Brevet FR2054446A1 — publié le 19710423

Le- présente invention, due à Georges ASSOULINE, Eugène LÏUI3A et .Drich SPIT", se rapporte à un dispositif de mise en mémoire d'une information optique, utilisant des cristaux liquides. Las cristaux liquides sont des substances qui, prises dans 5 un certain domaine de température, présentent, en couche mince, des arrangements particuliers de molécules allongées, suivant ru'ils cppartiennent à l'une des clpsses smectique, cholestériçue ou némrtirnie. ->,r„s !• structure dite nématique, qui est celle qui nous 10 intéresse ici, les molécules se rangent parallèles les unes aux autres. Le milieu est donc optiquement p-nisotrope * Je plus, on peut agir sur l'orientation des molécules, donc sur la direction de l'axe optique, par application d'un champ électrique. Les molécules d'une substance dichroïque ajoutées à une sub~ 15 stance nématioue s'orientent parallèlement aux molécules du néma-iiqr.s. Le milieu obtenu est ainsi lui-même dichroïque. et ce di~ chroïsme peut être modifié par l'application d'un champ électrique. Une onde lumineuse polarisée correctement sera absorbée. Si alors on applique un champ électrique (de l'ordre de 10 Y/cm 20 pour une couche d'une dizaine de microns) dans la direction le propagation de la lumière,1'orientetion des molécules change et l'onde n'est plus absorbée. On a aussi réalisé un milieu de transparence variable. Ce. phénomène est plus amplement décrit dans 1' article de G.H. Heilmeier et L.A. Zanoni dans Applied Physics 25 Letters, vol 13 , n° 3, 1er Août 1968, pages 91 et 92, intitulé "Guest-'iost interactions in nematic liquid crystals. A ne¥ électro-optic effect". La but de l'invention est d'utiliser ce phénomène pour la réalisation d'un dispositif de mise en mémoire pouvant conserver 30 et restituer, sous forme optique, des informations qui lui sont fournies sous cette forme. La présente invention a donc pour objet un dispositif de mise en mémoire d'informations optiques comprenant une couche SAD ORIGINAL1 *— • 69 22335 2 l 2054446 7 mince composée d'un mélange de cristal liquide dans l'état né-matique, et d'une substance, dichroïque.présentant au moins une raie d'absorption optique, en lumière polarisée rectilignement et disposée entre deux électrodes transparentes définissant, en-, 5 tre elles, un espace d'épaisseur constante, remarquable en ce quey entre les deux électrodes, une couche mince.d'un corps photoconducteur est juxtaposée à la couche mince dudit mélange, en ce que lesdites électrodes sont couplées à une source de tension continue, en ce que des moyens sont-prévus pour projeter, sous 10 forme optique, sur ladite couche de photoconducteur les informations à enregistrer et en ce que des moyens sont prévus pour éclairer sensiblement uniformément la couche dudit mélange avec un faisceau lumineux polarisé rectilignement, ledit faisceau comportant au moins une radiation lumineuse de longueur d'onde cor-15 respondant à ladite raie d'absorption. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques apparaîtront à l'aide de la description ci-après et des dessins joints où : La figure 1 représente des schémas explicatifs du phénomène 20 utilisé ; La figure 2 représente des courbes explicatives de ce phénomène ; La figure 3 représente schématiquement l'élément à mémoire selon l'invention ? 25 La figure ,4 représente une variante de l'élément de la ï'igm— r e 3 ; Et la figure 5 représente un mode de réalisation du dispositif a mémoire, selon l'invention.. .. Comme cela est bien connu, une substance dichroïque est une 30 substance dont le.spectre d'absorption optique vis-à-vis de radiations lumineuses polarisées rectilignement dépend fortement de 1'orientation mçléculaire de ladite..substance par rapport à la direction de polarisation desdites radiations lumineuses. On obtient, par exemple, lorsque les directions d'orientation molé-35 culaire et de polarisation de la lumière sont parallèles, une ou plusieurs raies d'absorption à des longueurs d'onde données BA° ORIGINAL " 69 22335 3 2054446 dans le spectre d'absorption optique de la substance, raies qui disparaissent sensiblement