfléchit en modifiant leur polarisation: ils deviennent polarisés circulairement à gauche, et peuvent donc traverser l'ensemble des lames 10 + 11 en direction de l'observateur 9. Après avoir traversé la lame 10, les rayons lumineux sont polarisés linéairement " P ". Les rayons lumineux provenant de l'environnement extérieur traversent le miroir semi-réfléchissant 12, puis traversent l'ensemble des lames 10 + 11 et parviennent à l'observateur 9 avec une polarisation linéaire The light rays coming from the source 13 are circularly polarized to the right by being reflected by all of the plates 10 + 11 towards the spherical mirror 12. This mirror reflects them by modifying their polarization: they become circularly polarized to the left, and can therefore pass through all of the blades 10 + 11 in the direction of the observer 9. After passing through the blade 10, the light rays are linearly polarized "P". The light rays coming from the external environment pass through the semi-reflecting mirror 12, then pass through all of the plates 10 + 11 and reach the observer 9 with a linear polarization

" P "."P".

On notera que l'image virtuelle de la source 13 est formée sur la sphère focale 19 du miroir 12, entre la lame 10 et l'observateur 9, et qu'une image virtuelle intermédiaire 20 est formée sur l'axe 14, entre l'optique 18 et It will be noted that the virtual image of the source 13 is formed on the focal sphere 19 of the mirror 12, between the plate 10 and the observer 9, and that an intermediate virtual image 20 is formed on the axis 14, between l optics 18 and

la lame 11.blade 11.

La luminosité des rayons lumineux est atténuée de moitié à la traversée du miroir 12 ou à la réflexion sur le miroir 12. D'autre part, la luminosité des rayons provenant de l'extérieur ou de la source 13, en lumière naturelle non polarisée, est atténuée de moitié à la traversée des lames 10-11. Par conséquent, aussi bien les rayons provenant de la source 13 que ceux provenant de l'extérieur arrivent à l'observateur avec une The brightness of the light rays is attenuated by half when passing through the mirror 12 or when reflected on the mirror 12. On the other hand, the brightness of the rays coming from the outside or from the source 13, in non-polarized natural light, is attenuated by half when crossing blades 10-11. Consequently, both the rays coming from the source 13 and those coming from the outside arrive at the observer with a

luminosité égale à pratiquement 25 % de leur luminosité initiale. brightness equal to almost 25% of their initial brightness.

Si la source 13 est constituée par un écran à cristaux liquides, celui- ci étant généralement muni d'un polariseur linéaire, il suffit alors d'adjoindre à la source 13 une lame quart d'onde (17) pour obtenir des rayons polarisés circulairement à droite qui sont réfléchis pratiquement sans atténuation par l'ensemble des lames 10 + 11. Ceci augmente le rendement lumineux du collimateur vis-à-vis des images de la source 13 (en considérant la luminosité des rayons sortant de l'écran), ce rendement étant alors de %. On notera également que le contraste du dispositif de l'invention est amélioré par rapport à celui de l'art antérieur parce qu'il n'y a pas de rétro-réflexion des rayons lumineux de la source 13 par la lame à 45 . Le contraste peut encore être amélioré en évitant la réflexion par les lames 10 + 11 vers la source 13, des rayons lumineux provenant de l'extérieur, ceci en ajoutant devant la face convexe du miroir sphérique semi-réfléchissant 12, un polariseur circulaire 16 qui ne laisse passer que les rayons polarisés If the source 13 is constituted by a liquid crystal screen, the latter being generally provided with a linear polarizer, it then suffices to add to the source 13 a quarter wave plate (17) to obtain circularly polarized rays on the right which are reflected practically without attenuation by all of the plates 10 + 11. This increases the light output of the collimator vis-à-vis the images of the source 13 (considering the brightness of the rays exiting the screen), this yield then being%. It will also be noted that the contrast of the device of the invention is improved compared to that of the prior art because there is no retro-reflection of the light rays from the source 13 by the blade at 45. The contrast can be further improved by avoiding the reflection by the blades 10 + 11 towards the source 13, of light rays coming from the outside, this by adding in front of the convex face of the spherical semi-reflecting mirror 12, a circular polarizer 16 which only lets through polarized rays

circulairement à gauche qui sont transmis par les lames 10 + 11. circularly to the left which are transmitted by the blades 10 + 11.

Dans le cas o l'on n'a pas besoin de voir des scènes extérieures, mais uniquement des images provenant de la source 13, on remplace le miroir sphérique semi-réfléchissant par un miroir sphérique, dont le coefficient de réflexion est pratiquement de 100 %, et le rendement lumineux passe à pratiquement 50 % si la source est un tube cathodique, et à pratiquement 100 % si elle est un écran à cristaux liquides (muni d'un In the case where one does not need to see external scenes, but only images coming from the source 13, one replaces the semi-reflecting spherical mirror by a spherical mirror, whose coefficient of reflection is practically 100 %, and the light output goes to practically 50% if the source is a cathode ray tube, and to practically 100% if it is a liquid crystal screen (fitted with a

polariseur interne).internal polarizer).

