Brevet FR2736167A1 — publié le 19970103

L'invention vise l'obtention d'un faisceau de lumière du type de celui sortant d'un projecteur de diapositives ou de films, c'est-à-dire modulé spatialement. Elle propose à cet effet un modulateur spatial de lumière, caractérisé en ce qu'il comporte - un bloc de matière transparente, comportant une face plane - une couche de matériau électro-optique, parallèle à ladite face plane, dont chaque portion présente un indice de réfraction, compris entre deux valeurs extrêmes, fonction du champ électrique dans lequel est plongée cette portion - au moins une couche de matériau d'ancrage de la couche de matériau électro-optique - deux couches respectives de matériau électriquement conducteur dont une première est transparente et située entre ladite face plane du bloc de matériau transparent et ladite couche de matériau électro-optique, et la deuxième du côté opposé de la couche de matériau électrooptique, au moins une dite couche présentant des évidements pour la diviser en une pluralité de segments indépendants - des moyens pour appliquer sélectivement une différence de potentiel électrique à chaque paire de segments opposés desdites couches de matériau électriquement conducteur, afin de pouvoir faire varier sélectivement l'indice de réfraction de chaque portion de ladite couche de matériau électro-optique se trouvant entre une dite paire de segments opposés' l'indice de réfraction du bloc de matériau transparent, l'indice de réfraction de la première couche de matériau électriquement conducteur, et lesdites valeurs extrêmes de l'indice de réfraction de la couche de matériau électro-optique, étant tels qu'un faisceau de lumière se propageant dans le bloc de matière transparente et rencontrant ladite face plane sous un angle d'incidence prédéterminé, est réfléchi ou non, au niveau de chaque dite portion de la couche de matériau électro-optique se trouvant entre une dite paire de segments opposés, en fonction de la différence de potentiel appliquée entre ces segments. Dans le faisceau de lumière sortant du modulateur conforme à l'invention, on retrouve la lumière qui était présente dans le faisceau incident aux endroits où celui-ci a été réfléchi alors qu'aux autres endroits l'intensité lumineuse est diminuée, voire annulée. On observera que le faisceau qui sort du modulateur conforme à l'invention, n'a pas traversé la couche de matériau électro-optique porteuse du motif spatial recherché, mais n'a fait que se réfléchir au niveau de cette couche. Etant donné que la réflexion ne s'effectue que sur une très faible profondeur à partir de la surface de la couche de matériau électro-optique, le temps de réaction de cette dernière à des changements de différences de potentiel, est extrêmement court. Le faisceau sortant du modulateur conforme à l'invention peut donc transporter des motifs dont la fréquence de renouvellement est extrêmement élevée, et peut donc être utile non seulement pour la projection d'images animées, mais aussi pour le transport d'informations numériques, voire pour le filtrage spatial de fréquences. Selon des caractéristiques préférées de l'invention, ladite première couche de matériau électriquement conducteur est transparente, et son indice de réfraction est tel que ledit faisceau de lumière est soit réfléchi, soit réfracté au niveau de chaque dite portion de la couche de matériau électro-optique. Ces caractéristiques sont particulièrement avantageuses sur le plan des capacités du modulateur conforme à l'invention, et lui permettent par exemple de traiter un faisceau avec une très grande largeur de spectre, allant par exemple du bleu à l'infrarouge. En outre, la mise en oeuvre de l'invention est particulièrement simple, commode et économique avec ces caractéristiques, notamment parce que la partie du faisceau incident qui n'est pas réfléchie, n'est pas absorbée directement au niveau de la couche de matériau électro-optique, ce qui facilite considérablement l'élimination des calories apportées au dispositif par la partie non réfléchie du faisceau incident. De préférence, le modulateur comporte un support sur lequel est déposée ladite deuxième couche de matériau électriquement conducteur, cette couche est transparente, et ledit support est en un matériau adapté à évacuer la lumière réfractée. On sépare ainsi parfaitement les lieux où se produisent respectivement la réflexion du faisceau et l'évacuation de la partie non réfléchie du faisceau incident. En fonction des circonstances, l'on peut simplement prévoir une simple fuite de la lumière dans le support, mais de préférence, afin