Brevet FR2471616A1 — publié le 19810619

La présente invention concerne les dispositifs servant à moduler les flux lumineux et utilisés pour l'enregis- trement, le stockage et le traitement d'informations présentées sous forme d'images, et a notamment pour objet un modulateur de lumière à modulation spatio-temporelle commandé optiquement, c'est-à-dire un modulateur qui, commandé par un flux lumineux d 'enregistrement qui lui est appliqué et qui porte une information optique variant dans le temps, réalise la modulation d'un flux lumineux de lecture en fonction de l'image enregistrée. L'invention s'applique de préférence aux systèmes de traitement optique d'informations en temps réel. On connait des modulateurs de lumière à- modulation spatio-temporelle commandée optiquement, utilisant l'effet de photoconductibilité et effet électro-optique linéaire de Pockels. Tous ces modulateurs comportentw en tant que l'un de leurs éléments principaux, un cristal électro optique. Le modulateur faisant l'objet de l'invention appartient à cette catégorie de modulateurs. Tous les modulateurs connus de ce type fonctionnent en régime cyclique comportant nécessairement des étapes d'enregistrement, de lecture et d'effacement de leinforw mation optique. Dans ces modulateurs, le flux lumineux de lecture est modulé conformément à la répartition spatiale de l'intensité de la lumière dans le flux lumineux de commande, tandis que l'amplitude de la modulation en chaque point du plan du modulateur est déterminée par l'éclairement par la lumière d'enregistrement dans chaque cycle. Or, dans bien des cas, il est important dans les systèmes de traitement d'informations de réaliser la modu lationduflux lumineux de lecture en fonction des variations temporelles de la répartition de l'intensité de la lumière dans le flux lumineux de commande Les modulateurs de lumière connus à modulation spatio-temporelle commandés optiquement du type mentionné, ne peuvent assurer une telle modulation directement, sans employer un système approprié d'organisation de leur travail, et même lors qi'issont pourvus d'un tel système, ils ne permettent pas de faire varier d'une manière ininterrompue le coefficient de modulation en fonction des variations de la répartition de l'intensité lumineuse dans l'image en cours d'enregistrement. Ainsi, on contact un modulateur de lumière à modulation spatio-temporelle, commandé optiquement, appelé "phototytus". Ce modulateur présente une structure multi-couche formée de la série d'éléments suivante : une électrode transparente, une couche de photoconducteur amorphe, un miroir diélectrique, une plaque de cristal électro-optique uniaxial en dihydrophosphate de potassium deutérié KD2P04, une électrode transparente (voir M.Grenot, J.Pergrale, J.Donjon, G.Marie, "New electrooptic light vlave device for image and processing", Appl. Phys.Lett, vol.21, No. 3, 1972, p. 83). Le modulateur "phototytus" fonctionne de la façon suivante. Sous l'effet de l'éclairage du modulateur par le flux lumineux de commande porteur d'informations, du ctté du photoconducteur, dans ce dernier sont engendrés des porteurs de charge électrique libres. Quand une tension est appliquée aux électrodes, il se crée dans le modulateur un champ magnétique dont le vecteur d'intensité est orienté le long du flux lumineux de commande. Sous l'effet de ce champ, les porteurs de charge électrique engendrés se déplacent et sont piégés en états énergétiques locaux. De ce fait, il se produit une répartition irrégulière de la charge électrique, correspondant à la répartition de l'intensité lumineuse dans le flux lumineux de commande. Du fait de la présence du champ électrique à répartition irrégulière de la charge électrique, il se produit dans le photoconducteur une variation des porpriétés de biréfringence du cristal électro-optique, ce qui assure la modulation, suivant l'état de polarisation, de la lumière de lecture polarisée linéairement en fonction de l'information contenue dans le flux lumineux de commande. Lors de la lecture, la lumière de lecture, après avoir traversé la plaque de cristal électro-optique, est réfléchi par le miroir diélectrique, ce qui permet d'éviter la destruction du relief de la charge dans le photoconducteur. Le fonctionnement du modulateur "phototypusl' est basé sur l'effet électro-optique longitudinal de Pockels, c'est-à-dire sur un effet pour lequel les propriétés de biréfringence du cristal et, par conséquent, la modulation de la lumière de lecture ne sont déterminées que par les composantes du vecteur d'intensité du champ électrique interne qui sont parallèles à la direction de propagation de la lumière de lecture.Dans ces conditions, la caractéristique du coefficient de modulation en fonction du temps en tout point du plan du modulateur, au moment de l'éclairement de ce point par le flux lumineux de commande, se présente sous forme d'une courbe comportant une zone de saturation dans laquelle la valeur de l'amplitude de modulation reste inchangée pendant toutes les variations subséquentes de l'intensité lumineuse au point correspondant du plan du modulateur, dues aux variations de la répartition spatiale de lintensité lumineuse dans le flux lumineux de commande.De ce fait, pour modifier le coefficient de modulation lors de la variation de la répartition spatiale de l'intensité du flux lumineux de commande, il est nécessaire d'effacer l'image enregistrée A cet effet, il convient de court circuiter les électrodes et d'éclairer le photoconducteur avec un flux limineux uniforme engendrant des porteurs de charge libres. De ce qui précède, il devient évident que le modulateur iphototytus" ne permet pas d'assurer une modulation continue en fonction des variations temporelles de la réparti- tion spatiale de l'intensité du flux lumineux de commande Ladite modulation peut être réalisée en soumettant successivement dans le temps le modulateur "phototytus" à un éclairement par le flux lumineux de commande, accompagnée de l'inversion de polarité de la tension appliquée aux électrodes. Dans ce cas, le coefficient de modulation subit l'influence de la répartition irrégulière de l'intensité du flux lumineux de commande.Toutefois, ici encore, du fait de la nature cyclique du régime de fonctionnement du modulateur, il est impossible de réaliser la modulation continue en fonction des variations de la répartition spatiale de l'intensité du flux lumineux- de commande. On connatt également un modulateur de lumière à modulation spatio-temporelle commandé optiquement, comportant une plaque de cristal électro-optique photoconducteur à symétrie cubique sans centre d'inversion, dans laquelle, du chté des plans orientés par rapport aux axes du cristal et exposés aux flux lumineux, sont disposées des électrodes transparentes. Dans ce modulateur de lumière, on utilise en qualité de cristal à symétrie cubique sans centre d'inversion, des cristaux de sillénite de silicium Bi12Si020 ou de sillénite de germanium Bi12Ge020.Etant donné que les cristaux de ce type possèdent à la fois des propriétés photoconductrices et électro-optiques, la répartition irrégulière de la charge électrique se fait directement dans le volume du cristal électro-optique (voir J.Feinleib, D.S.Oliver, "Reusable Optical Image Storage and Processing Devise, Appl.Optics, v.I, No 12, 1972, p. 2752). Ce modulateur, appelé modulateur "PROM", constitue l'art antérieur le plus proche du dispositif faisant l'objet de l'invention. Dans le modulateur "PROM" du type mentionné, au moins une électrode transparente est isolée de la plaque de cristal au moyen d'une couche de diélectrique, et les plans de la plaque sont orientés perpendiculairement à l'axe (100),conformémént aux indices de-Muller,du cristal. Du fait de cette orientation des plans de la plaque traversée par les flux lumineux, les composantes transversales du champ électrique interne de la charge formée à la suite de l'application du flux lumineux enregistreur de commande, n'exercent aucun influence sur les propriétés de biréfringence du cristal, et par conséquent, n'ont aucun effet modulateur sur le flux lumineux de lecture. De ce fait, tout comme le modulateur "phototypus", le modulateur "PROM" n'utilise que l'effet électro-optique longitudinal de Pockels. Le fonctionnement du modulateur "PROM" est analogue à celui du modulateur "phototytus" et nécessite également des étapes d'application du flux lumineux enregistreur de commande, pour former le relief de la décharge de modulation de la lumière de lecture, et d'effacement du relief de ladite