Brevet FR2753807A1 — publié le 19980327

PROCEDE D'INRGERIE PAR DECOUPLAGE DE GUIDES OPTiQUES La présente invention est un procédé d'imagerie utilisant le principe des guides optiques plans, caractérisé en ce que l'on fait pénétrer de la lumière dans au moins un guide conducteur de lumière constitué d'au moins un matériau transparent, limité sur au moins l'une de ses faces par une couche d'un matériau secondaire électroopt ique, magnétooptique, acoustooptique ou photorefractif, ou couche d'enveloppe, dont l'indice de réfraction est inférieur à celui du guide, et en ce que i'on provoque un découplage de la lumière conduite sous l'effet d'une perturbation locale électrique, acoustique, magnétique ou lumineuse,de ladite couche de matériau secondaire, de façon à créer une image. Par lumière couplée au guide. on entend lumière conduite par le guide. Par découplage, on entend extraction, ou fuite de cette lumière hors du guide. Par contact optique, on entend tout moyen permettant d'assurer le passage de la lumière découplée du guide au récepteur, en particulier un contact intime réalisé par dépot,une jonction à l'aide d'un liquide d'indice, un collage à l'aide d'une colle transparente d'indice suffisement élevé. 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 couche de matériau secondaire ou couche d'enveioppe, peut 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, L'indice de l'un de ces états étant suffisement bas pour assurer la conduction de la lumière guidée par réflexion totale, un autre de ces états prouoquant un découplage total ou partiel de celle ci . Les changements d'état de la couche d'enveloppe peuvent etre induits par effet photorefractif, au moyen d'un faisceau lumineux comme un laser par exemple. Suivant une voie de réalisation de l'invention, ces changements d'état sont réalisés au moyen d'un champ électrique agissant sur une couche d'enveloppe constituée d'un matériau électrooptique.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 commandables séparément sur la surface du 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, ou couplage, et un état à haut indice assurant le découplage de cette lumière. Suivant une caractéristique essentielle de l'inventionw la lumière découplée sous l'effet de l'application de ce champ électrique est transmise à un élément récepteur reflecteur ou réémetteur de lumière disposé de manière à couvrir son autre face, et en contact optique avec elle. Cet élément peut être une simple feuille d'un diffusant, une série de miroirs, prismes ou lentilles, ou tout élément récepteur actif vis à vis de la lumière découplée. La distribution de la lumiére guidée suivant ce procédé permet de créer une image. De préférence, un tel procédé d'imagerie utilisant le principe de l'optique guidée fonctionnera en balayage. En effet, suivant une caractéristique essentielle du procédé, la lumiére circulant dans le guide est découplée 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 modifié, rendant trés 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 élements constitutifs de l'image de petite taille, ou pixels, disposés par exemple suivant un quadrillage lignes-colonnes. Les lignes seront de préférence disposées perpendiculairement au sens de la lumiére dans la couche. La couche sera adressée lignes par lignes successivement > tous les états ou pixels d'une ligne étant activés puis désactivés en moins d'un temps d'adressage ligne. Le balayage de I 'ensemble des lignes divisant la couche d'enveloppe devra étre effectué en un temps inférieur à un temps caractéristique du dispositif de mise en oeuvre. Dans le cas ou le procédé suivant l'invention sera utilisé en tant qu'écran, en visualisant directement une image par la distribution de la lumiére conduite sur un élément réémetteur, récepteur ou ampiificateur de lumiére, le temps de balayage de l'ecran devra etre inférieur à la durée de persistance rétinienne, soit environ 1/24 de seconde. On devra donc dans ce cas utiliser des effets électrooptiques suffisement rapides pour permettre le balayage de l'écran en un intervalle de temps aussi court. Le controle du niveau de luminance de chaque élément ou pixel sera obtenu par une modulation temporelle de son état refractif > ou de découplage à l'intérieur du temps d'adressage ligne. Rvantageusement, on utilisera pour réaliser l'adressage qui vient d'etre décrit, deux jeux d'électrodes transparentes, un premier jeu arrangé en lignes, un second jeu arrangé en colonnes, disposés de maniére 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. On peut ainsi diviser la couche d'enveloppe en pixels commandables ou adressables individuellement 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. 