Brevet FR2773226A1 — publié le 19990702

SYSTEME DE PROTECTION ET DISPOSITIF OPTIQUE DE VISION COMPRENANT CE SYSTEME DE PROTECTION Le domaine de l'invention est celui des dispositifs optiques de vision (caméras, jumelles, lunettes de protection ...) et plus précisément des dispositifs équipés de système de protection contre des agressions lumineuses de puissance suffisamment forte pour endommager le dispositif optique et/ou le détecteur (oeil, senseur optroniques). Actuellement1 les dispositifs optiques de vision doivent comprendre des systèmes de protection permettant de se protéger de sources laser et notamment de sources laser impulsionnelles agiles en longueur d'onde, chaque impulsion émise pouvant avoir une longueur d'onde différente de la précédente. II existe en effet des sources laser impulsionnelles agiles en longueur d'onde dans le visible et le proche infrarouge maintenant accessibles. L'utilisation de telles sources notamment dans les laboratoires d'optique et pour les contre-mesures optiques, rend inefficace les dispositifs de protection de l'oeil, ou d'une manière plus générale des capteurs, basés sur l'utilisation de filtres fixes ayant les propriétés optiques requises dans des gammes de longueur d'onde étroites. C'est pourquoi, I'invention propose un nouveau système de protection contre des agressions lumineuses présentant l'intérêt d'être adaptable à différentes gammes de longueurs d'onde en fonction des applications visées. Plus précisément, I'invention a pour objet un système de protection comportant une première et une seconde faces, la première face étant susceptible de recevoir un rayonnement lumineux extérieur caractérisé en ce qu'il comprend une première structure photoconductrice adjacente à la première face et une seconde structure mise sous tension et comportant un matériau dont la transmission varie en fonction de la tension appliquée, ladite seconde structure étant adjacente à la seconde face. En utilisant un matériau photoconducteur ayant des propriétés de photoconduction dans un spectre ciblé, il est possible d'utiliser le système de protection de manière efficace dans différentes gammes de longueurs d'ondes. Les première et seconde structures sont judicieusement choisies pour qu'en présence d'un faible éclairement le système de protection soit transparent alors qu'en présence d'un éclairement de puissance plus élevée, le système de protection devienne filtrant par diffusion etlou absorption. De préférence, les première et seconde faces comprennent respectivement une première et une seconde électrodes. Selon une première variante de l'invention, le système de protection est caractérisé en ce que la première structure photoconductrice est en contact avec la seconde structure, une différence de potentiel étant appliquée entre la première et la seconde électrode, la seconde structure étant transparente en l'absence de différence de potentiel appliquée à ladite structure, la seconde structure étant diffusante etlou absorbante en présence d'une différence de potentiel appliquée à ladite structure. Selon une seconde variante de l'invention, le système de protection est caractérisé en ce que la première structure photoconductrice est séparée de la seconde structure par une troisième électrode, les première et seconde électrodes étant soumises à un même potentiel, la troisième électrode étant soumise à un autre potentiel, la seconde structure étant diffusante etlou absorbante en l'absence de différence de potentiel appliquée à ladite structure, la seconde structure étant transparente en présence d'une différence de potentiel appliquée à ladite seconde structure. Avantageusement, le matériau à transmission variable peut être à base de cristal liquide. La seconde structure peut ainsi être une cellule à cristal liquide, capable de passer d'un état transparent à un état absorbant lorsqu'une tension lui est appliquée. II peut également s'agir d'une matrice polymère dans laquelle sont dispersées des molécules cristal liquide. Dans ce cas, le système de protection exploite les effets de diffusion électrooptique de ces matériaux composites et de ce fait n'est pas critique vis-à-vis de la polarisation du faisceau lumineux dont on cherche à se protéger. La seconde structure à transmission variable peut également comprendre des colorants dichroïques ou des molécules à absorption saturable inverse. Elle peut aussi comprend des matériaux électrochromes. Plus précisément, la seconde structure présente dans ce cas une couche de