Brevet FR2567319A1 — publié le 19860110

ECRAN CATHODOLUMINESCENT INCRUSTE A CAVITES RESTAUREES ET TUBE DE VISUALISATION UTILISANT UN TEL ECRAN L'invention concerne un écran cathodoluminescent incrusté comprenant une plaque de fibres optiques formée par la réu- nion de fibres optiques élémentaires constituées de barreaux de verre de coeur entourés par un ou plusieurs verres d'enrobage, la plaque de fibres optiques étant munie de cavités disposées sensiblement perpendiculairement à une de ses faces, les cavités étant obtenues apres avoir creusé partiellement un ou plusieurs verres- dont le verre de coeur, tout en conservant au moins le verre d'enrobage le plus éloi- gné du verre de coeur, les surfaces ainsi mises à nu constituant les parois des cavités pour la partie sensiblement parallèle à l'axe des fibres optiques élémentaires, et le fond de ces cavités pour la partie restante, les cavités étant ensuite remplies par un produit cathodolu- minescent émettant un flux lumineux sous l'influence d'un bombardement d'électrons. Elle concerne également un tube de visualisation tel qu'un tube intensificateur d'images utilisé, par exemple, en vision nocturne, ou bien un tube à balayage de fente, ou bien un tube conver- tisseur de rayons X, ou bien un tube à rayons cathodiques permettant la visualisation d'une image, tels que ceux utilisés en oscilloscopie ou en télévision, ou, d'une manière générale, tout tube permettant la visualisation à l'aide du bombardement d'un.luminophore par des élec- trons. Un écran de ce type est décrit dans l'article intitulé "High modulation transfer function (MTF) phosphor screens" de J.R. PIEDMONT et H.K. POLLEHN publié dans SPIE Vol. 99 Third European Elec- tro-Optics Conference (1976) pages 155 à 161. Cet écran incrusté est constitué d'une plaque de fibres optiques, chaque fibre étant formée d'un verre de coeur entouré d'un verre d'enrobage. Dans une structure antérieure le matériau cathodoluminescent était déposé directement sur la plaque de fibres optiques et il se produisait une dispersion laté- rale de lumière limitant le contraste de l'image et par là même les performances du système. Aussi ces auteurs proposent-ils un écran incrusté comprenant la plaque de fibres optiques précédente, mais dans laquelle le verre de coeur a été enlevé sur une petite profon- deur afin de former des cavités. Celles-ci ont pour paroi le verre d'enrobage et pour fond la surface de verre de coeur, préalablement attaquée par une solution chimique qui a dissout sélectivement le verre de coeur. Ces cavités ont une profondeur habituellement de l'ordre de quelques microns ou de quelques dizaines de microns, ceci résultant d'un compromis entre la largeur des cavités, la dimension des grains de matériau cathodoluminescent et l'énergie du rayonnement incident. Les parois internes de chaque cavité doivent être métalli- sées afin d'éviter que la lumière émise par une cavité puisse passer dans la cavité d'une fibre voisine. Ces cavités sont ensuite remplies d'un matériau cathodoluminescent. Comme pour les écrans convention- nels, une pellicule d'aluminium est déposée au-dessus des grains de matériau cathodoluminescent, fermant ainsi optiquement chaque cavité et fixant électriquement le potentiel de l'écran. L'écran ainsi constitué est utilisé dans un tube de visualisation dans lequel un flux d'électrons vient exciter le maté- riau cathodoluminescent. Chaque cavité fonctionne comme une enceinte quasi fermée, et par là même, la lumière émise dans chaque cellule ne peut se propager que dans le verre de coeur. Cette diminution de la dispersion de la lumière émise constitue l'avantage essentiel de l'écran à fibres optiques incrusté. Ceci conduit donc à une amélioration de la fonction de transfert de modulation qui caractérise cette dispersion. Il apparaIt à l'usage que cette amélioration de la fonction de transfert de modulation s'accompagne d'une diminution de la quantité de lumière récupérée à l'autre extrémité de la plaque de fibres optiques. Le but de l'invention est donc tout en conservant l'amélioration de la fonction de transfert de modulation, d'accroître la quantité de lumière récupérée à l'autre extrémité de la plaque de fibres optiques. Pour cela l'invention telle que définie dans le préam- bule est remarquable en ce que le fond des cavités est recouvert d'un dépôt d'un matériau de restauration transparent au flux lumineux améliorant