Brevet FR2731809A1 — publié le 19960920

DISPOSITIF DE CRERTION DE SOURCES DE LUnlERES ADRESSABLES UTILISANT LES GUIDES OPTIQUES ET PERFECTIONNENENT La présente invention est un dispositif de création de sources secondaires de lumière adressables utilisant les guides optiques caractérisé en ce que l'on couple une source de lueiére à un guide optique constitué d'au moins un premier atériau de coeur transparent, d'une couche d'enueloppe active constituée d'un atériau électrooptique en un second atériau d'indice de refraction inférieur au atériau de coeur, et d'au oins un élément récepteur de lueiére en connexion optique avec le dos de la couche d'enveloppe, et en ce que l'on provoque par un oyen de commande et d'adressage une augeentation de l'indice de refraction de la couche active en certains de ses points ou zônes de façon à permettre à la lumièe conduite d'y être refractée et de fuir du coeur du guide. La surface externe ou dos de la zone perturbée de la couche active constitue ainsi une source secondaire de lumière vis à vis de l'élément récepteur de lu.iére. De préférence le moyen de commande et d'adressage de l'état réfractif sera un moyen électrique comme un champ, une tension, appliqué localement à la structure active au moyen d'électrodes. Avantageusement, on dirigera ou pointera la lumière refractée sur une surface adjacente substantielleent paralléle au guide, ou surface de pointage. Avantageusement, le guide optique comprendra au moins une face plane. Avantageusement encore, on utilisera un guide limité par au oins deux faces planes parallèles, ou-en ruban. Eventuelle.ent pour la ise en oeuvre du dispositif suivant l'inuention, on associera au guide un dispositif ou une structure optique permettant la focalisation des rayons réfractés par exemple sur la surface adjacente de pointage. La surface de pointage peut être par exemple constituée d'un film photosensible, d'un atériau photosensible comme le sélénium, d'un film comprenant un .atériau photochrome, d'un document à analyser point par point, d'un support de mémoire optique i1pri1ée. Dans la suite du présent mémoire, on conviendra de noyer la couche de matériau secondaire "couche d'enveloppe", et son matériau constitutif "matériau d'enveloppe", Suivant l'inuention, la structure active est constituée par une couche de atériau secondaire ou couche d'enueloppe en un atériau électrooptique pouvant présenter au oins deux états distincts, caractérisés par des indices de réfraction différents uis à uis de la lumière couplée, ou d'une composante polarisée de celle ci, le premier de ces états assurant la conduction de la lumière guidée par réflexion totale sur ladite couche, un autre de ces états provoquant une refraction totale ou partielle de celle ci dans ladite couche. Suivant une voie privilégiée de réalisation de l'inuention, on arrangera les oyens électriques permettant de odifier l'indice de réfraction des couches de anière à délimiter des zones individualisées commandables séparément sur la surface d'un guide plan. On peut ainsi diviser la couche d'enueloppe en pixels commandables ou adressables individuellement par sultiplexage par exemple, pouvant présenter un état à bas indice assurant la réflexion de la lumière guidée, et un état à haut indice assurant la refraction de cette lumière au trauers de la couche d'enveloppe. D'une façon générale, ces dispositifs présentent l'avantage de - pouvoir utiliser des couches reflectrices à bas indice de refraction extrémement fines , de l'ordre de grandeur de la longueur d'onde de la lueiére, suffisantes pour assurer la reflexion totale des rayons parcourant le guide. Une épaisseur de couche électroactive de 0,1 à 0,5 microns par exemple pourra étre suffisante pour assurer une conduction suffisante de la lumière guidée. D'autre part, ils permettent de ettre à profit des différences d'indice faibles, du fait de la sensibilité du phénomène de réflexion totale aux faibles angles d'incidence. Ces deux effets combinés permettent de réaliser des systé1es optiques d'une grande rapidité, ou