Brevet FR2382730A1 — publié le 19780929

La présente invention concerne un procédé d'inscription de données graphiques, sous forme de biréfringence localisée, dans une céramique ferroélectrique ainsi qu'un dispositif de mise en oeuvre du procédé. Par données graphiques, on entend des lignes, des traits, des caractères alpha-numériques pouvant être enregistrés pour ensuite être projetés sur un écran au moyen d'un dispositif optique. Les données graphiques doivent de préférence être effaçables électriquement de façon sélective. L'inscription doit de plus être réalisée avec un bon contraste. On sait que le développement des besoins d'affichage de données a rendu nécessaire la mise au point de systèmes Flectro-optiques permettant l'observation d'informations affichées sur une grande surface par un certain nombre de personnes. L'utilisation de tubes cathodiques ne permet la projection que sur des écrans relativement petits (de l'ordre du m2) à cause de la luminosité limitée de la source. D'au-tres systèmes permettent la projection sur de très grands écrans, par exemple liEidophore, le tube Titus qui autorisent 2 des projections jusqu'a 100 m2 de grandeur d'écran. Ces dis- positifs, s'ils ont de bonnes performances, sont de nature compliquée et sont motteux, ce qui nuit leur diffusion.Le développement de-dispositifs relativement bon marché permettant la projection de données sur des écrans de grandeur intermédiaire reste à faire. Des écrans intermédiaires de l'ordre de quelques 2 m sont particulièrement intéressants pour les besoins indus- triels ou domestiques, L'utilisation, dans ce but, de céramiques ferroélectriques transparentes a été proposée dès la mise au point de ces matériaux (vers 1973) ; les critères de qualité de ces céramiques qui sont particulièrement intéressants pour la visualisation optique, sont la transparence et lwhomogénéité des propriétés optiques. Avant de décrire l'apport de la présente invention, rappelons les différents principes physiques utilisables et qui ont déjà été proposés pour des applications du mime type. Les céramiques PLZT sont des matériaux frittés a partir de poudres de composition : n% de zirconate de plomb et l-n% de titanate de plomb. Dans ces céramiques, un certain pourcentage X% de plomb est substitué par du lanthane, ce qui entralne la transparence. X est en général inférieur a 9%. Ces matériaux sont désignés par des notations de type X/65/35 (dans ce cas, zirconate et titanate sont dans les proportions 65%-35%). On peut inscrire des informations dans un matériau ferroélectrique en appliquant un champ électrique, soit longitudinal, soit transverse, par rapport a la direction de propagation de la lumière dans le matériau.Les céramiques se trouvant le plus souvent sous forme de disques très plats, les champs transverses sont parallèles aux faces de la céramique. Les céramiques peuvent avoir 100 à 300 microns d'épaisseur par exemple. Beaucoup de ces matériaux présentent le phénomène de biréfringence, c' est-à-dire des indices de réfraction différents pour les ondes ordinaires et extraordinaires se propageant dans la céramique. Cette biréfringence est induite par des champs perpendiculaires à la direction de propagation de la lumière, par exemple des champs transversaux. Cette biréfringence peut être mise en évidence grâce à deux polariseurs. De tels dispositifs sont utilisés pour réaliser des obturateurs de grande surface mais sont d'emploi difficile pour des afficheurs à grande résolution (par exemple 500 x 500 points utiles). De tels afficheurs ne peuvent pratiquement qu'utiliser une commande par champ longitudinal. On peut appliquer le champ désiré par coincidence au croisement de deux réseaux d'électrodes parallèles (matrices XI) mais cette disposition entrat- ne la présence d'un nombre excessif de fils de connexion. Un adressage optique peut entre avantageusement utilisé si l'on dépose sur la céramique une ou deux couches photoconductrices. Un laser d'écriture insole localement le ou les photoconducteurs pendant qu'une tension d'inscription est appliquée sur les électrodes transparentes recouvrant l'ensemble. Compte tenu de la différence des constantes de temps entre les zones éclairées, il