l'état de surface et la planéité du fond des cavités, et tendant à réduire au maximum le congé à l'intersection entre le fond et la paroi de chaque cavité. En effet, toute la lumière qui est émise dans chaque cavité n'apparaît pas sur la face de sortie de la plaque de fibres optiques. Il est apparu après des observations par microscopie élec- tronique à balayage que la forme et -l'état de surface de chaque cavi- té, après le processus d'attaque chimique, était responsable de cette perte de quantité de lumière. Le mécanisme d'attaque chimique conduit à une profondeur d'attaque beaucoup plus accentuée à la frontière entre le verre de coeur et le verre d'enrobage. Il en résulte que le fond des cavités a généralement une forme tronconique, la profondeur de la faille périphérique étant plus importante que la profondeur moyenne d'une cavité. -- Cette forme de cavité, compte tenu des angles d'inci- dence de la lumière, conduit à une perte de lumière importante due à un mauvais couplage optique entre la cavité émettrice et le guide de lumière. D'autre part, l'attaque chimique du verre de coeur provoque un état de surface dépoli qui constitue alors un milieu diffusant. Ce phénomène entraine une perte de lumière supplémentaire du fait que les rayons entrant dans le verre de coeur ne sont pas propagés par réflexion totale dans chaque fibre élémentaire. De plus, la lumière qui ne pénètrent pas dans le verre de coeur, est réfléchie et est en par- tie absorbée dans la cavité émettrice. C'est pour assurer un transfert optimal vers le verre de coeur, du flux lumineux produit par le matériau cathodoluminescent, que l'invention utilise un matériau de restauration quiaméliore l'état de surface et la plandité du fond des cavités. Ce matériau recouvre les irrégularités de surface et comble la faille périphérique. Mais il est nécessaire de restituer à la cavité la forme d'un cylindre sen- siblement droit, forme optimale recherchée. Pour cela le congé qui apparenaît à l'intersection entre le fond et la paroi de chaque cavité est réduit au maximum, de sorte que la surface du fond de la cavité est pratiquement égale à la surface d'une section droite de la cavité dans la partie évidée. Pour que le transfert de lumière soit optimal, il est souhaitable que le matériau de restauration possède un indice opti- que voisin de celui du verre de coeur. Selon une première variante le matériau'de restauration est un émail dont la température de ramollissement est inférieure à la plus faible des températures de ramollissement des verres consti- tuant la plaque de fibres optiques, afin de ne pas endommager celle- ci lors du processus de restauration. Pour fabriquer des écrans in- crustés selon l'invention, on utilise généralement des plaques de fibres optiques pour lesquelles le verre qui a la plus basse tempéra- ture de ramollissement est le verre d'enrobage. Des émaux possédant un indice optique et une température de ramollissement en accord avec les deux points déjà énoncés sont ceux formés à partir des produits suivants pour des compositions molaires telles que: PbO: a = 40 à 70 % - SiO2: b = 5 à 30 % - A1203: e = O à 10 % B203: d = 10 à 35 - ZnO: e = 0 à 15 % Bi203: f = 0 à 3, les produits étant mélangés de telle sorte que l'on ait: a + b +c +d+e +f = 100S. Plus particulièrement l'émail de composition: PbO: 60; B203: 25 %; SiO2: 10 %; ZnO: 4 %; A1203: 1 % a donné des résultats satisfaisants. Selon une seconde variante, le matériau de restauration est constitué d'un mélange de phosphate d'aluminium et de phosphate de titane. Les proportions peuvent se situer dans des compositions molaires approchant les valeurs suivantes: Phosphate d'aluminium:25 % Phosphate de titane: 75 %. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la descrip- tion suivante accompagnée de dessins qui représentent: Figure 1: une vue en coupe d'un tube intensificateur d'images pour vision nocturne, Figure 2: selon l'art antérieur, une vue en coupe d'un élément de fibres optiques avec sa cavité remplie d'un makériau catho- doluminescent, Figure 3: une vue analogue à celle de la figure 2 o certains trajets de rayons lumineux perdus sont représentés, Figure 4: selon l'invention une vue en coupe d'un élé- ment de fibres optiques avec le fond de sa cavité munie d'un revête- ment d'un matériau de restauration, Figure 5: une vue analogue à celle de la figure 4 avec en outre le matériau