FR2793566A1 - Separateur de polarisations - Google Patents
Separateur de polarisations Download PDFInfo
- Publication number
- FR2793566A1 FR2793566A1 FR9906003A FR9906003A FR2793566A1 FR 2793566 A1 FR2793566 A1 FR 2793566A1 FR 9906003 A FR9906003 A FR 9906003A FR 9906003 A FR9906003 A FR 9906003A FR 2793566 A1 FR2793566 A1 FR 2793566A1
- Authority
- FR
- France
- Prior art keywords
- index
- periodic structure
- layers
- polarization
- polarization separator
- Prior art date
- Legal status (The legal status 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 status listed.)
- Granted
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- 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
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Polarising Elements (AREA)
Abstract
Ce séparateur de polarisations comprend un milieu séparateur compris entre deux éléments transparents d'indices déterminés. Le milieu séparateur comprend une structure périodique de couches de matériaux d'indices différents de pas faible devant la longueur d'onde d'un faisceau incident, de façon à former un milieu biréfringent uniaxe d'axe optique perpendiculaire au plan de la structure périodique. Les deux éléments transparents sont en matériau d'indice sensiblement égal à l'indice ordinaire (no ) de la structure périodique.
Description
SEPARATEUR DE POLARISATIONS
L'invention concerne un séparateur de polarisations optiques réalisant la séparation spatiale de deux composantes de polarisation orthogonales avec une large acceptance angulaire et spectrale. Ce séparateur est applicable particulièrement dans la visualisation à cristal liquide. En effet, I'utilisation de séparateurs de polarisations ou PBS (Polarization Beam Splitter) permet d'améliorer le rendement lumineux dans des architectures de projecteurs à cristaux liquides transmissifs ou de séparer le faisceau issu de l'éclairage de celui, modulé, devant être projeté,
dans des architectures de projecteurs cristaux liquides réflexifs.
Il existe deux grandes familles de séparateurs de polarisation Une première famille utilise conjointement un filtre interférentiel composé de couches diélectriques et l'effet Brewster. Il s'agit du polariseur de type Neille décrit par exemple dans le document " High Performance Thin
Film Polarizer for the UV and visible spectral regions " de J.A.
DOBROWOLSKI and A. WALDORF, Applied Optics, Vol. 20, p. 111, 1981.
Cette technique est très utilisée dans les séparateurs de polarisations actuellement disponibles sur le marché. Un tel séparateur se présente généralement sous forme d'un cube, les couches diélectriques faisant un angle de 45 avec la normale. Leur principal défaut est la faible acceptance angulaire, de l'ordre de + 7 , souvent insuffisante pour les applications en visualisation. La bande spectrale accessible dépend de la
combinaison des couches et peut atteindre l'ensemble du spectre visible.
Une deuxième famille de séparateurs utilise la réflexion totale de la lumière lorsque celle-ci franchit un dioptre, passant d'un milieu d'indice nl à un milieu d'indice n2 avec nl > n2. L'angle OR à partir duquel il y a réflexion totale se déduit des lois de Fresnel: OR =arcsin n2 n.
Pour tout angle 0 > OR, il y aura réflexion totale.
Le principe d'un tel séparateur est représenté par la figure 1 ainsi que par exemple dans la demande de brevet français n 2 685 500. Deux prismes 1 et 2 d'indice élevé sont séparés par une couche biréfringente 3 composée d'un cristal liquide polymérisé. L'axe optique de la couche est confondu avec le directeur de la molécule de cristal liquide de forme allongée. Les molécules sont alignées selon le plan de la couche de cristal
liquide. Soit ne l'indice extraordinaire du cristal liquide, no l'indice ordinaire.
Pour les cristaux liquides nématiques, on a ne > no. Supposons les indices des deux primes égaux à ne. L'une des polarisations incidentes sur l'interface prisme/couche de cristal liquide avec un angle n0
0 = oR =arcsin -
ne verra l'indice ne et sera intégralement transmise, tandis que la polarisation orthogonale verra no se retrouvant ainsi dans des conditions de
réflexion totale: elle est alors intégralement réfléchie.
Soit P la polarisation dans le plan d'incidence (plan du dessin de
la figure 1).
Soit S la polarisation perpendiculaire au plan d'incidence (et perpendiculaire au plan du dessin). On voit que: - P voit l'indice no et est totalement réfléchie pour 0 > OR
- S voit l'indice ne et est totalement transmise.
