Brevet FR2194982A1 — publié le 19740301

La présente invention a pour objet un dispositif d'afficnabe de données en couleur qui comprend un relais optique d'images utilisant l'effet électro-optique Pockels dans unqtame monocristalline, des moyens de collection, de polarisation, d'analyse et de projection d'un faisceau de lumière modulé par ce relais et des moyens de déphasage de la lumière placés entre le relais et le système de polarisation ou d'analyse de la lumière. Des relais optiques d'images utilisant l'effet électro-optique Pockels dans un cristal de la famille du phosphate diacide de potas- sium deutéré (KD2POg), porté à une température voisine de la température de Curie du cristal, ont déjà été décrits, en particulier dans les brevets français n 1 479 284 et n 2 098 522. Dans ces deux brevets, la tension de modulation est appliquée entre une électrode de commande constituée par une couche conductrice transparente déposée sur une face du cristal et une deuxième électrode de commande située de l'autre côté du cristal et constituée soit par une grille (brevets n 1 479 284 et 2 098 522), soit par une deuxième couche conductrice transparente (brevet n 2 098 522). L'adressage de l'information, c'est-à-dire l'inscription de la tension de commande au point de coordonné#xy désiré, est fait soit à l'aide d'un faisceau électronique (brevet n 1 479 284), soit d'un faisceau lumineux (brevet n 2 098 522) ; lé rôle de ces faisceaux est de créer une connexion electrique entre la deuxième face du cristal et la deuxième électrode de commande, ce qui permet d'appliquer en chaque point de coordonnées xy d'une face du cristal la tension de commande V(t) désirée à l'instant t où le faisceau d'électrons, ou le faisceau de lumière, arrive au point de coordonnées xy. Les brevets précités décrivent également des dispositifs de projection d'images en noir et blanc utilisant un de ces relais. Un faisceau de lumière polarisé suivant une direction x est envoyé sur le relais ; apurés réflexion du faisceau de lumière sur un miroir diélectrique déposé sur la deuxième face du cristal (avant la 20 électrode), la lumière est envoyée vers un écran de projection à travers un analyseur qui sélectionne la composante polarisée suivant la direction y perpendiculaire à x. Un objectif de projection est placé sur le trajet retour du faisceau, soit entre le relais et l'analyseur, soit après l'analyseur.En l'absence de tension entre les faces du cristal ltétat de polarisation ;e la lumière n1est pas modifié et aucune lumière ntest envoyée ver? L@rsqu'une tension V(xy) existe entre les faces du cristal, au point ae coordonnées xy, cette tension induit une biréfringence dans le cristal, c' est-à-dire une différence d'indice #n, proportionnelle à V, pour les composantes de lumière dont les vecteurs électriques sont parallèles à la première et à la deuxième bissectrice X et Y des angles formés par les axes x et y.La lumière initiale, dont le vecteur est parallèle à x, se décompose alors en deux composantes de vecteurs parallèles à X et Y respectivement, qui se propagent à des vitesses différentes et présentent donc, à la sortie du relais optique, un déphasage régal, compte tenu du double trajet dans l'épaisseur 1 du cristal à # = 4 # 1 # n radians # Comme la biréfringence induite est proportionnelle au champ V/1 dans le cristal, # est proportionnel à V et peut s'écrire # = 2 expression dans laquelle le facteur k est une constante qui ne dé- pend pratiquement pas de la longueur d'onde , car la variation d'indice An est elle-même pratiquement indépendante de la longueur d onde. A la sortie du relais, la somme des deux composantes, qui présentent un déphasage égal à #, a pour résultante une lumière à po- larisation elliptique, les axes de l'ellipse étant respectivement cos #/2 parallèlement à x et sin 2 Comme l'analyseur sélectionne la composante parallèle à y, la lumière transmise a une amplitude proportionnelle à sin #/2 et la transmission T du système, en puissance lumineuse, s'écrit : T = sin2 # = sin2 kV (1) 2 Pour une longueur d'onde # donnée, la caractéristique de modu- lation est donc sinusoidale et peut être pratiquement confondue avec une parabole lorsque la transmission ne dépasse pas 0,75 (#max =). 