d'éliminer complètement la partie non réfléchie du faisceau incident, on prévoit un corps absorbant la lumière, tel qu'un corps noir ou même un simple corps coloré, et un moyen pour refroidir ce corps absorbant. Selon d'autres caractéristiques préférées, ledit matériau électro-optique est un cristal ferro-électrique smectique C chiral. Un tel matériau électro-optique convient en effet particulièrement bien pour la mise en oeuvre du modulateur conforme à l'invention. L'exposé de celle-ci sera maintenant poursuivie par la description d'un exemple de réalisation, donnée ciaprès à titre illustratif et non limitatif, en référence aux dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 est une vue très schématique en élévation-coupe d'un modulateur spatial de lumière conforme à l'invention, montrant le trajet d'un rayon du faisceau incident qui est réfléchi dans le modulateur - la figure 2 est un agrandissement de la partie du modulateur au niveau de laquelle ce rayon est réfléchi - la figure 3 est une vue similaire, mais montrant un rayon qui est réfracté - la figure 4 est une vue schématique partielle en plan montrant les couches de matériau électriquement conducteur qui prennent en sandwich la couche centrale de matériau électro-optique ; et - la figure 5 est une vue similaire, pour une variante où la couche supérieure de matériau électro-optique est également divisée en segments linéaires. Le modulateur de lumière 1 représenté sur la figure 1 comporte un prisme 2 dont la face plane 3 constitue la base, un support 4, et un ensemble 5 de diverses couches de matériau, disposé entre la face 3 du prisme 2 et la face supérieure 6 du support 4. Le prisme 2 et le support 4 sont ici en verre d'indice de réfraction de 1,7. Comme on le voit plus particulièrement sur la figure 2, l'ensemble 5 comporte, à partir de la face 3 du prisme 2 : une première couche 7 de matériau transparent et électriquement conducteur, ici une couche d'oxyde d'indium et d'étain (ITO) dont l'indice de réfraction est de 1,9 ; une couche 8 de matériau transparent et électriquement isolant, ici un polyimide d'indice de réfraction de 1,7 ; une couche 9 de matériau d'ancrage, ici un polyimide frotté d'indice de réfraction de 1,7 ; une couche 10 de matériau électrooptique, ici un cristal liquide, et plus précisément un cristal ferro-électrique smectique C chiral, dont l'indice de réfraction, vis-à-vis de la composante TE du faisceau incident, varie entre 1,5 et 1,7 en fonction du sens et de l'intensité du champ électrique dans lequel elle est plongée du fait de la ré-orientation de son axe moléculaire sous l'effet de ce champ ; une deuxième couche 11 de matériau d'ancrage de la couche 10, faite dans la même matière, et frottée comme elle suivant une direction faisant un angle de 450 par rapport à la projection sur sa surface de la direction moyenne de propagation de la lumière dans le modulateur ; une deuxième couche 12 de matériau électriquement isolant, faite dans la même matière que la couche 8 ; et une deuxième couche 13 de matériau électriquement conducteur, faite dans la même matière que la couche 7. Comme on le voit plus particulièrement sur la figure 4, la couche 7 de matériau électriquement conducteur se trouvant entre le prisme 2 et la couche 10 est continue, alors que la couche 13 se trouvant du côté opposé, présente des évidements 14 qui la divisent en une pluralité de segments indépendants 15, qui sont linéaires et parallèles. Un conducteur électrique 16 est connecté à la couche 7, tandis que chacun des segments 15 de la couche 13 est connecté à un conducteur respectif 17 qui est connecté à son tour à un bus 18. Le connecteur 16 et le bus 18 sont chacun connectés à un générateur sélectif de tensions électriques qui permet d'appliquer entre la couche 7 et chacun des segments 15, une différence de tension électrique propre à chacun des segments 15, c'est-à-dire que la différence de tension entre chacun des segments 15 et la couche 7 peut prendre, comme on le souhaite, une valeur spécifique en sens et en intensité, de façon par exemple à faire naître entre chacun des segments 15 et la couche 7, un champ électrique compris entre + 10 volts par micromètre. Grâce à ces champs électriques, l'indice de réfraction de chaque portion de la couche 10 se trouvant entre la couche 7 et un segment 15 va prendre une valeur spécifique correspondant au champ électrique dans lequel on l'a plongée. En fonctionnement, le faisceau incident de lumière, ici polarisé TE vis-à-vis de la face 3, pénètre sous une incidence prédéterminée dans le prisme 2 par sa face plane 19 située à gauche