matériau électrochrome couplée à une couche de matériau électrolyte. La seconde structure peut également comprendre des particules anisotropes de taille submicronique en solution dans un liquide ou un gel suffisamment fluide pour permettre leur orientation sous champ électrique. L'invention a également pour objet un dispositif optique de vision comportant un détecteur et au moins un système de protection, caractérisé en ce que le système de protection comporte une première et une seconde face, la première face étant susceptible de recevoir un rayonnement lumineux extérieur, une première structure photoconductrice adjacente à la première face et une seconde structure mise sous tension et comportant un matériau dont la transmission varie en fonction de la tension appliquée, ladite seconde structure étant adjacente à la seconde face, le détecteur étant situé du côté de ladite seconde face. Selon une variante de l'invention, le dispositif optique de vision comprend plusieurs systèmes de protection, comprenant des structures photoconductrices sensibles à des gammes de longueurs d'onde différentes. Avantageusement, le dispositif optique de vision de l'invention peut comprendre des moyens de focalisation comprenant au moins une première lentille, le système de protection étant situé entre ladite première lentille et le détecteur. Selon une variante de l'invention, les moyens de focalisation comprennent une seconde lentille et une lentille de champ, ladite lentille de champ étant placée dans un plan focal intermédiaire entre la première et la seconde lentille. Le système de protection peut être avantageusement placé au voisinage d'une des trois lentilles. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles: - la figure 1 illustre un premier exemple de système de protection selon l'invention; - les figures 2a et 2b illustrent le fonctionnement d'une cellule à cristal liquide dispersé dans un polymère (sans champ figure 2a et avec champ électrique figure 2b) - la figure 3 illustre un second exemple de système de protection selon l'invention; - la figure 4 illustre un premier exemple de dispositif optique de vision équipé d'un système de protection situé au voisinage d'un détecteur; - la figure 5 illustre un second exemple de dispositif optique de vision équipé d'un système de protection situé au voisinage d'un plan focal intermédiaire du dispositif; - les figures 6a et 6b illustrent des dispositifs optiques de vision équipés de système de protection placés hors du plan focal intermédiaire du dispositif. Le système de protection de l'invention est un dispositif photoactivé du type valve optique à cristal liquide. II est constitué de l'association d'une structure photoconductrice PC exposée à un faisceau incident I au niveau de sa face F1, et d'une structure à transmission variable notée T(v) par laquelle le faisceau I est transmis ou non au niveau de sa face externe F2 comme illustré en figure 1 qui représente un premier exemple de système de protection selon l'invention. Selon cette variante, une couche de matériau photoconducteur est en contact direct avec une couche de matériau à transmission variable T(v). L'ensemble des deux couches est inséré entre deux électrodes El et E2. L'ensemble des couches est polarisé par une faible tension électrique continue ou alternative V. Ainsi, sous l'action d'un faisceau d'éclairement, le photoconducteur qui est choisi sensible au domaine spectral du faisceau d'éclairement, transfère localement la tension appliquée à la structure T(v). Dans ces conditions, cette tension reportée peut modifier la transmission de la structure T(v) et donc modifier la transparence du système de protection, puisque le matériau à transmission variable est choisi de manière à être transparent à tension nulle et absorbant et/ou diffusant sous tension. Pour que l'effet de limitation soit indépendant de la polarisation du faisceau incident, on utilise avantageusement une structure à cristal liquide qui est dispersée dans une matrice polymère (matériau PDLC). Plus précisément il s'agit de billes de cristal liquide, dispersées dans un polymère comme illustré en figures 2a et 2b qui représentent le fonctionnement d'une cellule PDLC classique. De manière générale, la structure exacte du PDLC dépend du rapport entre la phase cristal liquide et la phase polymère, ainsi que de la technologie utilisée pour réaliser le mélange. Les molécules cristal liquide biréfringentes présentent deux indices nl et n2 selon deux axes orthogonaux X et Y