dont le temps de réponse est extrémement court, de l'ordre de la icroseconde ou oins. Suivant une de leurs caractéristiques essentielles permettant la réalisation de systèmes de découplage adressables simples sur des plans, et faisant un des objets de la présente invention, ils présentent un seuil optique trés raide à la transition de régime réflexion totale-refraction qui permet la commande de la couche d'enveloppe par un simple ultiplexage. Dans ce cas le seuil de co..ande d'un pixel sera le uoltage ou champ permettant à l'indice de refraction de la couche d'enueloppe de deuenir égal ou supérieur à l'indice de refraction réduit des rodes lumineux se propageant dans le guide. Suivant un avantage important de cette caractéristique de l'inuention, on pourra ainsi utiliser des effets électrooptiques ne présentant pas par eux zones de seuil de réponse en champ électrique, ais par exemple une réponse linéaire, quadratique ou, d'une façon générale, continue, et donc inutilisables pour la réalisation de dispositifs de commutation optique classiques ultiplexés fonctionnant par déphasage en transiission. En particulier, on citera: -l'effet électroclinique présenté par les phases smectiques A chirales au uoisinage du point de transition smectique C smectique A -les transitions de phase électriquement induites coite la transition de phase i sot rope-néiat i que -l'effet Kerr et en particulier l'effet Kerr au voisinage de la transition de phase isotrope-néiatique en phase cristal'liquide Avantageusement pour la rise en oeuvre de cette uoie de réalisation, la lumière refractée sous l'effet de l'application de ce champ électrique est transmise à un élément récepteur ou à une optique en contact optique avec le dos de la couche d'enueloppe de aniére à faire office de source de lumière vis à uis de cet élément Cet élément peut être une simple feuille d'un diffusant, une série de iroirs, prises ou lentilles, ou tout élément récepteur actif vis à uis de la lumière refractée. De préférence, un tel dispositif utilisant le principe de l'optique guidée fonctionnera en balayage. En effet, suivant une caractéristique essentielle du système, la lumière circulant dans le guide est refractée par la couche d'enueloppe pour créer un effet d'illumination en certaines zones. L'aval de ces zones uis à vis du flux lumineux receura un flux lumineux nul ou odifié, rendant très difficile ou impossible l'obtention d'un signal uniforme auec une couche activée en chacun de ses points. De préférence, on arrangera les moyens de commande de la couche d'enueloppe de façon à délimiter des éléments constitutifs de petite taille, ou pixels, disposés par exemple suivant une ligne ou suivant un quadrillage lignes-colonnes. Les lignes seront de préférence disposées perpendiculairement au sens de propagation de la lumière dans la couche. La couche sera adressée lignes par lignes successiveient ou groupes de lignes par groupes de lignes, tous les pixels d'une ligne étant activés puis désactivés en moins d'un temps d'adressage ligne. Le controle du niveau de luminance de chaque élément ou pixel sera avantageusement obtenu par une modulation temporelle de son état refractif, à l'intérieur du temps d'adressage ligne. Avantageusement, on utilisera pour réaliser un tel adressage, deux jeux d'électrodes transparentes, un preiier jeu arrangé en lignes, un second jeu arrangé en colonnes, disposés de manière à enserrer la couche d'enveloppe de matériau électrooptique et en adressant les pixels définis par les intersections ligne-colonne ligne par ligne successiveient et ensemble de colonnes simultanément par un multiplexage simple Avantageusement pour certains odes de réalisation du dispositif, on pourra également adresser les pixels par des matrices de transistors déposées sur film rince, ou oratrices actives. De façon préférentielle, les perturbations ou changenents d'état de la couche à bas indice électroco..andable sont obtenus par un effet électrooptique tel que: -l'effet Kerr -l'effet Pockels -l'effet de réorientation oléculaire dans