Brevet FR2748329A1 — publié le 19971107

DISPOSITIF DE CRERTIDN DE SOURCES DE LUMIERES ADRESSABLES UTILISENT LES GUIDES OPTIQUES 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 lumiere à un guide optique constitué d'au moins un premier matériau de coeur transparent, d'une couche d'enveloppe active constituée d'un matériau électrooptique en un second matériau d'indice de refraction inférieur au matériau de coeur, et d'au moins un élément récepteur de lumière en connexion optique avec le dos de la couche d'enveloppe, et en ce que l'on provoque par un moyen de commande et d'adressage une augmentation de l'indice de refraction de la couche active en certains de ses points ou zones de façon à permettre à la lumière conduite d'y etre réfractée 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 lumière. 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. RvantageusementJ on dirigera ou pointera la lumière réfractée sur une surface adjacente substantiellement parallèle au guide > ou surface de pointage. Rvantageusements le guide optique comprendra au moins une face plane. Avantageusement encore, on utilisera un guide limité par au moins deux faces planes parallelesJ ou en ruban. Dans la suite du présent mémoire, on conviendra de nommer la couche de matériau secondaire "couche d'enveloppe" et son matériau constitutif "matériau d'enveloppe". Suivant l'invention, la structure active est constituée par une couche de matériau secondaire ou couche d'enveloppe en un matériau électrooptique pouvant présenter au moins deux états distincts, caractérisés par des indices de réfraction différents vis à vis 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'invention ! on arrangera les moyens électriques permettant de modifier l'indice de réfraction des couches de manière à délimiter des zones individualisées commondables séparément sur la surface d'un guide plan. On peut ainsi diviser la couche d'enveloppe en pixels commandables ou adressables individuellement par multiplexage 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 travers de la couche d'enveloppe. Avantageusement pour la mise en oeuvre de cette voie de réalisation, la lumière réfractée 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'enveloppe de manière à faire office de source de lumière vis à vis de cet élément. Cet élément peut etre une simple feuille d'un diffusant, une série de miroirs, prismes ou lentilles, ou tout élément récepteur actif vis à vis de la lumière réfractée. 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 réfractée par la couche d'enveloppe pour créer un effet d'illumination en certaines zones. L'aval de ces zones vis à vis du flux lumineux recevra un flux lumineux nul ou modifiez rendant très difficile ou impossible l'obtention d'un signal uniforme avec une couche activée en chacun de ses points. De préférence, on arrangera les moyens de commande de la couche d'enveloppe 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 successivement 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 contre du niveau de luminance de chaque élément ou pixel sera avantageusement obtenu par une modulation temporelle de son état refractif, d l'intérieur du temps d'adressage ligne > ou par une modulation de la puissance lumineuse couplée au guide. RvantageusementJ on utilisera pour réaliser un tel adressage deux jeux d'électrodes transparentes, un premier 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 successivement et ensemble de colonnes simultanément par un multiplexage simple. Avantageusement pour certains modes de réalisation du dispositif on pourra également adresser les pixels par des matrices de transistors déposées sur film minces ou matrices actives. Suivant une voie de mise en oeuvre de i'inventions on utilisera des couches électrooptiques constituees de cristaux liquides. Suivant l'invention, 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 sait que les cristaux liquides présentent vis à vis de la lumière visible une diffusivité non négligeable. Afin d'assurer le bon fonctionnement d'un guide optique fonctionnant avec une couche de cristal liquide comme matériau d'enveloppe, on choisira de préférence des phases presentant la diffusivité la plus faible possible, et donc d'un ordre, ou cristallinite élevé. De préférence on utilisera des phases ferroéîectriques smectiques chirales en géometrie "Bookshelf" en cellule mince. Ces phases pourront en particulier être utilisées dans les configurations suivantes: -la configuration en phase smectique C chirale ferroélectrique en cellule de faible épaisseur -la configuration "Bookshelf" en cellule mince en phase smectique A à proximité du point de transition SmC-SmA présentant l'effet dit electroclinique On consultera en particulier la référence suivante: Electrooptic modulation in the optical waueguide using ferroelectric