cathodoluminescent. Pour définir l'invention considérons dans l'ensemble des tubes de visualisation o s'applique l'invention, un exemple par- ticulier, constitué par un tube intensificateur d'images pour vision nocturne tel que représenté sur la figure 1. Ce tube comprend une fenêtre d'entrée 40 traversée par le rayonnement incident 45 Celui- ci, par l'intermédiaire de la photocathode 41, donne naissance à un flux d'électrons qui est intensifié par la plaque de microcanaux 42. Ce flux densifié d'électrons vient frapper l'écran incrusté à cavités restaurées 43 réalisé en surface de la fenêtre à fibres optiques de sortie 44. Les fenêtres d'entrée et de sortie sont maintenues solidai- res, d'une manibre étanche au vide, à l'aide d'une rondelle métallique 48 et d'une bague isolante 46 en céramique à travers laquelle passent des moyens d'application de potentiels électriques 47 pour la plaque de microcanaux. L'invention concerne l'écran incrusté à cavités restau- rées 43. Pour le décrire isolons, préalablement selon l'art antérieur, un élément de fibre optique représenté sur la figure 2. Cet élément est constitué d'un verre de coeur 10, d'un verre d'enrobage 12 et de grains de matériau cathodoluminescent 14 remplissant la cavité. Ce matériau, sous l'action d'un bombardement électronique, émet de la lumière par exemple le rayon 15, qui va traverser l'élément de fibres optiques en étant confiné dans le verre de coeur 10 du fait de la ré- flexion totale sur l'interface 13. Le passage de la lumière d'un grain de matériau catho- doluminescent au verre de coeur est précisé sur la figure 3, dans le cas de rayons lumineux perdus. La surface d'attaque 20 du fond de la cavité possède de fortes irrégularités. On a constaté que l'attaque chimique s'opérait très différemment sur le bord et au centre du fond de la cavité. Il en résulte que la surface d'attaque 20 présente géné- ralement une forme d'aspect tronconique qui laisse apparaître unefail- le périphérique 25 tout autour du fond de la cavité. Un élément de fibre optique classique possède générale- ment un verre de coeur ayant une largeur moyenne d'ouverture pouvant aller de 5 pm à 10 pm environ. Les cavités qui y sont creusées ont une profondeur de l'ordre de 2 pm à 5 pm. Les failles périphériques que l'on observe dans chaque cavité ont généralement une profondeur moyen- ne de 5 pm à 10 pm mesurée entre le fond de la faille et la partie centrale du fond de la cavité. D'autre part, la surface d'attaque proprement dite pré- sente une multitude d'irrégularités de surface produisant un dépoli. Or, ce sont ces irrégularités de surface et ces failles périphériques qui nuisent à un bon transfert du flux lumineux entre le grain dematé- riau cathodoluminescent et le verre de coeur. Par exemple, si l'on considère un premier rayon incident 21 qui rencontre la surface irrégulière du verre de coeur, ce rayon va se réfracter, donner naissance au rayon réfracté 26 qui va arriver à l'interface 13 sous un angle tel qu'il ne pourra subir de réflexion totale mais passera dans le verre d'enrobage 12 comme le montre le premier rayon perdu 22. Il finira, après passages successifs à travers les différentes fibres, par être absorbé par une fibre spéciale d'ab- sorption ("extra mural absorbing fibre" en langue anglaise), et donc sera perdu. De la même façon, un second rayon incident 23 arrivant sur la faille périphérique va se réfracter puis retourner vers la ca- vité suivant le second rayon perdu 24. Dans ces deux cas les rayons lumineux ne seront pas transmis par réflexion totale dans le verre de coeur 10. Il en résulte globalement une perte de flux lumineux sur la face de sortie de la plaque de fibres optiques située dans la direc- tion XX'. C'est pour supprimer l'effet de ces irrégularités de surface que l'invention utilise un matériau de restauration assurant la continuité optique le long de la surface d'attaque 20. Pour cela selon la figure 4, le matériau de restauration est déposé sur la surface d'attaque 20 afin de combler lafaille périphérique et de supprimer l'effet des irrégularités de surface. On obtient ainsi un fond central 33 de la cavité restaurée o les irrégu- larités de surface ont pratiquement disparu. De même, la faille péri- phérique 25 qui était représentée sur la figure 3, se trouve comblée par le matériau de restauration 30, et laisse place à un léger congé 32 sur la périphérie de la cavité restaurée, l'influence