O10 On a représenté en figure 3 un autre mode de réalisation du dispositif de l'invention, qui reprend une partie des éléments du dispositif 8 de la figure 2, les éléments similaires à ceux de la figure 2 étant affectés des mêmes références numériques. Dans ce dispositif 21 de la figure 3, on dispose une lame quart d'onde 23 devant la face concave du miroir 12, O10 There is shown in Figure 3 another embodiment of the device of the invention, which incorporates part of the elements of the device 8 of Figure 2, the elements similar to those of Figure 2 being assigned the same reference numerals. In this device 21 of FIG. 3, there is a quarter-wave plate 23 in front of the concave face of the mirror 12,

perpendiculairement à l'axe 8. La lame 10 n'est accolée à aucune lame. perpendicular to the axis 8. The blade 10 is not attached to any blade.

Le fonctionnement du dispositif 21 est similaire à celui du dispositif 8 de la figure 2. Les rayons lumineux 24 de la scène extérieure traversent le miroir 12, la lame 23 et la lame 10, pour arriver avec une polarisation linéaire " P " à l'observateur 9. Les rayons lumineux issus de la source 13 sont polarisés linéairement " S " en se réfléchissant sur la lame vers le miroir 12. Après réflexion sur le miroir 12 et traversée de la lame 23, ces rayons sont polarisés linéairement " P " et peuvent donc traverser la The operation of the device 21 is similar to that of the device 8 of FIG. 2. The light rays 24 of the outdoor scene pass through the mirror 12, the blade 23 and the blade 10, to arrive with a linear polarization "P" at the observer 9. The light rays coming from the source 13 are linearly polarized "S" while being reflected on the plate towards the mirror 12. After reflection on the mirror 12 and crossing of the plate 23, these rays are linearly polarized "P" and can therefore cross the

lame 10 pour arriver à l'observateur 9. blade 10 to reach the observer 9.

Comme dans le cas du dispositif 8 de la figure 2, on peut remplacer le tube cathodique 13 par un écran à cristaux liquides, ce qui augmente le rendement lumineux vis-à-vis des images de la source 13, ce As in the case of the device 8 in FIG. 2, the cathode ray tube 13 can be replaced by a liquid crystal screen, which increases the light output vis-à-vis the images of the source 13, this

rendement étant alors de 50 %.yield then being 50%.

Bien entendu, il est possible d'utiliser un film DBEF réfléchissant non pas les rayons polarisés " S ", mais ceux polarisés " P ", et on change en conséquence les polariseurs 16 (qui devient un polariseur circulaire à Of course, it is possible to use a DBEF film reflecting not the polarized rays "S", but those polarized "P", and the polarizers 16 are changed accordingly (which becomes a circular polarizer with

droite) et 22 (qui devient un polariseur " S "). right) and 22 (which becomes a polarizer "S").

On notera également que comme pour le dispositif 8, le contraste du dispositif de l'invention est amélioré par rapport à celui de l'art antérieur parce qu'il n'y a pas de rétro-réflexion des rayons lumineux de la source 13 par la lame à 45 . Ce contraste peut encore être amélioré en évitant la réflexion par la lame 10 à 45 vers la source 13, des rayons lumineux It will also be noted that, as for the device 8, the contrast of the device of the invention is improved compared to that of the prior art because there is no retro-reflection of the light rays from the source 13 by the blade at 45. This contrast can be further improved by avoiding reflection by the blade 10 to 45 towards the source 13, of light rays

provenant de l'extérieur ceci en ajoutant devant le miroir sphérique semi- from outside this by adding in front of the semi-spherical mirror

réfléchissant 12 un polariseur linéaire " P " 22 qui ne laisse passer que les reflecting 12 a linear polarizer "P" 22 which allows only the

rayons polarisés " P " qui sont transmis par la lame 10. polarized rays "P" which are transmitted by the blade 10.

Claims

1. Collimation device, of the 45 blade type (10) followed by a semi-reflecting spherical mirror (12), and comprising an image source (13), characterized in that the 45 blade comprises a film DBEF and that it is associated with an optical device (11-12-17 or 12,23) polarizing in different ways the light rays arriving on it coming directly from the image source (13) and those reflected by the mirror spherical (12) after

reflection on the blade at 45.

2. Device according to claim 1, with an image source constituted by a cathode ray tube, characterized in that the device with two different polarizations comprises a quarter wave plate (11) attached to the

DBEF film, on the side of the spherical mirror.

3. Device according to claim 1, with an image source constituted by a liquid crystal screen having its own linear polarizer, characterized in that the device with two different polarizations comprises a quarter wave plate (17) disposed in front of the image source, and another quarter-wave plate (11) attached to the DBEF film, on the side of the spherical mirror.

4. Device according to claim 1, with an image source constituted by a cathode ray tube, characterized in that the device with two different polarizations comprises a quarter wave plate (23) arranged

in front of the concave face of the spherical mirror.

5. Device according to claim 1, with an image source constituted by a liquid crystal screen comprising its own linear polarizer, characterized in that the device with two different polarizations comprises a quarter wave plate (23) arranged in front of the concave side of

spherical mirror (12).

6. Device according to claim 2 or 3, characterized in that it further comprises, in front of the convex face of the spherical mirror a polarizer

circular (16).

7. Device according to claim 4 or 5, characterized in that it further comprises in front of the convex face of the spherical mirror a polarizer

linear (22).

8. Collimation device according to one of claims

above, characterized in that the semi-reflecting spherical mirror is

replaced by a spherical reflecting mirror.