liquid crystals, nasanori Ozaki > Yutaka Sadohara, Yasushi Uchiyama > Jpn d. Rppl. Physes Uol. 32 (1992), Pt 1, N g8, pp 3169-3192 > pour une illustration du seuil réflexion totale/réfraction sur lequel repose cette voie de mise en oeuvre de l'inventions et pour un exemple de réalisation d'un dispositif utilisant ce phénomène. L'invention ua être détaillée de façon plus explicite par les dessins et schémas qui uont suivre. -la figure 1 et la figure 2 représentent, vues en coupe un schéma de principe du fonctionnement d'un dispositif suivant lsinvention -la figure 3 représente schématiquement et vue en plan un dispositif d'adressage électrique des pixels ou zones de découplage suivant l'invention -la figure 4 représente une vue en coupe de détail de la structure d'un dispositif suivant l'invention. -la figure 5 représente schématiquement et vue en coupe un dispositif de couplage et de modulation de la puissance de la lumière couplée au guide -les figures 69 7 > J 9 > 10 > représentent schématiquement et vues en coupe différents modes de réalisation de cellules à cristaux liquides suivant l'invention. -les figures 11 et 12 représentent schématiquement et vues en coupe et en plan un mode de réalisation de cellules suivant l'invention de forme pyramidale. La figure 1 représente un premier état d'un guide optique limité sur une de ses faces (2) par une couche d'enveloppe (3) constituée d'un matériau électrooptique dont l'indice de réfraction est suffisamment bas > dans au moins l'un de ses états, pour conduire le rayon lumineux (7) dans le guide. Les rayons (7) restent couplés dans le guide (1). La figure 2 représente un second état du meme guide optique pour lequel on a provoqué une augmentation locale de l'indice de réfraction (8) de la couche (3) par un champ électrique. On permet ainsi aux rayons (7) d'etre réfractés par cette zone (8) de la couche (3) et d'atteindre au travers de la couche (5) un point d'un élément récepteur de lumière (6) > en une zone (12). La présence de la couche (5) n'est pas indispensable à la réalisation de l'inventionss l'élément (6) pouvant etre en contact direct avec la couche (3). Ce peut etre une couche de colle transparente) ou une plaque de verre de support par exemple. Son indice de réfraction est de préférence supérieur ou egal à celui du guide (1). La figure 3 représente vue en plan un schéma de principe d'un dispositif electrique de commande réalisable pour ce mode de mise en oeuvre . La couche (3) se trouve insérée entre une électrode transparente longitudinale (19) et une série d'électrodes transparentes latérales (20) permettant l'adressage de pixels à leur intersection (21), par un champ électrique normal à la couche (3). Les électrodes d'adressage sont de préférence disposees hors de la section de coeur (1}. Un champ électrique de commutation d'état provoquant la refraction du rayon conduit par la couche (3) activée est appliqué aux pixels choisis, les autres éléments du guide sont maintenus en état de couplage. II va de soit que de nombreux autres modes d'adressage peuvent être réalisé sans sortir du cadre du présent mode de mise en oeuvre. La figure 4 est une vue en coupe d'un exemple de dispositif permettant la mise en oeuvre de l'invention} adressé selon le schéma 3. Le dispositif est constitué d'un support (33) par exemple en verre d'un indice de refraction inférieur à celui du matériau de coeur (1) > sur lequel est déposé une électrode de colonne transparente en ITO (19) de faible épaisseur (300 à 100 R) recouverte d'une couche tampon (31) isolante et dont l'indice de refraction est de préférence inférieur à celui du matériau constitutif du coeur (i). Un guide optique (1) constitué d'une épaisseur d'un matériau transparent (alcool polyvinylique déposé par centrifugation en solution et séché par exemple) est recouvert d'une couche (3) d'un cristal liquide smectique chiral conditionné en cellule mince (1 à 5 microns par exemple) en géométrie Bookshelf" aligné par une couche mince (30) d'un polymére frotté par exemple déposée sur un support de verre supérieur (5) dont l'indice de refraction est de préférence supérieur à celui du guide (1). Ce support porte également des électrodes de commande latérales (20) transparentes en ITO et la structure réémissive ou réceptrice (6). Eventuellement J I la contre électrode (19) pourra être placée J non au dos du guide comme représenté sur la figure, mais en face (2). Dans ce cas, on isolera ladite couche conductrice, nécessairement transparente/ du cristal liquide (3) (8) par un isolant diélectrique d'indice de refraction supérieur à celui du guide (1) et d'épaisseur suffisement faible pour ne pas avoir d'effet optique sur les rayons conduits. Figure 5 on a représenté schématiquement un dispositif permettant de coupler au guide l'énergie lumineuse guidée par une fibre optique (53). La lumière