EP3102917A1 - Procédé et système de visualisation d'un rayonnement électromagnétique infrarouge émis par une source - Google Patents

Procédé et système de visualisation d'un rayonnement électromagnétique infrarouge émis par une source

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Publication number
EP3102917A1
EP3102917A1 EP15706876.8A EP15706876A EP3102917A1 EP 3102917 A1 EP3102917 A1 EP 3102917A1 EP 15706876 A EP15706876 A EP 15706876A EP 3102917 A1 EP3102917 A1 EP 3102917A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
infrared
thermochromic
display system
power density
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP15706876.8A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Eric Freysz
Benoit PHILIPPEAU
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Bordeaux
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Bordeaux
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Universite de Bordeaux filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Publication of EP3102917A1 publication Critical patent/EP3102917A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/58—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using absorption; using extinction effect
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/48—Photometry, e.g. photographic exposure meter using chemical effects
    • G01J1/50—Photometry, e.g. photographic exposure meter using chemical effects using change in colour of an indicator, e.g. actinometer
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/48—Thermography; Techniques using wholly visual means

Definitions

  • the present invention relates to a method and a system for viewing infrared electromagnetic radiation.
  • electromagnetic radiation of infrared frequency is understood to mean electromagnetic radiation whose wavelength is greater than 1 micron and less than 20 microns.
  • a display card In an optical assembly, when the spectrum of the electromagnetic radiation is located outside the visible spectrum, especially in the infrared, a display card is generally used to detect, position or observe the spatial distribution of this electromagnetic radiation.
  • the different visualization systems are based on different types of interactions between a material and an infrared electromagnetic radiation, these different interactions modifying the optical properties or the physicochemical properties of the material under consideration.
  • a first type of interaction is based on the use of nonlinear optical materials that convert non-linear two- or three-photon interactions into a beam in the infrared range into a visible range.
  • these non-linear optical systems are extremely complex, and they are limited to coherent laser beams of high intensity and a spectral range limited to a single wavelength for a particular material.
  • US5772916 describes a screen comprising a phosphorescent powder deposited on a substrate for detecting or locating a source of infrared radiation.
  • US6340820 discloses a display card comprising an active layer of phosphorescent components deposited on a substrate, for detecting and measuring the profile of a beam in the near-infrared range of 0.8 to 1.7 microns.
  • the phosphorescent display cards are sufficiently sensitive to allow viewing of infrared radiation emitted by a light emitting diode.
  • the sensitivity of phosphorescent visualization maps in the near infrared depends on the ambient illumination.
  • the use of phosphorescent visualization maps meets limits for infrared radiation wavelength greater than two microns or high power density.
  • High power density radiation can disable the sensitive area of the display board.
  • an ultraviolet (UV) lamp is used to reactivate the phosphorescent compound sensitive surface and thus to visualize the trace of the infrared beam. This method is obviously much less convenient than a direct visualization.
  • phosphorescent display cards are ineffective to visualize far infrared radiation, from 2 to 20 microns.
  • GB2235060 discloses a device and method for viewing visible and near infrared radiation limited in a wavelength range of 600 nm to 1500 nm, which has a spectral bandwidth limited to a few hundred nanometers .
  • the patent document WO2014016525 describes a device and a method for viewing terahertz electromagnetic radiation which uses spin-transition materials.
  • the present invention aims to overcome the disadvantages of prior infrared radiation viewing systems and more particularly proposes a system for viewing the infrared electromagnetic radiation emitted by a source.
  • the display system comprises a substrate, at least one heat-sensitive solid layer comprising thermochromic pigments dispersed in a solid matrix, the thermochromic pigments having at least one transition temperature (T H, T B ), preferably greater at the temperature of use of the system, said at least one transition temperature (T H, T B ) being associated with an apparent color change of the thermochromic pigments in the visible, and at least one intermediate layer disposed between the substrate and the thermosensitive solid layer comprising thermochromic pigments, said at least one intermediate layer being thermally conductive; the substrate, said at least one intermediate layer and the thermosensitive solid layer together form a stack adapted to absorb infrared electromagnetic radiation and to induce a local increase in temperature dT; and said at least one intermediate layer is adapted to thermally transfer said local temperature increase dT to a region of the thermosensitive solid layer so as to induce a local change in the apparent color of the thermosensitive solid layer comprising thermochromic pigments.
  • the infrared radiation has a power density / within a range of 1 mW / cm 2 to a few hundred W.cm -2 .
  • the visualization system is easy to use, inexpensive to manufacture and sensitive to a very wide range of wavelengths in the infrared.
  • the display system of the invention is sensitive in a wavelength range which extends over a spectral bandwidth of several microns within a wavelength range of 1 micron to 20 microns.
  • the display system is sensitive in a wavelength range extending from at least 1.5 microns to 5 microns. In other words, this display system has a spectral bandwidth ranging from at least 1.5 microns to 5 microns.
  • the display system is sensitive in a wavelength range extending from at least 6 microns to 20 microns. In other words, this display system has a spectral bandwidth ranging from at least 6 microns to 20 microns.
  • the display system of the invention has an extended sensitivity range in terms of power density of incident infrared radiation and wavelength range.
  • thermochromic pigments Unlike systems in which the switching of the thermochromic pigments is photoinduced switching, the switching of the pigments is here thermally induced by changing the temperature of the system on which the pigments are deposited. This system does not require photocommutation properties or absorption of thermochromic pigments in the infrared range.
  • the thermochromic pigments are essentially sensitive to the temperature increase of the matrix in which they are dispersed.
  • said stack has an absorption coefficient a in a range of infrared wavelength, preferably between 1 and 20 microns, a density r and a heat capacity Cp defining a ratio: a
  • the incident infrared radiation has a power density / within a range, preferably from 1 mW.cm -2 to 100 W.cm -2 .
  • the material of the substrate is chosen from paper, cardboard, plastic, a metal, such as aluminum, copper, or a metal alloy, or a ceramic, for example alumina (Al 2 O 3). 3 ).
  • said at least one intermediate layer comprises a contrast index layer in the visible formed of a material having a low absorption coefficient in the visible spectral range, said contrast layer of wherein the index is preferably a titanium dioxide (TiO 2 ) loaded layer.
  • said at least one intermediate layer comprises an infrared absorbing layer, said infrared absorbing layer having an absorption coefficient greater than 20% in at least a part of the length range. wavelength of between 1 and 20 microns, said absorbing layer in the infrared being preferably charged in carbon black.
  • the display system comprises a first zone adapted to absorb a first infrared radiation having a power density in a first power density range, preferably between 5 W / cm 2 and about 100 W / cm. 2 , the display system being adapted to transform, by thermal conduction, an increase in temperature induced by absorption of the first infrared radiation into a local temperature increase dT1 greater than a thermochromic switching threshold in a first region of the thermosensitive solid layer of thermochromic pigments, so as to induce switching of the thermochromic pigment layer which produces a change in the apparent color of the thermochromic pigment layer when the first infrared radiation has a power density in the first power density range.
  • the display system comprises a second zone adapted to absorb a second infrared radiation having a power density in a second power density range, preferably between 1 mW / cm 2 and 5 W / cm 2 , and the visualization is adapted to transform, by thermal conduction, an increase in temperature induced by absorption of the second infrared radiation in the stack into a local increase in temperature dT2 greater than a thermochromic switching threshold on a second region of the at least one solid layer thermosensitive thermochromic pigments, so as to induce a switching of the at least one layer of thermochromic pigments which produces another change in the apparent color of the at least one thermosensitive solid layer of thermochromic pigments when the second infrared radiation has a power density in the second power density range.
  • thermosensitive solid layer comprises at least one thermochromic pigment, spin-transition or otherwise, excluding liquid crystals.
  • thermosensitive solid layer comprises at least one thermochromic pigment chosen from leuco dyes.
  • thermosensitive solid layer comprises a mixture of at least two thermochromic pigments having different temperature transition thresholds.
  • thermochromic pigment layer comprises nanoparticles and / or microparticles of thermochromic pigments in an absorbent polymer matrix, preferably in the infrared range between 1 and 20 microns.
  • the substrate has a first face and a second face opposite to the first face, the second face of the substrate comprising at least one exposure zone having a bare surface adapted to receive said electromagnetic radiation incident infrared for transmission operation, and the first face being adapted to receive said incident infrared electromagnetic radiation for reflection operation.
