Brevet FR2834800A1 — publié le 20030718

\\HIRSCH4\VOL I \DACTYLO\1 8500\1 8553.doc - 1 0 janvier 2002 -1 5/1 6 DISPOSITIF POUR LA GENERATION D'IMAGES THERMIQUES PAR MODULATION UTILISANT LES CRISTAUX LIQUIDES. La présente invention a pour objet un dispositif de modulation spatiale d'un faisceau lumineux infrarouge polarisé utilisant le principe de biréfringence électriquement contrôlée au moyen de cristaux liquides. La génération d'images infrarouges peut être utilisée pour réduire les coûts d'évaluation des détecteurs infrarouges complexes. En effet, au lieu de les tester en conditions réelles, il est judicieux d'utiliser les systèmes de génération d'images infrarouges pour recrécr un environnement similaire à l'environnement réel. Différentes solutions ont été proposées utilisant soit des techniques de micro-émetteurs de type corps noirs, soit des techniques de transduction d'images visibles en images infrarouges ou encore des techniques de modulation spatiale de la lumière issue d'une source infrarouge. Aucune solution proposce n'a pû remplir les sévères spécifications d' excursion en température, de définition et de qualité image ou encore de cadence de fonctionnement qui sont exigées pour le test des détecteurs infrarouges modernes. Les solutions utilisant les micro émetteurs de type corps noir doivent faire face à un sévère compromis entre la nécessité de générer des points très chauds nécessitant beaucoup d'énergie, et une cadence de fonctionnement rapide qui oblige les micro corps noirs à être couplés à des radiateurs de refroidissement très efficaces. Des solutions ont pû être mises au point pour des définitions d'images jusqu'à 512 x 512 points, mais les excursions en températures restent limitées. Le passage à des définitions d'images supérieures semble crécr des problèmes très délicats de technologie. Les modulateurs basés sur une technologie de micro-miroirs sont une approche intéressante. Malheureusement; ils ne proposent pas de solution de dissipation de l'énergie infrarouge, mais simplement une déflexion. Le domaine des longueurs d'ondes thermiques étant particulièrement sensible à la gestion des flux parasites, l'inconvénient précité est majeur. Par ailleurs, des problèmes d'adaptations technologiques rendent cette solution délicate à mettre en _uvre. Une solution de la famille des transducteurs utilise les cristaux liquide en mode de biréfringence contrôlée. Le mode de contrôle de cette biréfringence est optique: il provient de la photo-transduction d'une image visible de forte intensité lumineuse. Cette transduction de type optique-électrique permet d'alimenter les pixcls -2- 2834800 d' une matrice qui module spatialement la lumière infrarouge issue d' une source de type corps noir. Cette solution possède un détaut technologique important au niveau de la stabilité et de l'uniformité des niveaux infrarouges modulés. Ce détaut provient du principe de photo-transduction de l'énergie visible en tension électrique. En outre, cette technologie possède des inconvénients liés à la technologie utilisée. D'une part, la modulation de la lumière par les cristaux liquides est chromatique. Par conséquent, si on travaille dans une large bande spectrale, il est impossible d'éteindre toutes les longueurs d'onde. Par conséquent le contraste de la modulation est modeste. Ainsi, si on impose au modulateur de moduler des faibles niveaux infrarouges, il est incapable de générer des images avec une forte excursion en température. D'autre part, la technologie à cristaux liquides possède un inconvénient majeur de rapidité qui est lié à l'utilisation même des cristaux liquides pour la modulation infrarouge. La présente invention permet d'éviter les défauts précités tout en permettant d'obtenir une définition image excellente, une cadence de fonctionnement très rapide et une grande capacité de dynamique en températures modulées. En effet, l'invention concerne un dispositif du type modulateur basé sur technologie à cristaux liquides et caractérisé en ce qu'il possède un compensateur de phase permettant d'achromatiser dans une large bande spectrale, la modulation lumineuse infrarouge dans au moins un mode d'adressage afin de générer des images à fort contraste. Le dispositif de l'invention est également caractérisé en ce que le mode de fonctionnement des cristaux liquides permet d'obtenir des temps de commotation des cristaux liquides très rapides avec des tensions de commutation suffisamment faibles pour étre compatibles avec les excursions permises sur les matrices " TFT " (" Thin Films Transistors ?