Brevet FR2503880A1 — publié le 19821015

8Ae. VALVE OPTIQUE A CRISTAL LIQUIDE COMMANDEE PAR EFFET PHOTOCONDUCTEUR. La présente invention se rapporte aux valves optiques à cristal liquide commandées par effet photoconducteur qui peuvent servir de convertisseur d'images. Ces dispositifs mettent en oeuvre une cellule, soumise à une tension électrique de polarisation se partageant entre une couche mince de cristal liquide et une lame photoconductrice accolée à cette couche. Elle concerne notamment la visualisation des images produites par les rayons X en radioscopie ou en radiographie, et la projection d'images en lumière incohérente ainsi que l'utilisation dans des dispositifs de traitement de données mettant en oeuvre un rayonnement cohérent (par exemple un corrélateur optique). Une telle cellule repose sur les effets connus suivants: d'une part la propriété qu'ont les matériaux mésomorphes de moduler un rayonnement optique en fonction d'un champ électrique qui leur est appliqué, d'autre part la propriété des matériaux photoconducteurs qui voient leur résistance électrique diminuer en recevant un rayonnement lumineux incident. Les matériaux mésomorphes sont faits de molécules longiformes orientables en présence d'une paroi solide, suivant une direction commune qui peut être soit parallèle soit perpendiculaire au plan de la paroi. La direction de cette orientation dépend des natures respectives du matériau cristal liquide et de la paroi. L'orientation des longues molécules du cristal liquide est en outre grandement facilitée par l'introduction de traces de surfactants appropriés dans le matériau mésomorphe, ainsi que par un traitement préalable des parois en contact avec le film (frottis de la paroi, évaporation sous incidence rasante d'un film d'oxyde de silicium). Suivant l'effet désiré, on utilisera un matériau mésomorphe présentant l'une ou l'autre des trois phases: smectique, nématique et cholestérique. Dans les dispositifs utilisant un photoconducteur associé à un cristal liquide on utilise généralement un cristal liquide de type nématique. Voici brièvement quelles sont les différentes utilisations de tels cristaux liquides. Les longues molécules qui composent les matériaux mésomorphes présentent des anisotropies diélectriques prononcées; en conséquence, elles 2503 880 tendent à s'orienter parallèlement ou perpendiculairement à un champ électrique selon que cette anisotropie est positive ou négative. Ainsi, en enserrant une lame d'un matériau nématique entre deux électrodes transpa- rentes soumises à une tension électrique variable continue ou alternative, on constate, si le matériau présente une anisotropie diélectrique positive et est diposé en orientation parallèle, qu'au delà d'une tension de seuil (de l'ordre de 1 à 5V pour un film d'une dizaine de microns d'épaisseur), que la biréfringence de la lame mesurée perpendiculairement à son plan décroît lorsque l'on fait croître la tension appliquée: les molécules tendant à s'orienter parallèlement au champ. Inversement pour un matériau nématique à anisotropie diélectrique négative soumis au même champ que précédem- ment, la biréfringence augmente lorsqu'on fait croître la tension appliquée. Cet effet, dit "biréfringence contrôlée", permet si l'on sait faire varier localement la tension appliquée à un film nématique disposé entre polari- seurs parallèles ou croisés, de moduler spatialement l'intensité d'une lumière monochromatique transmise par la lame, ou la couleur d'une lumière polychromatique. Suivant une technique connue, il est également possible de mettre à profit les propriétés d'anisotropie diélectrique et optique des matériaux nématiques pour commander électriquement la lumière transmise par une couche mince en utilisant les structures dites "nématiques en hélice". L'intensité de la lumière transmise par la couche sera fonction des tensions appliquées localement à cette couche. Une autre manière de contrôler la lumière transmise ou réfléchie par une cellule à cristal liquide nématique est basée sur le phénomène de "diffusion dynamique" qui apparaît au-delà d'une seconde tension de seuil et qui masque très vite le phénomène de biréfringence. Comme la biré- fringence contrôlée, la diffusion dynamique est parfaitement réversible. Toutefois, en ajoutant au matériau nématique un faible pourcentage de matériau cholestérique, on obtient un mélange doué de mémoire. L'ap- plication d'une tension alternative de fréquence plus élevée que la tension de commande permet de rétablir le mélange dans son état transparent initial. Dans la demande de brevet déposée en France le 23 septembre 