charge.De même que dans le cas de l'emploi du modulateur "phototytus", le modulateur "PROU" permet une modulation en fonction des variations de la répartition spatiale de ltintensité du flux lumineux de commande, survenues au bout d'un certain laps de temps Ceci est obtenu en organisant le fonction nement de la même manière que parlemodulateur t'phototytus" Cependant, du fait de la variation des paramètres du modulateur lors de l'invention de polarité de la tension appliquée aux électrodes, il est nécessaire d'utiliser une paire de modulateurs "PROM" auxquels on applique, successivement dans le temps, le flux-lumineux enregistreur de commande à chaque changement de polarité des tensions appliquées aux électrodes correspondantes de cette paire de modulateurs "PROM". Comme dans le cas du modulateur "phototytus", ceci, d'une part, complique sensiblement le fonctionnement, et d'autre part, étant donné le caractère cyclique du fonctionnement du modulateur "PROM", ne permet pas d'effectuer une modulation continue en fonction des variations temporelles de la répartition spatiale de l'intensité du flux lumineux de commande La présente invention vise donc un modulateur de lumière à modulation spatio-temporelle commandé optiquement, dans lequel le cristal électro-optique et les électrodes seraient associés de façon à permettre la réalisation d'une modulation continue en fonction des variations temporelles de la répartition spatiale de l'intensité du flux lumineux enregistreur de commande. A cet effet, le modulateur de lumière a modulation spatio-temporelle commandé optiquement, du type comportant une plaque de cristal électro-optique photoconducteur à symétrie cubique sans centre d'invention, pourvue d'électrodes transparentes situées du c8té de ses plans orientés par rapport aux axes du cristal et exposées aux flux lumineux, est caractérisé, suivant l'invention, en ce que les plans de la plaque sont orientés sous un angle compris entre 100 et 800, au moins, par rapport à l'un des axes principaux du cristal, et les deux électrodes sont en contact électrique direct avec ces plans. Dans un tel modulateur, tout comme dans les modulateurs connus du type considéré, la direction de propagation des flux lumineux et le vecteur d'intensité du champ électrique extérieur sont parallèles l'un par rapport à l'autre cependant, le principe du modulateur faisant l'objet de l'invention est fondé sur l'effet transversal de Pockels, selon lequel l'action modulatrice n'est exercée que par les composantes du vecteur d'intensité du champ électrique intérieur qui sont perpendiculaires à la direction de la lumière de lecture. Comme il a été établi expérimentalement, dans ce modulateur, la caractéristique de l'amplitude de modulation en fonction du temps pour toute variation de l'intensité lumineuse en un point quelconque du plan du modulateur est une courbe possédant un maximum et une portion descendante. De ce fait, chaque accroissement ou affaiblissement de l'intensité lumineuse en tout point du plan du modulateur conforme à l'invention conduit à un accroissement de l'amplitude de modulation au point correspondant, tandis qu'en cas de répartition stationnaire dans le temps de l'intensité lumineuse dans le plan du modulateur, l'amplitude de modulation se situe à unneeaumasbas, s'accroitt à chaque variation de l'intensité lumineuse.Ceci permet une modulation continue en fonction des variations temporelles de la répartition spatiale de l'intensité du flux lumineux de commande. Comme il a été établi expérimentalement, le modulateur faisant l'objet de l'invention possède une plus large gamme de fréquences spatiales et une plusshaute efficacité diffractive que les types connus de modulateurs de lumière à modulation spatio-temporelle commandés optiquement, ce qui est illustré par les caractéristiques techniques des exemples de réalisation décrits plus loin. En outre,du du fait de l'empoi de cristaux réalisés selon le mode de réalisation principal et de l'absence de diélectriques, il devient possible d'utiliser le modulateur faisant l'objet de l'invention dans une large gamme de températures. Il est utile que dans le modulateur conforme à lvin- vention les plans de la plaque coïncident avec les plans (110) ou (111) du cristal. Il en résulte une