> soit " transistors en films minces ") sur silicium, par exemple. Ce mode de fonctionnement est particulièrement avantageux car il permet de combiner les avantages de qualité image des matrices TFT pour l'affichage (stabilité, uniformité, fonctionnement sans papillotement et sans bavure entre pixcls), avec les performances de rapidité et de dynamique liées aux améliorations de la technologie de l' invention pour le domaine des longueurs d'ondes thermiques. Dans un mode possible de réalisation du modulateur, I'adressage électronique des pixels peut donc, par exemple non exhaustif, se faire au moyen d'une dalle électronique active TFT possédant au sein de chaque pixel un ou plusieurs transistors en films minces. Cette dalle possède l'avantage de pouvoir maintenir la différence de potentiel au sein de chaque pixel, même lorsque la ligne du pixcl n'est plus adressée. Ainsi, la lumière est modulée durant tout le temps de la trame et non pas seulement durant le temps d'adressage de la ligne. Cette implantation peut permettre, par exemple, de tester des détecteurs infrarouges à balayage de champ sans risque d' artetact liés à la sur-modulation provenant des balayages de l ' image produite et de l'image détectée. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparâîtront dans la description suivante d'un mode réalisation prétéré, présenté à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexés, dans lesquels: la figure 1 représente la disposition des molécules de cristal liquide dans une cellule fonctionnant selon un mode usuel; - la figure 2 représente la disposition des molécules de cristal liquide dans une cellule fonctionnant selon un mode " PI " (mode de courbure); - la figure 3 est une vue éclatée en coupe des éléments constituant la matrice d'un dispositif selon l'invention; - la figure 4 est une vue éclatée en coupe des éléments d'un compensateur de phase d'un dispositif selon l'invention; - la figure 5 présente l'exemple choisi de l'architecture du projecteur du dispositif selon l'invention; - la fgure 6 présente une architecture possible à deux voies du dispositif selon l' invention. La dalle TFT utilisée est réalisée sur un substrat de silicium. Cette implantation originale permet un fonctionnement optimal du modulateur en réflexion. En effet, le silicium possède une excellente réflectivité de la lumière infrarouge et donc la capacité de moduler les flux thermiques dans une grande dynamique. Toutefois, dans d'autres modes de réalisation, on peut utiliser le modulateur en transmission pour simplifier l'architecture optique du proj ecteur d' images infrarouges constitué par la source infrarouge, le modulateur et les éléments optiques de polarisation, coujugaison et projection d'images. Le mode de fonctionnement des cristaux liquides doit permettre de palier au défaut de lenteur de la modulation par les cristaux liquides dans le domaine des longueurs d'ondes infrarouges. En effet, dans le mode de fonctionnement usuel des cristaux liquides, schématisé par la fgure 1, l'ancrage des molécules de cristaux liquides 1 et 2 est parallèle sur les deux substrats 3 et 4. Dans un tel mode de fonctionnement, le temps de réponse (relaxation) dépend du carré de l'épaisseur de cristal liquide emprisonné entre les électrodes de la matrice. Or, il se trouve que l'épaisseur nécessaire de cristal liquide pour obtenir une modulation lumineuse eff cace, dépend linéairement de la longueur d' onde. Dans le domaine des longueurs d' ondes infrarouge thermique, la longueur d'onde est grande et le temps de réponse est donc très lent. Cette lenteur du temps de réponse est accentuée par des effets d'écoulements inertiels parasites lors du basculement des molécules dans l'épaisseur de la matrice provenant de la nature même de l'ancrage et figurés par des flèches 5 et 6. Pour palier à ce problème, le dispositif de l' invention utilise le mode " PI ", (mode de courbure) et pour lequel la répartition des molécules dans l'épaisseur entre les électrodes à l' allure d 'un arc comme sur la figure 2. Grâce à cette répartition, le temps de réponse des molécules à une excitation ou à une relaxation électrique, est très rapide car l'effet ressort qu'exercent les molécules entre elles (particulièrement celles 7 et 8 ancrées sur les électrodes 9 et 10) est fort. Par ailleurs, dans ce mode, le basculement des molécules sous 1'effet de la tension n'entrâîne pas d'effets de compétition d'écoulements indésirables comme le montre la flèche 11. Le mode de fonctionnement PI est réalisé grâce à un ancrage des molécules de cristaux liquides avec un angle d'inclinaison par rapport aux électrodes de la matrice de 25degrés comme fguré en 7 et 8. Cette opération technologique est réalisce par un procédé d'évaporation oblique de SiO. Au préalable, le substrat de l'électrode aura été désactivé par une évaporation d'oxyde d'aluminium A1203. Grâce à cette valeur de force et d'inclinaison d'ancrage des molécules de cristal liquide sur les substrats portant les électrodes, la différence de potentiel électrique entre les électrodes permettant de stabiliser le mode PI est de l'ordre de 1 à 2 volts, ce qui est totalement compatible avec le fonctionnement sur une matrice TFT. La construction de la matrice se fait en emprisonnant le cristal liquide entre deux substrats comme le montre la fgure 3. Le premier est une dalle TFT sur silicium 12 sur laquelle a été réalisé la désactivation et l'évaporation susmentionnées 12a. Le second est un substrat en verre transparent aux longueurs d'ondes infrarouges -5- 2834800 thermiques tel que le fluorure de Calcium (CaF2) indexé en 13. Ce substrat possède un traitement conducteur transparent d'oxyde d'indium (ITO) 14 réalisé par évaporation, de transmission optique supérieure à 97% à la longueur d' onde de 3 microns, et de résistivité inférieure à 100 Ohms par carré. C'est ce traitement qui constitue l'électrode. Le substrat possède également un traitement absorbant et conducteur masquant les inter pixels de la matrice 15. Ce traitement permet d'éviter que ces zones ou la modulation lumineuse n'est pas contrôlée, ne participe à l'image en la dégradant. Ce traitement peut être un dépôt d' or réalisé par évaporation sous oxygène et gravé par un procédé de gravure humide classique. Il possède enfin la couche SiO d'alignement susmentionnée 13a. Il est intéressant de noter qu'un avantage supplémentaire lié à l'utilisation de dalles TFT sur silicium est qu'elles possèdent un ratio d'ouverture entre pixcl s et inter-p ixcl s plus important que le s dal l es TFT cl as si ques, ce qui permet d'augmenter la dynamique potentielle du dispositif de l'invention ainsi réalisé. L'assemblage des deux substrats se fait en les alignant et en les collant grâce à une colle époxy polymérisable préalablement déposée sur l'un des substrat 16, soit par un dispenser ou par sérigraphie. L' assemblage se fait de manière à ce que l'ancrage des molécules soit tel que sur la figure 2 et puisse permettre le fonctionnement en mode PI. Afin de pouvoir garantir une uniformité d'épaisseur meilleure que 0.1micron, condition sine qua non à la réalisation d'une bonne cellule à cristaux liquides, des billes ou des fibres de verre calibrces sont mélangées à la colle avant déposition 17. De plus des espaceurs calibrés 18 sont également déposés de manière uniforme sur l'un des substrats, garantissant une épaisseur uniforme de l'interstice entre les électrodes de la matrice après assemblage sous pression. Enfin, pour assurer la conduction électrique entre les électrodes qui doit permettre aux signaux nécessaires arrivant sur la dalle TFT de parvenir sur le substrat en CaF2, des points de contact en colle d'argent polymérisable sont également déposés sur l'un des substrats. La matrice ainsi réalisée est remplie de cristal liquide par un procédé classique de remplissage à vide. A titre d'exemple non limitatif, les paramètres d'épaisseur de cristal liquide et de choix de cristal liquide pour une modulation optimale de la bande spectrale II (longueur d'onde variant entre 3 et 5microns) peuvent être les suivants: le cristal liquide choisi est