s'établit dans le PLZT un champ longitudinal (et non transverse comme dans l'invention), qui permet l'inscription. Plusieurs principes d'inscription ont été proposés dans l'art antérieur 1) On choisit une céramique de composition telle qu'à la température utilisée, elle soit toujours non diffusante.Grâce à un système mécanique, on soumet la céramique à une contrainte qui la met en flexion : ceci entrasse une biréfringence induite (comme l'aurait occasionné un champ transverse uniforme appliqué à toute la céramique). L'observation entre deux polariseurs met en évidence cette biréfringence. L'excitation locale du photoconducteur, en permettant l'application d'un champ longitudinal annule la biréfringence. Ce principe permet d'obtenir un bon contraste comme tous les systèmes utilisant la variation de birefringence. Mais les difficultés inhérentes à la contrainte mécanique (uniformité difficile à obtenir) rendent ce principe mal utilisable. 2) On peut choisir une céramique de composition telle qu'elle puisse se trouver dans plusieurs états stables à la température utilisée (8/65/35 ou 7/65/35 par exemple si la température est la température ambiante). A) - Après application d'un premier champ électrique supérieur à un certain champ de seuil, on obtient un état polarisé électriquement et un comportement ferroélectrique : le renversement du champ légèrement au-delà du champ coercitif place le matériau dans un état dépolarisé électriquement. Ces deux états (polarisés et dépolarisés électriquement) diffusent légèrement la lumière, qui traverse le matériau (et par voie de conséquence, la lumière est dépolarisée). Dans les cas des 8/65/35 et 7/65/35 à gros grains, la diffusion est légèrement supérieure dans l'état dépolarisé électriquement, à celle de l'état polarisé électriquement. On peut donc réaliser un afficheur qui utilise les proprié tés-de diffusion de la lumière, adressable optiquement, effaçable électriquement et sélectivement, en combinant l'application de champs electriques positif ou négatif avec l'adressage optique au moyen d'un faisceau laser focalisé au point à écrire (ou à effacer). Cette solu tion a été proposée mais donne un contraste faible à cause de la faible différence de diffusion entre les états polarisés et dépolarisés électriquement. B) - Le mSme type de céramique peut être mis dans un autre état stable dépolarisé thermiquement en la chauffant au-dessus d'une température dite de transition Tt (600C pour le 8/65/35), et en la refroidissant au-dessous de T t ; au-dessous de T t la céramique est transparente iso trope, non diffusante et non dépolarisante. L'applica tion locale d'un champ supérieur au champ de seuil va mettre la céramique dans l'état polarisé électriquement et diffusant la lumière. L'utilisation d'une optique de projection avec diaphragme va visualiser les zones ins crites, le contraste étant meilleur que précédemment a cause de la plus nette différence d'intensité diffusée entre les deux états polarisés électriquement et dépola risés thermiquement.L'utilisation d'un écran strioscopi que, au point de convergence de la lumière, inverse et augmente légèrement le contraste, mais la luminosité obtenue est alors très faible. Avec ce principe, l'effa cement ne peut être que thermique (passage au-dessus de Tt) et compte tenu de la masse importante de matériau, on ne peut plus effectuer d'effacement sélectif. I1 serait avantageux de réaliser un afficheur utilisant les variations locales de biréfringences induites par un champ transverse (bon contraste) à condition de pouvoir utiliser un champ appliqué longitudinal (permettant l'adressage optique). Une exploitation de cette idée a été proposée pour réaliser des afficheurs alphanumériques à observation directe (J. of solid state chemical 12 - 1975, pages 190 à 192, revue EDN Magazine 1975 - 20 mai - page 16 et certificat d'utilité français 2275126.) Dans ces documents, une céramique est recouverte sur une face d'une électrode pleine couche. La zone à visualiser est une électrode structurée comme une grille déposée sur l'autre face.En appliquant la tension, les lignes de champ qui s'établissent dans la céramique ne sont pas perpendiculaires aux faces, mais obliques et il