Brevet FR2023249A1 — publié le 19700807

L'invention se rapporte à des amplificateurs de lumière et à des convertisseurs d'image et plus spécialement à des dispositifs photoélectriques à cristal liquide. Les amplificateurs de lumière et les convertisseurs d'ima- ge tels que les dispositifs électroluminescents à photoconducteur sont bien connus dans ia technique. Ces dispositifs solides de l'art antérieur comprennent un photoconducteur en série avec une couche électroluminescente.En fonctionnement, on applique une tension sur l'ensemble eç série et lorsque le photoconducteur se trouve dans l'obscurité (état de haute impédance) la majeure partie de la chute de tension se produit dans le photoconducteur et la couche électroluminescente reste sombrez Si de la lumière tombe sur une région du photoconaucteur, son impédance est sensiblement abaissée dans cette région et la chute de tension dans cette région se produit principalement à travers la couche électroluminescente en y déterminant une émission lumineuse. Lorsque l'émission lumineuse de la couche électroluminescente dépasse la quantité de lumière tombant sur le photoconducteur, on dit qu'il y a amplification de la lumière.D'autre part, si on utilise un photoconducteur sensible à une lumière autre que la lumière visible, on a une conversion d t image. Ces amplificateurs de lumière et convertisseurs d'image de l'art antérieur présentent divers inconvénients. Un des inconvénients réside dans le fait que ce sont des dispositifs émetteurs de lumière et que leur brillance d'émission est limitée par le phosphore particulier utilisé, ce qui limite le gain que l'on peut obtenir. L'efficacité et la brillance de ces dispositifs sont peu intéressantes et limage est "effacée" dan$ un environnement bien éclairé.Un autre inconvénient de ces dispositifs antérieurs réside dans les tensions élevées et les fréquences élevées nécessaires pour les faire fonctionner aux niveaux optima de brillance0 En général, les niveaux optima de brillance sont obtenus pour des tensions de plusieurs centaines de volts et des fréquences de l'ordre de 400 hertz à 2 kilohertz, Une autre limitation à l'efficacité des dispositifs antérieurs réside dans le fait que la couleur de la lumière émise par le dispositif est limitée à la couleur d'émission du phosphore particulier qu'utilise le dispositif Un autre inconvénient encore est la difficulté que lton rencontre pour obtenir une adaptation convenable de 1t 'impédance entre le photoconducteur et la partie électro- luminescente du dispositir il était donc désirable d'avoir un amplificateur de lumière ou un convertisseur d'image qui ne soit pas limité en ce qui concerne sa brillance d'émission et qui puisse fonctionner avec des tensions et des fréquences plus basses que les dispositifs antérieurs. Il est également avantageux de réaliser un dispositif capable de fournir des images dans une granoevariété de couleurs et de nuances. La fig.1 est une vue latérale en couped'une.forme de réalisation de l'invention2 utilisant un photoconducteur comme organe photoélectrique. La fig.2 est une vue en élavation d'une autre forme de réalisation de l'invention. La fiv 3 est une vue latérale en coupe d'une forme de réalisation utilisant une photodiode comme organe photoélectrique. La figez est une représentation en élévation d'un système di:nscription sur film ou de lecture utilisant le nouveau dispositif. On a trouvé que l'on peut réaliser des cellules à cris- tal liquide nématique ayant une impédance adaptée à l'impédance des dispositifs photoélectriques tels que les photodiodes, les photoconducteurs et les cellules photovoltalques. Lorsque l'on associe un tel dispositif photoélectrique avec une cellule à liquide cristallin nématique d'impédance semblables de telle sorte que la chute de tension à travers la couche de liquide cristallin et/ou que le courant passant à travers la couche de liquide cristallin soient contrelés par la lumière incidente tombant sur le dispositif photoélectrique, la combinaison résultante constitue un amplificateur de lumière ou un convertisseur d'image Cette nouvelle combinaison constitue un dispositif doué d'une brillance ou d'un gain pratiquement illimité. De plus, le nouveau dispositif fonctionne avec des tensions