  • the invention also relates to a method for viewing infrared electromagnetic radiation emitted by a source, comprising exposure to infrared radiation having a power density greater than or equal to a power density threshold, of at least one zone of a display system according to one of the embodiments, so as to induce by absorption in the stack and then by thermal conduction a local increase in the temperature in the thermochromic pigment layer greater than a transition threshold T H , adapted to inducing an apparent color change of a region of the thermosensitive solid layer of thermochromic pigments.
  • the invention will find a particularly advantageous application in the detection and / or visualization maps of the spatial distribution of the power density of infrared electromagnetic radiation.
  • the present invention also relates to the features which will emerge in the course of the description which follows and which will have to be considered individually or in all their technically possible combinations.
  • FIGS. 1 and 4 show different manufacturing steps of an infrared radiation display system according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 5 illustrates an example of an infrared radiation display system, seen from the side of the face carrying the thermochromic pigment layer;
  • FIG. 6 illustrates the example of an infrared radiation display system of FIG. 5, seen from the opposite side to the thermochromic pigment layer;
  • FIGS. 7-10 illustrate various manufacturing steps of a display system according to a second embodiment of the invention.
  • FIGS. 11 and 12 illustrate another example of a two-zone display system with different sensitivity in terms of wavelength and / or in power density according to the second embodiment of the invention
  • FIG. 13 illustrates different colors associated with different temperature ranges for a mixture of thermochromic pigments
  • FIG. 14 illustrates an example of the visualization of the spatial distribution of the power density of infrared electromagnetic radiation from a mixture of thermochromic pigments
  • FIGS. 15A-15B illustrate an exemplary embodiment of an infrared display card
  • FIG. 16A-16D illustrates another embodiment of an infrared viewing card operating in reflection and transmission.
  • the invention is based on the interaction between an infrared electromagnetic radiation, and a display system comprising a thermosensitive solid layer, the thermosensitive layer comprising a thermochromic material, or thermochromic pigment.
  • Thermochromic pigments have the ability to change their apparent color in the visible according to a change of temperature, heating or cooling. This color change may be related to a change in the shape of a molecule, for example in the case of a leuco dye (or leuco dye), to a phase change.
  • a leuco dye or leuco dye
  • the vanadium dioxide V0 2 has a phase transition, of a semiconductor state, which has a distorted monoclinic structure, in a metallic state, which has a rutile-like quadratic structure.
  • the BiV0 4 semiconductor charge transfer material which is yellow at room temperature, has a red appearance at 300 ° C.
  • thermochromic pigment thus passes from a first color, at low temperature, to a second color, when the temperature increases above a temperature transition threshold T H.
  • T H a temperature transition threshold
  • this transition is irreversible, for other materials it can be reversible.
  • T B a certain temperature threshold
  • a reverse color change is observed.
  • the temperature transition range for switching from one state to another state may range from a few degrees to several tens of degrees.
  • many thermochromic materials have a thermal hysteresis loop.
  • Thermochromic materials can also exhibit photocommutation effect under infrared radiation of precise wavelength.
  • thermochromic compounds in the form of powder or inserted in a polymer matrix, which allow to visualize a laser beam at a wavelength of 10.6 microns having a power density of between 1 mW / cm 2 and 1 W / cm 2 .
  • thermochromic materials do not exhibit a photocommutation effect over a broad infrared spectral band, extending for example from 1 to 20 microns.
  • spin-transition materials have low sensitivity.
  • leuco-dyes offer a sharp color change in an interval of about 1 .5 ° C around the transition temperature T H which can not currently be achieved with the materials to conventional spin transition.
  • the leuco-dyes are therefore very reactive to the change of temperature and thus allow to reach a high sensitivity.
  • the direct photocommutation of a particular material for example with a spin transition, during the exposure of this spin-transition material to an infrared beam, has a spectrally limited sensitivity in the infrared, and It is not possible to visualize an infrared beam over a wide spectral range, nor to visualize the spatial profile of the power density of an infrared beam.
  • thermochromic material taken alone is therefore not suitable for viewing an infrared beam having any wavelength in the range between 1 and 20 microns.
  • thermochromic material can be adapted for the detection of an infrared beam in a relatively narrow spectral range and in a range. of reduced power density, but not suitable for detecting radiation having a wavelength in a wide infrared spectral range, and does not allow to visualize the spatial profile of the power density of an infrared beam.
  • a method and a system for detecting and / or visualizing the spatial distribution of the power density of infrared radiation based on the use of a system comprising a substrate 1, a solid layer 4 comprising particles of thermochromic pigment dispersed in a controlled amount in a matrix, and at least one intermediate layer (2, 3) disposed between the substrate and the solid layer 4.
  • thermochromic layer 4 comprising a thermochromic pigment is said to be thermosensitive, that is to say that it is sensitive to an increase and / or a drop in temperature with respect to at least one transition threshold T H.
  • a thermochromic layer is not necessarily a thermally conductive layer: the matrix in which the thermochromic pigments are inserted may be a thermally insulating matrix.
  • the operating principle of the visualization system is based on a local heating of the system following exposure to infrared electromagnetic radiation.
  • the infrared electromagnetic radiation is absorbed by the display system and converted into a local temperature increase, which induces a color change, preferably reversible, of the thermochromic pigment used.
  • the thermochromic pigment thus changes color indirectly, under irradiation of infrared radiation, when the temperature of the system increases locally above a transition threshold T H of the thermochromic pigment.
  • T H transition threshold
  • a display system comprising a stack, the stack comprising a substrate, a thermosensitive solid layer of thermochromic pigments having at least one predefined transition temperature (T H , T B ), and at least one intermediate layer, Stacking the display system having a predefined absorption coefficient for infrared radiation over an entire wavelength range of 1 to 20 microns, so that the display system absorbs infrared radiation.
  • the stack has a density r and a heat capacity Cp which produce a local temperature increase in the stack and make it possible to transfer this increase in temperature in a region of the thermochromic pigment layer, which induces a change.
  • the apparent color of the thermosensitive layer when the infrared radiation has a power density in a range, preferably from 1 mW.cm -2 to 100 W.cm -2 .
  • the substrate used in the display system can be of different types.
  • the substrate 1 is preferably in the form of a thin plate, from a few tenths of a millimeter to a few millimeters in thickness.
  • the substrate 1 may be paper, cardboard, wood, plastic, ceramic, metal plate.
  • the display system has a sensitivity threshold preferably in the power density range of between a few mW.cm -2 to about 10 W.cm -2 , and a substrate is chosen which has a low thermal conductivity. , preferably less than 1 Wm -1 .K -1 at room temperature, such as paper, wood, a plastic material, such as PVC, so as to limit the heat losses of the display system to the ambient air . Therefore, such a display system has a relatively long relaxation time, of the order of 5s to 10s. It is noted that the relaxation time, for the return of the device to the original color, is a function of the power density of the infrared radiation.
  • the display system has a sensitivity threshold preferably in the power density range of between 10 W.cm -2 to about 100 W.cm -2 and a substrate is chosen which has a high thermal conductivity. , preferably greater than 50 Wm -1 .K -1 at room temperature, such as a metal plate or a ceramic plate, for example alumina.
  • a display system is more resistant to a power density of high infrared radiation, and has a short relaxation time, of the order of 3s.
  • the detection principle of the display system of the invention is based on a color change of at least a portion of the thermochromic pigments dispersed in a solid matrix deposited in a layer on a substrate, the system comprising at least one other intermediate layer between the heat-sensitive layer and the substrate.
  • dT is the change in temperature per unit of time, / the power density per unit area of incident electromagnetic radiation
  • r the system density
  • Cp the heat capacity of the system.
  • the absorption coefficient a of the display system is generally a function of the wavelength.
  • thermochromic pigment having a transition temperature above the use temperature, for example ⁇ 5 ° C above the temperature of use.
  • thermochromic pigments are not used here to directly absorb the infrared radiation but as an indicator of a temperature change of the display system.
  • the thermochromic pigments are selected essentially according to their transition temperature and their apparent color in the visible.
  • the thermochromic pigments are advantageously dispersed in a liquid matrix, which is solidified after deposition on the substrate and the intermediate layer.
  • the amount of dispersed pigments depends on the initial color and the desired color change.
  • the quantity of dispersed pigments is between 5% and 20% by weight of the total weight in an ink forming the thermosensitive solid layer loaded with thermochromic pigments.