1977 sous le numéro d'enregistrement national 7 728 738 et intitulée "Dispositif de visualisation comportant une couche mince de cristal liquide accolée à 2503 &80 une lame photoconductrice", la Demanderesse a décrit un dispositif utilisant une couche de cristal liquide en phase nématique accolée à une lame de matériau photoconducteur. A la cellule formée par l'association du cristal liquide et du matériau photoconducteur est appliquée une tension de polarisation. Dans ce dispositif les tensions appliquées à la cellule peuvent être très élevées d'autant que la sensibilité de la cellule au rayonnement d'inscription s'accroît lorsque la valeur de la tension de commande aug- mente. Dans ce cas la tension de commande peut atteindre 1000V et se rapprocher de la tension de claquage de la cellule. La présente invention propose de réduire la tension de polarisation à une valeur beaucoup plus faible en utilisant une tension alternative dont la fréquence est choisie en fonction du fonctionnement potentiométrique dynamique. On pourra ainsi accroître la sensibilité de la cellule sans craindre la tension de claquage et réduire la taille et le prix du générateur de tension de commande. Le rayonnement de lecture peut traverser la valve ou être réfléchi par une couche disposée à cet effet. -L'invention a pour objet une valve optique à cristal liquide commandée par effet phtoconducteur:ladite valve comprenant deux électrodes formant condensateur réliées à un générateur de tension de polarisation, une couche de cristal liqude accolée à une lame de matériau photoconducteur, l'en- semble étant disposé entre lesdites électrodes, un support transparent placé du côté de ladite couche, ladite lame étant destinée à recevoir un rayonnement optique de commande et ladite couche étant destinée à moduler optiquement un autre rayonnement, caractérisée en ce que ledit générateur est un générateur de tension alternative; la fréquence de ladite tension alternative est comprise entre une limite inférieure égale à l'inverse de la constante de temps de charge d'espace dudit matériau photoconducteur et une limite supérieure correspondant à la fréquence pour laquelle la variation du rapport de transmission en tension présente un point d'inflexion. D'autres aspects et avantages de l'invention seront mieux compris à l'aide de la description ci-après, fournie à titre d'exemple non limitatif, ainsi que des figures annexées parmi lesquelle: - la figure 1 représente une cellule selon l'invention comportant une 2503 880 couche de cristal liqude accolée à une lame d'un matériau photoconducteur; - la figure 2 est un diagramme explicatif; - la figure 3 est un schéma électrique équivalent de la cellule illustrée sur la figure 1; - les figures 4 et 5 sont des diagrammes explicatifs. La figure 1 représente une valve optique comprenant une couche de cristal liquide 1, une lame 3 de matériau photoconducteur et le cas échéant une couche intermédiaire 2 réfléchissante pour le rayonnement de lecture, assurant un couplage électrique entre la couche 1 et la lame 3, tel que dans le plan de cette couche intermédiaire on ne produise pas de court-circuit des différents potentiels qui peuvent s'y manifester. La valve optique comprend en outre deux électrodes 4 et 5 pour appliquer la tension alternative issue du générateur 6, une lame support 7 placée du côté de la couche de cristal liquide et destinée à supporter l'électrode 4 et dans le cas o le rayonnement de lecture est un rayonnement de lumière polarisée, une lame polarisante 8 accolée au support 7. Cette cellule reçoit du côté photoconducteur un rayonnement d'inscription 9. L'électrode 5 et l'ensemble constitué par l'électrode 4 et la lame support 7 doivent être respectivement transparents au rayonnement constituant le faisceau d'inscription 9 et à un autre rayonnement utilisé pour la lecture de l'image inscrite. Les électrodes 4 et S peuvent être constituées par une couche de quelques dixièmes de micro- mètres d'épaisseur d'oxyde d'étain ou d'indium déposé par pulvérisation cathodique, o d'un mélange de ces oxydes. Si le rayonnement d'inscription est un rayonnement X, on utilisera de préférence pour Pélectrode 5 une couche d'un millier d'angstrôms d'épaisseur d'un métal à faible numéro atomique. Dans le cas d'une lecture par réflexion, la couche 2 qui doit avoir une conductivité latérale faible doit aussi être réfléchissante. Pour assurer le passage du courant entre la lame photoconductrice 3 et la couche de cristal liquide 1 on peut adopter une couche faite d'une mosaTque de pastilles métalliques. Différentes compositions de couches