sur la figure 1, tandis que le faisceau modulé en sort par sa face 20, située à gauche. Le rayon 21 du faisceau incident montré sur la figure 1 est totalement réfléchi au niveau de la couche 10, et l'on va maintenant décrire plus en détail son trajet à l'appui de la figure 2. Etant donné que l'indice de réfraction de chacune des couches 7 à 9 est supérieur ou égal à celui du matériau du prisme 2, le rayon 21 traverse chacune de ces couches, et parvient à la surface d'une portion de la couche 10 à laquelle le champ électrique appliqué par les couches 7 et 13 est tel que son indice de réfraction est de 1,5, de sorte que le rayon subit alors une réflexion totale, et traverse à nouveau les couches 7 à 9, puis traverse le prisme 2 dont il sort par la face 20, en ayant conservé pratiquement toute l'intensité qu'il avait en pénétrant dans le prisme 2. On observera que la figure 2 est très dilatée en hauteur pour la clarté de l'exposé, de sorte que l'on voit apparaître le trajet que suit le rayon 22 sur une très faible épaisseur à partir de la surface de la couche 10 pour subir sur celle-ci la réflexion totale. La figure 3 montre le trajet du rayon 22, faisant partie du même faisceau incident que le rayon 21. De même que ce dernier, le rayon 22 traverse le prisme 2 puis les couches 7 à 9, mais la portion de la couche 10 qu'il rencontre est soumise à un champ électrique tel que son indice de réfraction est de 1,7, de sorte que le rayon 22 traverse également la couche 10, puis les couches 11 à 13, et va se perdre dans le support 4 dans lequel il s'évacue. A la base du support 4, il est prévu une couche 23 (voir figure 1) d'un corps absorbant la lumière, ici du polyimide chargé en noir de carbone, refroidi par un ventilateur (non représenté). Pour obtenir le modulateur 1, on se procure d'abord le prisme 2 et le support 4, on dépose sur les faces respectives 3 et 6 de ceux-ci, les couches 7 et 13, on pratique dans la couche 7 des évidements 14 et on met en place les connecteurs 16 et 17, on dépose respectivement les couches 8 et 12 puis 9 et 11, on dispose sur le support 23 un cadre d'entretoisement 24, on remplit l'intérieur de ce cadre avec le matériau de la couche 10, et l'on fixe sur le cadre 27 le prisme 2 portant les couches 7 à 9, puis l'on réalise des connexions des conducteurs 16 et 17 au bus 18 et au générateur sélectif de tension qui commande le motif spatial de modulation du faisceau sortant du modulateur 1. Dans la variante illustrée sur la figure 5, la couche 7 est remplacée par une couche 7' qui présente des évidements 14' similaires aux évidements 14 de la couche 13, ces évidements délimitant une pluralité de segment s indépendants 15' linéaires et parallèles entre eux, mais disposés transversalement par rapport aux segments 15, chacun des segments 15' étant connecté à un conducteur 16' connecté à son tour à un deuxième bus 18', chacun des bus 18 et 18' étant connecté au générateur sélectif de tensions. On voit que dans cette variante, le motif spatial modulant le faisceau de lumière n'est pas constitué par de simples lignes comme dans le dispositif des figures 1 à 4, mais par un ensemble de points situés chacun à l'intersection d'un segment 15 et d'un segment 15', ceux-ci réalisant un quadrillage de la couche 10. On notera que l'indice de réfraction du prisme 2 est avantageusement le plus élevé possible, afin de limiter au maximum la profondeur de pénétration des ondes évanescentes du faisceau de lumière incident dans la couche 10, le fait que la partie utile de la couche 10 ait ainsi une épaisseur la plus faible possible permettant que l'indice de réfraction de cette partie utile puisse varier particulière ment rapidement, de sorte que l'on obtient un modulateur à temps de réponse extrêmement bref. On notera encore à cet égard qu'il est possible de réaliser des couches 7 à 9 avec des épaisseurs particulièrement réduites, par exemple de l'ordre de 50 , afin que leur rôle optique soit pratiquement inexistant, en particulier en ce qui concerne leur indice de réfraction. On notera par ailleurs qu'en prévoyant des couches de matériau électriquement conducteur 7 et 13 à haute conductivité électrique, par exemple de moins de 20 ohms/carré, on minimise le temps de propagation des tensions fournies par le générateur sélectif, ce qui est encore favorable à la rapidité de réponse du modulateur selon l'invention. De nombreuses variantes sont possibles en fonction des circonstances, le prisme 2 et le support 4 peuvent notamment être dans un matériau autre que le verre, par exemple une matière plastique ou une céramique, les couches 