choisis judicieusement pour que l'un de ces deux indices soit égal à l'indice de réfraction np du polymère. En l'absence de champ électrique (E = O) les molécules cristal liquide ne sont pas orientées les unes par rapport aux autres, I'indice moyen des billes de cristal liquide ncL est différent de l'indice du polymère np. La cellule est dans un état diffusant comme le montre la figure 2a. Le diagramme de diffusion est déterminé par le diamètre des billes de cristal liquide ainsi que par l'épaisseur de la couche de PDLC. En présence d'un champ électrique, les molécules cristal liquide sont orientées les unes par rapport aux autres comme le montre la figure 2b. L'indice moyen des billes de cristal liquide ncL devient égal à l'indice nl égal à l'indice du polymère np. La cellule présente un indice homogène et n'est plus diffusante. Dans le système de protection de l'invention et notamment dans l'exemple illustré en figure 1 il peut être particulièrement adapté d'utiliser une cellule à PDLC inverse, soit une structure à cristal liquide transparente lorsqu'aucun champ électrique n'est appliqué et une structure à cristal liquide qui devient diffusante en présence d'un champ électrique. On utilise pour cela un cristal liquide dont l'anisotropie diélectrique change de signe avec la fréquence. Pendant la fabrication, le cristal liquide est soumis à un champ électrique à la fréquence ol, ce qui oriente les molécules de cristal liquide parallèlement au champ. Cette position va devenir la position mémoire au repos. Le composite est alors transparent en l'absence du champ électrique. L'application d'un champ électrique de fréquence so2 telle que l'anisotropie diélectrique du cristal liquide puisse changer de signe, bascule les molécules perpendiculairement au champ électrique de manière à ce que le matériau devienne diffusant. Ainsi lorsque le système de protection est soumis à une tension +V, sous un faible éclairement le photoconducteur est isolant, aucune tension n'est appliquée à la structure cristal liquide qui demeure transparente. Lorsque le système de protection est soumis à un éclairement suffisamment intense pour rendre le photoconducteur conducteur, la tension appliquée est reportée sur la structure cristal liquide qui devient diffusante. Selon un autre exemple de système de protection de l'invention, la structure photoconductrice est séparée de la structure cristal liquide par l'intermédiaire d'une électrode E3 comme illustré en figure 3. Le matériau à transmission variable est choisi de manière à être absorbant et'ou diffusant à tension nulle, et transparent sous tension. Les faces F1 et F2 comportent les électrodes E1 et E2 soumise au même potentiel V, I'électrode intermédiaire E3 peut typiquement être reliée à la masse. Dans cette configuration on peut avantageusement utiliser un matériau PDLC tel que décrit dans le cas de cellule de type PDLC classique dans lequel, le matériau est diffusant en absence de champ électrique appliqué et transparent en présence d'un champ électrique appliqué. En effet, lorsque l'éclairement est peu intense, le photoconducteur demeure isolant, une différence de potentiel est maintenue aux bornes de la structure à transmission variable et la structure demeure transparente. En présence d'un éclairement suffisamment intense, la structure photoconductrice devient conductrice, la tension V est appliquée au niveau des électrodes E3 et E2 ; la différence de potentiel aux bornes de la structure à transmission variable s'annule et la structure à transmission variable devient absorbante et/ou diffusante. D'une manière générale, le temps de réponse du système de protection est contrôlé par la couche à transmission variable, ce qui correspond par exemple à des valeurs de 5 à 100 ms pour l'orientation de molécules cristal liquide. Compte tenu des matériaux photoconducteurs actuels, le système de protection peut avantageusement posséder un domaine de sensibilité spectrale étendu de l'ultraviolet au visible et à l'infrarouge en bande 2 (3,4 4,2 pm) et en bande 3 (8-12 pm), les cristaux liquides restant transparents dans ce domaine. Plus précisément, le photoconducteur d'oxyde de bismuth et de silicium (BSO) est particulièrement adapté au domaine spectral bleu-vert. Pour le domaine visible, d'autres matériaux semiconducteurs déposés en couche mince sont utilisables, notamment CdS, As2S3, CdSe, Si arrTorphe. Pour le domaine infrarouge les matériaux semiconducteurs tels que GaAs, CdTe ou bien encore HgCdTe sont très intéressants. Les seuils d'activation peuvent typiquement être inférieurs à 1 mW.cm L'utilisation des technologies couches minces pour le photoconducteur et pour les matériaux précités à transmission variable permet de réaliser des dispositifs de dimensions adaptées à des systèmes de protection, typiquement 10 cm x 10 cm. Les différents matériaux utilisés dans la structure à transmission variable peuvent être les suivants: 1) Des molécules cristal liquide. La structure à transmission variable est une cellule à cristal liquide, fonctionnant entre polariseur et analyseur croisé. 