L'exemple numérique donné dans la demande de brevet français n 2 685 500 correspond au cas du cristal liquide nématique: no = 1.5 ne = 1.65 indice des 2 prismes OR = 65 (dans le prisme)
pour stabiliser la structure, le cristal liquide est polymérisé.
Les angles pour lesquels la séparation de polarisation s'opère sont compris entre 62 et 85 (on ne compte pas les angles de 85 à 90 difficiles à utiliser) soit 12 dans un milieu d'indice 1.7 ce qui correspond à + 20 dans l'air. On voit que l'acceptance angulaire de ce composant est meilleure que celle d'un séparateur interférentielBrewster. La réflexion totale est de plus indépendante de la longueur d'onde 2B, dans la mesure o les indices ne et no de la couche varient peu avec X. L'invention concerne un dispositif dans lequel la couche
biréfringente est de nature différente.
L'invention concerne donc un séparateur de polarisations comprenant un milieu séparateur compris entre deux éléments transparents d'indices déterminés, caractérisé en ce que le milieu séparateur comprend une structure périodique de couches de matériaux d'indices différents de pas faible devant la longueur d'onde d'un faisceau incident. Cet empilement forme par " form birefringence " un milieu biréfringent uniaxe d'axe optique
perpendiculaire au plan de la structure périodique.
Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront
plus clairement dans la description qui va suivre et dans les figures annexées
qui représentent: - la figure 1, un exemple de séparateur connu dans la technique; - la figure 2, un exemple de réalisation d'un séparateur selon l'invention; - la figure 3, un schéma explicatif de la structure de la figure 2; - les figures 4 et 5, des courbes d'indices ordinaire et extraordinaire. On va maintenant décrire un exemple de réalisation d'un
séparateur de polarisations selon l'invention.
Ce séparateur tel que celui représenté en figure 2 comporte une structure périodique d'indice 13 comprise entre deux milieux 1 1 et 12
transparents aux longueurs d'ondes du faisceau lumineux incident à traiter.
La structure périodique est de préférence une alternance de couches minces de deux matériaux d'indices différents nl et n2. Elle peut être également un réseau en volume enregistré dans un matériau holographique. Le pas de la structure périodique est faible devant les
longueurs d"ondes du faisceau incident.
Lorsque le pas de la structure périodique d'indice, est
suffisamment faible devant la longueur d'onde de la lumière incidente, celle-
ci ne résout pas la modulation d'indice de la structure et voit un milieu biréfringent uniaxe " artificiel " dont l'axe optique est normal au plan des
couches d'indice égal.
Pour un empilement de couches minces d'indices nl, n2 et d'épaisseur d1, d2, on démontre que les indices vus par une lumière de longueur d'onde X telle que X >> dl, d2 (typiquement dl, d2 < /5, voire dl, d2 < 210) sont: 1 d1 1 d2 1 n2 dl +d2 n2 dl +d2 n2 i 2 d
2 = 1 2 2
dl +d2 1 d1 +d2 2 i l2 + -'2
2 2
La différence n e - n o est toujours négative donc ne < no. La multicouche diélectrique est équivalente à un cristal uniaxe négatif dont l'axe optique est perpendiculaire aux couches (cf. figure 2). L'invention consiste donc à réaliser un séparateur de polarisations selon le principe de réflexion totale sur une couche biréfringente réalisée avec un empilement de couches diélectriques fonctionnant en " form biréfringence ". Le séparateur selon lI'invention est décrit sur la figure 3. L'indice des prismes doit être égal à l'indice fort du milieu biréfringent soit no. La polarisation P incidente voit, compte tenu de la configuration de l'ellipsoïde des indices, un indice ne inférieur à l'indice no égal à celui du prisme, et est donc réfléchie pour O > OR. La polarisation S incidente voit un
indice no, égal à celui du prisme, et est donc intégralement transmise.
On va maintenant décrire deux exemples pratiques de réalisation
selon l'invention.
Selon un premier exemple, le milieu biréfringent est réalisé par un empilement de couches de MgF2 et de TiO2 avec: indice du MgF2: 1.38 = nl, épaisseur d1 indice du TiO2: 2.4 = n2, épaisseur d2 La courbe de la figure 4 donne les évolutions de ne et no en fonction de la proportion k de MgF2 en épaisseur dans l'empilement: k= dl d1 +d2 On voit que pour k = 0.75 on a no = 1.7 et ne = 1.5. Il est possible d'utiliser des prismes d'indice 1.7. L'angle OR pour le saut d'indice 1. 7-1.5 est
égal à 62 .