multi-électriques à haut coefficient de réflexion répondent à ces impératifs. Dans lexemple de réalisation de la figure 1 la couche 1 de cristal liquide est constituée par un matériau mésomorphe se présentant en phase M03 880 nématique à la température ambiante, d'une épaisseur de 15 micromètres environ. Le matériau mésomorphe est choisi de façon à présenter une anisotropie diélectrique négative ou positive suivant l'effet désiré. Dans le cas o une couche de cristal liquide à mémoire est nécessaire on utilisera un mélange nématique-cholestérique. Dans le cas o la couche de cristal liquide possède une structure en hélice, le rayonnement de lecture est polarisé linéairement et les moyens analyseurs sont des moyens analyseurs linéaires. La constante diélectrique relative de ces matériaux est de l'ordre de 10. Le matériau photoconducteur constituant la lame 3 est dans l'exemple de la figure 1 un oxyde mixte de bismuth et de silicium (BSO). Il peut être avantageusement choisi pour présenter une bonne transparence dans une partie au moins du spectre correspondant à la lumière visible. Sa résistivité en absence d'illumination est de l'ordre de 1014 P cm et diminue d'environ 1000 fois pour un éclairement de ImW dans le proche ultra-violet. Ces matériaux peuvent se présenter sous la forme de lames suffisamment épaisses pour qu'ils jouent le rôle de support dans la valve optique. Conformément à l'invention le matériau photoconducteur utilisé comporte des pièges. L'effet photoconducteur, du fait de l'existence de pièges dans un matériau monocristallin ou polycristallin peut s'analyser comme suit. Les pièges sont des atomes d'impuretés uniformément distribués dans le volume du matériau photoconducteur. Ils sont capables de capturer un électron ou un trou qui ont diffusé à partir de l'endroit o ils ont été engendréspar excitation photonique. Lors de l'éclairement d'une lame photoconductrice les photons incidents qui ont une énergie suffisante peuvent créer des paires électron-trou. Si un champ électrique est appliqué à la lame, les électrons et les trous sont entrainés vers les électrodes. Pour un champ électrique continu les électrons sont attirés par l'électrode positive et les trous vers lélectrode négative. Les porteurs de charge créés dans le matériau par le rayonnement ionisant ou par l'excitation photonique sont piégés dans une région du volume o apparaît une charge d'espace qui réduit sensiblement le transport des charges électriques. Ces phénomènes sont illustrés par la figure 2 qui montre la loi de variation du courant i traversant une lame photoconductrice irradiée à laquelle on applique à l'instant t0 un échelon de tension Vo représenté par la courbe 15. Le courant mesuré dans le circuit 2503 880 extérieur représenté par la courbe 16 décroit exponentiellement avec une constante de temps T; la valeur atteinte à saturation est Is "o1 (Io: courant initial). Ce comportement est caractéristique d'un courant limité par charge d'espace. Contribuent à l'établissement de la charge d'espace: - les électrodes encadrant le photoconducteur et susceptibles d'être partiellement bloquantes, - les niveaux de pièges dans le photoconducteur, - la constante de temps T liée au repiégeage des photo-électrons et proportionnelle à a o D est la densité de puissance optique incidente sur 1.Np le cristal et le nombre de pièges. En régime établi le courant dans le circuit extérieur est faible, ce qui rend inefficace ce moyen commutateur lorsqu'il s'agit de réaliser la commande en tension d'une couche de cristal liquide. Selon l'invention, la situation peut être différente lorsqu'on applique au photoconducteur une tension alternative. Si la fréquence de la tension alternative est suffisamment grande devant T, la charge d'espace dans le T photoconducteur n'a pas le temps de s'établir et le courant mesuré dans le circuit extérieur est voisin de Io. Dans ces conditions la tension transférée au cristal liquide est notable et contribue à commander efficacement la modulation optique que ce cristal liquide permet d'obtenir. Pour rendre plus clair le choix des conditions de fonctionnement on a représenté sur la figure 3 le schéma équivalent de la cellule illustrée sur la figure 1. La figure 3 s'applique au fonctionnement dynamique avec une tension de polarisation alternative. Ce schéma se présente sous la forme d'un potentiomètre composé de deux branches reliées en série à la source de polarisation. La source fournit une tension v = Vo.cos w t; l'une de ses bornes est reliée à la masse M. La branche de gauche correspond au cristal liquide 1, celle de droite à la lame photoconductrice 