Brevet FR2587809A1 — publié le 19870327

RELAIS OPTIQUE DONT LA CIBLE FONCTIONNE EN MODE FERROELECTRI- QUE L'invention concerne un relais optique compor- tant une cible d'un matériau électriquement isolant et lais- sant passer la lumière d'une manière dépendant du champ élec- trique parallèle à la direction de propagation de cette lumié- re, des moyens pour faire balayer une première face de cette cible par un faisceau électronique, une anode apte à recueil- lir les électrons secondaires émis sous l'action de ce fais- ceau, une lame optiquement transparente et électriquement con- ductrice disposée contre la deuxième face de la cible, cette lame recevant le signal électrique d'information visuelle et formant ainsi l'électrode de commande, la cible étant consti- tuée 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: fl - il fournit l'énergie qui doit apparaître sous forme lumi- neuse: la puissance lumineuse du tube est donc toujours - 2 - 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 fl 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 polarisés 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 différence nx - ny est propor- tionnelle au champ électrique appliqué. Il s'ensuit que si les rayons lumineux incidents sont polarisés parallèlement à l'axe a, par exemple, l'intensité lumineuse I traversant un polari- seur de sortie sera I = Io sin2kV si la direction de polari- sation de ce polariseur est parallèle à l'axe b, et I = Io cos2kV si cette direction est parallèle à l'axe a, Io étant égale à l'intensité lumineuse incidente s'il n'y a pas d'ab- -3- sorption parasite, V étant la différence de potentiel électri- que entre les deux faces -du cristal, et k un coefficient dé- pendant 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 potentiel de l'électrode de commande située à proximité, de -4 - 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 úV). 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- gne de variations abruptes des propriétés physiques selon les - 5 - axes du cristal: - coefficients piézo-électriques - coefficients électrooptiques - constantes diélectriques úx et óz. Ainsi la constante diélectrique Cz 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 électro-optique, l'épaisseur apparente e du cristal de DKDP est e = l(cx/E'z)0'5 La cible apparait d'autant plus mince que le rapport x/c'z est plus petit, o c'z est la valeur de Ez lorsque le cristal est bloqué mécaniquement. Dans un relais optique en effet, la lame monocristalline de DKDP, d'une épaisseur 1 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 úx/E'z t 1/9 et l'épaisseur apparente du cristal est environ microns, ce qui confère au relais optique une bonne résolu- tion d'image. En dessous du point de Curie, ce rapport Ex/ó'z est encore bien plus faible, ce qui améliore beaucoup la réso- lution d'image. Jusqu'à ce jour, il n'avait pas été possible d'utiliser pour une projection d'images télévisées, une cible refroidie en dessous de sa température de Curie. En effet, le changement d'état faisait apparaître systématiquement des do- maines ferroélectriques qui se manisfestent sur l'écran de projection par l'apparition d'un grand nombre de lignes bril- lantes verticales et horizontales disposées de façon désordon- née en travers de l'image. Ces domaines correspondent à des zones de réarrangement atomique différent. Le but de l'invention est donc de permettre au relais optique de fonctionner juste en dessous de la tempé- -6 - rature de Curie de la cible, avec une image finale ne présen- tant pas de détérioration dues à des lignes brillantes désor- données. Pour cela l'invention telle que définie dans le préambule est remarquable en ce que, pour maintenir la cible à la température nécessaire au fonctionnement, le relais opti- que est muni d'un échangeur thermique qui agit sur la cible de sorte qu'en fonctionnement normal la cible est formée: - d'une zone centrale utile o elle présente une phase ferro- électrique, monodomaine, - et une zone périphérique neutre, à température plus élevée que la température de Curie, o elle présente une phase pa- raélectrique. Lorsque l'on compare le rapport úx/E'z dans la phase paraélectrique et dans la phase ferroélectrique, on constate qu'il est possible d'améliorer la résolution intrin- sèque de la cible en la faisant fonctionner dans l'état ferro- électrique. La demanderesse a mis en évidence l'intérêt de fonctionner à une température inférieure au point de Curie, le rapport úx/e'z devenant bien plus faible, car ceci améliore nettement la résolution d'image du relais optique. Typiquement à la fréquence spatiale de 1000 points par ligne et au courant de faisceau nominal de 60 pA, le contraste qui est de 11% à la température habituelle de fonctionnement (-51"C), atteint 24% lorsque la température de la cible est inférieure au point de Curie et cela sur une plage d'une dizaine de degrés environ (de -63'C à -53 C). Selon le mode habituel de