des phases dites cristal liquide. Suivant une voie de ise en oeuvre privilégiée de l'invention, on utilisera des couches électrooptiques constituées de cristaux liquides. Suivant l'inuention, la configuration de cette couche de cristal liquide et l'effet utilisé sont tels que la perturbation créée par le champ électrique permet à au moins une partie de la lumière conduite par le guide d'être réfractée dans ladite couche. On consultera en particulier la référence suivante: Electrooptic odulation in the optical eaveguide using ferroelectric liquid crystals, Masanori Ozaki, Yutaka Sadohara, Yasushi Uchiyama, Jpn J. Appl. Phys., Uol. 32 (1992), Pt 1, N 9B, pp 3169-3192, pour une illustration du seuil réflexion totale/réfraction sur lequel repose cette voie de ise en oeuvre de l'invention, et pour un exemple de réalisation d'un dispositif utilisant ce phénomène Suivant un effet utilisable dans les dispositifs suiuant l'invention pour la réalisation des couches électrooptiques électrocommandées, on utilisera des cristaux liquides nématiques dopés cholestériques, ou un mélange de ces deux espéces, en cellules twistées auec un angle de twist de préférence égal à 180 . De préférence ces cellules présenteront un ancrage planaire perpendiculaire à la direction de propagation du rayon lumineux dans le guide pour un nématique d'anisotropie diélectrique positive. De telles cellules seront naturelle.ent reflectrices et pourront étre rendues transeissives ou refractrices sous l'action d'un champ électrique transversal paralléle à la direction d'ancrage, ou sous I'action d'un champ électrique normal à la cellule.En effet, le redresse.ent vertical ou paralléle au champ électrique normal au guide des olécules de cristal liquide provoque la refraction de la composante TE de la lumière conduite au travers de la couche par un effet de rotation adiabatique (ou régie de nauguin) par les couches licite déforcées de la cellule. Suivant une voie particuliére de ise en oeuure de l'inuention, on utilisera le dispositif décrit figures 1 à 3. Suivant cette variante de l'inuention, on permet l'adressage d'un écran de visualisation par un jeu d'électrodes tout étal, en profitant du fait que la lumière se propage dans le guide en incidence rasante. On sait en effet que dans le cas d'un écran LCD travaillant par déphasage en transeission, I'électrode frontale au moins doit être transparente pour permettre à la lumière de trauerser la couche électroactive, et les deux jeux d'électrodes avant et arriére doivent être transparent dans le cas ou l'écran est rétroéclairé. Dans le cas d'un écran travaillant en reflexion totale la lueiére arrive en incidence rasante sur la couche reflectrice, et en face avant de celle-ci. La contre électrode peut donc étre opaque et étallique, en énageant contre celle-ci face au guide un oyen de diffusion ou de renuoi de la lumière incidente découplée, fond diffusant ou miroir de renuoi. L'électrode avant peut étre également réalisée en étal dans les conditions suivantes:: - les électrodes avant sont constituées de bandes étalliques d'égales largeur et équidistantes, paralléles les unes aux autres, disposées sur une face du guide et avantageuseeent perpendiculaires au sens de propagation de la lueiére dans le guide -Ces électrodes couvrent la moitié de la surface du guide et laissent avantageuseeent libre au passage de la lueiére l'autre oit ié -Ces électrodes sont espacées de la couche électroactive par une faible épaisseur d'un atériau diélectrique fort, transparent et avantageuse1ent d'indice de refraction identique à celui du guide, épaisseur suffisante pour permettre à la lueiére guidée d'etre incidente sur toute la partie de ladite couche électroactive située sous l'électrode étallique -avantageuseeent on énage sous la couche électroactive frontaleent à la contre-électrode étallique une seconde épaisseur de atériau diélectrique permettant à la lueiére ayant traversé ladite couche d'étre refractée jusqu'aux zones du atériau diffusant ou aux iroirs de renvoi situés face aux zones du guide