existe une composante transverse. Celle-ci crée la biréfringence dont on tire parti par l'emploi de polariseurs linéaires (ou circulaire dans le cas de l'observation en réflexion). Ce principe a été proposé pour s'appliquer a des céramiques du type 9/65/35 : la biréfringence induite est une fonction quadratique de la composante transverse du champ et la mémorisation est du type électrostatique la grande résistivité du matériau permet à la charge de se conserver (ainsi que le champ) sans maintenir le dispositif connecté à la source de tension. L'effacement se fa4t par simple court-circuit. La présente invention concerne un procédé d'inscription de données graphiques sous forme de biréfringence localisée dans une couche PLZT initialement isotrope recouverte sur une face d'une première électrode transparente et sur l'autre face d'une couche photoconductrice. Cette couche photoconductrice est elle-même recouverte par une seconde électrode. Le procédé selon l'invention est caractérisé en ce qu'on inscrit les données graphiques en appliquant une différence de potentiel continu AV entre les deux électrodes et en insolant simultanément une partie de la surface de la couche photoconductrice à travers ladite seconde électrode ; puis on interrompt après l'insolation l'alimentation en tension des deux électrodes. De même, après l'inscription, on efface les données graphiques inscrites en appliquant entre les deux électrodes une différence de potentiel - AV' bien choisie d'amplitude inférieure 9 AV, de signe opposé à la différence de potentiel d'inscription et on insole simultanément la même partie de la surface de la couche photoconductrice à travers ladite seconde électrode ; on interrompt ensuite après insolation l'alimentation en tension des deux électrodes. L'invention concerne également un dispositif d'inscription et d'effacement comprenant une couche PLZT, une couche photoconductrice déposée sur une première face de la couche PLZT, une première électrode transparente recouvrant une seconde face de la couche PLZ-T, une seconde électrode recouvrant la couche photoconductrice, des moyens pour insoler une partie de la surface de la couche photoconductrice, des moyens pour appliquer simultanément avec l'insolation une différence de potentiel entre les deux électrodes. Comme on le verra mieux par la suite, l'insolation rend la couche photoconductrice conductrice au voisinage de la surface insolée, ce qui modifie la répartition des champs électriques imposée par les deux électrodes en créant un champ transverse, ce champ transverse induit la biréfringence et permet l'inscription et par conséquent l'affichage. L'opération est réversible, l'effacement se faisant comme l'inscription. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparattront mieux après la description qui suit d'exemples de réalisation donnés à titre explicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées sur lesquelles on a repre- sente - sur la figure 1, un schéma définissant les champs électriques longitudinal et transverse sur une pastille de céramique - sur la figure 2, l'écart An entre les indices ordinaires et extraordinaires en fonction du champ électrique transverse appliqué - sur la figure 3, un schéma de réalisation du dispositif selon l'invention - sur la figure 4, une variante de réalisation du dispositif selon l'invention - sur la figure 5, un mode de mise en oeuvre du dispositif selon l'invention pour la visualisation. Sur la figure 1, on a représenté une céramique 2 de type PLZT pour illustrer l'allure des champs transverses et longitudinaux. Deux électrodes 4 et 6 créent un champ EL longitudinal, c'est-à-dire parallèle à la propagation supposée de la lumière selon la flèche 8 Les électrodes 10 et 12 créent un champ transverse ET perpendiculaire à la direction de propagation de la lumière. Sur la figure 2, on a représenté les courbes de variation An en fonction du champ électrique transverse tel qu'observé par exemple sur une céramique du type 8/65/35. An est l'écart entre l'indice ordinaire et l'indice extraordinaire pour les deux types de radiation se propageant dans la céramique. La courbe 14 représente les variations An pour une certaine direction du champ électrique ET alors que la courbe 16 représente les mêmes variations pour une direction opposée du champ électrique ET. Pour le champ nul, il subsiste un écart d'indice rémanent Anr, ce qui permet de conserver l'affichage après supression de toute excitation. Sur la figure 3, on a représenté le dispositif permettant l'inscription et l'effacement sélectif sur la céramique ferroélectrique PLZT 18. Cette céramique est recouverte sur une face d'une électrode 20 transparente et sur l'autre face d'une couche photoconductrice 22 elle-meme recouverte d'une seconde électrode 24. Une alimentation 26 impose une différence de potentiel entre les électrodes 20 et 24. L'insolation est réalisée au moyen du faisceau 27 qui dans un mode de réalisation préférentiel de 11 invention, est un faisceau laser. Ce faisceau est focalisé sur la partie 28 de la couche photoconductrice. Les lignes de champ électrique E sont représentées dans la céramique PLZT selon les flèches 30 et 32. Lorsque la couche photoconductrice n'est pas insolée, le champ électrique E est perpendiculaire aux deux électrodes et uniforme ; il n'a pas de composante transverse. En revanche, lorsque la couche photoconductrice est insolée, la résistance du photoconducteur chute pour court-circuiter le photoconducteur, et le potentiel de l'électrode 24 est appliqué localement au voisinage du point d'insolation. Les lignes de champ électrique ont alors l'aspect figure en 32 à cause de 11 effet de hord introduit par la partie conductrice 28. Le champ électrique a une composante transverse ET induisant une biréfringence qui permet l'inscription désirée. Ensuite, quand la partie de la surface désirée a été insolée, on coupe le faisceau laser et cn interrompt l'alimentation au potentiel entre les deux électrodes 24 et 20.La tension délivrée par l'alimentation 26 est de 1'ordre de quelques centaines de volts. Le temps d'inscription doit être de l'ordre de quelques dizaines de micro-secondes, pour éviter que, lors de l'application de la tension, la face de la céramique en contact avec la couche photoconductrice devienne une equipotentielle au même potentiel que l'électrode ; en effet, la couche photoconductrice conduit toujours un peu le courant même quand elle n'est pas insolée et on ne peut évidemment pas laisser indéfiniment la tension appliquée aux bornes de l'ensemble. Lors de I'effa- cement on peut appliquer le même faisceau 26 ou un autre faisceau a condition de changer la direction du champ électrique pour que la composante ET induise une biréfringence de signe opposé à celui de l'inscription.Le faisceau laser se déplace de façon à ce que la tache focale inscrive une figure donnée, le long de la flèche 34 par exemple. La longueur d'onde de la lumière d'insolation correspond de préférence au maximum de photosensibilité du photoconducteur. Le dispositif représenté sur la figure 3 peut travailler en transmission pour l'affichage de données, c'est-à-dire être placé entre deux polariseurs (voir figure 5) et éclairé. Les électrodes 20 et 24 et la couche photoconductrice 22 sont alors transparentes dans le visible. Sur la figure 4, on a représenté une variante de réalisation du dispqsitif destiné à travailler en réflexion. Sur cette figure, la couche de céramique PLZT 18 est disposée entre une première électrode transparente 20 et un miroir 38 composé d'une mosaïque fragmentée de petits carreaux de quelques 20 microns de côté espacés de 10 microns par exemple ; les rainures entre les carreaux telles que 40, sont remplies d'un miroir diélectrique par exemple. La céramique PLZT est par exemple de 80 microns d'épaisseur. Le dispositif de la figure 4 travaille en réflexion, ce qui permet de découpler la fonction lecture et la fonction écriture/effacement. En effet, la lumière de lecture après réflexion sur la mosalque de miroirs repart dans le PLZT et n'impressionne pas le photoconducteur : le faisceau d'écriture/effacement excite le photoconducteur par l'autre coté sans avoir à traverser le PLZT. D'autre part, le photoconducteur n'est pas obligatoirement transparent dans le spectre visible. Le photoconducteur 22 est déposé sur le miroir 38, l'autre face du photoconducteur étant au contact de l'électrode 