2) Des matrices polymères comprenant du cristal liquide. La structure à transmission variable fonctionne indépendamment de la polarisation. Par ailleurs, le cristal liquide utilisé dans la structure cristal liquide peut être dopé de colorants dichroïques qui s'orientent avec les molécules de cristal liquide. Sous tension électrique, le colorant absorbe très peu (I'axe dipolaire des molécules de colorant est perpendiculaire à la polarisation lumineuse). En l'absence de tension électrique, les molécules de cristal liquide et de colorant se désorientent et l'absorption due au colorant est forte à l'état bloquant. Un tel dopage permet d'augmenter l'efficacité de protection en combinant absorption et diffusion photoinduites, tout en maintenant une transmission forte à l'état passant. Avantageusement, la structure à cristal liquide peut aussi être dopée avec des colorants absorbants saturables inverses. Ces molécules de type phtalocyanines, naphtalocyanines métal lées, fullerène C60 présentent une absorption qui augmente avec la densité d'énergie lumineuse qu'elles reçoivent dans une large gamme spectrale (200 à 300 nm dans le visible). Le temps de réponse de cet effet non linéaire est de l'ordre de la sub-nanoseconde. Le système de protection utilisant de tels colorants permet alors d'assurer une protection contre des menaces laser dont la durée varie entre la picoseconde et le domaine continu. 3) Des matériaux électrochromes La structure comprend le couplage d'une couche de matériau électrochrome et d'une couche de matériau électrolyte. En effet, un matériau électrochrome peut devenir absorbant par insertions de cations tels les oxydes WO3, V2O5 ou Nb2O5 ou bien encore TiO2, ou d'anions tels que l'oxyde 1202 ou l'oxyde de nickel protoné NlQ2, H . Dans tous les cas, I'échange d'ions est assuré par la présence d'une couche de matériau électrolyte en contact avec la couche de matériau électrochrome. L'électrolyte employé peut être un complexe organique formé de polymères de type polyethers et de sels de métaux alcalins. 4) Des matériaux comprenant des particules anisotropes Ces particules anisotropes de taille submicronique ne diffusent pas la lumière. Elles présentent une anisotropie diélectrique As et optique Aa qui permet de les orienter dans un champ électrique et d'obtenir des variations d'absorption. Ces particules sont en solution dans un liquide ou dans un gel suffisamment fluide pour permettre l'orientation des particules. La cellule à absorption électriquement contrôlée se compose donc de deux substrats (verre ou plastique souple) avec des électrodes conductrices enserrant un fluide ou gel contenant des particules anisotropes. Ce matériau peut être par exemple celui développé par la Société Research Frontier Inc. (RFI) aux Etats-Unis. Le système de protection décrit précédemment peut avantageusement être utilisé dans un dispositif optique de vision, cherchant à imager une scène au niveau d'un photodétecteur par l'intermédiaire ou non d'une lentille et que l'on veut protéger d'une agression de type attaque laser. II est à noter que dans le cas où le détecteur est l'oeil en utilisant une structure à transmission variable absorbante plutôt que diffusante, il est possible de placer le système de protection directement devant l'oeil, en choisissant un photoconducteur à seuil d'activation suffisamment bas (typiquement inférieur au mW/cm2), une structure à transmission variable à temps de réponse suffisamment court (typiquement inférieur à la seconde). Selon un premier exemple de dispositif optique de vision protégé, le système de protection SP est placé en amont du plan focal d'une lentille L1, plan focal au niveau duquel est placé le détecteur D comme illustré en figure 4. Lorsque le système de protection SP est activé par une agression laser, il en résulte sur le photodétecteur un étalement du faisceau laser dû à la diffusion du matériau de la structure cristal liquide. Cet