ne portant pas d'électrodes rétalliques de façon à permettre à la lueiére ainsi découplée de produire un effet visible pour un observateur. Afin de provoquer une ouverture plus ou moins grande de la couche électroactive sous l'effet du champ appliqués on disposera avantageuseeent entre lesdites électrodes des structures coeposites en atériaux diélectriques permettant d'adresser des gradients de champ électrique dans ladite couche active, gradient provoquant un passage graduel par zones de plus en plus grandes de l'étendue de la couche électroactive définissant un pixel d'un état reflecteur à un état refractif en fonction de la différence de uoltage appliquée. Les Figures 1,2 et 3 représentent schéiatiqueient ce ode de fonctionneeent de i'inuention. Figure 1 on a représenté une vue de principe eclatée et uue de face d'un dispositif suivant l'invention Figure 2 on a représenté vu en coupe selon AR' et agrandi le dispositif suivant l'invention représenté figure 1 Figure 3 on a représenté uu en coupe selon AR' une uariante du dispositif représenté figures 1 et 2. Figure 1 on a représenté schéiatique.ent uu en plan l'arrange.ent général d'un dispositif suivant l'invention ainsi que la disposition des couches successives constituant sa structure. Un guide optique plan (1) est éclairé par sa tranche par une source lumineuse (15) collisatée par un iroir (14) sur un faisceau de fibres optiques (13). Ce guide (1) porte sur l'une de ses faces (19) un ensemble d'électrodes de ligne étalliques constituées de bandes paralléles équidistantes de largeur égale à la distance les séparant. Ces électrodes sont constituées par exemple d'aluminium déposé sous uide et gravé. On recouvre ces électrodes d'une épaisseur (3) d'un atériau transparent de constante diélectrique élevée, lequel sert de support à la couche de cristal liquide (5) réflechissante éventuellement ancrée en surface par des couches suppléientaires d'alignenent (6). On réalise un e.pileient similaire sur l'autre face de la couche (5) sur la base constituée par un support (2).On dépose succensivenent sur ledit support les électrodes métalliques de colonne (11), recouvertes d'une couche d'un diffusant blanc par exemple conne une fine pellicule de polymère pigmenté (10) colorée de façon à définir des pixels éléientaires bleus rouges et uerts par dépot d'une couche suppléientaire de colorants (9). Rfin de pernettre à la lumière découplée au travers de la couche (5) d'étre incidente sur la couche (10) en une zone (figure 2) écartée et décalée de la zone opaque constituée par l'électrode (12), on cospléte éventuelleient cet ensemble par une couche suppléientaire (4) de atériau diélectrique identique au matériau (3). On a représenté figure 2 le trajet de la luniére (7) passant au travers du dispositif dans la couche (3) sous les électrodes (12), découplée au trauers d'une zone activée, c'est a dire rendue refractive par l'application d'un champ électrique (8) de la couche (5) et incidente en une zone u de la couche de renvoi (10) situé à l'écart des électrodes opaques (12) et permettant l'observation d'un effet lumineux visible par un observateur extérieur. On à supposé pour la commodité de cette représentation que les indices de refraction du guide (1) > des ilieux (3) et (4) et de la couche (5) dans la zone (8) étaient identiques uis à uis du rayon (7).On notera que la présence de la couche électroactive (5) n'est pas nécessaire dans les zones w, et que celle ci peut avantageuseeent être replacée dans ces zônes par une épaisseur de atériau à bas indice de refraction transparent jouant le rôle d'espaceur vis à vis de ladite couche (5). On notera que sans sortir du cadre de la présente invention la couche (5) elle eee pourra jouer le role de l'espaceur (4) et/ou de l'espaceur (3). Figure 3 on a représenté une uariante de ce dispositif pour laquelle le renvoi de la lueiére découplée s'effectue par reflexion sur un pan incliné énagé par roulage dans la couche (t) d'une icroforie en cheuron (17), constituée par exemple d'un atériau à bas indice de