si la direction de polarisation de la lumière devient perpendiculaire k la direction d'orientation moléculaire. Cette propriété a été utilisée pour obtenir un effet 5 électro-optique nouveau en agissant sur l'orientation des molécules de substances dichroïquss à l'aide de molécules d'autres substances, auxquelles lesdites molécules de substances dichroïques sont mélangées et qui peuvent s'orienter de façon contrôlée sons l'action, d'un champ électrique, à savoir les molécules de cristaux 10 liquides 4ans l'état nématique. Ce phénomène a été décrit le façon plus détaillée dans l'article cité ci-dessus et ne sera décrit ici que brièvement. Considérons le dispositif vu en coupe et très grossi de la figure 1 (a). 15 Deux électrodes transparentes 1, connectées aux bornes 2, délimitent entre elles une couche mince d'un mélange de molécules de cristal liquiie nématique 4 et de molécules de substance dichroïque 3. L'ensemble est éclairé par un faisceau lumineux de lumière polarisée rectilignement dont la direction de polarisa-20 tion, représentée par le vecteur 5? est parallèle au plan des électrodes 1. Eïi l'absence de tension appliquée entre les électrodes t les molécules de cristal liquides ont leut axe longitudinal parallèle et sensiblement parallèle au plan des électrodes . Dans ces 25 conditions, la courbe représentant le coefficient d'absorption A du mélange en fonction le la longueur d'onde 'X de la radiation traversant ce mélange a sensiblement l'allure de la courbe représentée sur la figure 2 (a). Une.raie d'absorption se situe à la longueur d'onde dépendant de la substance dichroïque con- 30 sidérée. Si on dispose maintenant (figure 1 (b) ) une source de tension continue 6 entre les bornes 2 de façon à appliquer au mélange il a champ électrique de l'ordre de quelques dizaines de kilovolts par centimètre, les molécules 4 du cristal BAD ORIGINAL1 6$ 22335 4 2054446 liquide vont s'aligner toutes perpendiculairement aux électrodes 1, entraînant une orientation similaire des molécules 3 de la substance dichroïque. Dans ces conditions, la courbe d'absorption a sensiblement 5 l'allure représentée sur la figure 2 (b). La raie d'absorption à la longueur d'onde a pratiquement disparu et est d'autant plus effacée que le champ appliqué est plus fort. En utilisant l'acide p-n butoxybenzoïque comme cristal liquide nématique et le rouge de méthyle comme colorant dichroï- 10 que en soluition à 1 $ en poids dans l'acide, on obtient une raie ^ o à À = 4825 A et l'application d'un champ de l'ordre de 40 kV/cm commute la couleur du mélange du rouge-orangé au jaune, si l'on observe en transmission sous éclairement en lumière blanche polarisée. 15 Selon l'invention on utilise ce phénomène pour réaliser tin élément de mise en mémoire optique représenté en coupe sur la figure 3. Entre deux électrodes 7 planes, parallèles et transparentes, sont disposées une couche mince 8 d'un matériau photo-conducteur et une couche mince 9 du mélange cristal liquide -20 substance dichroïque. Le photoconducteur peut être être du type de ceux utilisés pour les tubes vidicons (sélénium, trisulfure d'antimoine, oxyde île plomb) ou bien de l'arséniure de Gallium , du sulfure de plomb, de 11antimoniure d'indium etc... et il doit être choisi pour être sensible à la longueur d'onde 'A de la 25 substance dichroïque utilisée. La couche 9 est appliquée sur la face bien lisse de la couche photoconductrice 8 et a mie épais seur de l'ordre de ^Oyu. L'épaisseur de la couche 8 est choisie comme cela va être indiqué ultérieurement. Des entretoises 10, par exemple en poly— 30 tétrafluroétnylène tel que "téflon" , assurent l'écartement convenable entre l'électrode et la couche 8. Les forces capillaires suffisent pour maintenir la couche de cristal liquide et de substance dichroïque en place quelle que soit l'orientation de l'ensemble. gAD ORIGINAL " 6 5 2054446 Une tension continue V est appliquée entre les bornes 11 reliées aux électrodes 7. La couche 9 est éclairée par un faisceau auxiliaire 13 de lumière polarisée rectilignement et parallèlement aux plans des électrodes 7 et de longueur d'onde * Sous l'ef— 5 fet de 1'éclairement d'une région P de la couche photoconductrice 8 par un rayonnement 12, auquel le photoconducteur est sensible, la région correspondante de la couche 9 va devenir transparente et un observateur verra cette variation de transparence , ainsi que cela va être expliqué plus clairement ci-dessous. 