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 lumiére, 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 lumiére guidée. D'autre part, ils permettent de mettre à profit des différences d'indice faibles, du fait de la sensibilité du phénoméne de réflexion totale aux faibles angles d'incidence. Ces deux effets combinés permettent de réaliser des systémes optiques d'une grande rapidité, ou dont le temps de réponse est extrémement court, de l'ordre de la microseconde ou moins. Suivant une de leurs caractéristiques essentielles permettant la réalisation de systémes 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 multiplexage. Dans ce cas le seuil de commande d'un pixel sera le voltage ou champ permettant à l'indice de refraction de la couche d'enveloppe de devenir égal ou supérieur à l'indice de refraction réduit des modes lumineux se propageant dans le guide. Suivant un avantage important de cette caractéristique de l'invention, on pourra ainsi utiliser des effets électrooptiques ne présentant pas par eux mêmes de seuil de réponse en champ électrique, mais par exemple une réponse linéaire, quadratique ou, d'une façon générale, continue, et donc inutilisables pour la réalisation de dispositifs de commutation optique classiques multiplexés fonctionnant par déphasage en transmission. En particulier, on citera: effet électroclinique présenté par les phases smectiques A chirales au voisinage du point de transition smectique C -les transitions de phase électriquement induites comme la transition de phase isotrope-nématique -I'effet Kerr et en particulier l'effet Kerr au voisinage de la transition de phase isotrope-nématique en phase cristal liquide Suivant une voie de mise en oeuvre privilégiée de l'invention, on utilisera des couches électrooptiques constituées 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 1 iquides 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 présentant la diffusivité la plus faible possible, et donc d'un ordre, ou cristallinité élevé. De préférence on utilisera des phases ferroélectriques smectiques chirales en géometrie "8ookshelf" 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 dite bistable décrite par flrs Clark et Lagerwall -la configuration "Bookshelf" en cellule mince en phase smectique A à proximité du point de transition SmC-SmR présentant l'effet dit éiectroclinique On consultera en particulier la référence suivante: Electrooptic modulation in the optical maveguide using ferroelectric liquid crystals, flasanori Ozaki, Yutaka Sadohara, Yasushi chiyama, Jpn J. Appui. Physe Uol. 32 (1992), put 1, i > N 9B, pp 3169-3192, pour une illustration du seuil réflexion totale/réfraction sur lequel repose cette voie de mise en oeuvre de l'invention, et pour un exemple de réalisation d'un dispositif utilisant ce phénomène. On sait que pour la mise en oeuvre de ces cristaux liquides ferroelectriques smectiques C chiraux en géométrie page de livre ou "8ookshelf", on dépose généralement des couches d'alignement sur les parois de la cellule délimitant le cristal liquide, couches d'alignement constituées par exemple d'un polymère comme un polyamide en couche très mince ( 100 à 1000 A) frotté et recuit. Préférentiellement pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention, on réalisera des couches d'alignement extrêmement minces, 400 R à 100 A ou moins de manière à ce qu'elles n'aient pas d'effet optique vis à vis de la lumière guidée,et de préférence enun matériau dont l'indice de réfraction est supérieur à celui du guide. Avantageusement on ne réalisera pas de traitement d'alignement au moins sur la paroi du guide proprement dit De préférence pour la mise en oeuvre des procédés suivant l'invention utilisant des phases chirales smectique C en cellule mince, afin d'éviter la formation de couches limites génantes pour l'efficacité du seuil reflexion