  • the intermediate layer or layers disposed between the substrate and the heat-sensitive layer make it possible, by reflection or transmission, to provide a visual contrast enabling the user to better visualize a color change.
  • the intermediate layer or layers can also absorb part of the infrared electromagnetic radiation.
  • FIGS. 1 to 4 represent various manufacturing steps of an infrared radiation display system according to a first embodiment of the invention, which is compatible with a high electromagnetic radiation power density, of the order of 10 W .cm “2 at about 100 W.cm " 2 .
  • Figure 1 shows a substrate 1.
  • the substrate 1 is a substrate having good mechanical strength at high temperatures and good thermal conductivity (greater than 50 Wm -1 .K -1 at room temperature).
  • the substrate 1 is formed of a metal plate or a ceramic plate, such as alumina.
  • the thickness of the substrate is preferably between a few tenths of a millimeter and a few millimeters.
  • a layer 2 is deposited on a first face of the substrate, which covers the entire surface of the first face.
  • layer 2 is an infrared absorbing layer, for example composed of carbon black, which is absorbent over a very wide spectral range from visible to infrared.
  • a varnish loaded with carbon black UVISOFT range
  • VFP Ink Technologies VFP Ink Technologies
  • FIG. 2 represents the substrate 1 of FIG. 1, seen from the second face, which is opposite to the first face.
  • a layer 12 is deposited which makes it possible to delimit the zone of exposure to infrared radiation in the transmission mode.
  • the transmission mode exposure zone therefore has no deposit and is indicated by the bare surface 13 of the substrate 1, which is opposite to the thermosensitive zone 4.
  • FIG. 3 represents the substrate 1 of FIG. 1, seen from the first face.
  • a contrast layer of index 3 preferably in opaque white lacquer, which covers a portion of the absorbent layer 2 is deposited.
  • the index contrast layer 3 is a lacquer loaded with carbon dioxide. Titanium (TiO 2 ) from VFP Ink Technologies (UVISOFT range).
  • thermosensitive layer 4 comprising particles of thermochromic pigments dispersed in a matrix.
  • the heat-sensitive layer 4 is formed by depositing a colorless varnish from the company VFP Ink Technologies (UVISOFT range) loaded with thermochromic pigments.
  • the color of the varnish may for example be orange or purple in the initial state below the transition threshold T H.
  • the matrix of the heat-sensitive layer 4 is a polymerizable varnish under irradiation with ultraviolet radiation.
  • the heat-sensitive layer 4 is polymerized in thermochromic pigments in the same way, by exposure to ultraviolet radiation.
  • the heat-sensitive layer is formed of a colorless solvent-based varnish, which is fastness by evaporation.
  • the various layers 2, 12, 3 and 4 are deposited by screen printing, in one or more passes.
  • the thickness of the absorbent layer 2, the index contrast layer 3 and the heat-sensitive layer 4 is preferably between a few tenths of a micron and a few hundred microns.
  • FIG. 5 represents a visualization system obtained according to the method detailed with reference to FIGS. 1 to 4, seen from the face carrying the thermosensitive layer 4. It is printed, for example by screen printing, in white ink on the layer 2 indications of operation of the device, such as the wavelength range, here for example from 6 to 20 microns. In another example, the wavelength range of the display system ranges from 1.5 to 5 microns.
  • the display system 10 of FIG. 5 thus operates in reflection.
  • Infrared radiation 20 with a power density of 10 to 50 W / cm 2 , is incident on the thermosensitive layer 4.
  • the infrared radiation can be absorbed by the matrix of the thermosensitive layer and / or by the contrast layer of index 3 and / or by the absorbent layer 2 and / or by the substrate 1.
  • the absorbed infrared radiation is transformed into a local increase in the temperature of the display system 10. This temperature increase induced by absorption of the infrared radiation in the stack is transferred by thermal conduction to the heat-sensitive layer 4.
  • thermosensitive layer 4 When the increase in temperature of the thermosensitive layer 4 is greater than the transition temperature T H , it induces a transition of the thermochromic pigments, and therefore a local change of apparent color of the thermosensitive layer in the visible. An observer thus detects a color change on the face of the thermosensitive layer directly exposed to infrared radiation 20.
  • FIG. 6 represents the display system of FIG. 5, seen from the face opposite to that carrying the layer 4 of thermochromic pigments.
  • the display system 10 of FIG. 6 thus operates in transmission.
  • An infrared beam 21, with a high power density, of 50 to 100 W / cm 2 is incident on the bare surface 13 of the substrate 1.
  • the infrared radiation can be absorbed by the substrate 1 and / or by the different layers located on the opposite face, that is to say by the absorbent layer 2 and / or by the index contrast layer 3 and / or by the matrix of the heat-sensitive layer 4.
  • the infrared radiation 21 thus absorbed induces a local increase in the temperature in the stack of the display system 10. This temperature increase induced in the stack is transferred by thermal conduction to the layer thermosensitive 4.
  • thermosensitive layer 4 When the increase in temperature of the thermosensitive layer 4 is greater than the transition temperature T H of the thermochromic pigments, it induces a transition of the thermochromic pigments, and thus a visible local change of color of the thermosensitive layer in the visible . An observer thus detects a color change on the face opposite to the face exposed to infrared radiation 21.
  • thermochromic pigments In transmission, the layer of thermochromic pigments is not exposed directly to electromagnetic radiation.
  • the mechanical strength of the substrate allows the system to withstand high power densities, for example of the order of 100 Wcm- 2 .
  • the use of the transmission visualization system makes it possible to avoid damaging the thermosensitive layer 4 due to direct exposure to infrared radiation 21 of high power density.
  • the power density sensitivity of the same display system is different depending on whether it is used in reflection mode (FIG. 5) or in transmission mode (FIG. 6).
  • a single display system as shown in Figures 5 and 6 thus has two complementary operating ranges.
  • FIGS. 16A-16D illustrate the operation of a display system as described with reference to FIGS. 5 and 6.
  • FIG. 16A shows an ambient temperature display card seen from the side of the thermosensitive layer 4
  • the heat-sensitive layer 4 is deposited in rectangular form and appears gray at room temperature.
  • FIG. 16B the display card of FIG. 16A is represented at a temperature higher than the temperature of transition of the thermosensitive layer: the thermochromic pigments have switched, and the heat-sensitive layer appears uniformly green.
  • Figure 16C there is shown the same display card at room temperature, exposed to infrared radiation at a wavelength of 10.6 microns, power density of 20 W / cm 2 , in reflection mode.
  • thermosensitive layer 16C in the center of the thermosensitive layer, a lighter spot 40 is observed, which allows to visualize and locate the infrared radiation.
  • FIG. 16D there is shown the same ambient temperature display card, exposed to infrared radiation at a wavelength of 10.6 microns, with a power density of 60 W / cm 2 , in transmission mode. 16D, in the center of the thermosensitive layer, a lighter central spot 41 is observed, which makes it possible to visualize and locate the infrared radiation by transmission.
  • FIGS. 7 to 10 represent different manufacturing steps of an infrared radiation display system according to a second embodiment of the invention.
  • FIG. 7 represents a substrate 1, for example formed of a PVC blank card, for example laminated without a protective layer (or overlay).
  • an absorbent layer 2 is deposited which covers the entire surface of the first face.
  • layer 2 is composed of carbon black, which is absorbent over a very wide spectral range from visible to infrared.
  • a varnish loaded with carbon black from VFP Ink Technologies UVISOFT range
  • a layer of contrast 3 has been deposited on the layer 2 which covers the entire surface of the layer 2.
  • the contrast layer 3 is an opaque white varnish.
  • the contrast layer 3 is a layer of a titanium dioxide (TiO 2 ) -labelled varnish from VFP Ink Technologies (UVISOFT range).
  • thermosensitive layer 4 comprising thermochromic pigment particles dispersed in a matrix on a region only of the surface of the contrast layer 3.
  • the first thermosensitive layer 4 is formed by depositing a colorless varnish (UVISOFT range) from VFP Ink Technologies company charged with thermochromic pigments.
  • another heat-sensitive layer 5 has been deposited comprising particles of thermochromic pigments dispersed in a matrix on another region of the surface of the contrast layer 3, distinct from the region of the first 4.
  • the heat-sensitive layer 5 is formed by depositing a colorless varnish (UVISOFT range) from the company VFP Ink Technologies loaded with thermochromic pigments, of another color, corresponding to another transition temperature (T H ) and therefore at a sensitivity different from that of the first thermosensitive layer 4.