10 Le fonctionnement de l'ensemble est le suivant : La longueur d'onde du rayonnement polarisé 13 est choisie sen siblement également à "Xc correspondant à la raie d'absorption de la substance dichroïque utilisée (figure 2 (a) )* Lorsqu'on 3'on applique une tension V entre les bornes 11 et 15 si l'on appelle k le rapport des impédances des couches 8 et 9 pour un éclairement donné de la couche photoconductrice, la tension électrique entre les deux faces de la couche 9 sera égale à Y . k + 1 Si la couche photoconductrice n'est pas éclairée, le rapport 20 k a -.une valeur k^ . Si la région P du photo conducteur est éclairée par un rayonnement 12 d'intensité donnée, le rapport k dans cette région devient kg . L'épaisseur de la couche photoconductrice 8 et la tension V sont choisies de manière que, en l'absence d'éclairement de la couche 8, (rapport des impédances des couches 25 8 et 9 égal à k^ ) le champ appliqué au mélange cristal liquide -substance dichroïque soit suffisamment faible pour qu'existe la raie d'absorption de la figure 2 (a) et que, d'autre part, pour une zone P éclairée, (rapport des impédances égal à kg ) le champ appliqué au mélange devienne suffisamment fort pour effe-30 cer sensiblement ladite raie (figure 2 (b) ). Dans ces conditions, lorsque le photoconducteur n'est pas éclairé, le faisceau 13 est absorbé par le mélange cristal liquide-substance dichroïque. Si une région P du photoconducteur BAD ORIGINAL ' Si . 69 22335 6 2054446 est éclairée par le rayonnement 12, la région correspondante de la couche 9 va devenir sensiblement transparente àu faisceau 13. Cela étant, la portion du faisceau 13 qui traverse la région P.j atteint la couche photoconductrice 8. Du fait en particulier 5 de la variation brusque d'indice de réfraction entre les couches 8 et 9, une partie de cette portion est réfléchie par la couche métallique 8 vers l'observateur cependant que l'autre partie de cette portion est absorbée par la région P de la couche photoconductrice 8 et sert à maintenir conductrice cette région (k 10 maintenu a la valeur kg) même si 1'éclairement 12 est supprimé, La régi onPt apparaît donc comme lumineuse et sa brillance est maintenue par le faisceau lumineux 13. L'information lumineuse transmise par le faisceau 12 est donc conservée en mémoire et accessible jusqu'à ce que l'on coupe 1'éclairement 13 ou la ten-15 sion Yt ce qui permet l'effacement de toutes les informations inscrites. A titre d'exemple, si l'on utilise le mélange indiqué ci-dessus d'acide p-n butoxybenzoïque et de rouge de méthyle en couche de 12^u d'épaisseur, cette couche est rendue transparen— 20 te pour un champ appliqué de l'ordre de 40 kV/cm, soit une tension de l'ordre de 48 Y. D'autre part, si l'on choisit le sélénium comme photoconducteur, celui-ci ayant une résistivité dans *12' l'obscurité du même ordre (10 .,A,«cm) que celle du mélange cristal liquide-colorant dichroïque, on utilise une couche 8 de même 25 épaisseur que la couche 9. Dans ces conditions, k^ est approximativement égal à 1 et la tension Y est choisie égale à 50 V, ce qui donne, dans l'obscurité, une tension de 25 Y aux bornes de la couche 9. On choisit ensuite l'intensité du faisceau d'inscription 30 12 pour que la résistivité du photoconducteur soit approximativement divisée par 25ce qui donne la valeur voulue pour la champ appliqué à la couche 9. bad original" 69 22335 2054446 7 Pour certains cristaux liquides, il peut y avoir passage d'un courant entre les électrodes 7. Or, ceci nuit au bon rendement du phénomène utilisé et donc à la qualité de l'image mise en mémoire . Pour éviter cela, on peut interposer (fig.4.) une couche isolante transparente 70 par exemple entre la couche 5 9 et l'électrode correspondante 7. Par exemple on peut utiliser une couche de mylar qui peut d'ailleurs