le BL006 de la société MERCK à Darmstadt, en Allemagne, et l'épaisseur de cristal liquide est de 8microns. Le trou de remplissage du -6- 2834800 cristal liquide est ensuite fermé avec une colle polymérisable au rayonnement UY telle que la NOA 68 de NORTLAND Chemicals. Le compensateur de phase est avantageusement réalisé par une cellule à cristaux liquides construite de manière strictement identique à celle de la matrice décrite ci-dessus, hors mis pour ce qui concerne da dalle TFT qui est remplacée par un substrat en CaF2 identique à celui décrit ci dessus. La figure 4 décrit sa construction. Dans le dispositif de l'invention, il est donc constitué de deux substrats en CaF2 19 et 20, munis d'un traitement conducteur transparent en ITO tel que décrit cidessus 21 et 22, et d'une couche d'ancrage des molécules de cristal liquide obtenue par évaporation de SiO tel que décrit ci dessus 19a et 20a. La cellule est assemblée de la même manière que pour la matrice, avec un cordon de colle 23 et des espaceurs 24 garantissant une bonne uniformité d'épaisseur entre les substrats. Elle est remplie avec le méme cristal liquide et avec la même épaisseur que la matrice. Le compensateur de phase n'est pas muni de pixels. Il agit comme une lame birétringente dont on peut contrôler la biréfringence par ajustement de la différence de potentiel électrique appliqué entre ses électrodes. Il pourrait d'ailleurs étre remplacé, dans le dispositif de l' invention, par une lame biréfringente passive réalisée dans un matériau possédant une bonne transmission optique pour l'infrarouge. Le dispositif de l' invention prévoit également une architecture avantageuse des éléments optiques constituant le projecteur d'images thermiques de manière à combiner les effets de polarisation introduits par le polariseur, le compensateur de phase et la matrice d'une manière judicieuse qui permet l'obtention d'un niveau sombre quasi achromatique. Cette architecture permet ainsi de moduler les images thermiques avec un très bon contraste. Cette proposition d'agencement est présentée à titre d'exemple non limitatif en rétérence à la figure 5. Le projecteur d'images thermiques est constitué d'une source de type corps noir émettant un flux infrarouge thermique 25, d'éléments optiques 26, 27 permettant de conjuguer la pupille de sortie de la source sur le modulateur 28 et l'image modulée à l'infini vers le détecteur à tester. Le projecteur est également constitué d'éléments optiques additionnels tel que le compensateur de phase 29, un polariseur 30, un masque 31, et des filtres spectraux 32 dont le rôle est de sélectionner les longueurs d'ondes d'émission du projecteur. Dans l'architecture choisie par le dispositif de l' invention, un masque représentant, à l'échelle du grandissement de la conjugaison optique pupille de la source/modulateur, le dessin de la figure des inter-pixcls de la matrice, est placé dans le plan de la pupille de sortie de la source 33. Ce masque permet, par conjugaison optique de masquer les inter pixels de la matrice. Il est réalisé dans un matériau réfléchissant le rayonnement infrarouge et facilement gravable comme l'or ou l'aluminium. Il a un rôle complémentaire du masque situé sur le substrat de la matrice. L'ajout de ce masque est particulièrement avantageux car il permet d' éviter d' envoyer sur le modulateur des flux thermiques parasites: il améliore donc la qualité du projecteur complet et permet de relâcher les spécifications sévères qui s'appliquent à la réalisation du masque situé sur le substrat en CaF2 de la matrice. Le système optique 26 permet de coujuguer le plan de la pupille de sortie de la source et la matrice via le polariseur 30 qui fonctionne en incidence oblique de degrés et en réflexion sur le schéma présenté. Sur le trajet optique, et situé avant le polariseur, des filtres spectraux 32 perrnettent de sélectionner les longueurs d'ondes utiles. L'énergie infrarouge dans les autres longueurs d'onde est renvoyée vers la source et ne participe pas à la lumière parasite grâce au positionnement des filtres avant le polariseur. Le polariseur 30 est un polariseur à grilles, formé de lignes métalliques très fines (de l'ordre de 0.2microns de largeur) sur un substrat