3 Lorsque le relais est éclairé en lumière blanche couvrant le spectre de 4 500 à 6 500 , par exemple, la caractéristique de modulation @onnée par (1) varie avec # Tant que les indices de modulation s@nt faibles, l'on a : T@(#V) ; (2) # dans ce cas, la transmission est plus importante pour le bleu (4 500 t 000 ) que pour le rouge (6 ooG Il est possible de projeter, à l'aide de ces relais, des images de télévision en couleur en utilisant, par exemple trois relais qui modulent respectivement les faisceaux de lumière bleu, vert et rouge obtenus par division, à l'aide de deux miroirs dichrorques, du faisceau de lumière blanche initiale. Le système permet de bien rendre toutes les couleurs dont les coordonnées colorimétriques sont situées à l'intérieur d'un triangle des couleurs voisin de celui défini par la Commission Internationale de llEclairage (C.I.E) pour la télévision ; il présente cependant l'inconvénient d'entre beaucoup plus complexe et plus cher que le système de projection en noir et blanc. Le but de l'invention est de permettre la projection de données en couleur en employant un système pratiquemertaussi simple que celui utilisé pour la projection en noir et blanc et ne comprenant, en particulier, qu'un seul relais optique, la teinte du point d'image projeté étant fonction de la tension de commande V. Dans un tel système, il n'est plus possible d'obtenir toutes les teintes inscrites dans le triangle des couleurs et il nlest plus possible non plus, de moduler leur intensité. Il n'est donc pas applicable à la restitution d'images de télévision en couleur, ce qui est bien compréhensible puisqu'on ne dispose que d'un seul paramètre de modulation (V) alors que la télévision en couleur en ne- cessite 3. Cependant, les applications d'un telsystème sont très nombreuses dans le domaine de l'affichage de cartes radars et de données en sortie d'ordinateur, applications dans lesquelles les demi-teintes ne sont en général pas nécessaires et dans lesquelles les composantes bleues du spectre ne sont pas utiles en raison de la faible acuité visuelle de l'oeil dans le bleu. Le développement de tubes cathodiques de type "Pénétron", qui comportent deux couches de luminophore superposées, émettant respectivement dans le vert et le rouge, prouve L'intérêt de ce tyre d'affichage.Dans ces tubes, la variation de la teinte restituée eXt obtenue par la variation de la tension d'accélération du faisceau électronique, variation qui a pour résultat une variation de la profondeur de pénétration dudit faisceau dans les deux couches : à 6 kV par exemple, les électrons ne dépassent pas la première couche et l'émis- sion est de couleur rouge ; à 12 kV, l'essentiel de l'énergie est dissipé dans la deuxième couche et l'émission est de couleur verte ; pour un potentiel de 8 à 9 kV, les deux couches sont excitées et l'émission est de couleur jaune. L'invention étend à la projection sur grand écran les avantages de la restitution d'images en couleur en gardant la simplicité du système de projection en noir et blanc. Elle est caractérisée en ce que lton ajoute, dans un système de-projection en noir et blanc comprenant un relais optique utilisant l'effet électro-optique Pockels, un dispositif déphasant, placé entre le relais et l'analyseur, dispositif qui ajoute un déphasage #, grand par rap2# port au déphasatge # max que peut introduire le relais (environ) 3 Les lignes neutres du déphaseur sont orientées parallèlement à celles du relais, c'està-dire parallèlement à X et Y bissectrices des angles formés par les axes x et y.Le déphasage #peut être choisi compris entre 3# et îO7t, par exemple, pour la longueur d'onde moyenne du spectre (5 500 à 5 700 t). Elle est caractérisée également en ce que l'on pace éventuellement dans le faisceau, en amont ou en aval du relais optique, un filtre qui élimine la fraction de spectre lumineux dont les longueurs d'onde sont inférieu res à une longueur d'onde minimale A gain qui peut être choisie avantageusement entre 4 700 et 5 000 A ; l'intérêt de ce filtre est d'améliorer le contraste de l'image et la saturation des couleurs. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description et des considérations suivantes accompagnées des dessins qui représentent - Fig. 1, un dispositif de rnise en oeuvre d'un relais optique d'image à effet Pockels avec élément déphaseur. - Fig. 2, les courbes de transmission lumineuse du relais optique aux longueurs d'onde 5 000 et 6 000 . - Fig. 3, les courbes de transmission lumineuse du relais optique et du déphaseur à la longueur d'cnde de 5 "tC'J A lorsque le déphasage à cette longueur d'onde est égal auccessivement à 5,5#, 6# et Sur la Fig. 1 apparat pour mémoire un relais à effet Pockels et un exemple de dispositif de mise en oeuvre dudit relais décrit dans les brevets précités auquel on a ajouté un élément déphaseur selon l'invention. Le faisceau de lumière 1 polarisé à l'aide du polariseur 8 éclaire le cristal 2 à effet Pockels contenu dans le tube 3. les axes x et y cristallograpliiques du cristal étant dans un plan perpendiculaire au plan de la figure. Le polariseur 8, de type Glazebrook en calcite par exemple, joue également le rôle d'analyseur pour le faisceau lumineux modulé réfléchi sur le miroir diélectrique 7 déposé sur le cristal. L'objectif 5 projette l'image sur l'écran 6. Le déphaseur 4 est placé entre l'objectif 6 et le cristal 2. Par ailleurs, le tube 3 est équipé de moyens de balayage et d'alimentation convenables notamment pour appliquer le champ électrique au cristal dans le sens de son épaisseur. Compte tenu de l'effet diviseur capacitif introduit par le miroir diélectrique 7, le déphasage t atteint 1n radians lorsque la tension V atteint 150 V environ, pour une longueur d'onde de 5 000 , et 180 V, pour une longueur d'onde de 6 000 AO. Les transmissions lumineuses T'(V) et T"(V) respectivement o o à 5 000 A et 6 000 A sont d'après la formule (1) : # V T' (V) = sin2 (#) 2 150 (3) T" (V) = sin2( Ces caractéristiques de transmission sont reportées sur la Fig. 2 en fonction de la tension V appliquée. Cette figure met en évidence que si la tension V ne dépasse pas 100 V environ T' (V) et T" (V) sont pratiquement proportionnelles et que la variation de V ne produit pas de variation de tein- te appréciable. Par contre, d'après cette même figure, il apparat que Si V pouvait atteindre 900 V la teinte de la lumière projetée varierait entre - une couleur bleu-vert pour V *720 V avec T' &num;1 et T' &num; &num; 0 - et une couleur pourpre pour V &num; 900 V avec T' 0 et T" * 1. Si l'on éliminait du spectre les composantes de longueur d'onde inférieure à 5 000 environ, la teinte de la lumière projetée varierait du vert pour V &num; 720 V au rouge pur V &num;900 V et il en résulterait une meilleure saturation des couleurs et un meilleur contraste. En pratique, les relais optiques considérés ne peuvent pas supporter des tensions signal aussi élevées qui correspondent à des angles de déphasage de l'ordre de 5# à 6#. Selon l'invention, on remédie à cette impossibilité et on obtient le virage aes couleurs à l'aide de faibles tensions V en introduisant en série avec le relais optique un dispositif déphaseur qui introduit un déphasage fixe +, fonction de la longueur d'onde, qui produit le même effet que le relais optique pour une tension e 720 V par exemple, ce dépnasage. # prenant alors pour les lon- gueurs d'onde # = 5 000 A et 6 000 A respectivement les valeurs #' &num; (2n + 1)# (# = 5 000 ) (4) #" &num; 2n# (# = 6 000 ) n étant un nombre entier. Comme l'effet Pockels est linéaire, le déphasage introduit par le relais optique E 'aJoute algébriquement au déphasage introduit par le déphaseur lorsque les lignes neutres de ces deux dispositifs sont parallèles. En présence du déphaseur, il suffit donc d'une tension signal qui varie entre 0 et 180 V pour obtenir le même effet qu'avec une variation entre 720 et 900 V en l'absence de déphaseur. Le même virage le lumière est obtenu avec un signal variant entre - 180 V et O si on c@cisit à 5 000 #' &num; 2 n# à 6 000 #" &num; (2n-1)# (5) ou encore avec un signal variant entre - 90 V et + 90 V si on choisit à 5 000 Aû #' &num; (2n + à 6 000 #" &num; (2n - )# (6) De ces considérations se déduit le fait que le choix du dépha- ~ s introduire à la longueur d'onde moyenne du spectre 5 500 A à 5 700 n'est pas critique puisqu'une variation du # moyen peut