plus haute efficacité diffractive. L'invention sera mieux comprise etd'-autres buts, détail s et avantages de celle-ci apparat-tront mieux à la lumière de la description explicative qui-va-suivre de différents modes de réalisation donnés uniquement à titre d'exemples non limitatif s, avec références au dessin unique annexé dans lequel - la figure 1 représente le modulateur conforme à la présente invention, - les figures 2a et 2b représentent les diagrammes, coincidant dans le temps, des variations des intensites du flux lumineux enregistreur de commande et du flux lumineux de lecture en l'un des points du plan du modulateur de la figure 1. La figure 1 représente le modulateur de lumière à modulation spatio-temporelle commandé optiquement, faisant l'objet de l'invention. Comme il ressort de cette figure, le modulateur comporte une plaque 1 en cristal électrooptique présentant des plans de travail, c'est-à-dire des plans recevant des flux lumineux, désignés sur les dessins en S, ainsi que des électrodes transparentes 2 situées chacune du cQté d'un plan Sresoectif et en contact électrique direct avec la plaque 1. En qualité de cristal electro-optique pour la fabrication de la plaque 1, est employé un cristal à symétrie cubique sans centre dgimrer sion.En particuler, il est possible d'utiliser des cristaux du meme type. que celui utilisé dans le modulateur "PROM", c'est-à-dire des cristaux de sillénite de silicium ou de sillénite de germanium. Lors de la fabrication de la plaque 1 à partir de l'un ou l'autre des cristaux mentionnés, on assure l'orientation de ses plans de travail S de façon qu'ils soient disposés sous un angle compris entre-100 et 800, au moins, par rapport à l'un des axes principaux du cristal. Cette disposition peut entre obtenue par simple sciage du cristal sous les angles mentionnés. Les électrodes transparentes 2 sont réalisées sous la forme d'une couche mince d'une matière appropriée quelconque déposée sur les surfaces de travail S par pulvérisation et qui permet d'obtenir un revêtement à la fois élecbnconducteur et transparent. Cetté matière peut être constituée par exemple par le platine ou une. composition d'oxyde stanneux et d'oxyde d'indium. Il est possible de démontrer théoriquement, que quand l'orientation des plans de travail S correspond à une disposition autre que verticale par rapport à l'un des axes principaux du cristal, et que les électrodes 2 sont en contact électrique direct avec la plaque 1, l'action modulatrice n'est exercée sur le flux lumineux de lecture que par les composantes du vecteur d'intensité du champ électrique intérieur qui sont perpendiculaires à la direction de propagation du flux lumineux de lecture, c'està-dire qu'on-utilise l'effet transversal de Pockels. Ceci s'explique de la façon suivante. On sait que les propriétés de biréfringence des cristaux peuvent être décrites au moyen de l'ellipsolde des indices de réfraction, tandis que l'effet de Pockels est exprimé par la variation linéaire de ses coefficients à la suite de la création, dans le cristal, d'un champ électrique. Pour définir la valeur de la biréfringence en chaque point du cristal, il est nécessaire d'établir la section de ltellipsoide des indices de réfraction de manière que son plan soit perpendiculaire à la direction de propagation de la lumière de lecture. Si la lumière de lecture tombe normalement au plan de travail S de la plaque 1, la section de l'ellipsoide des indices de réfraction se trouve dans ce plan.On supposera que la normale au plan S de la plaque 1 forme avec l'un des axes principaux du cristal, par exemple avec l'axe (100), un angle " Sans limiter le caractère général des déductions qui vont suivre, on choisit un système de coordonnées, par exemple de façon que l'axe OZ coïncide avec la normale à la surface de travail S de la plaque 1, et que l'axe OX coincide avec l'axe (001) du cristal, ledit axe OX se trouvant dans le plan S de la plaque 1.Dans un tel système de coordonnées, la section de l'ellipsolde des indices de réfraction peut tre décrite par l'équation suivante 21 ( x2 + y2 ) - 2 r41 0( 2 Ex y2 + EY.yx)sin2 o - Ez yx . cos 20t = 1, où nO est l'indice de réfraction du cristal r41 est le coefficient électro-optique du cristal Ex, Ey, Ez, sont les composantes du