construction, la cible de KDP, de forme rectangulaire, est collée sur une lame de fluorine, qui est un bon conducteur thermique. Cette lame de fluorine est sertie dans une armature en cuivre ayant la forme d'un anneau, qui sert à transférer des frigories, elle-même montée sur des éléments réfrigérants à effet Peltier. De cette manière, la cible se refroidit de fa- - 7 - çon centripète: les coins de la cible de KDP atteignent la température de Curie en premier, puis les côtés; un "cercle de froid" apparait qui délimite la frontière entre les deux états, paraélectrique au centre et ferroélectrique à la péri- phérie. Pendant le même temps, dans la zone périphérique deve- nue ferroélectrique, apparaissent les lignes de démarcations brillantes déjà signalées entre les multiples domaines ferro- électriques. Celles-ci prennent naissance aux microscopiques mais inévitables défauts des bordures de la cible de KDP. L'invention consiste alors à faire progresser le froid à partir du centre de la cible et d'empêcher le cercle de froid d'atteindre les bords de la cible, afin que le cris- tal soit ferroélectrique au centre et paraélectrique à la pé- riphérie. Le centre, qui est la zone utile pour la projection de l'image, est alors ferroélectrique et monodomaine. Cet état reste stable tant que la zone centrale ferroélectrique reste entourée d'une zone périphérique paraélectrique. Selon un premier mode de réalisation pour obtenir le refroidissement de la cible par le centre, tout en sauve- gardant les propriétés optiques du centre pour la projection de l'image, on creuse une gorge périphérique profonde dans la lame de fluorine de façon à allonger notablement le chemin thermique entre l'armature de cuivre et la périphérie de la cible de KDP. Selon un second mode de réalisation le support de fluorine est constitué de deux pièces en fluorine taillées, polies dont l'une est munie d'un chanfrein et rapportées l'une sur l'autre par la partie centrale. Selon un troisième mode de réalisation, le sup- port en fluorine est taillé, poli, et muni d'un chanfrein afin de présenter une face plane de dimension inférieure au format de la cible de KDP, de telle sorte qu'après collage, la cible déborde de la zone de contact. L'invention sera mieux comprise à l'aide des figures suivantes, données à titre d'exemples non limitatifs, - 8 - qui représentent: figure 1: une coupe de la partie essentielle du relais optique selon l'art antérieur, figure 2: les coprbes de variations avec la tem- pérature des constantes diélectriques Ex, Ez SEIz, figure 3: une vue en coupe du montage de la ci- ble sur les éléments réfrigérants, figure 4: une vue en coupe de la cible montée sur un échangeur thermique selon un premier mode de réalisa- tion de l'invention, figure 5: une vue en coupe de la cible montée sur un échangeur thermique selon un second mode de réalisation de l'invention, figure 6: une vue en coupe de la cible montée sur un échangeur thermique selon un troisième mode de réalisa- tion de l'invention. 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 - 9 - 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 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- 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 les variations avec la température de ex, cz, ó'z' On constate que le passage de la phase ferroélectrique à la phase paraélectrique produit des variations brutales des caractéristiques de la cible et que l'échangeur thermique doit assurer une situation thermique très précise. La figure 3 montre une vue en coupe du montage de la cible 31 sur les éléments refrigérants 35 selon l'art anté- rieur. La cible 31 de KDP format 30x40 mm est collée sur une lame 32 en fluorine d'épaisseur 5 mm et de diamètre 50 mm. Cette lame en fluorine, qui est un bon conducteur thermique (360.10-4 cal/cm/sec/degré), est sertie dans l'armature 33 en cuivre à l'aide d'un joint métalloplastique 34, par exemple - 10 - un fil d'indium. Le refroidissement de la cible 31 à l'aide des éléments réfrigérants 35, s'effectue alors de manière cen- tripète. La génération des domaines ferroélectriques s'opère alors à partir de la périphérie o de multiples domaines nais- sent sur des défauts microscopiques du cristal. Ces domaines progressent vers le centre puis fusionnent selon des domaines de plus grande étendue, mais toujours en nombre relativement élevé. Les frontières de ces limites de domaines se traduisent alors selon des lignes brillantes à structure désordonnée. La figure 3 représente un échangeur thermique se- lon l'invention. I1 est conçu pour faire progresser le froid à partir du centre de la cible. Lorsque la température descend en dessous de la température de Curie, un domaine ferroélec- trique apparalt au voisinage du centre de la cible. La pro- gression du froid se faisant du centre vers l'extérieur, ce domaine unique se développe vers la périphérie de la cible. Si ce domaine unique n'était pas arrêté dans sa progression vers la périphérie, il