de ce congé étant très faible sur la propagation de la lumière. I1 faut en effet réduire ce congé au maximum pour limiter son influence néfaste, et se rapprocher le plus possible d'unfond cen- tral 33 de la cavité restaurée le plus plan possible et coupant sensi- blement perpendiculairement le cylindre formé par les parois de la cavité. En effet, si le congé devient trop important (c'est-à-dire ayant un rayon de courbure élevé), les rayons lumineux arrivant sur cette zone risquent d'atteindre l'interface 13 sous un angle tel qu'ils ne subiront pas de réflexion totale, donc seront perdus. Pour déposer le matériau de restauration 30 constitué d'un émail onopère de la façon suivante. Les produits constitutifs de l'émail sont mélangés selon les proportions requises. Ainsi pour un émail d'indice optique de 1,99, on utilise la composition molaire sui- vante PbO:60 B203: 25 5;SiO2 10 '; ZnO: 4%; Al203 lé. Satem- pérature de ramollissement permet d'effectuer l'opération d'émaillage à la température de nappage de 5000C, température à laquelle l'émail possède une fluidité suffisante pour bien napper la surface à traiter. Le mélange obtenu est fondu durant 3 heures à 10006C en creuset de platine pour former l'émail. Celui-ci est alors finement broyé puis tamisé. La poudre obtenue est mise en suspension dansune solution d'eau désionisée et de silicate de potassium filtrée à 0,45 pmo Cette sus- pension est alors déposée par centrifugation dans les cavités préala- blment creusées dans la plaque de fibres optiques, l'attaque étant effectuée selon la méthode connue consistant à dissoudre le verre de coeur à l'aide d'acide chlorhydrique pur à la température de 201C pen- dant une durée de 45 minutes environ. L'opération de dép6t de l'émail- par centrifugation s'effectue par exemple pendant 5 minutes à 2900 tours/minuta, Ie surplus d'émail en surface étant enlevé par exemple à l'aide d'un pinceau. Dans le cas de la composition d'émail indiquée, on effectue alors la fusion de l'émail en mettant pendant 30 minutes la plaque de fibres optiques dans un four porté à 5500C. L'écran incrusté avec des cavités restaurées est alors disponible pour la suite des opérations de dépOt du matériau cathodo- luminescent, qui s'effectue selon les méthodes habituelles connues. On obtient alors une structure d'élément de fibres opti- ques à cavité restaurée telle que représentée sur la figure 5. La sur- face d'attaque 20 est ici volontairement supprimée du dessin pour sou- ligner le fait que le matériau de restauration et le verre de coeur possèdent une continuité optique. Les grains de matériau cathodolumi- nescent 14 sont disposés dans la cavité restaurée. Le congé 32 très faJble assure une perte minimale de lumière àla périphérie de lacavité. D'autres compositions d'émail possédant un indice opti- que et une température de ramollissement conformes à l'invention peu- vent être utilisés. Il en est ainsi des émaux formés à partir des produits suivants pour des compositions molaires telles que: PbO: a = 40 à 70 % SiO2: b = 5 à 30 a - A1203: c = O à 10 % B203: d = 10 à 35 % - ZnO: e = 0 à 15 % - Bi203: f = 0 à 3 %, chaque mélange devant respecter la condition a + b + c + d + e + f = 100 %. Selon une seconde variante on utilise un mélange de phosphate d'aluminium et de phosphate de titane. Les proportions peu- vent se situer dans des composions molaires de l'ordre des valeurs suivantes: Phosphate d'aluminium: 25 X Phosphate de titane_: 75 A. Pour préparer ces mélanges et les déposer dans les cavi- tés on opère de la manière suivante. Les produits de départ sont cons- titués du chlorure d'aluminium et du chlorure de titane purs et anhy- dres. Pour obtenir la solution qui donne naissance au phosphate d'alu- minium on dissout 3,3 grammes de chlorure d'aluminium anhydre pur dans 250 centimètres-cube d'alcool éthylique. Après filtrage la solution est refroidie à la température de DIC. On ajoute 1,6 centimètres-cube d'acide orthophosphorique et le mélange est maintenu à froid. Il se forme alors progressivement un précipité gélatineux blanchâtre de phosphate d'aluminium que l'on sépare par décantation. Ce précipité est mélangé à 80 centimetres-cube d'alcool méthylique. On prépare de la même façon la solution correspondant au phosphate de titane. Les deux solutions sont mélangées en propor- tions requises pour obtenir l'indice optique recherché c'est-à-dire ajusté le mieux possible