vecteur d'intensité du champ électnque le long des axes correspondants. Cette équation montre que les composantes du vecteur d'intensité du champ électrique E et E y n'exercent une x influence sur les propriétés de biréfringence de la plaque 1 que dans le cas où 7'angle diffère de 0 ou de 900. Cela signifie que, si la normale au plan S de la plaque 1 ne coïncide pas avec l'un des axes principaux du cristal, les propriétés de biréfringence de la plaque 1 subissent l'influence de l'effet électro-optique transversal de Pockels. On sait également que, dans le cas de l'effet électrooptique longitudinal de Pockels, l'état de polarisation de la lumière de lecture ayant traversé la plaque de cristal électro optique est déterminé par la différence des potentiels de ses surfaces de travail. Si les deux électrodes se trouvent en contact électrique direct avec les surfaces de travail de la plaque, ces surfaces sont équipotentiels. Dans ce cas, l'effet électro-optique longitudinal de Pockels ne peut assurer la modulation spatiale. Les études expérimentales effectuées ont montré que l'orientation des plans de travail S de la plaque 1 sous un angle de 10 à 800 par rapport à l'un des axes principaux du cristal assure un dépassement suffisant de la valeur de la modulation par rapport au niveau de bruit, et que l'efficacité diffractive dépasse approximativement de deux fois celle du modulateur "PROM". Cela assure un fonctionnement stable et fiable du modulateur faisant l'objet de l'invention. Quand l'orientation des plans de travail S de la plaque 1 coincide avec celle des plans (110) et (111) du cristal électro-optique, l'effet longitudinal de Pockels est complètement exclu, et la modulation atteint une valeur maximale par suite de l'effet électro-optique linéaire transversal. Le modulateur de lumière à modulation spatio-temporelle faisant l'objet de l'invention fonctionne de la manière suivante, quel que soit l'angle choisi dans la plage précitée. Quand on met les électrodes 2 sous tension, celle-ci crée un champ électrique dont le vecteur d'intensité est orienté perpendiculairement aux plans de travail S de la plaque 1. Puis le modulateur est éclairé par un flux lumineux de commande portant des informations sous forme d'une image et orienté perpendiculairement au plan de. travail S de la plaque 1, c'est-à-dire parallèlement au vecteur d'intensité du champ électrique. En conséquence, dans la plaque 1 apparaissent des porteurs de charge libres qui se déplacent sous l'effet du champ électrique et créent une répartition volumique irrégulière de la charge électrique, correspondant à la répartition de l'intensité du flux lumineux de commande.En raison de l'orientation précitée des plans de travail S de la plaque 1, comme indiqué précédemment, les composants transversales du vecteur d'intensité du champ électrique de la charge volumique formée font varier les propriétés de biréfringence de la plaque 1 dans le plan du modulateur, assurant la modulation de la lumière de lecture suivant l'état de polarisation. La nature exacte des phénomènes physiques ayant lieu dans le modulateur, objet de l'invention, n'est pas entièrement claire, mais les études expérimentales montrent ce qui suit. On va examiner un exemple où l'intensité lumineuse en un point quelconque du plan du modulateur varie dans le temps en conformité avec le diagramme représente sur la figure 2-a. En se référant à ce diagramme, on voit que l'intensité lumineuse en un point quelconque du plan du modulateur possède d'abord une valeur constante, puis elle staccroSt brusquement et, au bout d'un certain laps de temps, diminue à nouveau brusquement jusqu'à sa valeur initiale. Pour déterminerla variation de l'amplitude de modulation en un point déterminé du plan du modulateur lors d'une variation correspondante précitée de l'intensité lumineuse en ce point, la lumière de lecture transmise à travers le modulateur a été appliquée à un analyseur de polarisation et l'intensité lumineuse au point correspondant a été enregistrée. La variation de l'intensité de la lumière de lecture lors de la variation de l'intensité de la lumière d'enregistrement et de commande suivant le diagramme 2-a, est représentée par le diagramme 2-b.Ce dernier diagrame montre que lors d'une variation de