émise par le guide sous l'angle d'acceptance de la fibre est collimatée par une lentille (108) sphérique ou cylindrique sous forme d'un faisceau de rayons parallèles puis focalisée par la lentille (109) sur un coupleur à pan coupé (110) > permettant d'injecter la lumière couplée dans le guide (1) sous une direction angulaire moyenne et une répartition angulaire donnée. Avantageusement le coupleur d'angle (110) est réalisé en un matériau transparent dont l'indice de refraction est inférieur au matériau du guide (1), ou est séparé du guide (1) par une couche de colle ou d'un matériau transparent (111) dont l'indice de refraction est inférieur à celui du guide (1) et à celui du matériau du coupleur (110). Il va de soit que d'autres systèmes optiques d'injection de iumière peuvent etre realisés sans sortir du cadre de l'invention. Avantageusement pour réaliser la modulation du faisceau de lumiére injecté dans le guide) on intercalera sur le faisceau lumineux collimaté par la lentille (108) un modulateur de phase électrooptique constitué d'une cellule à effet Kerr (100) orientée vis à vis du rayon lumineux de façon à provoquer un retard de l'une des composantes de l'onde aprés passage dans un polariseur (103) sous l'effet d'un champ électrique appliqué entre les électrodes (101) (102). Un analyseur (104) orienté de maniére à sélectionner la polarisation de l'onde couplée au guide (1) est orienté à 900 du polariseur (103). On module ainsi l'intensité de l'onde émergente couplée au guide (1) par le champ électrique appliqué entre (103) et (104). Suivant une voie de réalisation privilégiée de l'invention > on réalisera les pixels de marnière à occlure la couche active d'enveloppe, de façon à ménager des cavités ou logements de caractéristiques optiques définies. Un tel logement est représenté sur les figures 6 et 7. Figure 6 on a représenté vue en coupe une voie de réalisation d'un dispositif suivant l'invention. La couche électroactive de cristal liquide (3) (8) est enserrée dans des logements réalisés dans une couche (25) qui l'emprisonnent par contact avec le guide (1). Rvantageusements afin de permettre une conduction sans perte de la lumiére dans le guide (1) > la couche (25) > ou au moins les parties (26) de celle ci en contact avec le matériau du guide (1), sont réalisées en un matériau diélectrique transparent dont l'indice de refraction est inférieur à celui du guide (1). La cellule peut etre constituée de façon à definir des canaux ou cavités parallèles et régulières de section et d'épaisseur parfaitement constantes et controllées, de positionnement et remplissage aisé par un cristal liquide (3) > et réalisables sur de grandes surfaces. Ces canaux pourront être constitués de façon à s'étendre perpendiculairement au sens de propagation de la lumière (7) et sur toute l'étendue utile ou largeur du guide (1) par exemple lorsque l'on désirera provoquer une réfraction secondaire au travers du matériau (25) du rayon refracte par un pixel activé de la couche (3). Elle peut également etre constituée de façon à s'étendre paralél lement au sens de propagation de la lumiére (7) > par exemple lorsque l'on désirera s'affranchir au maximum des phénoménes de diffraction liés à la présence de ces canaux au contact de la couche conductrice de lumiére (1), Avantageusement ces cellules ou cavités seront rendues de petite ou de très petites tailles J 50 à 10 microns de largeur ou moins. On notera que l'utilisation de ces canaux est rendue possible avec les dispositifs suivant lsinvention grâce au fait que seule une fraction d'épaisseur de la couche électroactive de cristal liquide (3) est active pour la conduction de la lumiére circulant dans la couche (1). La figure 7 représente un premier mode de réalisation d'une telle structure pour laquelle les canaux définis dans la couche (25) et contenant le matériau électrooptique (3) s'étendent parallélement au sens de propagation de la lumiére dans la couche conductrice (1). Avantageusement dans ce cas, la couche (25) sera constituée d'un matériau d'indice de refraction élevé afin de permettre au rayons lumineux refractés du guide par la couche (3) de subir une refraction secondaire au niveau de l'interface du matériau (3) et du matériau (25) et de pénétrer dans ladite couche (25) pour illuminer un élément récepteur porté sur l'autre face de ladite couche, comme une valve optique au sélénium par exemple. On consultera la demande de brevet France FR 9413039 pour un exemple d'un tel dispositif. Avantageusement les parties (26) de la couche (25) en contact avec le matériau du guide (1) seront constituées par un matériau diélectrique transparent dont l'indice de refraction est inférieur à celui du matériau de coeur (1). Dans cet exemple on â représenté un adressage électrique réalisé par des électrodes lignes colonnes (20) (19) enserrant la