étalement du faisceau laser réduit l'éclairement localisé sur le photodétecteur, à une valeur inférieure au seuil de destruction. Selon une autre variante de dispositif optique de vision, les moyens de focalisation peuvent comprendre un plan focal intermédiaire. La scène ainsi vue par la lentille L1 est réimagée par la lentille L2 dans le plan du photodétecteur. Une lentille de champ Lc placé au plan focal intermédiaire, permet de collecter dans le plan du photodétecteur, I'ensemble des rayons arrivant dans le champ angulaire t e du dispositif optique de vision. II est à noter que dans le cas d'une protection oculaire, auquel le dispositif de l'invention peut s'appliquer, la lentille L2 symbolise alors un oculaire renvoyant le faisceau à l'infini, I'oeil de l'observateur étant situé en arrière de L2. Compte tenu des faibles seuils d'activation des systèmes de protection proposés dans l'invention, ces systèmes peuvent être placés à différentes positions Zv le long de l'axe optique z du dispositif optique (voir figure 5). Système de protection placé au voisinage du plan focal intermédiaire (figure 5): Le système de protection est dans ce cas placé derrière la lentille de champ Lc: Zv = Zc+s avec E petit. Dans cette configuration, I'impact laser est de faible surface (faisceau focalisé) et seule une zone de champ (de surface du même ordre de grandeur que la surface irradiée SL) est bloquée pendant l'agression. Cette configuration présente l'avantage de maintenir une vision de la scène bas flux sur la quasi-totalité du champ pendant toute la durée de l'agression. Cependant, le taux d'extinction dans le cas de la diffusion peut être limité du fait de l'angle solide important sous lequel est vu le système de protection de puis la lentille L2. Cela est typiquement le cas pour des PDLC. Système de protection placé à proximité des lentilles L1 ou L2 (figures 6a ou 6b): Dans ces configurations avec zv = z1 + s (figure 6a) ou zv = z2 + s (figure 6b) et E > 0, la surface SL du système de protection, irradiée par l'agression laser, est grande. Pendant l'agression, la quasi-totalité du champ de l'instrument est affectée par la présence du système de protection : à l'état bloquant, la vision bas flux de la scène est donc atténuée pendant toute la durée de l'agression. Cependant, le taux d'extinction est en général plus élevé que dans le cas précédent car le flux diffusé est collecté sur un angle solide plus faible. D'une manière plus générale, le positionnement de la valve entre la lentille L1 et le détecteur soit zl Exemple de réalisation d'un dispositif optique de vision utilisant un système de protection Réalisation du système de protection 1) Structure photoconductrice : une couche mince de BSO monocristal 100 pm -lmm ou de AS2S3 d'une épaisseur d'environ 10 pm; 2) Structure à transmission variable: une couche d'une épaisseur comprise entre 50 et 100 um, de matériau cristal liquide PDLC et pouvant être dopé avec des colorants dichroïques ou des colorants absorbants saturables inverses et préparé par des moyens classiques de photopolymérisation, avec des billes de cristal liquide dont le diamètre est compris entre 0,1 et 1 pm. L'ensemble des structures est soumis à une tension V comprise entre 50 et 100 Volts, 50 Hz typiquement pour une couche PDLC d'épaisseur 50 pm. Les performances du système de protection sont les suivantes: - un temps de réponse inférieur à 10 ms; - un contraste type 11100 avec un système optique ouvert à f/5 dans une configuration où le système de protection est placé au voisinage du plan focal intermédiaire d'un dispositif de vision optique tel que représenté en figure 5. Le contraste représente le rapport entre le flux lumineux sortant du système optique en présence du système de protection activé (1) et te flux lumineux sortant du système optique sans système de protection (100). Le système de protection décrit ci-dessus est particulièrement bien adapté pour protéger des dispositifs optiques de vision, dans le cas d'agression à des longueurs d'ondes comprises entre 450 et 550 nm. La puissance moyenne incidente pour l'activation du système de -2 protection est typiquement comprise entre 1 et 10 mW.cm Dans le cas d'un plan focal intermédiaire, au niveau duquel on réalise une tache de diamètre 100 pm, on peut obtenir, compte tenu du seuil de sensibilité du système de protection soit environ 10 mW.cm , une fonction de limitation pour des puissance laser incidentes de l'ordre de 1 pJ sur la pupille d'entrée de l'objectif du dispositif (lentille L1). REVENDICATIONS 1. Système de protection comportant une première et une seconde faces, la première face étant susceptible de recevoir un rayonnement lumineux extérieur caractérisé en ce qu'il comprend une structure photoconductrice adjacente à la première face et une seconde structure mise sous tension et comportant un matériau dont la transmission varie en fonction de la tension appliquée, ladite seconde structure étant adjacente à la seconde face. 2. Système de protection selon la revendication 1, caractérisé en ce que les première et seconde faces comprennent respectivement une première et une seconde électrodes. 