  • the color of the varnish of the first heat-sensitive layer 4 may for example be pink, and the color of the varnish of the other thermosensitive layer 5 purple or black.
  • the varnish of the heat-sensitive layers 4 and 5 is a polymerizable varnish under irradiation with ultraviolet radiation.
  • the heat-sensitive layer 4 is polymerized in thermochromic pigments in the same way, by exposure to ultraviolet radiation.
  • the absorbent layer 2, the contrast layer 3 and the heat-sensitive layers 4 and 5 are deposited by screen printing in one or more passes.
  • FIG. 10 represents a visualization system obtained according to the method detailed with reference to FIGS. 7 to 9, seen from the face carrying the heat-sensitive layers 4 and 5. It is printed, for example by screen printing, in black ink on the contrast layer 3 of the operating indications of the device, such as the wavelength range, here for example from 1.5 to 5 microns.
  • FIG. 11 represents another example of a manufacturing method, analogous to the method illustrated with reference to FIGS. 7-8, and in which other heat-sensitive layers 14, 15 are deposited juxtaposed on a contrast layer 3, itself deposited on an absorbent layer 2 in the infrared, for example carbon black, covering the substrate 1.
  • FIG. 12 shows another example of a visualization system obtained according to the method detailed with reference to FIGS. 7, 8 and 11, seen from the face carrying the heat-sensitive layers 14 and 15 loaded with thermochromic pigments.
  • Screening indications such as the wavelength range, which ranges from 6 to 20 microns, have been printed, for example by screen printing, in black ink on the contrast layer 3.
  • the visualization systems illustrated in FIGS. 10 and 12 operate by reflection, the infrared radiation being incident on one of the layers of heat-sensitive pigments 4 or 5 for the display device 30 of FIG. 10, and respectively on one of the layers of heat-sensitive pigments. 14 or 15 for the display device 30 of FIG.
  • the use of a display system 30 may have two different sensitivity ranges depending on the power density of the electromagnetic radiation to be displayed.
  • thermochromic pigment which reacts at ambient temperature, the transition temperature T H of which is preferably above ambient temperature, which makes it possible to record a trace of the infrared radiation in a non-permanent manner.
  • thermochromic pigment having the steepest possible transition range is used, i.e. the transition of all of the thermochromic pigment is spread over a narrow temperature transition range.
  • leuco dyes are used which have the advantage of having a hysteresis loop in a range of only 1.5 to 2 ° C.
  • thermochromic pigment is selected having a low temperature temperature transition temperature at high temperature, such that this transition temperature is in a range between +5 degrees and +20 degrees above ambient temperature.
  • the thermochromic pigment is not very sensitive to ambient variations of a few degrees of ambient temperature and does not switch spontaneously.
  • thermochromic pigment The greater the difference between the operating temperature of the system and the transition temperature, the higher the power density required to obtain the switching of the thermochromic pigment and the higher the sensitivity threshold of the display card.
  • thermochromic pigments mention may be made of the spin-transition compounds described in patent documents FR2894581 and FR2917410 which are in the form of micrometric or nanometric particles. These compounds exhibit a variety of colors in each spin state depending on the composition, concentration, size and shape of the particles.
  • thermochromic pigments can be used those marketed by the companies Naxagoras Technology, Paint With Pearl, Solar Color Dust or even those in the form of thermochromic capsules from the French company Gem'lnnov.
  • Thermochromic pigments have the advantage of being available on a wide range of apparent colors in the visible.
  • thermochromic pigments are available in a wide variety of colors and with a wide range of transition temperatures, making it possible to adapt the configuration of a display system to different applications.
  • thermosensitive ink comprising a mixture of thermochromic pigments having different switching temperatures.
  • a first thermochromic pigment having a switching temperature T H equal to 30 ° C. is mixed with a second thermochromic pigment having a switching temperature T H equal to 42 ° C. and then a third thermochromic pigment having a switching temperature T. H is equal to 60 ° C.
  • FIG. 13 illustrates an example of a mixture of three thermochromic pigments associated with different apparent colors as a function of the temperature ranges.
  • the heat-sensitive layer of the pigment mixture is at a temperature below 30 ° C, its apparent color 45 is blue.
  • the same heat-sensitive layer is at a temperature between 30 ° C and 42 ° C, its apparent color 46 is light blue.
  • the apparent color 47 of the heat-sensitive layer becomes green.
  • the apparent color is white.
  • Fig. 14 illustrates the exposure of a display system according to the third embodiment to infrared radiation at a wavelength of 10.6 microns with a power density of 10 W / cm 2 .
  • the visualization system comprises a stack formed of a substrate, an intermediate layer and a thermosensitive layer.
  • the thermosensitive layer 4 here comprises a mixture of different thermochromic pigments.
  • the white color 48 in the center where the power density of the radiation is the higher
  • the green color 47 in the form of a ring surrounding the center the light blue color 46 surrounding the green ring 47, and the blue color 45 over the rest of the surface of the heat-sensitive layer.
  • Each color is associated with a temperature range.
  • the apparent color of the heat-sensitive layer of the pigment mixture thus makes it possible to determine the temperature range. After calibration, this color range can be associated, for a determined range of infrared wavelengths, with different ranges of power density of infrared radiation.
  • thermosensitive layer comprising such a mixture of different thermochromic pigments thus makes it possible to visualize the spatial distribution of the power density of an electromagnetic radiation.
  • the thermal conductivity of the system can induce thermal diffusion in the system, detrimental to the spatial resolution of the color change.
  • thermochromic pigments in the form of pads is deposited on a low-absorbency support and having good conductivity thermal. This variant makes it possible to visualize the spatial distribution of intensity of the incident radiation.
  • the choice of pigments makes it possible to select different temperature ranges and different colors.
  • the display system according to one or the other embodiments of the invention provides a simple and effective response to the problem of visualization of radiation invisible to the naked eye.
  • An infrared radiation display device has thus been manufactured preferably operating between 1 and 20 microns and with a spectral width extending over several microns.
  • the spectral band of the display device ranges from 1.5 to 5 microns and / or from 6 to 20 microns.
  • the duration of the exposure required to display the infrared radiation depends on many parameters, including the absorption coefficient of the stack, the type of thermochromic pigments of the heat-sensitive layer. In practice, the response time can range from a few milliseconds to a few tens of seconds.
  • FIGS. 15A-15B show an infrared display card, at ambient temperature, respectively in the absence of exposure to infrared radiation, and following exposure to an infrared beam having a wavelength of 2 microns and a power density 500 mW / cm 2 .
  • the heat-sensitive layer is of uniform color.
  • the spot 42 lighter in the center of the heat-sensitive layer 4 corresponds to the area of exposure to infrared radiation.
  • the visualization system undergoes a local temperature increase induced by absorption of infrared radiation, which produces a transition of the thermochromic pigments associated with an apparent color change of the thermosensitive layer. Outside the thermal diffusion zone, the remainder of the surface of the display card has not undergone a temperature increase sufficient to induce a transition of the thermochromic pigments and to change color. The light spot slowly fades out if the infrared radiation is blocked and the card regains its uniform color.
  • the invention makes it possible to visualize and locate radiation in the infrared wavelength domain.
  • An example of a display device has been tested for a power density of the order of 500 mW / cm 2 with a laser source continuously emitting at the following wavelengths: 2 microns, 3 microns, and 4 microns, with a exposure time of a few seconds in reflection mode.
  • Non-polarized radiation issued by this source is used directly without special precautions.
  • the same visualization card makes it possible to visualize the infrared radiation at the various wavelengths indicated above.
  • a thermal conductive substrate is used, preferably a ceramic material, such as alumina (Al 2 O 3 ).
  • the visualization card makes it possible to visualize a C0 2 laser beam having a power density of 20 W / cm 2 , with an exposure time of a few seconds.
  • the same visualization card makes it possible to visualize a C0 2 laser beam having a power density of 60 W / cm 2 , with an exposure time of a few seconds, without deterioration of the visualization system.
  • the apparent size of the spot on the display map depends on the power density and the exposure time to the laser beam. The higher the power density and / or the exposure time, the larger the spot size.
  • the size of the spot is not representative only of the spatial distribution of the beam.
  • the invention takes advantage of the absorption of infrared radiation by a stack of different materials, and the thermal conduction of this stack to a thermosensitive layer, to allow visualization of infrared radiation, in a spectral range and in a range of density. power ranging from low power density to high power density.