se morcelerait en un grand nombre de domaines plus petits lorsqu'il atteindrait la périphérie. Pour empêcher cette situation, la construction de l'échangeur ther- mique 37, compte tenu du flux de frigories qu'il reçoit, per- met de maintenir une zone paraélectrique à la périphérie de lacible. Cette zone paraélectrique empêche au monodomaine cen- tral de se morceler. Pour cela l'échangeur thermique 37 sur lequel est placé la cible 31 est préférentiellement constitué d'une lame circulaire en fluorine dans laquelle est creusée périphériquement une gorge annulaire 40 de profondeur p. Cette gorge est faite à une distance h de la face de l'échangeur qui supporte la cible 31. Dans le plan de la gorge, et après le creusement de celle-ci, la lame de fluorine présente un diamè- tre d. Celui-ci doit être inférieur à la plus faible 1 des di- mensions (L,l) de la cible qui habituellement est rectangulai- re, afin que la gorge pénètre en totalité sous la cible. La cible dépasse donc latéralement du diamètre d de p' tel que p'= 1-d. Les distances p et p' doivent être plus élevées que - il - la distance h. A titre d'exemple, une réalisation qui a donné satisfaction présente les caractéristiques suivantes: - diamètre de la lame de fluorine 50 mm - épaisseur de la lame de fluorine 5 mm - profondeur de la gorge 10 mm - largeur de la gorge i mm - d = 30 mm -h = mm - cible constituée d'un disque de diamètre 45 mm, d'o p' = 7,5 mm, et p = 10 mm soit p/h = 10, p'/h = 7,5. Selon un second mode de réalisation le support de fluorine est constitué de deux lames 57 et 58 assemblées au moyen d'une colle 41. La première lame 57 est circulaire à faces parallèles. La seconde lame circulaire à faces parallè- les, est munie d'un chanfrein 51 sur la face située du coté jouxtant la lame 57. Ce chanfrein 51 concourt au même but que la gorge circulaire du mode précédent. I1 s'étend donc sous la cible de KDP. Selon un troisième mode de réalisation le sup- port de fluorine est constitué de la lame 58 seulement, telle qu'elle vient d'être décrite. Dans les trois modes de réalisation qui viennent d'être décrits le collage soit de la cible sur le support, soit des lames 57 et 58 entre elles, est effectué à l'aide d'une colle 41 adhésive optique polymérisable sous ultravio- let. Un relais optique selon l'invention trouve notam- ment son application dans la projection d'images, de type té- lévision, sur un écran de grandes dimensions. -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, une anode apte à recueillir les électrons secondaires émis sous l'action de ce faisceau, une lame optiquement transparen- te et électriquement conductrice disposée contre la deuxième face de la cible, cette lame recevant le signal électrique d'information visuelle et formant ainsi l'électrode de comman- de, la cible étant constituée en un matériau devenant ferro- électrique au-dessous d'une certaine température, dite tempé- rature de Curie, au voisinage de laquelle fonctionne le relais optique, caractérisé en ce que, pour maintenir la cible à la température nécessaire au fonctionnement, le relais optique est muni d'un échangeur thermique, qui agit sur la cible, de sorte qu'en fonctionnement normal la cible est formée: - d'une zone centrale utile o elle présente une phase ferro- électrique, monodomaine, - et une zone périphérique neutre, à température plus élevée que la température de Curie, o elle présente une phase pa- raélectrique. 2. Relais optique selon la revendication 1, caracté- risé en ce que l'échangeur thermique est constitué d'une lame de fluorine dont une première face supporte la cible, la lame de fluorine étant munie sur sa tranche, à une distance h de la première face, d'une gorge périphérique, dont le fond pénètre sous la cible d'une profondeur p', la lame de fluorine étant en contact avec une armature de transfert de frigories, selon la périphérie de sa seconde face et la partie adjacente de sa tranche. 3. Relais optique selon la revendication 2, caracté- risé en ce que p' est supérieur à h. 4. Relais optique selon la revendication 1, caracté- - 13 - risé en ce que l'échangeur thermique est constitué d'une pre- mière lame de fluorine dont une face supporte la cible, l'au- tre face étant collée à une seconde lame de fluorine selon une face qui présente un chanfrein périphérique, la lame de fluo- rine étant en contact avec une armature de transfert de frigo- ries selon la périphérie de la face qui ne supporte pas la ci- ble et la partie adjacente de la tranche. 5. Relais optique selon la revendication 1, caracté- risé en ce que l'échangeur thermique est constitué d'une lame de fluorine munie sur une face d'un chanfrein périphérique qui délimite une zone centrale de la face sur laquelle est collée la cible, qui déborde de toute cette zone centrale, la lame de fluorine étant en contact avec une armature de transfert de frigories selon la périphérie de la face qui ne supporte pas la cible et la partie adjacente de la tranche.