Brevet FR2595495A1 — publié le 19870911

RELAIS OPTIQUE FOURNISSANT UNE IMAGE PROJETEE OUI PRESENTE DES CARACTERES AYANT UNE LISIBILITE ACCRUE L'invention concerne un relais optique comportant une cible d'un matériau électriquement isolant et laissant passer la lumière d'une manière dépendant du champ électrique parallèle à la direction de propagation de cette lumière, des moyens pour faire balayer une première face de cette cible par un faisceau électronique contrôlé par un wehnelt, une anode apte à recueillir les électrons secondaires émis sous l'action de ce faisceau, une lame optiquement transparente et électri- quement conductrice disposée contre la deuxième face de la ci- ble, cette lame recevant le signal électrique d'information visuelle à partir d'un amplificateur qui délivre un signal vi- déo réalisant une modulation du potentiel de cible, celle-ci étant constituée en un matériau devenant ferro-électrique au- dessous d'une certaine température, dite température de Curie, au voisinage de laquelle fonctionne le relais optique. Un relais optique de ce type, pour projecteur de télévision, a été décrit dans les brevets FR 1 473 212 et FR 1 479 284. Afin de mieux caractériser l'invention un rappel du principe de fonctionnement de ce relais optique est donné ci-après. De plus amples renseignements peuvent être obtenus dans les documents cités. Le cadre de l'invention concerne la transforma- tion d'un signal électrique à variation temporelle, représen- tant une information visuelle, en une image visible. On sait que c'est là l'un des rôles d'un poste récepteur de télévi- sion. Dans le tube "image" d'un tel récepteur, c'est le faisceau d'électrons qui remplit classiquement les trois fonc- tions fondamentales de cette transformation: fi - il fournit l'énergie qui doit apparaître sous forme lumi- -2- nèuse: la puissance lumineuse du tube est donc toujours inférieure à la puissance transportée par le faisceau; f2 - il réalise le balayage spatial de la surface de l'image; f3 - il applique l'information visuelle. En raison des fonctions f2 et f3 entre autres, la puissance du faisceau, et donc la brillance de l'image ne peu- vent être augmentées autant qu'il le faudrait pour la projec- tion sur un grand écran, par exemple. C'est pourquoi il a été proposé de dissocier la fonction fi confiée, par exemple, à une lampe à arc, des fonc- tions f2 et f3 confiées à ce que l'on appelle un "relais opti- que". Il utilise un cristal présentant un effet électro-opti-. que appelé 'Effet Pockels". Un cristal de phosphate diacide de potassium KH2PO4 appelé par la suite KDP, convient à cet usage. Cet effet peut être partiellement et sommaire- ment décrit comme suit: lorsque le cristal qui est un isolant électrique, est soumis à un champ électrique parallèle à son axe cristallographique c (les trois axes cristallographiques a, b et c formant un trièdre trirectangle, l'axe c étant, le cas échéant, l'axe optique), l'indice n de ce cristal, pour des rayons lumineux se propageant dans la direction c et po- larisés linéairement dans le plan ab, dépend de la direction de cette polarisation. Plus précisément, si l'on désigne par X et Y les bissectrices des axes a et b, et si l'on repère les paramètres du cristal relatifs à ces diverses directions par les lettres qui désignent ces dernières, on peut décrire que le diagramme des indices dans le plan ab devient une ellipse d'axes X et Y au lieu d'un cercle, et que la différen- ce nx-ny est proportionnelle au champ électrique appliqué. Il s'ensuit que si les rayons lumineux incidents sont polari- sés parallèlement à l'axe a, par exemple, l'intensité lumineu- se I traversant un polariseur de sortie sera I = Io sin2kV si la direction de polarisation de ce polariseur est parallèle à l'axe b, et I = Io cos2kV si cette direction est parallèle - 3 - à l'axe a, Io étant égale à l'intensité lumineuse incidente s'il n'y a pas d'absorption parasite, V étant la différence de potentiel électrique entre les deux faces du cristal, et k un coefficient dépendant du matériau cristallin utilisé. Pour obtenir une image, par projection à partir d'une lampe à travers cet ensemble, il suffit, selon ce qui a été dit précédemment, de faire régner un champ électrique pa- rallèle à l'axe c, et de faire correspondre, en chaque point de la cible, la valeur de ce champ à la brillance du point correspondant de l'image à obtenir. Dans