totale-refraction, on utilisera des systémes présentant la bistabilité de surface au sens de la classification proposée par Mr I. DAHL, Ferroelectrics, l988, Uol. 85, pp 495-496. L'invention va être détaillée de façon plus explicite par les dessins et schémas qui vont suivre. -la figure l et la figure 2 représentent, vues en coupe un schéma de principe du fonctionnement d'un dispositif suivant l'invention -la figure 3 représente schématiquement et vue en plan un dispositif d'adressage électrique des pixels ou zones de découplage suivant itinvention -la figure 4 représente une vue en coupe de détail de la structure d'un dispositif suivant l'invention. -la figure 5 représente vue en plan et partiellement eclatée une vue de principe d'un dispositif suivant l'invention utiiisable pour répartir la lumiére sur un plan -les figures 6 et 7 représentent vues en coupe deux structures internes de dispositifs suivant la figure 5 appliquées à l'adressage d'amplificateurs de lumiére ou valves optiques. La figure l 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 ( La figure 2 représente un second état du même 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'invention, i'élément (6) pouvant etre en contact direct avec la couche (3). Ce peut être une couche de colle transparente, ou une plaque de verre de support par exemple. Son indice de réfraction est de préférence supérieur ou égal à celui du guide ( La figure 3 représente vue en plan un shéma de principe d'un dispositif électrique 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 disposées 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 A) recouverte d'une couche tampon (31) isolante et dont l'indice de refraction est de préférence inférieur à celui du matériau constitutif du coeur (1). 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 e'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). Suivant une première voie de mise en oeuvre on utilisera le procédé ainsi défini de manière à réaliser le balayage d'une ligne par un faisceau lumineux découplé et collimaté (7'). Rvantageusement, on couplera dons le guide le faisceau d'un laser, par un coupleur à prisme, un réseau, une injection par ta tranche du guide, etc...Avantageusement encore, le faisceau couplé le sera dans un nombre sélectionné de modes propres du guide, avantageusement encore suivant un mode unique. L'adressage pourra être effectué pixel par pixel successivement ou groupes de pixels par groupes de pixels, ou dans tout ordre voulu pour la réalisation d'un adressage complexe. La quantité d'énergie lumineuse refractée par pixel adressé pourra être ajustée par exemple par une modulation temporelle de l'état refractif. La figure 5 représente un dispositif utilisant le procédé suivant l'invention pour répartir et adresser de la lumiére sur un pian. Le dispositif comprend une série ou succession de couches paralléles, soit successivement: - Une plaque support (33) constituée de préférence d'une matiére substantiellement transparente comme un verre. -une succession d'electrodes de colonnes transparentes (19) individualisées en ITO par exemple, déposées sur ladite plaque support (33) - une couche tampon (31) d'indice de refraction inférieur au coeur du guide optique conducteur de lumiére ( - une couche électrooptique (3) d'un cristal liquide smectique C chiral en cellule mince par exemple, couche maintenue d'épaisseur constante par des cales d'épaisseur avantageusement placées en bordure du guide (l) - une couche (30) d'alignement des molécules de cristal liquide constituée par exemple d'un polymére frotté comme un polyimide -éventuellement une seconde couche (34) d'isolation des électrodes de colonne (20) en un oxyde transparent. Ces électrodes sont dans cet exemple disposées à la surface d'un élément plan rigide (5) comme une plaque de verre, elle méme en contact avec un élément récepteur de lumiére (6). La lumiére peut etre injectée dans le guide par exemple par un faisceau de fibres optiques (53) alimentant en lumiére sur sa tranche le guide (1). Les fibres sont elles même couplées à une source de lumiére d'alimentation focalisée (51) et éuentuellement filtrée, ou à un rayon laser. Ce systéme n'est représenté qu'à titre d'illustration de principe, de trés nombreux autres systémes de couplage de