  • the invention provides a simple and effective response to a problem of viewing infrared radiation in a frequency range invisible to the naked eye.
  • the invention makes it possible to locate infrared radiation from a laser source or the like.
  • the invention also makes it possible to characterize the spatial distribution of a laser beam of infrared radiation. Therefore, the invention facilitates the adjustment of an infrared optical assembly.
  • the invention makes it possible to considerably extend the spectral range of visualization over a wide spectral range in the infrared.
  • thermochromic pigments have a wide range of visualization colors in the visible.
  • the implementation of the device and the visualization method of the invention is inexpensive.
  • the invention is insensitive to variations in ambient temperature or ambient lighting.
  • thermochromic pigments having different transition thresholds as a function of the power density of the infrared radiation makes it possible to obtain display devices having a different sensitivity. It is thus possible to adjust the sensitivity of the device and display method according to the power of the infrared radiation that is to be visualized.

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Abstract

La présente invention concerne un procédé et un système de visualisation d'un rayonnement infrarouge émis par une source. Selon l'invention, le système de visualisation comprend un substrat, au moins une couche solide thermosensible comprenant des pigments thermochromes ayant au moins une température de transition TH associée à un changement de couleur apparente, et au moins une couche intermédiaire disposée entre le substrat et la couche solide comprenant des pigments thermochromes; le substrat, ladite au moins une couche intermédiaire et la couche solide thermosensible comprenant des pigments thermochromes formant un empilement adapté pour absorber un rayonnement électromagnétique infrarouge et pour induire une augmentation locale de température dT; et ladite au moins une couche intermédiaire étant adaptée pour transférer par conduction thermique ladite augmentation locale de température dT vers une région de la couche solide thermosensible, de manière à induire un changement local de la couleur apparente de la couche solide thermosensible de pigments thermochromes.

Description

Procédé et système de visualisation d'un rayonnement électromagnétique infrarouge émis par une source
Domaine technique
La présente invention concerne un procédé et un système de visualisation d'un rayonnement électromagnétique infrarouge.
Dans le présent document, on entend par rayonnement électromagnétique de fréquence infrarouge, un rayonnement électromagnétique dont la longueur d'onde est supérieure à 1 micron et inférieure à 20 microns.
Etat de la technique
Dans un montage optique, lorsque le spectre du rayonnement électromagnétique est situé en dehors du spectre visible, notamment dans l'infrarouge, on utilise généralement une carte de visualisation pour détecter, positionner ou observer la répartition spatiale de ce rayonnement électromagnétique.
II existe différents systèmes de visualisation en fonction du domaine spectral du rayonnement électromagnétique considéré. En particulier, on connaît des cartes de visualisation simples d'utilisation et peu coûteuses.
Les différents systèmes de visualisation sont basés sur différents types d'interactions entre un matériau et un rayonnement électromagnétique infrarouge, ces différentes interactions modifiant les propriétés optiques ou les propriétés physicochimiques du matériau considéré.
Un premier type d'interactions repose sur l'utilisation de matériaux optiques non linéaires qui permettent de convertir, par des interactions non linéaires à deux ou trois photons, un faisceau dans le domaine infrarouge en un faisceau dans le domaine visible. Toutefois, ces systèmes optiques non linéaires sont extrêmement complexes, et ils sont limités à des faisceaux laser cohérents de forte intensité et à un domaine spectral limité à une seule longueur d'onde pour un matériau particulier.
Un autre type d'interactions repose sur l'utilisation de matériaux phosphorescents ou fluorescents qui ont la propriété d'absorber un rayonnement infrarouge et de réémettre un rayonnement dans le domaine du visible. Ainsi, le document US5772916 décrit un écran comportant une poudre phosphorescente déposée sur un substrat permettant de détecter ou localiser une source de rayonnement infrarouge. De même, le document US6340820 décrit une carte de visualisation comprenant une couche active de composants phosphorescents déposée sur un substrat, pour détecter et mesurer le profil d'un faisceau dans le domaine du proche infrarouge de 0,8 à 1 ,7 microns. Les cartes de visualisation phosphorescentes sont suffisamment sensibles pour permettre de visualiser un rayonnement infrarouge émis par une diode électroluminescente. Toutefois, la sensibilité des cartes de visualisation phosphorescentes dans le proche infrarouge dépend de l'éclairement ambiant. D'autre part, l'utilisation des cartes de visualisation phosphorescentes rencontre des limites pour des rayonnements infrarouges de longueur d'onde supérieure à deux microns ou de forte densité de puissance. Un rayonnement de forte densité de puissance peut désactiver la zone sensible de la carte de visualisation. Dans ce cas, on utilise une lampe ultraviolette (UV) pour réactiver la surface sensible en composé phosphorescent et ainsi visualiser la trace du faisceau infrarouge. Cette méthode est évidemment beaucoup moins pratique qu'une visualisation directe. Dans tous les cas, des cartes de visualisation phosphorescentes sont inefficaces pour visualiser un rayonnement infrarouge lointain, de 2 à 20 microns.
Par exemple, le document de brevet GB2235060 décrit un dispositif et procédé de visualisation de rayonnement visible et proche infrarouge limité dans une gamme de longueur d'onde de 600 nm à 1500 nm, qui présente une largeur de bande spectrale limitée à quelques centaines de nanomètres.
Il existe d'autres systèmes de visualisation de faisceau infrarouge basés sur l'interaction avec des cristaux liquides ou sur des systèmes électroniques. Toutefois, ces derniers systèmes sont complexes d'utilisation et en général assez coûteux.
Le document de brevet WO2014016525 décrit un dispositif et un procédé de visualisation de rayonnement électromagnétique térahertz qui met en œuvre des matériaux à transition de spin.
Il existe un besoin pour un procédé et un système de visualisation de faisceau électromagnétique infrarouge peu coûteux, facile à mettre en œuvre, présentant un seuil de sensibilité à l'exposition de rayonnement infrarouge sur une large gamme spectrale, de préférence de 1 à 20 microns, pour une densité de puissance allant de de 1 mW/cm2 à quelques centaines de W/cm2, tout en étant peu sensible aux variations d'éclairement ou de température ambiante. Il existe aussi un besoin pour un procédé et un système de visualisation de la répartition spatiale de la densité de puissance d'un faisceau infrarouge, sensible sur une large gamme spectrale.
La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients des systèmes antérieurs de visualisation de rayonnement infrarouge et propose plus particulièrement un système de visualisation du rayonnement électromagnétique infrarouge émis par une source.
Selon l'invention, le système de visualisation comprend un substrat, au moins une couche solide thermosensible comprenant des pigments thermochromes dispersés dans une matrice solide, les pigments thermochromes ayant au moins une température de transition (TH, TB), de préférence supérieure à la température d'utilisation du système, ladite au moins une température de transition (TH, TB) étant associée à un changement de couleur apparente des pigments thermochromes dans le visible, et au moins une couche intermédiaire disposée entre le substrat et la couche solide thermosensible comprenant des pigments thermochromes, ladite au moins une couche intermédiaire étant thermiquement conductrice ; le substrat, ladite au moins une couche intermédiaire et la couche solide thermosensible forment ensemble un empilement adapté pour absorber un rayonnement électromagnétique infrarouge et pour induire une augmentation locale de température dT ; et ladite au moins une couche intermédiaire est adaptée pour transférer par conduction thermique ladite augmentation locale de température dT vers une région de la couche solide thermosensible, de manière à induire un changement local de la couleur apparente de la couche solide thermosensible comprenant des pigments thermochromes.
Avantageusement, le rayonnement infrarouge a une densité de puissance / comprise dans une gamme de 1 mW/cm2 à quelques centaines de W.cm"2.
Le système de visualisation est simple d'utilisation, peu coûteux à fabriquer et sensible à une très large gamme de longueurs d'onde dans l'infrarouge. Avantageusement, le système de visualisation de l'invention est sensible dans une gamme de longueur d'onde qui s'étend sur une largeur de bande spectrale de plusieurs microns à l'intérieur d'un domaine de longueur d'onde de 1 micron à 20 microns. Dans un exemple de réalisation, le système de visualisation est sensible dans une gamme de longueur d'onde s'étendant au moins de 1 .5 microns à 5 microns. Autrement dit, ce système de visualisation a une largeur de bande spectrale s'étendant au moins de 1 .5 microns à 5 microns. Dans un autre exemple de réalisation, le système de visualisation est sensible dans une gamme de longueur d'onde s'étendant au moins de 6 microns à 20 microns. Autrement dit, ce système de visualisation a une largeur de bande spectrale s'étendant au moins de 6 microns à 20 microns.