ce but, un faisceau électronique, issu d'un canon à électrons, et traversant des organes de déviation classiques, balaye la cible remplissant ainsi la fonction f2. Quant à la fonction f3, c'est-àdire ici la commande du champ électrique, elle est également remplie par le faisceau de la manière suivante. Lorsque les électrons de faisceau atteignent la surface de la cible, ils provoquent, si leur énergie est com- prise dans les limites convenables et dans la mesure o le potentiel d'anode est suffisamment élevé, l'émission d'élec- trons secondaires en nombre plus grand que celui des électrons incidents. Il en résulte une élévation du potentiel électrique du point atteint, de sorte que la différence de potentiel en- tre l'anode et ce point diminue. Si les électrons du faisceau atteignent ce point en nombre suffisant, cette différence de potentiel devient négative et atteint une valeur telle (-3V par exemple), que chaque électron incident ne provoque plus l'émission que d'un seul électron secondaire. Le potentiel de ce point est ainsi fixé à une valeur limite par rapport à ce- lui de l'anode. Il suffit pour cela que, compte tenu de la vi- tesse de balayage, l'intensité du faisceau soit suffisante. Le potentiel de l'anode étant constant, chaque passage du fais- ceau d'électrons fixe, comme il vient d'être dit, le potentiel d'un point quelconque A de la surface atteinte à une valeur V0 indépendante de ce point et de l'instant de passage. Mais la charge électrique correspondante apparue en ce point dépend du - 4 - potentiel de l'électrode de commande située à proximité, de l'autre côté de la cible. Si l'on appelle VA le potentiel de cette électro- de à l'instant de ce passage, cette charge est proportionnelle à VO-VA, VA représentant la valeur du signal d'information vi- suelle à l'instant de son passage. La cible, dont la biréfringence dépend du champ électrique, est constituée par un monocristal de KDP, dont en- viron 95% de l'hydrogène a la forme d'hydrogène lourd (deuté- rium). Or, l'effet Pockels est proportionnel, pour une épaisseur de cristal donnée, aux charges qui apparaissent sur les faces du cristal et donc, pour une tension de commande donnée, à la constante diélectrique de celui-ci. C'est pour- quoi, on utilise une cible constituée en un cristal devenant ferroélectrique au-dessous d'une certaine température appelée température de Curie, et on opère avantageusement au voisinage de cette température, car la constante diélectrique atteint alors des valeurs très élevées et le relais optique peut fonc- tionner à l'aide de tensions de commande faciles à employer (l'effet Pockels étant proportionnel au produit c V). Les cristaux les plus courants qui présentent ce phénomène sont des sels acides, notamment du type KDP qui ap- partient à la classe des cristaux quadratiques et présente un axe optique parallèle à l'axe cristallographique c. Sa tempé- rature de Curie est située vers -53 C. Au-dessus de la tempé- rature de Curie, le DKDP est un cristal quadratique classe de symétrie 42 m et il a un comportement paraélectrique. En des- sous de la température de Curie, le DKDP devient orthorhombi- que, classe de symétrie mm2, et il manifeste un comportement ferroélectrique: localement il y a polarisation spontanée et apparition de domaines ferroélectriques. A la température ambiante, le cristal est aniso- trope, mais au voisinage du point de Curie l'anisotropie de- vient extrêmement importante. Le changement d'état s'accompa- - 5 - gne de variations abruptes des propriétés physiques selon les axes du cristal: - coefficients piézo-électriques - coefficients électrooptiques - constantes diélectriques ex et zz. Ainsi la constante diélectrique óz passe d'une valeur d'environ 60 à la température ambiante à une valeur de 30.000 à la température de Curie. On sait que, du point de vue électrique, l'épais- iO seur apparente e du cristal de DKDP est e = E.