L'épaisseur des couches diélectriques dl et d2 pour être dans les conditions de " form biréfringence " pour l'ensemble du spectre visible est
environ telle que dl + d2 < 100 nm par exemple dl = 75 nm et d2 = 25 nm.
On démontre que pour le cas considéré, l'épaisseur totale du multicouche doit être au moins égale à X pour avoir une réflexion totale non frustrée. L'épaisseur de 7 paires de couches MgF2 / TiO2 telles que dl + d2
= 100 nm vérifie cette condition pour tout le spectre visible (Xe [0.4 pm -
0.65 pm]).
Selon un deuxième exemple de réalisation, le milieu biréfringent est constitué d'un empilement de couches de silicium et de couches de MgF2. La bande passante angulaire du composant est proportionnelle à l'écart entre indice ordinaire et indice extraordinaire, lui-même fortement corrélé à l'écart entre les indices des deux matériaux constituant l'empilement diélectrique. On peut utiliser des matériaux à très fort indice tel le silicium (n = 3.8), malgré le fait qu'ils ne sont pas transparents dans le visible (partie imaginaire de l'indice de 0.1 dans le bleu et de 0.01 dans le rouge). En effet, son fort indice permet de réaliser des empilements dans lesquels il n'intervient que pour une part très faible, environ 10 % (cf. figure ), son absorption est alors négligeable. On voit sur la figure 5 que l'écart entre les indices ordinaire et extraordinaire obtenus avec 10 % de silicium est
de 0.35.
On pourrait utiliser d'autres semiconducteurs tels que AsGa et C (diamant).
Claims (4)
1. Séparateur de polarisations comprenant un milieu séparateur compris entre deux éléments transparents d'indices déterminés, caractérisé en ce que le milieu séparateur comprend une structure périodique de couches de matériaux d'indices différents de pas faible devant la longueur d'onde d'un faisceau incident, formant un milieu biréfringent uniaxe d'axe optique perpendiculaire au plan de la structure périodique, les deux éléments transparents étant en matériau d'indice sensiblement égal à l'indice ordinaire
(no) de la structure périodique.
2. Séparateur de polarisations selon la revendication 1, O10 caractérisé en ce que la structure périodique comprend une alternance de couches.
3. Séparateur de polarisations selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure périodique est un réseau holographique en volume.
4. Séparateur selon l'une des revendications selon l'une des
revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que l'épaisseur de la structure
périodique est au moins égale à la longueur d'onde du faisceau incident.
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR9906003A FR2793566B1 (fr) | 1999-05-11 | 1999-05-11 | Separateur de polarisations |
| EP00925417A EP1095297A1 (fr) | 1999-05-11 | 2000-05-09 | Separateur de polarisations |
| US09/720,271 US6384974B1 (en) | 1999-05-11 | 2000-05-09 | Polarization beam splitter |
| PCT/FR2000/001242 WO2000068716A1 (fr) | 1999-05-11 | 2000-05-09 | Separateur de polarisations |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR9906003A FR2793566B1 (fr) | 1999-05-11 | 1999-05-11 | Separateur de polarisations |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR2793566A1 true FR2793566A1 (fr) | 2000-11-17 |
| FR2793566B1 FR2793566B1 (fr) | 2002-07-12 |
Family
ID=9545469
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR9906003A Expired - Fee Related FR2793566B1 (fr) | 1999-05-11 | 1999-05-11 | Separateur de polarisations |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6384974B1 (fr) |
| EP (1) | EP1095297A1 (fr) |
| FR (1) | FR2793566B1 (fr) |
| WO (1) | WO2000068716A1 (fr) |
Families Citing this family (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2813128B1 (fr) | 2000-08-18 | 2003-01-17 | Thomson Csf | Dispositif de visualisation a cristal liquide a compensateur de birefringence |
| AU2001295460A1 (en) * | 2000-08-18 | 2002-03-04 | Linde Aktiengesellschaft | Method for producing an air separation installation |