la lumiére dans le guide pouvant étre utilisés, comme des réseaux ou des prismes par exemple. Le dispositif conduit la lumiére par reflexion totale sur la couche (3). La lumiére se refracte dans cette couche par des pixels ou des intersections ligne-colonne par un adressage des électrodes ligne-colonne (19)-(20) provoquant localement le passage de la couche (3) d'un état reflecteur à un état réfractif. Avantageusement, le matériau (5) sera constitué d'une couche d'un matériau dont l'indice de refraction est supérieur à celui du matériau du guide (1), comme un verre d'indice de refraction éleué (flint) ou une matiére. plastique contenant des groupements conjugués. Avantageusement le faisceau lumineux parcourant le guide sera rendu extrémement collimaté afin de limiter au maximum la dispersion du faisceau lumineux découplé ô la traversée d'une couche (5). Un tel dispositif sera avantageusement utilisé pour réaliser l'adressage d'un amplificateur de lumiére ou valve optique adressée optiquement, avantageusement placé sur le matériau (5) et dont la couche réceptrice ou amplificatrice constituera l'élément récepteur (6). L'observation de l'image se fait dans ce cas du coté opposé de l'amplificateur de lumiére à celui portant le dispositif suivant l'invention. Ces dispositifs valves optiques utilisent une couche intermédiaire photoconductrice comme une couche de sélénium ou de silicium amorphe et une couche électroactive de cristal liquide placées en sandwich entre deux électrode planes, et permettent de transformer en une variation d'état visible de la couche électroactive un signal lumineux de faible intensité incident sur la couche photoconductrice. On trouvera des exemples de telles structures dans les articles suivants: "Spatiål ligot modulators: Applications and functional capabilities, Cardinal liarde, flrthur D. Fisher, Optical Signal Processing, Chapitre 7.2, Academic Press,lnc, 1987" et dans "Convertisseur d'images à cristal liquide et photoconducteur, N. Frapper, G. Assouline, n. Hareng et E. Leiba, Nouvelle revue d'optique appl.iquée, 1971 > 2, n04 > pp. 221-228".' De préférence pour la réalisation de l'invention, on utilisera pour transmettre dans la couche (75) et visualiser l'image créée dans la couche de sélénium un effet présentant un seuil de commande, en voltage ou en énergie comme une biréfringence électriquement controllée d'un cristal liquide nématique constituant la couche (75) ou une transition de phase cholestérique-focale conique ou focale conique-nématique électriquement induite d'un cristal liquide cholestérique constituant ladite couche par exemple. En effet, la propagation de la lumiére dans les guides peut s'accompagner de pertes par diffusion, diffraction etc... susceptibies de créer par effet photoconducteur un niveau de fond de charges parasites dans le sélénium indépendantes du découplage, et donc un seuil de voltage dont il est nécessaire de s'affranchir pour une bonne qualité de l'image créée. En particulier et pour la réalisation de systémes de visualisation suivant l'invention, on utilisera de préférence des systémes permettant de créer une image dans une couche de cristal liquide (75) par création de points diffusants dans une couche transparente, du type de ceux décrits par S. Boronkay et M. Steers "nemory Light Ualve Smectic-A liquid crystal associated to a photoconductor, Ann. Phys, 1978 > uol 3, pp 339-344", ou des systémes basés sur l'utilisation d'une transition entre une phase cholestérique et une phase focale conique ou la transition entre une phase nématique électriquement induite et une structure focale conique tels que ceux décrits dans G.S. CHILRYR, D.G. SIHARULIDZE, i'i.l.BRODZELlj" Liquid cristal image converter based on the cholesteric-nématic phase transition with storage, Journal de physique, Colloque C3, supplément au n04, Tome 40, Avril 1979, page C3-274". Pour ces différents systémes on utilisera avantageusement des couches de blocage optique opaques et noires intermédiaires entre le photoconducteur et la couche de cristal liquide, et constituant le fond noir de I'ecran, afin de permettre une visualisation directe de l'effet diffusant créé dans le cristal liquide. Alternativement on pourra utiliser un tel dispositif en transmission en utilisant des couches