être compensée par une variation de la tension moyenne appliquée au relais optique. Selon l'invention, le choix du type de déphaseur est large. On peut utiliser un compensateur e raval, ais on peut tout aussi bien utiliser des lames cristallines déphasantes taillées dane un matériau biréfringent par exemple de mica cu de quartz ou plus simplement des lames déphasantes en matière plastique telles que celles fabriquées par la firme Polaroïd. Les formes de réalisation de l'invention sont dépendantes des propriétés de biréfringence des matériaux utilisés. Dans le cas où le matériau possède une biréfringence a n peu dispersive en fonction de la longueur d'onde, on peut en première approximation négliger dans le calcul du déphasage fla variation due à la variation de An ; c'est le Oas qu quartz par exemple où #n ne varie que de 1,6 % en valeur relative entre 5 000 A et 6 000 A ;; t est alors inversement proportionnel à la longueur d'on de | c'est-à-dire Yd) Ijolfb où $ est le déphasage (7) moyen à la longueur d'onde moyenne Jo. L'expression de la transmission peut alors s'écrire expression mettant en évidence que le déphaseur joue le rôle d'une tension continue de valeur élevée superposée au signal appliqué au relais optique.On voit également que la transmission ne dépend pas du signe de (#+ y) et que l'on peut obtenir les mêmes résultats en utilisant une tension de signe opposé à celui indiqué dans les exemples ci-dessus à condition de changer simultanément le si gne de # ce qui est obtenu en faisant tourner le déphaseur de 900 dans son plan (permutation des lignes neutres parallèles à X et Y). A l'aide d'un tel matériau on réalise un dispositif où les expressions (6) se trouvent totalement satisfaites avec n = 3 lorsqu'on choisit un déphasage# e 6TIà une longueur d'onde voisine de 5 500 A. Dans le cas où le matériau déphaseur est trop dispersif et où l'approximation (7) n'est plus valable, on doit noter que an décrott avec la longueur d'onde. La décroissance de' Dans certains modes de réalisation, lorsque le rélais optique fonctionne en double trajet comme c est le cas de ceux qui font l'objet des brevets précités ou celui de la Fig. 1, le déphaseur est traversé deux fois par le faisceau et le déphasage qu'il in troduit pour un trajet doit être de 4 ou 6#/2 seulement à 5 500 AO. Lorsqu'on se place dans le cas des exemples ci-dessus, le déphaseur peut être réalisé par exemple en accolant 4 ou 6 lames quart d'onde fabriquées par la Polaroïd. Un autre moyen de le réaliser est d'utiliser du quartz. Dans le cas où on voudrait utiliser une lame de quartz dont la biréfrin- gence a n est voisine de 0,0092, son épaisseur e devrait être telle que ebn = 6 x #### = soit e&num;90 il est difficile de réaliser une lame aussi fine. Pour tourner cette difficulté, selon 1 invention on utilise deux lames de quartz dont les épaisseurs e' et e" sont de l'ordre de 1 mm, mais différentes e 90/u e' - e" = 90 Les deux lames sont orientées de telle sorte que leurs axes optiques soient perpendiculaires afin que les déphasages qu'elles introduisent se soustraient et que le déphasage résuant soit équivalent à celui d'une seule lame de 90/u d'épaisseur. Le choix du déphasage moyen #. et de la longueur d'onde #. dépend des couleurs des contrastes désirés ainsi que du spectre lumineux utilisé et de l'amplitude maximale possible de la tension signal. Afin de mieux faire apparattre différentes formes de réalisation et leur diversité dans le cas d'une utilisation d1un matériau déphaseur peu dispersif c'est-à-dire dont la variation det n est négligeable en fonction de 2 en comparaison de la variation des et pour lequel la transmission peut s'écrire sous la forme (8), on a représenté à la Fig. 3 les courbes de transmission pour les valeurs de # + # égales à 5#, 5,5#, 6# et 6,5#à # = 5 700 A. L'échelle des abscisses sur cette figure a été choisie linéaire en 1/# de façon à ce que les courbes de transmission soient des sinusoIdes(d'après (8)), Lés courbes 31, 32, 33, 34 correspondent respectivement aux valeurs de # + # égales à 5#, 5,5#, 6# et 6,5#. Dans le cas où la source dé lecture est une source à spectre continu telle qu'une lampe à incandescence ou une lampe à Xénon, suivant