(cx/z'z)O15. La cible apparait d'autant plus mince que le rapport ex/e'z est plus petit, o e'z est la valeur de sz lorsque le cristal est bloqué mécaniquement. Dans un relais optique en effet, la lame monocristalline de DKDP, d'une épaisseur E voisine de 250 microns, est collée fermement sur un support rigide: une lame de fluorine de 5 mm d'épaisseur. La cible du relais optique est donc habituelle- ment refroidie vers -51 C, c'est-à-dire à une température lé- gèrement supérieure au point de Curie. Dans ces conditions ex/c'z=1/9 et l'épaisseur apparente du cristal est environ microns, ce qui confère au relais optique une bonne ré- solution d'image. En dessous du point de Curie ce rapport ex/c'z est encore bien plus faible, ce qui améliore beau- coup la résolution d'image. Or lorsqu'un tel relais optique est utilisé pour projeter des données telles que des traits et/ou des caractè- res alphanumériques, leur visibilité est fortement dépendante du format de balayage. Cela est manifeste lorsque l'on passe du standard de balayage 625 lignes au standard 1025 lignes. On observe alors que l'augmentation du nombre de lignes de ba- layage horizontal s'accompagne d'une atténuation importante du contraste des traits horizontaux, ce qui gêne la lisibilité des caractères alphanumériques projetés. Cette atténuation du contraste des traits hori- -6 zontaux, en fonction du resserrement des lignes de balayage, est aussi vraie qu'il s'agisse de traits blancs sur fond noir ou de traits noirs sur fond blanc. Inversement si on comprime le balayage horizon- tal, ce sont les traits verticaux qui deviennent moins visi- bles, tandis que si on dilate ce balayage horizontal, les traits verticaux deviennent à la fois plus larges et plus lu- mineux. Les mêmes inconvénients apparaissent également, mais à un degré moindre, avec des images de type télévision. Le but de l'invention est donc d'accroître la li- sibilité principalement pour des données telles que des traits et/ou des caractères alphanumériques. Pour cela, l'invention telle que définie dans le préambule est remarquable en ce que le relais optique comprend un autre amplificateur qui applique, sur le wehnelt du relais optique, une faible surmodulation issue du signal vidéo, et en liaison avec le niveau moyen d'éclairement global de l'image produite par la modulation du potentiel de cible seule, la po- larité et l'amplitude de cette surmodulation peuvent être ré- glées afin de produire, pour des caractères clairs ou foncés respectivement un accroissement proportionnel de leur niveau d'éclairement ou de leur niveau d'obscurité. Cette légère surmodulation appliquée sur le weh- nelt produit une modulation du courant de faisceau qui s'ajou- te à la modulation habituelle, qui elle est appliquée sur la cible, et qui constitue le mode habituel de fonctionnement opérant par stabilisation de potentiel à courant électronique constant. L'altération produite par la surmodulation consiste pour un caractère blanc à augmenter le courant de faisceau pour toutes les parties blanches de l'image. De ce fait, la surmodulation égalise la luminosité des parties horizontales et verticales des caractères et accroit leur visibilité. Mais la dose de surmodulation du courant de faisceau doit rester faible pour éviter un excès d'inscription du blanc par rapport 7- au noir. Pour réaliser cette surmodulation du courant de faisceau, on utilise un amplificateur qui applique à faible dose sur le wehnelt du relais optique une surmodulation issue du même signal vidéo que celui qui est appliqué sur la cible. Ainsi, avec une modulation de cible effectuée par exemple sous -80 volts, le courant de faisceau stabilisé qui lui correspond est de 10 microampères. Dans le cas o l'on désire restituer des caractères blancs sur un fond noir, on superpose une sur- modulation de +6 volts sur le wehnelt le courant passant alors à une valeur de 10,8 microampères. Cette variation est suffi- samment faible pour ne pas dérégler la focalisation du fais- ceau. Dans le cas inverse o l'on désire restituer des caractères noirs sur un fond blanc, il faut diminuer le cou- rant de faisceau pour le blanc et augmenter le courant de faisceau pour les noirs. La polarité de la surmodulation est pour cela inversée et passe à -6 volts avec toujours une modu- lation de cible à -80 volts. Cette surmodulation est donc dépendante du conte- nu de l'image. Si ce contenu est sur le plan lumineux très peu modifié, par exemple avec un affichage régulier de caractères alphanumériques, le réglage de la surmodulation peut être opé- ré par l'utilisateur lorsque la nécessité apparait. Mais lors- que ce contenu est très changeant et provoque de grandes va- riations d'éclairement de l'image, ce réglage de la surmodula- tion peut être effectué automatiquement à l'aide d'un intégra- teur d'images, qui détermine le niveau moyen d'éclairement global de l'image. Cet