photoconductrices adaptées, en oxyde de zinc par exemple, pour une transmission dans le spectre visible. Les Figures 6 et 7 représentent deux vues de principe, vues en coupes d'une structure de valve optique (90) optiquement adressée par un dispositif suivant l'invention. La structure interne, non représentée sur ia figure, du dispositif d'adressage optique suivant l'invention (91) est avantageusement prise identique à celle décrite dans l'exemple decrit Figure 10. Le guide (1) sera avantageusement constitué d'un matériau d'indice de refraction bas, 1,52 par exemple la couche (5) pourra étre constituée d'un verre d'indice de réfraction élevé, par exemple 1,6 à 1,8, comme un verre flint, ou d'un polystyréne, d'un poiyesther, etc...La couche (70) est constituée d'une couche homogéne plane conductrice d'oxyde d'indium et d'etain transparente vis à vis des rayons lumineux découplés du guide (1), la couche (71) est constituée d'une couche de sélénium ou d'un autre photoconducteur adapté activable par les rayons découplés du guide, et protégée des rayons parasites par une couche de blocage optique opaque (72). Une couche d'un cristal liquide cholestérique (75) par exemple présentant un ancrage homéotrope imposé par des couches d'ancrage (74) (76) pouvant étre réalisées par traitement à l'aide d'un tensio-actif comme un silane est disposée entre la structure réceptrice photoconductrice déposée sur la couche (5) et une contre électrode plane transparente (77) portée sur un support de verre (78). Avantageusement on intercale une couche isolante transparente (80) entre l'électrode (77) et le cristal liquide (75). Une telle couche isolante peut éventuellement étre également disposée (73) entre la couche de blocage optique et le cristal liquide (75). Un rayon lumineux (7) circulant dans le guide l'l) et refracté en (8) est réfracté et redressé dans la couche de matériau (5) et peut adresser la couche photoconductrice (71) de la valve optique. Le fonctionnement de celle ci est identique à celui d'une valve optique à cristaux liquides cholestériques adressée par laser. Figure 7 on a représenté une variante de ce dispositif pour lequel le rayon refracté (7) est d'abord dirigé sur un réseau reflecteur (13) disposé contre un fond (16) absorbant la lumiére non refiéchie et faisant office de filtre directionnel vis à vis du rayon lumineux réfléchi par le réseau. Pour un bon fonctionnement d'un tel dispositif, il sera nécessaire d'adresser la couche photoconductrice avec une quantité d'énergie suffisante pour créer un effet ou une perturbation visible dans la.couche de cristal liquide. Avantageusement pour l'adressage de tels dispositifs, on réalisera le découplage de' la lumiére destinée à impressioner la couche de matériau photoconducteur par ensemble de lignes (20) simultanément et avantageusement par groupes de lignes jointives simultanément, et ensemble de colonnes simultanément, sur toute l'étendue de la projection sur la face du guide portant la couche (3) du rayon lumineux couplé au guide sous un angle A. On profitera ainsi au mieux de la totalité de l'énergie couplée au guide (1). Avantageusement pour la réalisation d'un tel dispositif, on utilisera des couches actives (3) commandées par multiplexage et constituées par des cristaux liquides ferroélectriques smectique C* en cellule mince, dont le basculement entre un état stable conducteur de lumiére et un état stable refractif permet un adressage bien controlé sur une section d'ecran choisie et controlable. REUENDICRTION 1-Procédé d'imagerie utilisant les guides optiques plans, caractérisé en ce que l'on fait pénetrer de la lumiére dans au moins un guide conducteur de lumiére constitué d'au moins un matériau transparent, limité sur au moins l'une de ses faces par une couche d'un matériau secondaire électrooptique, magnétooptique, acoustooptique ou photorefractif, ou couche d'enveloppe, dont l'indice de refraction peut être inférieur à celui du guide vis à vis de la lumiére conduite dans au moins un de ses états physiques de façon à assurer le couplage de celleci, et en ce que l'on provoque un découplage de ladite lumiére conduite sous l'effet d'une perturbation locale électrique, acoustique, magnétique ou lumineuse, de ladite couche de matériau secondaire, de façon à créer une image.