Le système de visualisation de l'invention présente une gamme de sensibilité étendue en termes de densité de puissance du rayonnement infrarouge incident et de gamme de longueur d'onde.
Contrairement aux systèmes dans lesquels la commutation des pigments thermochromes est une commutation photoinduite, la commutation des pigments est ici induite thermiquement par modification de la température du système sur lequel sont déposés les pigments. Ce système ne requiert pas de propriétés de photocommutation ni d'absorption des pigments thermochromes dans le domaine infrarouge. Les pigments thermochromes sont sensibles essentiellement à l'augmentation de température de la matrice dans laquelle ils sont dispersés.
Selon un aspect de l'invention, ledit empilement présente un coefficient d'absorption a dans une gamme de longueur d'onde infrarouge, de préférence comprise entre 1 et 20 microns, une densité r et une capacité calorifique Cp définissant un rapport : a
supérieur à une valeur seuil sur ladite gamme de longueur d'onde infrarouge, ledit rapport étant adapté pour induire par absorption locale d'un rayonnement infrarouge incident ayant une longueur d'onde dans ladite gamme de longueur d'onde infrarouge et une densité de puissance /, une augmentation locale de température dT dans ledit empilement telle que : r.Cp
lorsque le rayonnement infrarouge incident a une densité de puissance / comprise dans une gamme, de préférence de 1 mW.cm"2 à 100 W.cm"2.
Préférentiellement, le matériau du substrat est choisi parmi du papier, du carton, du plastique, un métal, tel que l'aluminium, le cuivre, ou un alliage de métaux, ou une céramique, par exemple de l'alumine (Al203).
Selon un aspect de l'invention, ladite au moins une couche intermédiaire comprend une couche de contraste d'indice dans le visible formée d'un matériau ayant un coefficient d'absorption faible dans le domaine spectral du visible, ladite couche de contraste d'indice étant de préférence une couche chargée en dioxyde de titane (Ti02).
Selon un autre aspect de l'invention, ladite au moins une couche intermédiaire comprend une couche absorbante dans l'infrarouge, ladite couche absorbante dans l'infrarouge ayant un coefficient d'absorption supérieur à 20% dans au moins une partie du domaine de longueur d'onde compris entre 1 et 20 microns, ladite couche absorbante dans l'infrarouge étant de préférence chargée en noir de carbone.
De façon particulièrement avantageuse, le système de visualisation comprend une première zone adaptée pour absorber un premier rayonnement infrarouge ayant une densité de puissance comprise dans une première gamme de densité de puissance, de préférence comprise entre 5 W/cm2 et environ 100 W/cm2, le système de visualisation étant adapté pour transformer, par conduction thermique, une augmentation de température induite par absorption du premier rayonnement infrarouge en une augmentation locale de température dT1 supérieure à un seuil de commutation thermochromique dans une première région de la couche solide thermosensible de pigments thermochromes, de manière à induire une commutation de la couche de pigments thermochromes qui produit un changement de la couleur apparente de la couche de pigments thermochromes lorsque le premier rayonnement infrarouge a une densité de puissance comprise dans la première gamme de densité de puissance. Le système de visualisation comprend une deuxième zone adaptée pour absorber un deuxième rayonnement infrarouge ayant une densité de puissance comprise dans une deuxième gamme de densité de puissance, de préférence comprise entre 1 mW/cm2 et 5 W/cm2, et le système de visualisation est adapté pour transformer, par conduction thermique, une augmentation de température induite par absorption du deuxième rayonnement infrarouge dans l'empilement en une augmentation locale de température dT2 supérieure à un seuil de commutation thermochromique sur une deuxième région de la au moins une couche solide thermosensible de pigments thermochromes, de manière à induire une commutation de la au moins une couche de pigments thermochromes qui produit un autre changement de la couleur apparente de la au moins une couche solide thermosensible de pigments thermochromes lorsque le deuxième rayonnement infrarouge a une densité de puissance comprise dans la deuxième gamme de densité de puissance.
Selon un mode de réalisation préféré, la couche solide thermosensible comporte au moins un pigment thermochrome, à transition de spin ou non, à l'exclusion des cristaux liquides.
Selon un autre mode de réalisation préféré, la couche solide thermosensible comporte au moins un pigment thermochrome choisi parmi des leuco-colorants.
Dans une variante, la couche solide thermosensible comporte un mélange d'au moins deux pigments thermochromes ayant des seuils de transition en température différents.
Selon un aspect d'un mode de réalisation, la couche de pigments thermochromes comporte des nanoparticules et/ou microparticules de pigments thermochromes dans une matrice polymère absorbante de préférence dans le domaine infrarouge compris entre 1 et 20 microns.
Selon un aspect particulier et avantageux de l'invention, le substrat a une première face et une deuxième face opposée à la première face, la deuxième face du substrat comprenant au moins une zone d'exposition ayant une surface nue adaptée à recevoir ledit rayonnement électromagnétique infrarouge incident pour un fonctionnement en transmission, et la première face étant adaptée à recevoir ledit rayonnement électromagnétique infrarouge incident pour un fonctionnement en réflexion.
L'invention concerne aussi un procédé de visualisation du rayonnement électromagnétique infrarouge émis par une source, comprenant l'exposition à un rayonnement infrarouge ayant une densité de puissance supérieure ou égale à un seuil de densité de puissance, d'au moins une zone d'un système de visualisation selon l'un des modes de réalisation, de manière à induire par absorption dans l'empilement puis par conduction thermique une augmentation locale de la température dans la couche de pigments thermochromes supérieure à un seuil de transition TH, adaptée pour induire un changement de couleur apparente d'une région de la couche solide thermosensible de pigments thermochromes.
L'invention trouvera une application particulièrement avantageuse dans les cartes de détection et/ou de visualisation de la distribution spatiale de la densité de puissance de rayonnements électromagnétiques infrarouges.
La présente invention concerne également les caractéristiques qui ressortiront au cours de la description qui va suivre et qui devront être considérées isolément ou selon toutes leurs combinaisons techniquement possibles.
Cette description donnée à titre d'exemple non limitatif fera mieux comprendre comment l'invention peut être réalisée en référence aux dessins annexés sur lesquels : - les figures 1 -4 représentent différentes étapes de fabrication d'un système de visualisation de rayonnement infrarouge selon un premier mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 5 illustre un exemple de système de visualisation de rayonnement infrarouge, vu du côté de la face portant la couche à pigments thermochromes ;
- la figure 6 illustre l'exemple de système de visualisation de rayonnement infrarouge de la figure 5, vu du côté opposé à la couche à pigments thermochromes ;
- les figures 7-10 illustrent différentes étapes de fabrication d'un système de visualisation selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ;
- les figures 1 1 et 12 illustrent un autre exemple de système de visualisation à deux zones de sensibilité différentes en longueur d'onde et/ou en densité de puissance selon le deuxième mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 13 illustre différentes couleurs associées à différentes plages de températures pour un mélange de pigments thermochromes ;
- la figure 14 illustre un exemple de la visualisation de la distribution spatiale de la densité de puissance d'un rayonnement électromagnétique infrarouge à partir d'un mélange de pigments thermochromes ;
- les figures 15A-15B illustrent un exemple de réalisation d'une carte de visualisation infrarouge ;
- les figures 16A-16D illustre un autre exemple de réalisation d'une carte de visualisation infrarouge fonctionnant en réflexion et en transmission.
Description détaillée
L'invention repose sur l'interaction entre un rayonnement électromagnétique infrarouge, et un système de visualisation comprenant une couche solide thermosensible, la couche thermosensible comportant un matériau thermochrome, ou pigment thermochrome.