intégrateur pilote la polarité et le taux de surmodulation à appliquer sur le wehnelt par l'inter- médiaire de l'amplificateur. L'invention sera mieux comprise à l'aide des fi- gures suivantes, données à titre d'exemples non limitatifs, qui représentent: figure 1:une coupe de la partie essentielle du - 8 - relaisoptique selon l'art antérieur, figure 2: un caractère à reproduire en A et un caractère reproduit avec défaut en B, figure 3: une représentation schématique du re- lais optique avec un amplificateur appliquant une surmodula- tion sur le wehnelt, figure 4: une représentation schématique identi- que à celle de la figure 3 avec un intégrateur d'image contrô- lant l'amplificateur de surmodulation. Sur la figure 1, sont schématiquement représen- tés, les organes essentiels d'un relais optique conforme à l'invention, et ceux qui coopèrent avec ce relais à l'obten- tion d'une image visible, projetée sur un écran 2 par une len- tille de projection 4. La lumière est fournie par une lampe 6, représentée comme étant à incandescence, mais qui pourrait évidemment être de tout autre type. Cette lumière traverse une lentille de collimation 8, puis une cuve 10 dont le rôle est d'arrêter le rayonnement calorifique infrarouge. Le relais op- tique est essentiellement constitué par une cible 12, formée d'un monocristal parallélépipédique de KDP dont l'axe optique (c) est perpendiculaire aux grandes faces, et placée entre les deux polariseurs croisés 14 et 16 dont les plans de polarisa- tion sont parallèles aux deux autres axes cristallographiques (a et b) du monocristal. Un échangeur thermique 18 est en con- tact avec la cible 12 et la maintient au voisinage de sa tem- pérature de Curie. La face gauche de cette cible reçoit un faisceau d'électrons, représenté en pointillé et issu d'un ca- non à électrons 20. Ce faisceau balaye périodiquement toute la surface utile de la cible 12 sous l'action d'organes de dé- flexion 22 commandés par les signaux de balayage issus d'un récepteur 24 qui les élabore à partir des signaux de synchro- nisation qui lui sont fournis à son entrée 26 avec le signal d'information visuelle proprement dit. Un bloc 28 fournit à certains des organes déjà cités les tensions électriques con- tinues qui leur sont nécessaires, ainsi qu'à une anode 30. Ce 9 - n'est que pour la clarté du dessin que celle-ci est représen- tée sous la forme d'une plaque parallèle au faisceau lumineux, car il est évident que cette disposition, très favorable au passage de la lumière ne l'est guère à la collection des élec- OS trons secondaires émis par tous les points de la surface de la cible 12 atteints par le faisceau électronique. C'est pour- quoi, dans la pratique, l'anode est disposée parallèlement à la surface de la cible 12 et tout près de celle-ci. Comme elle doit être traversée par le faisceau d'électrons incidents et par la lumière, on lui donne une forme appropriée, celle d'une grille par exemple. Une lame 38 électriquement conductrice et optiquement transparente, à l'aide d'une mince couche d'or par exemple, est disposée derrière la cible 12. C'est à cette-lame que le récepteur 24 applique le signal d'information visuelle. La figure 2 représente en A un caractère à repro- duire formé de parties horizontales et verticales représentant la lettre C entourant cinq carrés en contact par des sommets. Lorsqu'une image est projetée, à l'aide d'un relais optique selon l'art antérieur, il se produit des inexactitudes de res- titutions d'un tel caractère. En particulier avec un nombre élevé de lignes de balayage, par exemple 1025 lignes, les par- ties horizontales se trouvent amincies et les carrés devien- nent ainsi non jointifs. Le dessin B reproduit incorrectement ces déformations car en plus il se produit une perte de défi- nition du caractère ce qui peut rendre le caractère illisible. Pour chiffrer quantitativement ce phénomène, on peut supposer que la visibilité d'un trait blanc est le pro- duit de son amplitude crête P par sa largeur à mi-hauteur L. La visibilité relative d'un trait horizontal par rapport à celle d'un trait vertical peut s'exprimer par le rapport: R Ph Lh Pv Lv Idéalement, ce rapport doit être égal à 1. Des mesures qui ont été effectuées selon le fonc- tionnement habituel ont montré que la luminosité des traits - 10 - horizontaux n'est que 0,41 fois celle des traits verticaux. Cette détérioration dans la