l'intensité lumineuse en un point quelconque du plan du modulateur, il se produit un accroissement de l'amplitude de modulation de la lumière de lecture au point correspondant, et après avoir atteint son maximum-, ladite amplitude décroSteA noter que l'accroissement de l'ampli tude de modulation a lieu aussi bien lors de l1accrois- sement que lors de la diminution de lXintensite lumineuse au point correspondant du plan du modulateur. Il ressort de ce qui précède qu'une modulation efficace de la lumière de lecture ne s'effectue qu'aulx moments correspondant aux variations de l'intensité du flux lumineux enregistreur de commande. De plus, le modulateur fonctionne en régime continu et n'exige pas un effacement de l'image enregistrée, comme dans le cas des modulateurs de lumière connus à modulation spatio-temporelle commandé optiquement, du même type. Lors des essais expérimentaux, les modulateurs réalisés selon l'invention, dont les plans de travail S de la plaque 1 coincident avec les plans (110) et (111) du cristal, ont manifesté les caractéristiques techniques suivantes. Paramètres du modu- Orientation de la plaque lateur de cristal (111) (110) 1 2 3 Sensibilité de l'enre- gistrement (éclairement nécessaire pour obtenir 1 % d'efficacité diffrac- 4,5.10-6 30.10 6 tive, A Â= 441) J/cm2 J/cm Efficacité diffractive (fréquence spatiale = 4 lignes par mm, tension aux électrodes = 2 kV) 2,5 % 3,5 5' Gamme des fréquences spatiales transmises (à la baisse de l'ef- ficacité diffractive de 4 fois) 1 à 50 lignes par mm Gamme dynamique dans le plan Fourier 106 Température de travail ambiante La description détaillée, donnée dans ce qui précède, des modulateurs faisant l'objet de l'invention sert principalement à faire ressortir le principe et les avantages de l'invention sans toutefois limiter sa portée. Ainsi, il est évident qu'il est possible d'utiliser, en qualité de cristaux à symétrie cubique sans centre d'inversion, outre les sillénites de silicium et de germanium, des cristaux de sillénites de titane, de phosphore, de gallium et d'autres sillénites, ainsi que des cristaux à structure de sphalérite, par exemple des cristaux de sillénite de zinc et autres. D'autres interdépendances différentes des directions du flux lumineux d'enregistrement et du flux lumineux de lecture, ainsi que différentes polarités des tensions appliquées aux électrodes sont également possibles. De plus, suivant les conditions d'emploi du modulateur, il est possible d'effectuer l'éclairage du modulateur par les flux lumineux d'enregistrement et de lecture sous des angles différents de l'angle droit par rapport aux plans de travail S de la plaque 1, à condition d'orienter ces flux lumineux sous un angle de 10 à 800, au moins, par rapport à l'un des axes principaux du cristal, ce qui équivaut aux variantes envisagées. il est également possible d'apporter au modulateur d'autres modifications en comparaison des variantes décrites sans s'écarter pour autant du cadre de l'invention. Par conséquent, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés, qui n'out été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits, ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre de la protection comme revendiquée. REVENDICATIONS 1. Modulateur de lumière à modulation spatio-temporelle commandé optiquement, du type comportant une plaque (1) de cristal électro-optique photoconducteur à symétrie cubique sans centre d'inversion, dont les plans S recevant les flux lumineux sont orientés par rapport aux axes du cristal, et des électrodes transparentes (2) disposées du cté de chacun desdits plans respectivement, caractérisé en ce que les plans de la plaque (1) sont orientés sous un angle de 10 et 800, au moins, par rapport à l'un des axes principaux du cristal, et en ce que les deux électrodes (2) se trouvent en contact électrique (direct) avec lesdits plans. 2. Modulateur de lumière à modulation spatio-temporelle commandé optiquement, suivant la revendication 1, carac- térisé en ce que les plans S de la plaque (1) coïncident avec les plans (îîo) du cristal. 3. Modulateur de lumière à modulation spatio-temporelle commandé optiquement, suivant la revendication 1, carat térisé en ce que les plans S de la plaque (1) coincident avec les plans (111) du cristal.