refraction provoquant la reflexion totale des rayons (7) qui l'atteignent, ou recouverte d'une pellicule d'un atériau reflechissant uis à vis desdits rayons. Cette icrofor.e est de section constante et s'étend paralléleient aux électrodes (12) sur toute la largeur de l'écran. La couche (16) est une éuentuelle couche d'isoleient. Suivant un ode de réalisation de l'inuention, on placera entre les électrodes une structure composite (18) en atériaux diélectriques permettant d'adresser des champs électriques d'intensité uariable sur la couche (5). On a représenté schématiquement une telle structure constituée d'une icroforie en chevron (18) oulée dans le matériau (3) par exemple et replie d'un atériau de constante diélectrique supérieure à celle du atériau (3). Suivant une voie de réalisation particuliére, ais non exclusive de l'inuention, ladite structure (18) s'étendra sous l'électrode (12) paralléle.ent à celle-ci et sera de section constante, section telle que représentée sur la figure 3. Dans cette configuration les zones centrales de la couche (5) situées sous l'électrode (12) seront soumise à un champ électrique plus fort que les zones extérieures et commuterons d'un état reflecteur à un état refract i f avant lesdites zones extérieures. On pourra dans cette configuration créer des diaphrag.es d'ouverture variable uis à vis de la lumière (7), par exemple en utilisant un seuil de commutation en uoltage comme une transition de Freedericz. REUENDICRTIONS 1-Dispositif de création de sources secondaires de luoiére adressables utilisant les guides optiques caractérisé en ce que l'on couple une source de lueiére à un guide optique (1) constitué d'un premier atériau de coeur transparent et d'une couche d'enueloppe active (5) en un second matériau électrooptique d'indice de refraction inférieur au atériau du coeur, en ce que l'on provoque par une perturbation électrique adressable au oyen d'un jeu d'électrodes (11) (12) de ladite couche active une augeentation de son indice de refraction en un de ses points ou en une zone (8), permettant à la lueiére conduite d'y être refractée et de fuir du coeur du guide de aniére à constituer une source de luoiére secondaire uis à vis d'un corps d'un récepteur ou d'une optique (10) is en connexion optique avec le dos de la couche d'enueloppe (5) au voisinage de la zone (8) 2-Dispositif selon la reuendication 1 caractérisé en ce que les électrodes de coeeande arriéres (11) de la couche (5) sont constituées de bandes étalliques recouvertes face au guide (1) d'un oyen de diffusion ou de renuoi de la lueiére incidente découplée, (10), (17), en ce que l'électrode avant (12) est constituée de bandes de conducteurs aétalliques d'égales largeur et équidiAtantes, paralléles les unes aux autres, disposées paralléle.ent à une face (19) du guide et perpendiculaires au sens de propagation de la lumière dans le guide, en ce que lesdites électrodes (12) couurent la moitié de la surface du guide et laissent libre au passage de la lumière l'autre oitié, et en ce que ces électrodes sont espacées de la couche électroactive par une faible épaisseur d'un matériau diélectrique fort (3), transparent et avantageusement d'indice de refraction identique à celui du guide, épaisseur suffisante pour per.ettrejo la lumière guidée d'6tre incidente sur toute la partie de ladite couche électroactive (5) située sous l'électrode métallique (12) 3-Dispositif selon la reuendication 2 caractérisé en ce que l'on ménage sous la couche électroactive (5) frontalenent à la contreélectrode métallique (11) une seconde épaisseur de atériau diélectrique (4) permettant à la lueiére ayant traversé ladite couche d'étre refractée jusqu'aux zones du atériau diffusant (10) ou aux miroirs de renvoi (17) situés face aux zones du guide ne portant pas d'électrodes métalliques 4-Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que l'on dispose entre les électrodes (11) et (12) des structures composites en matériaux diélectriques permettant d'adresser des gradients de champ électrique dans la couche active (5)