servir à la construction de l'électrode 7, ceci en métallisant la face extérieure de la couche de mylar 70. . Sur la figure 5 est représenté un mode de réalisation com-10 plet d'un dispositif à mémoire selon l'invention. Les mêmes numéros de référence renvoient aux mêmes éléments que sur la figure 3. Une source de tension 15 est connectée aux bornes 7. Cette source peut fournir soit une tension continue, soit une tension 15 en créneaux si l'on désire effacer à intervalles réguliers. Une source lumineuse 16, une lentille 17 et un polariseur 18, polarisant rectilignement la lumière perpendiculairement au plan de la figure, fournissent le faisceau lumineux de longueur d'onde "X voulue éclairant la couche 9. Le polariseur 18 20 peut aussi être placé contre l'électrode 7 de droite, son orientation étant alors indifférente. Les informations à mettre en mémoire et mises sous forme optique dans la zone 21 sont projetées par l'objectif 22 su:sr la couche photoconductrice 8. 25 Ainsi un point lumineux M donne une imago en sur la cou che 8. Le point Mg correspondant de la couche 9 apparaît alors comme un point lumineux. Même si le faisceau lumineux issii de M est coupé, le faisceau issu de la source 16 continuera à maintenir le photo conducteur au point dans son état conducteur-. 30 Comme le cristal liquide utilisé doit être dans l'état nématique il est nécessaire de le maintenir dans une certaine gamme de température où il est dans cet état. Pour cela, il est prévu éventuellement un système de réglage de température 23 qui a été représenté très schématiquement ici par un dispositif BAQ ORIGINAL' *> V — ■ 69 22335 8 2054446 de chauffage par rayonnement. Il est d'ailleurs évident que tout autre dispositif de chauffage peut être envisagé. naturellement, le dispositif selon l'invention peut être utilisé pour l'inscription point par point d'informations binai-5 res et leur mise en mémoire ou bien on peut également l'utiliser en observation directe comme écran à mémoire à la place d'un tube à mémoire. L'image inscrite alors peut être celle d'un petit tube à rayon cathodique dont l'écran est placé en 21 et cette image peut d'ailleurs être inscrite en une seule fois ou de ma-10nière espacée dans le temps (par exemple comme en sonar). Bien entendu l'exemple décrit n'est nullement limitatif de 1'invention. 69 2054446 9 aSVBTOI CATIONS 1. Dispositif de mise en mémoire d'informations optiques comprenant une couche mince composée d'un mélange de cristal liquide dans l'état nématique et d'une substance dichroïque présentant au moins une raie d'absorption en lumière polarisée: recti- 5 lignement et disposée entre deux électrodes transparentes définissant, entre elles, un espace d'épaisseur constante, caractérisé en ce que, entre les deux électrodes, une couche mince d'un corps photoconducteur est juxtaposée à la couche mince dudit mélange , en ce qœ lesdites électrodes sont couplées à une source 10 de tension continue, en ce que des premiers moyens sont prévus pour projeter, sous forme optique, sur.ladite couche de photoconducteur les informations à enregistrer et en ce que des seconds moyens sont prévus pour éclairer sensiblement uniformément le, couche dudit mélange avec un faisceau lumineux polarisé rec-15 tilignement, ledit faisceau comportant au moins une radiation lumineuse de longueur d'onde correspondant à ladite raie d'absorption. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce au moins une couche isolante transparente est interposée 20 entre lesdites électrodes. 3. Dispositif selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que lesiits seconds moyens comprennent une source lumineuse sensiblement monochromatique fournissant un faisceau lumineux de longueur d'onde correspondant à ladite raie d'absorption, et 25 un polariseur donnant audit faisceau une polarisation rectiligne dans une. direction parallèle aux électrodes. 4» Dispositif selon les revendications 1,2, ou 3 caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de réglage de la température de la couche dudit mélange, pour maintenir le cris-30 tal liquide dans son état nématique. BAD ORIGINAL1