Les pigments thermochromes ont la capacité de changer de couleur apparente dans le visible en fonction d'un changement de température, chauffage ou refroidissement. Ce changement de couleur peut être lié à un changement de forme d'une molécule, par exemple dans le cas d'un leuco-colorant (ou leuco dye), à un changement de phase. Ainsi, à 68° C, le dioxyde de vanadium V02 présente une transition de phase, d'un état semi-conducteur, qui présente une structure monoclinique distordue, à un état métallique, qui présente une structure quadratique de type rutile. De même, le semi-conducteur BiV04, matériau à transfert de charge qui est jaune à température ambiante, présente un aspect rouge à 300 ° C. Enfin, ce changement de couleur peut être lié à une transition de spin, dans le cas d'un matériau à transition de spin, tel que décrit par exemple dans les documents FR2894581 et FR2963015. Un pigment thermochrome passe ainsi d'une première couleur, à basse température, à une deuxième couleur, lorsque la température augmente au dessus d'un seuil de transition en température TH. Pour certains matériaux, cette transition est irréversible, pour d'autres matériaux elle peut être réversible. Dans le cas où cette transition est réversible, lorsque la température passe en dessous d'un certain seuil de température TB, on observe un changement de couleur inverse. Selon la nature physico-chimique du matériau thermochrome, la plage de transition en température pour commuter d'un état à l'autre état peut s'étaler sur quelques degrés à plusieurs dizaines de degrés. En outre, de nombreux matériaux thermochromes présentent une boucle d'hystérésis thermique.
Les matériaux thermochromes peuvent aussi présenter un effet de photocommutation sous un rayonnement infrarouge de longueur d'onde précise.
En particulier, on connaît du document FR2963015, des composés thermochromes, de type à transition de spin, sous forme de poudre ou insérés dans une matrice polymère, qui permettent de visualiser un faisceau laser à une longueur d'onde de 10,6 microns ayant une densité de puissance comprise entre 1 mW/cm2 et 1 W/cm2.
Cependant, les matériaux thermochromes ne présentent pas d'effet de photocommutation sur une large bande spectrale infrarouge, s'étendant par exemple de 1 à 20 microns. D'autre part, les matériaux à transition de spin présentent une faible sensibilité.
Dans le domaine des composés thermochromes, les leuco-dyes offrent un changement de couleur abrupte dans un intervalle d'environ 1 .5°C aux environs de la température de transition TH qui ne peut, actuellement, pas être atteint avec les matériaux à transition de spin conventionnels.
Les leuco-dyes sont donc très réactifs au changement de température et permettent ainsi d'atteindre une forte sensibilité.
De manière plus générale, la photocommutation directe d'un matériau particulier, par exemple à transition de spin, lors de l'exposition de ce matériau à transition de spin à un faisceau infrarouge, présente une sensibilité limitée spectralement dans l'infrarouge, et ne permet pas de visualiser un faisceau infrarouge sur une large gamme spectrale, ni de visualiser le profil spatial de la densité de puissance d'un faisceau infrarouge.
Un matériau thermochrome pris isolément ne convient donc pas pour permettre de visualiser un faisceau infrarouge ayant une longueur d'onde quelconque dans la gamme comprise entre 1 et 20 microns.
Une constatation faisant partie de la présente invention est qu'un dispositif de l'art antérieur basé sur un matériau phosphorescent ou sur un matériau thermochrome particulier peut être adapté pour la détection d'un faisceau infrarouge dans une gamme spectrale relativement étroite et dans une gamme de densité de puissance réduite, mais ne convient pas pour la détection d'un rayonnement ayant une longueur d'onde quelconque dans une large gamme spectrale infrarouge, et ne permet pas de visualiser le profil spatial de la densité de puissance d'un faisceau infrarouge.
On propose un procédé et un système de détection et/ou de visualisation de la distribution spatiale de la densité de puissance d'un rayonnement infrarouge basé sur l'utilisation d'un système comprenant un substrat 1 , une couche solide 4 comportant des particules de pigment thermochrome dispersées en quantité contrôlée dans une matrice, et au moins une couche intermédiaire (2, 3) disposée entre le substrat et la couche solide 4.
La couche solide 4 comprenant un pigment thermochrome est dite thermosensible, c'est-à-dire qu'elle est sensible à une augmentation et/ou une baisse de température par rapport à au moins un seuil de transition TH. Toutefois, une couche thermochrome n'est pas nécessairement une couche thermiquement conductrice : la matrice dans laquelle sont insérés les pigments thermochromes peut être une matrice isolante thermiquement.
Le principe de fonctionnement du système de visualisation repose sur un échauffement local du système suite à une exposition à un rayonnement électromagnétique infrarouge.
Plus précisément, le rayonnement électromagnétique infrarouge est absorbé par le système de visualisation et transformé en une augmentation locale de température, qui induit un changement de couleur, de préférence réversible, du pigment thermochrome utilisé. Le pigment thermochrome change ainsi indirectement de couleur, sous irradiation d'un rayonnement infrarouge, lorsque la température du système augmente localement au-dessus d'un seuil de transition TH du pigment thermochrome. Lorsque le rayonnement est interrompu, l'absorption infrarouge dans le système de visualisation et échauffement induit cessent : le système revient à l'équilibre à la température ambiante, et le pigment thermochrome retrouve sa couleur initiale.
Ainsi, on propose un système de visualisation comprenant un empilement, l'empilement comprenant un substrat, une couche solide thermosensible de pigments thermochromes ayant au moins une température de transition prédéfinie (TH, TB), et au moins une couche intermédiaire, l'empilement du système de visualisation ayant un coefficient d'absorption prédéfini pour un rayonnement infrarouge sur tout un domaine de longueur d'onde compris entre 1 et 20 microns, de manière à ce que le système de visualisation absorbe le rayonnement infrarouge. D'autre part, l'empilement a une densité r et une capacité calorifique Cp qui produisent une augmentation locale de température dans l'empilement et permettent de transférer cette augmentation de température dans une région de la couche de pigments thermochromes, qui induit un changement de la couleur apparente de la couche thermosensible lorsque le rayonnement infrarouge a une densité de puissance comprise dans une gamme, de préférence de 1 mW.cm"2 à 100 W.cm-2. Le substrat utilisé dans le système de visualisation peut être de différents types.
Le substrat 1 est de préférence sous forme d'une plaque mince, de quelques dixièmes de millimètre à quelques millimètres d'épaisseur.
Par exemple, le substrat 1 peut être en papier, carton, bois, matière plastique, céramique, plaque métallique.
Dans une variante, le système de visualisation présente un seuil de sensibilité de préférence dans la gamme de densité de puissance comprise entre quelques mW.cm"2 à environ 10 W.cm"2, et on choisit un substrat qui présente une faible conductivité thermique, de préférence inférieure à 1 W.m"1.K"1 à température ambiante, tel que le papier, le bois, une matière plastique, tel que le PVC, de manière à limiter les déperditions caloriques du système de visualisation vers l'air ambiant. Par conséquent, un tel système de visualisation présente un temps de relaxation relativement long, de l'ordre de 5s à 10s. On note que le temps de relaxation, pour le retour du dispositif à la couleur d'origine, est fonction de la densité de puissance du rayonnement infrarouge.
Dans une autre variante, le système de visualisation présente un seuil de sensibilité de préférence dans la gamme de densité de puissance comprise entre 10 W.cm"2 à environ 100 W.cm"2 et on choisit un substrat qui présente une forte conductivité thermique, de préférence supérieure à 50 W.m"1.K"1 à température ambiante, tel qu'une plaque métallique ou une plaque céramique, par exemple de l'alumine. Un tel système de visualisation est plus résistant à une densité de puissance du rayonnement infrarouge élevée, et présente un temps de relaxation court, de l'ordre de 3s.
Le principe de détection du système de visualisation de l'invention est basé sur un changement de couleur d'au moins une partie des pigments thermochromes dispersés dans une matrice solide déposée en couche sur un substrat, le système comportant au moins une autre couche intermédiaire entre la couche thermosensible et le substrat.
Pour déterminer le seuil de détection des rayonnements électromagnétiques, il est nécessaire de prendre en compte différents paramètres physiques du système de visualisation complet.
La relation entre la modification de température et les paramètres physiques du système de visualisation est la suivante : r.Cp
où dT représente la modification de température par unité de temps, / la densité de puissance par unité de surface du rayonnement électromagnétique incident, a le coefficient d'absorption du système de visualisation, r la densité du système et Cp la capacité calorifique du système. Le coefficient d'absorption a du système de visualisation est en général fonction de la longueur d'onde. Ainsi, pour réduire le seuil de sensibilité et accroître l'augmentation de température induite dT pour une densité d'énergie par unité de surface fixée, il est préférable de sélectionner un système ayant un fort coefficient d'absorption a une faible densité r et/ou une faible capacité calorifique Cp.