à celui du verre de coeur. Ainsi pour obte- nir un indice optique de 1,9 on mélange 75 % de la solution contenant le phosphate de titane à 25 % de la solution contenant le phosphate d'aluminium. En intervenant sur la dilution de ce mélange dans l'al- cool méthylique on peut ajuster l'épaisseur du revêtement de matériau de restauration. Le mélange liquide ainsi obtenu est versé sur la pla- que de fibres optiques que l'on met ensuite dans une enceinte à vide. Les bulles d'air emprisonnées, en particulier dans les cavités, sont ainsi évacuées et lors de la remise à la pression atmosphérique le mélange se trouve forcé à l'intérieur des cavités. La plaque defibres optiques est alors mise à l'étuve vers 200 C à 250 C o le solvant s'évapore, et on obtient une pellicule transparente dure qui peut ré- sister à des températures de l'ordre de lOO1000C. Bien évidemment d'autres matériaux de restauration peu- vent être utilisés pour répondre à l'invention. Il en est ainsi de matériaux tels que vernis, matériaux plastiques, polymères, etc... Cette invention vient d'être décrite plus particulière- ment dans le cas d'un tube intensificateur d'images utilisé en vision nocturne. Elle s'applique aux tubes que l'on peut désigner d'une façon générale sous l'appellation tube de visualisation, tel que le tube intensificateur d'images déjà décrit, utilisé, par exemple, en vision nocture, oubien un tube à balayage de fente, ou bien un tube conver- tisseur de rayons X, ou bien un tube à rayons cathodiques permettant la visualisation d'une image, tels que ceux utilisés en oscilloscopie ou en télévision, ou, d'une manière générale, tout tube permettant la visualisation à l'aide du bombardement d'un luminophore par des élec- trons. REVENDICATIONS 1. Ecran cathodoluminescent incrusté comprenant une plaque de fibres optiques formée par la réunion de fibres optiques élémen- taires constituées de barreaux de verre de coeur entourés par un ou plusieurs verres d'enrobage, la plaque de fibres optiques étant munie de cavités disposées sensiblement perpendiculairement à une de ses faces, les cavités étant obtenues après avoir creusé partiellement un ou plusieurs verres, dont le verre de coeur, tout en conservant au moins le verre d'enrobage le plus éloigné du verre de coeur, les surfaces ainsi mises à nu constituant les parois des cavités pour la partie sensiblement parallèle à l'axe des fibres optiques élémentai- res, et le fond de ces cavités pour la partie restante, les cavités étant ensuite remplies par un produit cathodoluminescent émettant un flux lumineux sous l'influence d'un bombardement d'électrons, carac- térisé en ce que le fond des cavités est recouvert d'un dépôt d'un matériau de restauration transparent au flux lumineux, améliorant l'état de surface et la planéité du fond des cavités, et tendant à réduire au maximum le congé à l'intersection entre le fond et la pa- roi de chaque cavité. 2. Ecran cathodoluminescent incrusté selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que le matériau de restauration possède un indice optique voisin de celui du verre de coeur. 3. Ecran cathodoluminescent incrusté selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le matériau de restau- ration est un émail à température de ramollissement et de nappage inférieures à la plus faible des températures de ramollissement des verres. 4. Ecran cathodoluminescent incrusté selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le matériau de restau- ration est un émail dont la composition est choisie, en fonction de l'indice optique et des températures de ramollissement et de nappage recherchés, dans la gamme de compositions molaires suivantes: PbO: a = 40 à 70 % -SiO2: b = 5 à 30 % - Al203: c = 0 à 10 % B203: d = 10 à 35 % ZnO: e = 0 à 15 % - Bi203: f = 0 à 3 %, de telle sorte que l'on ait a + b +_c + d + e + f = 100. il 5. Ecran cathodoluminescent incrusté selon la revendica- tion 4, caractérisé en ce que le matériau de restauration est un émail qui présente la composition molaire suivante: B203 PbO: 60 "'; B203: 25 sa; SiO2a 10 %; 0nO: 4 71 ' 6. Ecran cathodoluminescent incrusté selon l'une des reven- dications 1 ou 2, caractérisé en ce que le matériau de restauration est un mélange de phosphate d'aluminium et de phosphate de titane. 7. Tube de visualisation caractérisé en ce qu'il comprend un écran cathodoluminescent incrusté selon l'une des revendications 1 à 6.