transparent à l'infrarouge, et qui dissipent la polarisation tombant parallèlement aux grilles. L'efficacité du polariseur est de l'ordre de 100:1. Le dispositif de l' invention comme sur la figure 5 prévoit que le compensateur de phase soit placé avantageusement juste devant la matrice et que la direction d'ancrage des molécules du compensateur et de la matrice soient croisés. Il est tout à fait judicieux de coller le compensateur à la matrice grâce à une substance réalisant une adaptation d'indice avec les substrats en CaF2 de manière à s'affranchir de s ré fl ex i ons spéculaires sur l es faces du compensateur et de l a matri ce. D ans une tel le architecture, le polariseur 30 joue le rôle d'analyseur et fonctionne en transmission après réflexion de la lumière infrarouge sur la matrice. Le système optique 27 permet de projeter l'image infrarouge vers la pupille d'entrce du détecteur à tester. 3 0 Le modulateur du dispositif de l' invention fonctionne entre polariseur et analyseur croisés. C'est un mode de fonctionnement avantageux pour obtenir une modulation lumineuse achromatique de fort contraste. Le dispositif prévoit, en effet, d'adresser le compensateur de phase à la différence de potentiel maximum autorisée par l'électronique de la matrice. Lorsque l'on chercher à obtenir un pixel noir, il est -8- 2834800 nocessaire d'adresser le pixel de la matrice à la tension maximale autorisée par l'électronique. Dans la configuration obtenue, la birétringence du compensateur compense exactement celle du pixcl et ce quelque soit la longueur d'onde puisque le compensateur et la matrice sont croisés et construits identiques. Le niveau d' extinction du pixcl est limité par la réflexion spéculaire des interfaces situées entre le compensateur et la matrice. Optiquement, leur influence est faible car le dispositif de l'invention est réalisé de telle manière que le compensateur est adressé à une tension levée donc que sa biréfringence résiduelle est faible, et ainsi que son action sur la rotation de la polarisation est également faible. Le dispositif fonctionnant entre polariseur et analyseur croisés, l'influence résiduelle des réflexions parasites est minimisée et le pixel est bien noir. En revanche, lorsqu'on désire obtenir un pixel brillant, il suffit d'appliquer une différence de potentiel nulle sur le pixel. L'épaisseur et le choix du cristal liquide de la matrice étant optimisés pour réaliser, en présence de la contribution du compensateur de phase, une rotation de 90degrés de la polarisation, l'état du pixel est complètement lumineux dans l'architecture du dispositif de l'invention. On notera néanmoins que l'optimisation de l'épaisseur et du cristal liquide ne peut se faire que sur une longueur d'onde centrale du spectre de longueur d'ondes utiles, donc que la modulation du pixel brillant est chromatique. L' influence du ce chromatisme est de diminuer la dynamique lorsque le spectre de longueurs d'ondes utile est très large. C'est un inconvénient du dispositif. L' architecture proposce pour le dispositif de l ' invention possède un avantage supplémentaire qui est représenté sur la figure 6. En effet, il est possible d'utiliser cette architecture avec deux modulateurs 28 et 28a munis de leurs compensateurs respectifs 29 et 29a, fonctionnant respectivement, sur le trajet optique, en réflexion puis transmission sur le polariseur pour la paire 28, 29 et en transmission puis réflexion sur le polariseur pour l'autre paire 28a, 29a. A titre d'exemple non limitatif, cette confguration peut permettre selon l'alignement des matrices de doubler la ré so luti on de s images générées ou la dynamique en températures ou enc ore la quantité de niveaux de gris. On peut noter que d'autres agencements entre polariseurs croisés ou parallèles peuvent permettre d'obtenir une modulation à fort contraste. Dans ce cas, une optimisation différente de l'épaisseur et du choix du cristal liquide est nocessaire. 