lisibilité des caractères est fonction des états de contraction et d'expansion de balayage trame et/ou lignes que l'on est conduit à utiliser. Pour restituer à ce coefficient de visibilité relative une valeur proche de la valeur théorique égale à 1, on applique, selon l'invention, une faible surmodulation sur le wehnelt. Avec une tension de cible de -80 volts et une sur- modulation de +6 volts, ce qui entraine un accroissement du courant de faisceau de 10 à 10,8 microampères, un coefficient de visibilité relative égale à 1,1 a été obtenu. Les caractè- res ainsi traités correspondent à des caractères blancs sur un fond noir. Une telle surmodulation augmente ainsi le niveau du blanc. Lorsque l'on désire restituer des caractères noirs sur fond blanc il faut alors diminuer le niveau du blanc et appli- quer une surmodulation ayant une polarité inverse de la précé- dente, soit -6 volts dans l'exemple choisi. La figure 3 représente schématiquement un relais optique 31, tel qu'il est représenté sur la figure 1. Il com- prend une cathode 32 émettant un faisceau d'électrons 33 qui traverse un wehnelt 34 et arrive sur la cible 12. La lame 38, qui reçoit le signal vidéo de l'amplificateur 50, module la charge de la face avant 35 de la cible qui s'effectue par le faisceau d'électrons 33 à courant initialement constant. L'a- node-grille 30 reliée à la masse, contrôle le potentiel de cette face avant 35 de sorte que cette modulation initiale s'effectue en stabilisation de potentiel. Le signal vidéo en provenance d'une source vidéo représentée symboliquement dans l'exemple par une antenne 51 est introduit dans l'amplifica- teur 50. L'invention utilise un second amplificateur 52, re- lié également à la même source vidéo, qui applique sur le wehnelt 34 une faible surmodulation. Celle-ci module légère- ment le courant de faisceau initialement constant et modifie de la sorte le potentiel de la face avant 35 de la cible. Selon la nature des caractères à reproduire - 11 - par exemple des caractères noirs (foncés) sur un fond blanc (clair) ou l'inverse, le taux et la polarité de la surmodula- tion doivent être ajustés. L'utilisateur, à l'aide d'une com- mande 53, peut donc effectuer ce réglage par rapport au niveau moyen d'éclairement global de l'image. Mais il peut arriver que les variations de l'é- clairement de l'image nécessitent des réglages plus rapides. Pour cela, selon la figure 4, l'invention utilise un intégrateur d'image 40 relié à la source vidéo qui intègre le contenu lumineux de l'image sur une ou plusieurs trames ou dans une zone particulière de l'image, et effectue automati- quement le réglage du niveau et de la polarité de la surmodu- lation par rapport à ce niveau moyen d'éclairement global de l'image. - 12 - REVENDICATIONS: 1. Relais optique comportant une cible d'un matériau électriquement isolant et laissant passer la lumière d'une ma- nière dépendant du champ électrique parallèle à la direction de propagation de cette lumière, des moyens pour faire balayer une première face de cette cible par un faisceau électronique contrôlé par un wehnelt, une anode apte à recueillir les élec- trons secondaires émis sous l'action de ce faisceau, une lame optiquement transparente et électriquement conductrice dispo- sée contre la deuxième face de la cible, cette lame recevant le signal électrique d'information visuelle à partir d'un am- plificateur qui délivre un signal vidéo réalisant une modula- tion du potentiel de cible, celle-ci étant constituée en un matériau devenant ferro-électrique au-dessous d'une certaine température, dite température de Curie, au voisinage de la- quelle fonctionne le relais optique, caractérisé en ce qu'il comprend un autre amplificateur qui applique, sur le wehnelt du relais optique, une faible surmodulation issue du signal vidéo, et en liaison avec le niveau moyen d'éclairement global de l'image produite par la modulation du potentiel de cible seule, la polarité et l'amplitude de cette surmodulation peu- vent être réglées afin de produire, pour des caractères clairs ou foncés respectivement un accroissement proportionnel de leur niveau d'éclairement ou de leur niveau d'obscurité. 2. Relais optique selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le réglage de la surmodulation est effectué au- tomatiquement à l'aide d'un intégrateur d'image qui détermine le niveau moyen d'éclairement global de l'image.