alternatives en basse fréquence ou avec des tensions continues de lwordre de 6 à 75 volts en général Les nouveaux amplificateurs de lumière et convertisseurs d'image peuvent fonctionner sur le mode par transmission, par absorption ou par réflexion.On observe les rapports de contraste les p-lus. élevés dans les dispositifs du type à balayage par faisceau lumineux lorsqu'ils fonctionnent sur le mode par réflexion, c'est à dire lorsqu'une surface réfléchissante est incluse dans le dispositif de telle façon que l'observateur voit la lumière réfléchie en opposition avec la lumière transmise. De plus, les nouveaux dispositifs ne sont pas des dispositifs émetteurs de lumière et la brillance de l'image produite n'cst limitée que par la luminosité de l'ambiance incidente sur le dispositif: plus cette ambiance est lumineuse et plus l'image est brillantes En outre la couleur de l'image produite peut être modifiée par exemple en modifiant la couleur de la lumière incidente frappant le dispositif ou en utilisant des filtres sur la face de l'écran. On donne ci-après une brève description des valves de lumière à cristal liquide nématique, Les valves de lumière à liquide cristallin nématique ou les dispositifs d'affichage fonctionnant sur le principe de la diffusion de la lumière par un liquide cristallin nématique ont déjà été décrits. C'est ainsi par exemple qu'on a déjà décrit de telles valves de lumière ou dispositifs d'affichage à cristal liquide qututilisent un liquide cristallin nématique du type à "alignement" sous l'influence d'un champ électrique0 De plus les cristaux de liquide nématique de ce type peuvent être utilisés dans les vulves de lumière utilisant la lumière polarisée. Ces valves de lumière sont basées sur la biréfringence des cristaux liquides nématiques et sur la rotation du plan de polarisation après alignement dans un champ. Les valves de lumière et les dispositifs d'affichage à cristal liquide nématique peuvent présenter une diffusion de la lumière par suite du trouble créé dans la couche de liquide cristallin. Ce trouble peut être produit par le passage d'un courant à travers la couche. Ce type de liquide cristallin est dit du type à diffusion dynamique". Le degré de diffusion ou de rotation du plan de polarisation dans ces dispositifs peut autre contralé par la tension appliquée à la couche de liquide cristallin nématique. On décrit des formes de réalisation du nouveau dispositif en référence aux figs.1 à 3o En se référant à la fige19 on voit un amplificateur de lumière et un convertisseur d'image 10 comprenant, dans l'ordre, une structure sandwich formée d'une plaque de verre de support 11, d'une couche de revêtement conducteur et transparent 12, d'une couche de composition de liquide cristallin nématique 13, d'une plaque de verre support arrière 14 comportant une pluralité de pièces transversales ou passants conducteurs parallèles 15 s'étendant depuis la surface interne 16 jusqu'à la surface externe 17 de la plaque arrière 14 et une couche photoconductrice 18o Tout autour de leurs bords extérieurs et entre les plaques support avant et arrière est placé un joint d'espacement 19 en substance inerte telle que du Téflons Le dispositif comporte aussi une pluralité de plots isolés 20 en métal réfléchissant qui sont de préférence faits d'un film de métal tel que l'aluminium déposé par évaporation sur la surface interne 16 de la plaque support arrière 14. Chaque plot est en contact avec un des passants conducteurs. Une source de tension 21 est connectéè en série au photoconducteur 18, à la couche de liquide cristallin 13 et au revêtement conducteur et transparent 12. Une image créée sur le dispositif 10 par l'effet sur la couche de liquide cristallin nématique 13 de la lumière incidente 22 sur la face frontale Il du dispositif, est réfléchie vers l'arrière à un observateur 23 situé devant le dispositif 10. En fonctionnement, lorsqu'aucune radiation ne frappe la couche photoconductrice 18, la lumière 22 tombant sur le liquide cristallin à travers la face ou les cotés du dispositif 10, est réfléchie depuis le dispositif 10 d'une telle façon que le dispositif 10 apparat uniformément sombre à un observateur 23 et que l'on ne voit aucune image. Lorsqu'une image est projetée sur la