que le spectre utile couvre de 4 500 à 6 500 A ou qu'il est limité à la bande 5 000 - 6 500 , on obtient les couleurs in diquées dans le tableau ci-dessous en regard des valeurs de deux + + à 5 700 A et des bandes de filtrage. # + # bande bande à 5 700 4 500 6 500 5 000 - 6 500 5 # jaune jaune 5,5# rouge pourpré rouge 6 # pourpre brun 6,5 # bleu-vert vert La présence du filtre permet d'obtenir des couleurs plus saturées et surtout un meilleur contraste lorsqu'on désire que les informations soient projetées sur un fond aussi sombre que possible. Ce fond sombre est obtenu dans l'exemple ci-dessus pour #+# = 6# à 5 700 .Il correspond au signal nul si l'on choisit un déphaseur tel que d'agrès (7). #.#. = 6#. 5 700 rd . Les signaux que l'on doit appliquer pour obtenir les couleurs suivantes sont alors voisins de + 85 V pour le vert - 85 V pour le rouge -170 V pour le jaune Si le déphaseur ne vérifie pas exactement la valeur du produit #@.#. = 6#. 5 700 rd , il suffit d'ajouter ou de soustraire une tension constante aux valeurs ci-dessus. Le cnoix d'une longueur d'onde de coupure comprise entre o o un 4 500 et 5 000 A > 4 700 A par exemple, est/compromis intéressant car il permet d;obtenir un vert plus bleuté et un contraste acceptable. Un contraste plus grand que celui résultant du filtrage à 5 000 A, dans exemple ci-dessus, peut être obtenu lorsque la courbe de transmission correspondant au point de repos est plus étalée, la somme ( + + t), à 5 700 A étant alors réduite à 4#ou même 2 Dans le cas où, pour les nécessités de l'application de l'invention l'on utilise une source dont le spectre est très différent d'un spectre continu, on peut avoir intérêt à choisir d'autres va @urs de Ç t + t) à 5 700 A. En particulier. si l'on utilise une le à vapeur de mercure dont les raies les plus importantes sont à 5 460 et 5 780 , on a intéret à choisir une valeur plus grande du déphasage moyen : 8# ou même 10# , par exemple, et à filtrer les composantes du spectre le longueurs d'onde inférieures à 5 000 ou 5 200 . Etant donné que la teinte du fond peut être choisie différen- e de celle des exemples ci-dessus et que, par ailleurs, elle peut etre obtenue pour un signal non nul, il n'est pas nécessaire que le déphasage introduit, à la longueur d'onde moyenne du spectre utilisé, soit un multiple de 2 #. On peut donc choisir, en pratique, suivant le type de source lumineuse utilisée, n'importe quelle valeur de déphasage comprise entre 2# et 10#. REVENDICATIGNS 1. Dispositif d'affichage de données en couleur comprenant un relais optique d'images utilisant l'effet électro-optique Pockels dans une lame monocristalline, des moyens de collection, de polairisation, d'analyse et de projection d'un faisceau de lumière modulé par ce relais, caractérisé en ce que des moyens de déphasage e la lumière sont placés entre le relais et les moyens de polarisation et/ou 'anzlse de la lumière. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de déphasage introduisent un déphasage compris entre 21(et 1 d radians, à la longueur d'onde moyenne du faisceau de lumière utilisé. 3. Dispositif selon les revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que les moyens de déphasage sont constitués par nn compensateur de Bravais. 4. Dispositif selon les revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que les moyens de déphasage sont constitués par une superposition de lames déphasantes en matière plastique. 5. Dispositif selon les revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que les moyens de déphasage sont constitués par une lame cristalline biréfringente. 6. Dispositif selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens de déphasage sont constitués par deux lames de quartz, d'épaisseurs différentes, taillées parallèlement à l'axe optique, les lames étant placées de façon que leurs axes optiques soient perpendiculaires. 7. Dispositif selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que un filtre éliminant les composantes de longueur d'onde inférieure à une longueur d'onde de coupure #min est placé sur le trajet lumineux. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la longueur d'onde de coupure # min est comprise entre 4 500 et 5 200 .