7 et 13 peuvent être réalisées en métal plutôt qu'en ITO, et notamment en métal à haute conductivité et déposé en couche très mince (par exemple de 10 ), les couches 8 et 9 peuvent être réalisées en un autre polymère que le polyimide, par exemple en polyamide, en alcool polyvinylique, en un oxyde isolant, et la couche 10 peut être réalisée en un autre matériau électro-optique, et notamment en une autre sorte de cristal liquide que le cristal ferro-électrique smectique C chiral. On rappelle que l'invention ne se limite pas aux exemple décrits et représentés. REVENDICATIONS 1. Modulateur spatial de lumière, caractérisé en ce qu'il comporte - un bloc (2) de matière transparente, comportant une face plane (3) - une couche (10) de matériau électro-optique, parallèle à ladite face plane (3), dont chaque portion présente un indice de réfraction, compris entre deux valeurs extrêmes, fonction du champ électrique dans lequel est plongée cette portion - au moins une couche (9, 11) de matériau d'ancrage de la couche de matériau électro-optique (10) - deux couches respectives (7, 13 ; 7', 13) de matériau électriquement conducteur dont une première (7, 7') est transparente et située entre ladite face plane (3) du bloc (2) de matériau transparent et ladite couche (10) de matériau électro-optique, et la deuxième (13) du côté opposé de la couche (10) de matériau électro-optique, au moins une dite couche (13 ;; 7', 13) présentant des évidements (14 14') pour la diviser en une pluralité de segments indépendants (15 ; 15') - des moyens (16-18 ; 16', 17, 18, 18') pour appliquer sélectivement une différence de potentiel électrique à chaque paire de segments opposés (7, 15 ; 15, 15') desdites couches de matériau électriquement conducteur, afin de pouvoir faire varier sélectivement l'indice de réfraction de chaque portion de ladite couche de matériau électrooptique se trouvant entre une dite paire de segments opposés, l'indice de réfraction du bloc de matériau transparent (2), l'indice de réfraction de la première couche de matériau électriquement conducteur (7 ; 7'), et lesdites valeurs extrêmes de l'indice de réfraction de la couche de matériau électro-optique (10), étant tels qu'un faisceau de lumière se propageant dans le bloc de matière transparente (2) et rencontrant ladite face plane (3) sous un angle d'incidence prédéterminé, est réfléchi ou non, au niveau de chaque dite portion de la couche de matériau électro-optique (10) se trouvant entre une dite paire de segments opposés, en fonction de la différence de potentiel appliquée entre ces segments. 2. Modulateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite première couche de matériau électriquement conducteur (7 ; 7') est transparente, et son indice de réfraction est tel que ledit faisceau de lumière est soit réfléchi, soit réfracté au niveau de chaque dite portion de la couche de matériau électro-optique (10). 3. Modulateur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte un support (4) sur lequel est déposée ladite deuxième couche (13) de matériau électriquement conducteur, en ce que cette couche est transparente, et en ce que ledit support (4) est en un matériau adapté à évacuer la lumière réfractée. 4. Modulateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit support (4) comporte un corps (23) absorbant la lumière, coopérant avec un moyen de refroidissement. 5. Modulateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit matériau électrooptique est un cristal ferro-électrique smectique C chiral. 6. Modulateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que lesdits segments indépendants (15 ; 15, 15') de chaque dite couche de matériau électriquement conducteur présentant des évidements, sont linéaires et parallèles. 7. Modulateur selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'une des couches de matériau électriquement conducteur (7) ne présente pas d'évidement. 8. Modulateur selon la revendication 6, caractérisé en ce que les deux couches de matériau électriquement conducteur (7', 13) présentent chacune desdits évidements (14, 14'), les segments (15, 15') des couches respectives étant disposés transversalement les uns par rapport aux autres. 9. Modulateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que chaque couche de matériau présente entre ledit bloc (2) de matériau transparent et ladite couche (10) de matériau électro-optique, un indice de réfraction supérieur ou égal à celui du matériau dudit bloc (2). 10. Modulateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que ledit bloc est un prisme (2) dont ladite face plane (3) constitue la base.