| US6704469B1 (en) * | 2000-09-12 | 2004-03-09 | Finisar Corporation | Polarization beam combiner/splitter |
| US7149173B2 (en) * | 2000-10-17 | 2006-12-12 | Thales | Medium for recording optically readable data, method for making same and optical system reproducing said data |
| FR2824905B1 (fr) * | 2001-05-15 | 2003-08-29 | Thomson Csf | Gyrometre a fibre optique |
| US20040218271A1 (en) * | 2001-07-18 | 2004-11-04 | Carl Zeiss Smt Ag | Retardation element made from cubic crystal and an optical system therewith |
| FR2847988B1 (fr) * | 2002-12-03 | 2005-02-25 | Essilor Int | Separateur de polarisation, procede pour sa fabrication et lentille ophtalmique presentant des inserts de projection le contenant |
| FR2849245B1 (fr) * | 2002-12-20 | 2006-02-24 | Thales Sa | Procede d'authentification et d'identification optique d'objets et dispositif de mise en oeuvre |
| AU2003212243A1 (en) * | 2003-01-16 | 2004-08-10 | Carl Zeiss Smt Ag | Retardation plate |
| DE10338983A1 (de) * | 2003-08-20 | 2005-03-17 | Carl Zeiss Smt Ag | Projektionsobjektiv für die Mikrolithografie |
| US7155073B2 (en) * | 2004-05-07 | 2006-12-26 | Canon Kabushiki Kaisha | Polarization element and optical device using polarization element |
| DE102005030543A1 (de) * | 2004-07-08 | 2006-02-02 | Carl Zeiss Smt Ag | Polarisatoreinrichtung zur Erzeugung einer definierten Ortsverteilung von Polarisationszuständen |
| TWI253525B (en) * | 2004-10-07 | 2006-04-21 | Au Optronics Corp | Polarization optical device and liquid crystal display module utilizing the same |
| US8748805B2 (en) | 2011-11-07 | 2014-06-10 | Gooch And Housego Plc | Polarization diversity detector with birefringent diversity element |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3998524A (en) * | 1975-08-20 | 1976-12-21 | Hewlett-Packard Company | Birefringent polarization prism with a large angular aperture |
| US4725113A (en) * | 1985-08-22 | 1988-02-16 | Litton Systems, Inc. | Form birefringent cutoff polarizer and method |
| EP0428213A1 (fr) * | 1989-11-14 | 1991-05-22 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Diviseur de faisceau sensible à polarisation |
| US5347380A (en) * | 1991-12-20 | 1994-09-13 | Thomson-Csf | Liquid crystal optical polarization separator with parrallel alignment on one substrate, perpendicular on other |
| EP0710856A2 (fr) * | 1994-09-09 | 1996-05-08 | Sharp Kabushiki Kaisha | Dispositifs sensibles à la polarisation et leurs méthodes de production |
| US5625491A (en) * | 1995-03-15 | 1997-04-29 | Spectra-Physics Lasers, Inc. | Broad band polarizing beam splitter |
Family Cites Families (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5486949A (en) * | 1989-06-20 | 1996-01-23 | The Dow Chemical Company | Birefringent interference polarizer |
| FR2685100A1 (fr) | 1991-12-17 | 1993-06-18 | Thomson Csf | Separateur de polarisations optique et application a un systeme de visualisation. |
| FR2691549A1 (fr) | 1992-05-22 | 1993-11-26 | Thomson Csf | Séparateur chromatique de lumière et projecteur d'image utilisant un tel séparateur. |
| FR2694103B1 (fr) | 1992-07-24 | 1994-08-26 | Thomson Csf | Projecteur d'images en couleurs. |
| FR2711878B1 (fr) | 1993-10-29 | 1995-12-15 | Thomson Csf | Dispositif de visualisation couleurs et procédé de réalisation. |
| KR100330109B1 (ko) | 1994-06-17 | 2002-11-22 | 똥송 쎄에스에프 | 광학필터링장치및액정프로젝터 |
| FR2722319B1 (fr) | 1994-07-08 | 1996-08-14 | Thomson Csf | Dispositif de visualisation couleurs |
| CN1119802C (zh) * | 1995-11-22 | 2003-08-27 | 松下电器产业株式会社 | 光度头 |
| FR2751398B1 (fr) | 1996-07-16 | 1998-08-28 | Thomson Csf | Dispositif d'eclairage et application a l'eclairage d'un ecran transmissif |
| CA2233597C (fr) * | 1996-08-12 | 2004-02-24 | Li Li | Dispositif d'affichage de protection extremement efficace possedant des diviseurs de faisceau de polarisation a couche mince |
| FR2754609B1 (fr) | 1996-10-15 | 1998-12-18 | Sextant Avionique | Panneau de visualisation avec compensation par films birefringents holographiques |