9 2834800 La description précédente montre que la présente invention permet de réaliser un dispositif capable de générer par modulation des images infrarouges avec une qualité et une complexité très intéressantes. Le dispositif de l' invention selon l'architecture présentée, possède également des avantages de compacité qui le rendent pratique pour une implantation dans un module embarqué sur une table multi-axes, par exemple, pour le test des missiles à auto-directeurs infrarouges. Toutefois, le dispositif peut également servir à moduler d'autres gammes spectral es tel les que le rayonnement visib le, ou ultra-vi olet. Le modulateur est couplé à un polariseur (30) pour transformer la modulation de birétringence en modulation spatiale d'intensité. Le compensateur de phase, qui peut étre une cellule à cristaux liquides construite avec le méme matériau cristal liquide et la méme épaisseur que le modulateur, fonctionne en mode PI. Le compensateur de phase est soumis à une différence de potentiel correspondant à la différence de potentiel maximum des pixels de la matrice. Enfin, le dispositif pour la génération d'images thermiques comporte un système optique qui projette l'image infrarouge à l'infini vers la pupille d'entrée du système à tester. -10- 2834800 REVENDICATIONS 1. Dispositif pour la génération d'images thermiques, notamment pour le test des détecteurs infrarouges comportant une source de lumière (25), un masque (31), des systèmes optiques (26) et (27), des fltres spectraux (32) , un polariseur (30), un compensateur de phase (29) et un modulateur (28), caractérisé en ce que le modulateur est une matrice à cristaux liquides fonctionnant en mode PI et modulant sa biréfringence par le contrôle électrique de la tension appliquée au sein de ses pixcls. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le mode de fonctionnement PI est obtenu par l'ancrage des molécules de cristaux liquides grâce à une évaporation oblique de SiO. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matrice du modulateur est une matrice TFT sur siliclum. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le modulateur fonctionne en réflexion pour la lumière infrarouge. 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le modulateur est couplé à un polariseur (30) pour transformer la modulation de biréfringence en modulation spatiale d'intensité. 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le compensateur de phase (29) est une cellule à cristaux liquides. 7. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le compensateur de phase (29) est une cellule à cristaux liquides construite avec le même matériau cristal liquide et la même épaisseur que le modulateur. 8. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que compensateur de phase fonctionne en mode PI. 9. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le compensateur de phase (29) est soumis à une différence de potentiel correspondant à la différence de potentiel maximum des pixels de la matrice. 10. Dispositif selon la revendication l, caractérisé en ce que l'axe de biréfringence du compensateur de phase est tourné de 90degrés par rapport à celui de la 3 0 matrice. 11. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le compensateur de phase est collé à la matrice par une colle réalisant une adaptation d' indices de rétraction. 12. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le masque (31) est optiquement conjugué par le système optique (26) à la matrice. 13. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le masque (31) possède un revêtement opaque à la lumière infrarouge et gravé, à l'échelle du grandissement de la conjugaison du système optique (26), des motifs des pixels de la matrice. 14. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le polariseur (30) est un polariseur à grilles métalliques. 15. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le polariseur (30) fonctionne sous une incidence oblique de 45degrés. 16. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le polariseur (30) joue également le rôle d'analyseur fonctionnant sous incidence de 45degrés. 17. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l' architecture optique du projecteur utilisant le polariseur (3 0) sous incidence de degrés permet accucillir deux voies munies chacune d'un modulateur et de son compensateur de phase. 18. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système optique (27) projette l'image infrarouge à l'infini vers la pupille d'entrée du système à