couche photoconductrice 18 au moyen d'une image lumineuse 24, il se produit un changement dans les propriétés optiques de la couche de cristal liquide, de sorte que l'image est reproduite si l'on observe la lumière réfléchie par la face avant du dispositif.La brillance et la coular de l'image observée, c'est à dire le gain, dépendent de la brillance et de la couleur de la lumière 22 incidente sur la face avant Il du dispositif 10o Le mécanisme par lequel le dispositif fonctionne dépend en partie du type de liquide cristallin utilisé dans le dispositif.Lorsque la couche de liquide cristallin est formée d'une composition telle qu'un mélange de p-n-éthoxybenzylidène-p'- amiilobenzonitrile, de p-n-butoxybenzylidène-p'-aminobenzonitrile et de p-n-oct-oxybenzylidène-p'-aminobenzonitrileX les propriétés optiques du dispositif dépendent seulement de l'intensité du champ électrique à travers cette couche cristalline liquide et sont dues à l'alignement de la composition de liquide cristallin dans le champ électrique.Dans sa réalisation préférée, la couche de liquide cristallin est formée d'une composition telle qu'un poids égal des trois constituants p-n-aminoanisylidènep'-phénylacétate, p-n-anisylidène-p ' -aminophénylbutyrate et p-n butoxybenzylidène-p s -aminophénylpropionate; les propriétés optiques du dispositif dépendent alors de la formation de porteurs de charge dans la couche de liquide cristallin de sorte qu'un courant passe à travers la couche et crée un trouble dans les régions activées de la couche de liquide cristallin. Le trouble produit la diffusion de la lumière dans les regions où il se produit. Dans le dispositif décrit plus haut, la plaque support transparente peut titre par exemple du verre ou du quartz. Le mince film transparent et conducteur peut autre fait par exemple d'oxyde d'étain conducteur. La plaque support arrière peut autre par exemple faite de faisceaux de fibres de verre contenant des fils métalliques conducteurs noyés dans leur masse ou bien de verre ou d'un autre matériau qui a été gravé pour y créer des orifices qui sont alors remplis d'un matériau conducteur. La couche photoconductrice peut titre faite de l'un des photoconducteurs usuels tels que du sulfure de cadmium, du séléniure de cadmium, du sulfure-de plomb ou analogue, selon la-sensibilité désirée vis-à-vis de telle ou telle radiation.Le photoconducteur peut se trouver sous une forme quelconque par exemple-sous la forme d'une couche frittée ou sous la forme d'un film déposé par évaporation. On doit prendre soin d'utiliser un photoconducteur ou d'autres moyens photoélectriques qui soient adaptés en impédance avec la couche de liquide cristallin du- dispositif. Cependant on contact des techniques relatives aux-amplificateurs d'image à état solide dans lesquelles on améliore l'adaptation d'impédance lorsque c'est nécessaire et ces techniques sont applicables ici. Par exemple on peut inclure une couche résistante en parallèle avec l'un des éléments, pour changer son impédance effective, De préférence, les passants conducteurs su autres plots de contact avec le photoconducteur sont faits d'une composition qui forme de bons contacts ohmiques a-fec le photoconducteur, de façon que les électrons puissent aisément s'écouler depuis le photoconducteur vers la couche de liquide cristallin. Ceci est particulièrement important lorsque la couche de liquide cristal lin est formée d'une composition qui présente la propriété de la diffusion ou de la turbulence dynamique11. On doit noter que le dispositif fonctionne à une température à laquelle la composition de liquide cristallin se trouve dans son état de cristal liquide ou "mésomorphe". Bien que le dispositif photoconducteur-liquide cristallin décrit ci-dessus utilise des passants conducteurs traversant le verre, on peut réaliser un dispositif 30 (fiv.2) dans lequel un photoconducteur 31 est constitué par une couche obtenue par évaporation sur un support transparent en verre placé directement contre la couche de liquide cristallin. Lorsque le photoconducteur est sensible à l'infra-rouge, le dispositif est un convertisseur d'image. Le dispositif ou la structure 30 de la fig.2 peut autre utilisé comme un obturateur de lumière à radiation contrtlée ou bien il peut titre