couche (3) et disposées de maniére à diviser chaque canal (3) en pixels élémentaires. Suivant une autre voie de réalisation de linventionl la couche (25) sera constituée d'un matériau dont l'indice de refrction est inférieur à celui du matériau de coeur, de façon à reflechir et renvoyer dans le guide les rayons refractés par la couche (3). On crée ainsi un déphaseur électrooptique de l'onde guidée. Figure 8 on a représenté vue en coupe une géométrie particuliére de canaux utilisables pour un dispositif du type de celui de la figure 7. dans cet exemple, les canaux ont une section triangulaire ou en chevron, s'étendant sans variation de forme parallélement a la direction moyenne de propagation de la lumiére dans le guide. de constante diélectrique inférieure à celle du matériau (8). Parmis les effets utilisables, on citera les transitions de Freedericz, et en particulier: -la transition de Freedericz avec des cristaux liquides nématiques d'anisotropie diélectrique positive présentant un ancrage planaire sur les faces (4) de la cellule/ ancrage paralléle ou perpendiculaire au sens de propagation d'une onde TM dans le guide > et en l'absence d'ancrage ou avec ancrage planaire paralléle faible en face (2) -la transition de Freedericz avec des cristaux liquides d'anisotropie diélectrique négative présentant en face (4) un ancrage planaire perpendiculaire au sens de propagation d'une onde TE dans le guide et en l'absence d'ancrage ou avec ancrage paralléle faible en face (2) et sensibles à la composante paralléle au guide du champ appliqué (39) -la transition de Freedericz avec des cristaux liquides nématiques d'anisotropie diélectrique négative présentant un ancrage homéotrope sur les parois (4) et (2) > ancrage de force moyenne ou faible en paroi (2) afin d'autoriser une inclinaison du directeur autour de sa direction initiale sur cette face sous l'effet de forces de volume et une variation concomitante de l'indice extraordinaire du milieu vis à vis d'une onde TM se propageant dans le guide. Suivant un autre mode de réalisation de cette voie de mise en oeuvre de l'invention utilisable pour permettre un découplage partiel et maitrisé de la lumiere conduite par le guide en des zones choisies d'une cellule provoquant une répartition du champ appliqué on utilisera un effet électrooptique presentant une réponse en champ continue, quadratique ou linéaire par exemple associé à un seuil d'indice de refraction entre le matériau du guide (1) et le matériau de la couche (3). Parmis les effets utilisables on citera en particulier l'effet electrocl inique. Avantageusement dans le cas ou les faces opposées (4) et (2) des cellules (3) ne sont pas paralléles, on choisira des matériaux (25) et (3) de constantes diélectriques différentes afin de pouvoir assurer un champ électrique incliné par rapport à la normale au guide (1) dans les cellules en chevron (3) > effet favorable à la rapidité de certains effets électrooptiques comme l'arrachement de l'ancrage planaire d'un cristal liquide nématique en face (2) > ou nécessaires à l'obtention d'autres effets Suivant cette voie de réalisation de l'inventionl le matériau (25) posséde avantageusement une constante diélectrique supérieur à celle du cristal liquide (8) sous champ électrique. La figure 9 représente une autre voie de réalisation de l'invention selon laquelle les canaux (3) délimités dans la couche (25) s'étendent perpendiculairement au sens de propagation de la lumiére dans le guide (1). La figure 10 représente une autre voie de réalisation de l'invention selon laquelle les canaux ou cellules (8) délimités dans la couche (25) ont une forme en chevron, et pour laquelle les constantes diélectriques des matériaux (25) et (8) sont différentes, permettant de provoquer dans cette couche (8) une déviation (39) des lignes du champ électrique appliqué entre les électrodes (19) et (20) par rapport à la normale a la face (2) Cet effet est favorable à la rapidité de certains effets comme les arrachements d'ancrage et induit des différences d'intensité du champ entre les zones épaisses ou minces de la cellule (8). En particulier, dans le cas ou les effets électrooptiques utilises présenteront un seuil de déclenchement en champ ou en voltage on pourra faire basculer ou declencher cet effet dans des zones partielles et choisies d'une même cellule controlables par le champ applique, de façon à obtenir par exemple une refraction du flux lumineux circulant dans le guide (1) plus ou moins importante par ladite cellule en fonction de ce champ. Avantageusement pour de tels effets on utilisera un matériau (25) II va de soit que sans sortir du cadre de la présente invention on pourra réaliser des géométries de cellule differentesl coniques ou pyramidale, afin d'utiliser les effets précédemment décrits. Les figures 11 et 12 représentent schématiquement, et