3. La couche de cristal liquide est représentée par une résistance de fuite Rxl en parallèle sur une capacité Cxl. Pour la lame photoconductrice, les éléments de la figure 3 représentent: Ro: résistance d'obscurité du photoconducteur, Co: capacité du photoconducteur monté en condensateur, R D: résistance variable sous illumination D (RD décroît lorsque l'illu- mination augmente), 2503 880 R1,Cl: dipole série caractérisant le développement en régime transi- toire d'un effet de charge d'espace,le produit Ril.C1 étant égal à la constante de temps Tr illustrée sur la figure 2. Dans l'exemple considéré la lame photoconductrice a une épaisseur de 2mm et la constante de temps T est de l'ordre de 30 ms pour un niveau d'illumination ID = 2mW/cm 2, ce qui correspond à une fréquence de 33,3 Hz. Une caractéristique intéressante du système est la courbe donnant la tension appliquée au cristal liquide rapportée à la tension appliquée à la cellule en fonction de la fréquence. C'est ce que représente le graphe de la figure 4 qui est un relevé expérimental pour une tension délivrée par le générateur: v = Vo cos t et -2 pour un niveau d'illumination D eL14mW.cm La courbe 10 a été relevée pour une illumination 4 = 14mW.cm 2, la courbe Il sous illumination -2 et la courbe 12 dans l'obscurité. Les com- mentaires qui vont suivre porteront sur les courbes 10 et 11, c'est-àdire sous illumination. En continu ou en basse fréquence, à cause de l'effet de charge d'espace, la tension transférée au cristal liquide est faible car on voit sur le schéma de la figure 3 que l'influence du dipôle RI CI est grande. La fréquence augmentant, le dipôle RI CI tend à ne plus comprendre que la résistance RI ce qui traduit le fait que la charge d'espace dans le photoconducteur n'a plus le temps de s'établir (f " -) et la tension T transférée au cristal liquide augmente. Pour des fréquences comprises entre Hz et 1000 Hz les caractéristiques 10 et 11 présentent des parties plates fortement séparées. Par contre pour des fréquences supérieures à 1000 Hz, on voit que le rapport | Vxi | tend pour toutes les caractéristiques vers une valeur unique. La meilleure utilisation de la cellule se situe donc dans la gamme de fréquence correspondant aux régions plates des caractéristiques et 11. Pour définir cette gamme de fréquence d'utilisation, on peut prendre pour limite inférieure la fréquence basse fl = T =, et pour limite supérieure la fréquence haute f2 qui correspond à la position du point d'inflexion de la courbeIvxi | en fonction de la fréquence. f2 étant beaucoup plus grande que X 'la charge d'espace dans le photoconducteur n'a pas le T temps de s'établir et le dipôle RI CI se réduit à RI. De ce fait on peut inclure dans R 4 l'effet de RI. Dans ces conditions, c'est-à-dire avec un éclairement incident: R o" Ro, le schéma de la figure 4 se réduit à deux 2503 880 dipôles RC. Un calcul simple permet d'avoir | en fonction de R, Co, Rxl, iVo Cxl et w: I Vxll k l+/ 2 o w est la fréquence angulaire RxI 2 2RDRl1 avec k = RxI+R a =R 2.Co2 et b = ( R+.Rxl) (Co+Cxl)2 x+ R R +Rxl On constate que la dérivée seconde s'annule pour: 2 -1+VYS1b 2 - 3 a Une lame photoconductrice de 2 mm d'épaisseur sous un niveau d'illumination de lmW. cm-2 (pour une longueur d'onde de 450 angstrôms) présente à peu près la même résistance que la couche de cristal liquide de 15 microns d'épaisseur (environ 109 -). Par contre l'épaisseur de la couche de cristal liquide étant beaucoup plus faible que celle de la lame photo- conductrice: Cxl "Co I Rel+Rxl. 1 I20 Il résulte que: f2 =; R4.Rxl Cxl 2 La cellule fonctionnera avec un rendement d'autant plus élevé que le rapport v1 | sera grand. Les fréquences fi et f2 sont les fréquences limites d'utilisation. On choisira la fréquence du générateur dans la partie non hachurée de la figure 4 de telle sorte que: fl"f " Les avantages présentés par le fonctionnement sous tension alter- native sont clairement indiqués sur la figure 5. Sur cette figure, on a représenté deux courbes dans un graphe donnant la tension aux bornes du cristal liquide rapportée à la tension aux bornes de la cellule par rapport à un niveau d'illumination e rapporté à un niveau D o correspondant à la saturation du photoconducteur. Ce sont des courbes de transfert en tension. La courbe 13 a été relevée pour une tension de fonctionnement continue et 2503 88B la courbe 14 pour une tension alternative à la fréquence 100 Hz. On constate que pour un même niveau d'illumination de la cellule la tension transférée au cristal liquide est beaucoup plus importante pour le fonctionnement à la fréquence de 100 Hz que pour le fonctionnement en continu. A titre 4 _ 1 VlI -4 d'exemple pour - 10= Vo I |= 9.10 pour une tension continue et 2,5.10- pour une tension alternative de fréquence 100 Hz. En conséquence la tension transférée au cristal liquide est environ 30 fois plus élevée pour un fonctionnement sous tension alternative que pour un fonctionnement sous tension continue. Ceci est un avantage important de l'invention. Les éléments composant la cellule étant linéaires dans leurs représentations électriques la tension aux bornes du cristal liquide est dépourvue de composante continue ce qui contribue à l'amélioration de la durée de vie de la cellule. 