24, laquelle est collée par la colle 42 sur un substrat transparent 44. La lumière de lecture 46 est envoyée du caté PLZT et est réfléchie par la monarque de miroirs métalliques 38 et par les rainures comblées par les miroirs diélectriques 40. La biréfringence locale modifie la polarisation de la lumière incidente au cours de la double traversée et est mise en évidence par un système d'analyseurs croisés classiques (non représentés et auxquels on ajoute de façon connue, dans le cas de la réflexion, une lame quart d'onde, telle qu'expose dans le brevet français 2 275126). Le faisceau d'écriture ou d'effacement 27 est envoyé sur le photoconducteur a travers le substrat 44. Le miroir métallique doit être fragmenté sous forme de micro-mosaSque pour que seule la surface de miroir élémentaire soit équipotentielle et corresponde à la limite de résolution. Sur la figure 5, on a représenté un dispositif d'affichage utilisant le dispositif 50 tel que représenté sur la figure 3, après inscription. Ce dispositif, travaillant en transmission, est inséré de façon très classique entre deux analyseurs croisés 52 et 54. Seules les parties ou une certaine biréfringence a été induite lors de l'inscription, telles que 58 sont lumineuses puisqu'elles laissent passer a lumière vue par un observateur 60. REVENDICATIONS 1. Procédé d'inscription de données graphiques sous forme de biréfringence localisée dans une couche PLZT isotrope recouverte sur une face d'une première électrode transparente et sur l'autre face d'une couche photoconductrice, cette couche photoconductrice étant elle-meme recouverte par une seconde électrode, caractérisé en ce qu'on inscrit les données graphiques en appliquant une différence de potentiel continu AV entre les deux électrodes et en insolant simultanément une partie de la surface de la couche photoconductrice à travers ladite seconde électrode, les données graphiques étant inscrites par-biréfringence localisée, ladite biréfringence étant induite par exploitation de composantes transversales du champ électrique créées par la conjonction de l'insolation optique locale et de l'application de la différence de potentiel AV et en ce qu'on interrompt après l'insolation l'alimentation en tension des deux électrodes. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on efface ensuite les données graphiques inscrites en appliquant entre les deux électrodes une différence de potentiel -avw bien choisie, d'amplitude inférieure à AV, de signe opposé à la différence de potentiel d'inscription AV et en ce qu'on insole simultanément la même partie de surface de la couche photoconductrice, à travers ladite seconde électrode et en ce qu'on interrompt après insolation l'alimentation en tension des deux électrodes. 3. Dispositif d'inscription et d'effacement de données graphiques sous forme de biréfringence localisée dans une couche PLZT, caractérisé en ce qu'il comprend - une couche PLZT d'un type présentant une biréfringence rémanente lorsque la tension qui lui est appliquée est annulée, - une couche photoconductrice déposée sur une première face de la couche PLZT, - une première électrode recouvrant une seconde face de la couche PLZT, - une seconde électrode transparente recouvrant la couche photoconductrice, - des moyens pour insoler une partie de la surface de la couche photoconductrice, - des moyens pour appliquer, simultanément avec l'insolation, une différence de potentiel entre les deux électrodes. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend de plus un miroir fragmenté sous forme de micro-mosaSque disposé entre la couche PLZT et la couche photoconductrice. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que des rainures entre deux fragments du miroir en forme de micro-mosaSque sont remplis de couches diélectriques formant miroir. 6. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens pour insoler une partie de la surface de la couche photoconductrice consiste en un faisceau laser mobile focalisé sur la couche photoconductrice. 7. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la seconde électrode est recouverte d'une couche de colle transparente faisant adhérer l'ensemble du dispositif sur un substrat transparent.