vues en coupe > ou en plan) une telle géométrie de cellules de forme pyramidale (50) utilisable en particulier pour créer des champs électriques inclinés suivant quatres direct ions ou orientations distinctes par rapport à la normale a la face de support (2) > en différentes zones de ladite cellule. On utilisera de préferencel mais de façon non limitativel pour la mise en oeuvre de l'invention un effet permettant d'utiliser un ancrage homéotrope des molécules de cristal liquide sur les faces supérieures (4) des logements ancrage de réalisation simple dans une telle géométrie. REUENDICRTIONS 1- Dispositif de création de sources secondaires de lumière adressables utilisant les guides optiques caractérisé en ce que l'on couple une source de lumière à un guide optique (1) constitué d'un premier matériau de coeur transparent et d'une couche d'enveloppe active (3) en un second matériau électrooptique d'indice de refraction inférieur au matériau de coeurs l'on provoque par une perturbation électrique adressable de commande de ladite couche active une augmentation de son indice de refraction en un de ses points (8) ou en une zone, permettant à la lumière conduite d'y être réfractée et de fuir du coeur du guide de manière à constituer une source secondaire de lumière vis à vis d'un corps, d'un récepteur ou d'une optique (6) mis en connexion optique avec le dos de la couche d'enveloppe (4) en ce point ou cette zone perturbée. 2-Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé en ce que la couche active est occluse dans des cellules indiuidalisees formées dans une couche de matériaux (25) contre la face (2) du guide (1) 3-Dispositif suivant la revendication 2 caractérisé en ce que lesdites cellules individualisees sont réalisées sous forme de canaux ou cavités parallèles entre eux et de section constante 4-Dispositif suivant la revendication 2 etXou 3 caractérisé en ce que lesdites cellules individualisées s'étendent perpendiculairement au sens de propagation de la lumière dans le guide 5-Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que les cellules contenant la couche (3) s'étendent perpendiculairement au sens de propagation de la lumiere dans le guide (1) 6-Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 5 caractérisé en ce que les cellules présentent une section en chevron 7-Dispositif suivant l'une des revendications 2 à 6 caractérisé en ce que au moins les parties de la couche de matériaux (25) en contact avec le guide (1) sont constituées d'un matériau diélectrique transparent dont l'indice de refraction est inférieur à celui du guide 8-Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 7 caractérisé en ce que les constantes diélectriques des matériaux (25) et (3) sont différentes 9-Dispositif selon la revendication 8 caractérisé en ce que les cellules présentent différentes parties d'inégale épaisseur de la couche (3) formées dans une couche (25) de façon à permettre > en différentes zones desdites cellules} un basculement local d'un effet électrooptique présentant un effet de seuils en voltage, en champ électrique, ou du fait d'un saut d'indice de refraction entre le guide et la couche d'enveloppe (3) 10-Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 9 et la revendication 9 caractérisé en ce que la constante diélectrique du matériau (25) est inférieure à celle du matériau (3) ll-Dispositif selon lune quelconque des revendications 2 à 10 caractérisé en ce que l'on utilise pour la constitution de la couche (3) des cristaux liquides nématiques d'anisotropie diélectrique positive présentant un ancrage planaire en face (4) paralléle au sens de propagation d'une onde SM dans le guide, et en l'absence d'ancrage ou avec ancrage planaire paralléle faible en face (2) 12-Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 10 caractérisé en ce que l'on utilise pour la constitution de la couche (3) des cristaux liquides nématiques d'anisotropie diélectrique négative présentant en face (4) un ancrage planaire perpendiculaire au sens de propagation d'une onde TE dans le guide et en l'absence d'ancrage ou avec ancrage paralléle faible en face (2) 13-Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 10 caractérisé en ce que l'on utilise pour la constitution de la couche (3) des cristaux liquides nématiques d'anisotropie diélectrique négative présentant un ancrage homéotrope sur les parois (4) et (2), ancrage de force moyenne ou faible en paroi (2) afin d'autoriser une inclinaison du directeur autour de sa direction initiale sur cette face sous l'effet de forces de volume et une variation concomitante de l'indice extraordinaire du milieu vis à uis d'une onde TN se propageant dans le guide 14-Dispositif selon la revendication 2 et/ou la reuendication 9 caractérisé en ce que les cellules (50) sont formées avec une géométrie pyramidale dans un matériau 125).