| FR2755530B1 (fr) | 1996-11-05 | 1999-01-22 | Thomson Csf | Dispositif de visualisation et ecran plat de television utilisant ce dispositif |
-
1999
- 1999-05-11 FR FR9906003A patent/FR2793566B1/fr not_active Expired - Fee Related
-
2000
- 2000-05-09 WO PCT/FR2000/001242 patent/WO2000068716A1/fr active Application Filing
- 2000-05-09 US US09/720,271 patent/US6384974B1/en not_active Expired - Lifetime
- 2000-05-09 EP EP00925417A patent/EP1095297A1/fr not_active Ceased
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3998524A (en) * | 1975-08-20 | 1976-12-21 | Hewlett-Packard Company | Birefringent polarization prism with a large angular aperture |
| US4725113A (en) * | 1985-08-22 | 1988-02-16 | Litton Systems, Inc. | Form birefringent cutoff polarizer and method |
| EP0428213A1 (fr) * | 1989-11-14 | 1991-05-22 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Diviseur de faisceau sensible à polarisation |
| US5347380A (en) * | 1991-12-20 | 1994-09-13 | Thomson-Csf | Liquid crystal optical polarization separator with parrallel alignment on one substrate, perpendicular on other |
| EP0710856A2 (fr) * | 1994-09-09 | 1996-05-08 | Sharp Kabushiki Kaisha | Dispositifs sensibles à la polarisation et leurs méthodes de production |
| US5625491A (en) * | 1995-03-15 | 1997-04-29 | Spectra-Physics Lasers, Inc. | Broad band polarizing beam splitter |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US6384974B1 (en) | 2002-05-07 |
| FR2793566B1 (fr) | 2002-07-12 |
| WO2000068716A1 (fr) | 2000-11-16 |
| EP1095297A1 (fr) | 2001-05-02 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP0547949B1 (fr) | Séparateur de polarisation optique et application à un système de visualisation | |
| CA1304971C (fr) | Polariseur a couches dielectriques | |
| TWI406018B (zh) | 利用光校準液晶的笛卡兒偏光板 | |
| FR2793566A1 (fr) | Separateur de polarisations | |
| EP0819884B1 (fr) | Dispositif d'éclairage et application à l'éclairage d'un écran transmissif | |
| EP0239433B1 (fr) | Cellule à cristal liquide utilisant l'effet de biréfringence contrôlée électriquement et procédé de fabrication de la cellule | |
| US6947215B2 (en) | Optical element, optical functional device, polarization conversion device, image display apparatus, and image display system | |
| EP0778700B1 (fr) | Perfectionnement au système de projection | |
| FR2758890A1 (fr) | Dispositif optique de polarisation | |
| WO2006023528A2 (fr) | Filtre d'imagerie spectrale accordable conçu pour des plages spectrales d'uv | |
| JP2006503325A (ja) | 偏光配置 | |
| EP0549406B1 (fr) | Séparateur optique de polarisation et application à un système de visualisation | |
| EP0757274B1 (fr) | Dispositif optique de polarisation et système de projection à valve à cristaux liquides utilisant un tel dispositif optique | |
| JP2003307622A (ja) | 偏光素子 | |
| EP1646894B1 (fr) | Dispositif d'eclairage a recyclage de polarisation dans un double prisme | |
| US6351296B1 (en) | Liquid crystal beam polarizer and method for manufacturing thereof | |
| FR2693004A1 (fr) | Dispositif de collimation de faible encombrement, en particulier pour visuel de casque. | |
| JP2007280460A (ja) | 光ヘッド装置 | |
| Baur | A new type of beam-splitting polarizer cube | |
| FR2869117A1 (fr) | Dispositif de modulation spatiale d'un faisceau lumineux et applications correspondantes | |
| JPH11167026A (ja) | 偏光ビームスプリッタ及び偏光変換装置 | |
| Li et al. | New developments in thin film polarizing beam-splitters | |
| EP1763696A1 (fr) | Systeme d'illumination pour imageur et projecteur correspondant | |
| FR2754355A1 (fr) | Convertisseur de lumiere blanche naturelle en lumiere a polarisation plane | |
| FR2685101A1 (fr) | Dispositif de collimation de faible encombrement a grand champ et luminosite elevee. |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| CD | Change of name or company name | ||
| TP | Transmission of property | ||
| ST | Notification of lapse |
Effective date: 20140131 |