considéré comme un unique élément optique dans un réseau de matrice x - y. Avec une telle structure, un observateur voit l'image due à la diffusion ou à la polarisation de la lumière transmise à travers le dispositif 30. Si on fait usage de l'effet de la rotation de la lumière polarisée, le dispositif comprend des polariseurs croisés 33 et 34 et le liquide cristallin est du type à alignement; Le dispositif comprend une structure sandwich entre des polariseurs croisés 31 et 32. La struc ture sandwich comporte, dans l'ordre, une plaque transparente support antérieur 33, un revêtement transparent et conducteur 34 sur la plaque 33, une couche 35 de liquide nématique cristallin et un second revêtement conducteur transparent 36 sur un support transparent postérieur 37. Un photoconducteur 38 est connecté électriquement en série avec la couche de liquide cristallin 35 et une source de tension 39 gracie aux revetements transparents et conducteurs 34 et 36. La fig.3 représente ùne forme de réalisation dans laquelle les moyens photo électriques sont constitués par une photodiode au silicium. Plus spécialement, le dispositif 40 comprend une structure sandwich dans laquelle on trouve, dans l'ordre, une plaque support antérieure transparente en verre 11, un revêtement conducteur transparent en oxyde d'étain 12, une couche de composition de liquide cristallin 13 du type à diffusion dynamique et une structure en réseau 41 formant photodiode au silicium. La structure en réseau de photodiode au silicium comprend une pluralité de diodes p-i-n ou p-n constituée d'une région continue et électriquement commune 42 de type P, d'une région intrinsèque continue et électriquement commune 43, contiguë à la précédente et d'une pluralité de régions isolées 44 de type N sur le côté extérieur de la région intrinsèque. Une couche de bioxyde de silicium 45 est formée sur la mdme surface de la photodiode au silicium que les régions 44 de type N. La couche de bioxyde de silicium 45 recouvre la totalité de la substance intrinsèque 43 et s'étend de façon à déborder légèrement les bords des régions 44 de type N. Une couche conductrice d'aluminium 46 recouvre les portions exposées des régions 44 de type N. La couche d'aluminium 46 est non continue et forme des plots isolés réfléchissants. Chaque ilôt est en contact avec une région de type N. On préfère l'aluminius car il forme un bon contact ohmique avec le silicium de type N et avec la couche de liquide cristallin et en outre il constitue un bon réflecteur de lumière. C'est cette surface de la structure de photodiode en réseau 41 qui est en contact avec la couche de liquide cristallin 13. En fonctionnement, chaque photodiode est polarisée en sens inverse au moyen d'une batterie 47 par exemple dont la borne négative est en contact avec la région 42 de type P de la photodiode et la borne positive est en contact avec la fine couche conductrice transparente d'oxyde d'étain 12. En fonctionnement, la lumière incidente sur la surface de type P de la photodiode crée des porteurs de charge qui migrent dans la région de jonction, ce qui abaisse l'impédance du dispositif et laisse ainsi passer un courant à travers la couche de liquide cristallin 13, ce qui détermine une diffusion de la lumière par suite de la turbulence. Sur la fig.4 on a représenté un système utilisable comme imprimeur ou lecteur sur film et comprenant un nouveau dispositif photo électrique à liquide cristallin du type à réflexion. Dans ce système, la lumière 51 issue de la source lumineuse 52 passe d'abord à travers le film 53 portant une image telle qu'un microfilm. La lumière passe ensuite à travers une lentille 54 ou un autre système optique qui projette l'image du microfilm sur la partie photoélectrique ou photosensible du nouveau dispositif. Le dispositif peut êtie par exemple du type de celui qui a été décrit en référence à la fig.1. Un observateur se place du coté du nouveau dispositif opposé à celui de l'organe photoélectrique. Lorsque la lumière d'ambiance 55 frappe la face avant du nouveau dispositif, la lumière est diffusée par la couche de liquide cristallin en conformité de l'image et est réfléchie en direction de l'observateur au moyen d'un revêtement réflecteur du dispositif. L'observateur 23 voit ainsi une image agrandie et en lumière amplifiée de l'image originale se trouvant sur le microfilm 53. RrVE;;DICATIONS 1) on dispositif opLi-;ue comprenant en combinaison des moyens photo électriques couplés à une couche de liquide cristallin. 