3. Système de protection selon la revendication 2, caractérisé en ce que la structure photoconductrice est en contact avec la seconde structure, une différence de potentiel étant appliquée entre la première et la seconde électrode, la seconde structure étant transparente en l'absence de différence de potentiel appliquée à ladite structure, la seconde structure étant diffusante et/ou absorbante en présence d'une différence de potentiel appliquée à ladite structure. 4. Système de protection selon la revendication 2, caractérisé en ce que la structure photoconductrice est séparée de la seconde structure par une troisième électrode, les première et seconde électrodes étant soumises à un même potentiel, la troisième électrode étant soumise à un autre potentiel, la seconde structure étant diffusante etlou absorbante en l'absence de différence de potentiel appliquée à ladite structure, la seconde structure étant transparente en présence d'une différence de potentiel appliquée à ladite structure. 5. Système de protection selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la seconde structure comprend une cellule à cristal liquide. 6. Système de protection selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la seconde structure comporte une matrice polymère dans laquelle sont dispersées des molécules cristal liquide. 7. Système de protection selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la seconde structure comprend en outre des colorants dichroïques. 8. Système de protection selon l'une des revendications~1 à 6 caractérisé en ce que la seconde structure comporte en outre des colorants saturables inverses. 9. Système de protection selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que la seconde structure comprend une couche de matériau électrochrome couplée à une couche de matériau électrolyte. 10. Système de protection selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la seconde structure comprend des particules submicroniques dispersées dans un milieu fluide, ayant une anisotropie diélectrique et une anisotropie optique. 11. Système de protection selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la structure photoconductrice comprend un matériau detypeBSO. 12. Dispositif optique de vision comportant un détecteur et au moins un système de protection, caractérisé en ce que le système de protection comporte une première et une seconde face, la première face étant susceptible de recevoir un rayonnement lumineux extérieur, une première structure photoconductrice adjacente à la première face et une seconde structure mise sous tension et comportant un matériau dont la transmission varie en fonction de la tension appliquée, ladite seconde structure étant adjacente à la seconde face, le détecteur étant situé du côté de ladite seconde face. 13. Dispositif optique de vision selon la revendication 12 caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de focalisation comprenant au moins une première lentille (L1), le système de protection étant situé entre ladite première lentille et le détecteur. 14. Dispositif optique de vision selon la revendication 13, caractérisé en ce que le système de protection est situé au voisinage du détecteur et du plan focal des moyens de focalisation. 15. Dispositif optique de vision selon la revendication 13 caractérisé en ce que les moyens de focalisation comprennent une seconde lentille (L2) et une lentille de champ (Lc), ladite lentille de champ étant placée dans un plan focal intermédiaire entre les première et seconde lentilles, le système de protection étant situé entre les première et seconde lentilles. 16. Dispositif optique de vision selon l'une des revendications 12 à 15, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs systèmes de protection, comprenant des structures photoconductrices sensibles à des gammes de longueurs d'ondes différentes.