2503 88C REVENDICATIONS 1. Valve optique à cristal liquide commandée par effet photo- conducteur, ladite valve comprenant deux électrodes (4et 5) formant con- densateur reliées à un générateur de tension de polarisation (6), une couche de cristal liquide (1) accolée à une lame de matériau photoconducteur (3), l'ensemble étant disposé entre lesdites électrodes, un support transparent (7) placé du côté de ladite couche, ladite lame étant destinée à recevoir un rayonnement optique (9) de commande et ladite couche étant destinée à moduler optiquement un autre rayonnement, caractérisée en ce que ledit générateur est un générateur de tension alternative; la fréquence de ladite tension alternative est comprise entre une limite inférieure égale à l'inverse de la constante de temps de charge d'espace dudit matériau photoconducteur et une limite supérieure correspondant à la fréquence pour laquelle la variation du rapport de transmission en tension présente un point d'inflexion. 2. Valve optique selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite couche de cristal liquide comporte au moins un matériau mésomorphe et est disposée en orientation uniforme au moins en l'absence dudit rayonnement d'inscription. 3. Valve optique selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit matériau photoconducteur comporte de l'oxyde de bismuth. 4. Valve optique selon la revendication 3, caractérisée en ce que ledit matériau photoconducteur est un oxyde mixte de bismuth et de silicium. 5. Valve optique selon la revendication 3, caractérisée en ce que ledit matériau photoconducteur est un oxyde mixte de bismuth et de germanium. 6. Valve optique selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisée en ce que ledit matériau photoconducteur est monocristallin. 7. Valve optique selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisée en ce que ledit matériau photoconducteur est polycristallin. 8. Valve optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que ladite couche de cristal liquide est un mélange de deux matériaux mésomorphes ayant respectivement une phase nématique et une phase cholestérique. 9. Valve optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, 2503 88 Il caractérisée en ce que lorsque le rayonnement d'inscription projette ladite image, ladite tension de commande soumet au moins une partie des points de ladite couche à une tension supérieure -à la tension de seuil de l'effet de diffusion dynamique. 10. Valve optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que le rayonnement de lecture étant un rayonnement de lumière polarisée, des moyens analyseurs de la lumière polarisée (8) sont accolés sur la face externe du support transparent (7). 11. Valve optique selon la revendication 10, caractérisée en ce que ladite couche en orientation uniforme a une structure en hélice, ledit rayonnement de lecture étant linéairement polarisé et lesdits moyens analyseurs étant des moyens analyseurs linéaires. 12. Valve optique selon l'une quelconque des revendications I à 11, caractérisée en ce que le rayonnement de lecture traverse également la lame photoconductrice. 13. Valve optique selon la revendication 12, caractérisée en ce que le domaine spectral de sensibilité du matériau photoconducteur est choisi en dehors du domaine spectral du rayonnement de lecture. 14. Valve optique selon la revendication 12, caractérisée en ce que le matériau photoconducteur ayant une partie de son domaine spectral de sensibilité commune avec le domaine spectral du rayonnement de lecture, l'application de la tension de contrôle, en présence du rayonnement de lecture et en l'absence du rayonnement d'inscription, soumet la totalité de la couche à une tension au moins égale à la tension de seuil. 15. Valve optique selon Pune quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce qu'il comporte en outre une couche réfléchissante (2) interposée entre la lame photoconductrice et la couche de cristal liquide.