2) Un dispositif selon la revendication 1, dans lequel les dits moyens photoélectriques sont choisis parmi le groupe formé par les photoconducteurs, les photodiodes et les cellules photo électriques et dans lequel la couche de liquide cristallin comprend une composition de liquide cristallin nématique 3) Un dispositif selon la revendication 1, dans lequel les dits moyens photoélectriques et ladite couche à liquide cristallin sont mutuellement couplés électriquement en série, le dit dispositif comprenant des moyens pour appliquer une différvn ce de potentiel aux dits éléments en série, 4) Un dispositif selon la revendication 1 comprenant une structure du type sandwich qui comprend dans l'ordre d'énumération : une plaque support transparente, un revêtement conducteur transparent sur ladite plaque, une couche de liquide cristallin nématique et une structure photoélecique, ladite structure photo électrique étant couplée à ladite couche de liquide cristallin nématique de façon à assurer un contact électrique sur celle-ci. 5) Un dispositif selon la revendication 4 dans lequel ladite couche de liquide cristallin nématique comprend une c3mpo- sition de liquide cristallin nématique du type à diffusion dynamique et dans lequel le dispositif comprend des moyens pour fléchir la lumière pénétrant dans le dispositif à travers '.ade plaque support transparente et passant dans ladite couche de liquide cristallin. 6) Un dispositif selon la revendication 4 dans lequel ladite couche de liquide cristallin comprend une composition de liquide cristallin nématique du type à alignement et comprenant des polariseurs croisés entre lesquels le dispositif est placé. 7) Un dispositif selon la revendication 4 dans lequel ladite structure photo électrique comprend un photoconducteur ayant une impédance sensiblement adaptée à l'impédance de ladite couche de liquide cristallin, ledit dispositif comprenant des moyens de réflexion et de conduction de la lumière créant un contact ohmique avec ledit photoconducteur et ladite couche de li quide cristallin. S) Un dispositif optique utilisable comme amplificateur de lumière cu comme convprtisseur d'image, comprenant en combinaison un photoconducteur ou une photodiode en Série avec une composition de liquide cristallin nématique du type à diffusion dynamique et des moyens pour appliquer une différence de poten tiel à travers ces éléments places en série 9) Un dispositif selon la revendication 8s comprenant des moyens pour réfléchir la lumière couplés électriquement aux dits photoconducteurs ou photodiode, les dits moyens de réfle- alors de la lumière assurant un contact ohmique avec les dits photoconducteur ou photodiode pour 1 écoulement d'électrons dans ladite composition de liquide cristallin. 10) Un dnspositi; selon la revendication 9 dans lequel les dits moyens pour réfléchir la lumière sont constitués par un lm mince film d'aluminium, ledit film d'aluminium étant couplé à une photodiode au silicium0 11) Un système optique pour reproduire une image du type photographique comprenant: (a) une source lumineuse dont ia iumitre passe à travers l'image photographique à reproduire, ( des moyens optiques places sur le trajet de la lumière pour projeter la lumière ayant traversé 1 image photographique sur l'élément photoélectrique d'un dispositif optique, (c) ledit dispositif optique comprenant en combinaison ledit élément photo électrique couplé électriquement à une couche de liquide cristaliin nématique d type à diffusion dynamique et comprenant une substance réflectrice et électriquement conductrice entre ledit élément photoélectrique et ladite couche de liquide cristallin, ladite substance réflectrice se trouvant en contact ohmique avec ledit élément photoélectrique de façon à constituer un chemin pour l'écoulement des électrons depuis ledit élément photoélectrique vers ladite couche de liquide cristallin, et(d)des moyens pour appliquer une tension à travers l'ensemble fcrmé par l'élément photoélectrique et le liquide cristallin nématique