Une fois les paramètres physiques du système sélectionnés, on choisit un pigment thermochrome ayant une température de transition supérieure à la température d'utilisation, par exemple de ± 5 ° C au-dessus de la température d'utilisation.
On observe que les pigments thermochromes ne sont pas utilisés ici pour absorber directement le rayonnement infrarouge mais comme indicateur d'une modification de température du système de visualisation. Les pigments thermochromes sont sélectionnés essentiellement en fonction de leur température de transition et de leur couleur apparente dans le visible. Les pigments thermochromes sont avantageusement dispersés dans une matrice liquide, qui est solidifiée après dépôt sur le substrat et la couche intermédiaire. La quantité de pigments dispersés dépend de la couleur initiale et du changement de couleur recherché. A titre d'exemple, la quantité de pigments dispersés est comprise entre 5 % et 20 % en poids du poids total dans une encre formant la couche solide thermosensible chargée en pigments thermochromes.
Selon un aspect avantageux, la ou les couches intermédiaires disposées entre le substrat et la couche thermosensible permettent, par réflexion ou transmission, de procurer un contraste visuel permettant à l'utilisateur de mieux visualiser un changement de couleur.
De manière complémentaire, la ou les couches intermédiaires peuvent aussi absorber une partie du rayonnement électromagnétique infrarouge.
Les figures 1 à 4 représentent différentes étapes de fabrication d'un système de visualisation de rayonnement infrarouge selon un premier mode de réalisation de l'invention, qui est compatible avec une densité de puissance de rayonnement électromagnétique élevée, de l'ordre de 10 W.cm"2 à environ 100 W.cm"2.
La figure 1 représente un substrat 1 . De façon avantageuse, le substrat 1 est un substrat ayant une bonne tenue mécanique aux températures élevées et une bonne conductivité thermique (supérieure à 50 W.m"1.K"1 à température ambiante). Par exemple, le substrat 1 est formé d'une plaque métallique ou d'une plaque céramique, telle que l'alumine. L'épaisseur du substrat est de préférence comprise entre quelques dixièmes de millimètre et quelques millimètres.
On dépose sur une première face du substrat, une couche 2, qui recouvre toute la surface de la première face. De façon avantageuse, la couche 2 est une couche absorbante dans l'infrarouge, par exemple composée de noir de carbone, qui est absorbant sur une gamme spectrale très étendue du visible à l'infrarouge. Par exemple, on utilise un vernis chargé en noir de carbone (Gamme UVISOFT) de la société VFP Ink Technologies.
La figure 2 représente le substrat 1 de la figure 1 , vu de la deuxième face, qui est opposée à la première face. Sur la figure 2, on a déposé une couche 12 qui permet de délimiter la zone d'exposition au rayonnement infrarouge en mode transmission. La zone d'exposition en mode transmission ne présente donc aucun dépôt et est indiquée par la surface nue 13 du substrat 1 , qui est opposé à la zone thermosensible 4.
Sur la figure 3, représente le substrat 1 de la figure 1 , vu de la première face. On a déposé une couche de contraste d'indice 3, de préférence en vernis blanc opaque, qui recouvre une partie de la couche absorbante 2. Dans un exemple de réalisation, la couche de contraste d'indice 3 est un vernis chargé en dioxyde de titane (TiO2) de la société VFP Ink Technologies (Gamme UVISOFT).
Sur la figure 4, on a déposé une couche thermosensible 4 comprenant des particules de pigments thermochromes dispersés dans une matrice. Par exemple, la couche thermosensible 4 est formée par dépôt d'un vernis incolore de la société VFP Ink Technologies (Gamme UVISOFT) chargé en pigments thermochromes. La couleur du vernis peut être par exemple orange ou violette à l'état initial en dessous du seuil de transition TH.
Dans un mode de réalisation particulier, la matrice de la couche thermosensible 4 est un vernis polymérisable sous irradiation à un rayonnement ultraviolet. On polymérise la couche thermosensible 4 chargé en pigments thermochromes de la même manière, par exposition à un rayonnement ultraviolet. Dans une variante, la couche thermosensible est formée d'un vernis incolore à base de solvants, qui est solidité par évaporation.
Selon un procédé particulier, les différentes couches 2, 12, 3 et 4 sont déposées par sérigraphie, en un ou plusieurs passages.
L'épaisseur de la couche absorbante 2, de la couche de contraste d'indice 3 et de la couche thermosensible 4 est de préférence comprise entre quelques dixièmes de microns et quelques centaines de microns.
La figure 5 représente un système de visualisation obtenu suivant le procédé détaillé en lien avec les figures 1 à 4, vu de la face portant la couche thermosensible 4. On a imprimé, par exemple par sérigraphie, à l'encre blanche sur la couche 2 des indications de fonctionnement du dispositif, telle que le domaine de longueur d'onde, ici par exemple de 6 à 20 microns. Dans un autre exemple, le domaine de longueur d'onde du système de visualisation s'étend de 1 ,5 à 5 microns.
Le système de visualisation 10 de la figure 5 fonctionne ainsi en réflexion. Un rayonnement infrarouge 20, de densité de puissance de 10 à 50 W/cm2, est incident sur la couche thermosensible 4. Lorsqu'un rayonnement infrarouge 20 est incident sur la couche 4 chargée en pigments thermochromes, le rayonnement infrarouge peut être absorbé par la matrice de la couche thermosensible et/ou par la couche de contraste d'indice 3 et/ou par la couche absorbante 2 et/ou par le substrat 1 . Le rayonnement infrarouge absorbé se transforme en augmentation locale de la température du système de visualisation 10. Cette augmentation de température induite par absorption du rayonnement infrarouge 20 dans l'empilement, est transférée par conduction thermique à la couche thermosensible 4. Lorsque l'augmentation de température de la couche thermosensible 4 est supérieure à la température de transition TH, elle induit une transition des pigments thermochromes, et donc un changement local de couleur apparente de la couche thermosensible dans le visible. Un observateur détecte ainsi un changement de couleur sur la face de la couche thermosensible directement exposée au rayonnement infrarouge 20.
La figure 6 représente le système de visualisation de la figure 5, vu de la face opposée à celle portant la couche 4 de pigments thermochromes.
Le système de visualisation 10 de la figure 6 fonctionne ainsi en transmission. Un faisceau infrarouge 21 , de forte densité de puissance, de 50 à 100 W/cm2, est incident sur la surface nue 13 du substrat 1 . Le rayonnement infrarouge peut être absorbé par le substrat 1 et/ou par les différentes couches situées sur la face face opposée c'est-à-dire par la couche absorbante 2 et/ou par la couche de contraste d'indice 3 et/ou par la matrice de la couche thermosensible 4. Le rayonnement infrarouge 21 ainsi absorbé induit une augmentation locale de la température dans l'empilement du système de visualisation 10. Cette augmentation de température induite dans l'empilement, est transférée par conduction thermique à la couche thermosensible 4. Lorsque l'augmentation de température de la couche thermosensible 4 est supérieure à la température de transition TH des pigments thermochromes, elle induit une transition des pigments thermochromes, et donc un changement local de couleur apparente de la couche thermosensible dans le visible. Un observateur détecte ainsi un changement de couleur sur la face opposée à la face exposée au rayonnement infrarouge 21 .
En transmission, la couche de pigments thermochromes n'est pas exposée directement au rayonnement électromagnétique. La résistance mécanique du substrat permet au système de supporter de fortes densités de puissance, par exemple de l'ordre de 100 W .cm"2. L'utilisation du système de visualisation en transmission permet d'éviter d'endommager la couche thermosensible 4 du fait d'une exposition directe à un rayonnement infrarouge 21 de forte densité de puissance.
La sensibilité en densité de puissance d'un même système de visualisation est différente selon qu'il est utilisé en mode réflexion (figure 5) ou en mode transmission (figure 6). Un seul système de visualisation tel que représenté sur les figures 5 et 6 présente ainsi deux gammes de fonctionnement complémentaires.
Un tel système de visualisation 10 permet de visualiser et de localiser simplement un rayonnement électromagnétique de faible et/ou de forte densité de puissance. Les figures 16A-16D, illustrent le fonctionnement d'un système de visualisation tel que décrit en lien avec les figures 5 et 6. Sur la figure 16A, on a représenté une carte de visualisation à température ambiante vue du côté de la couche thermosensible 4. La couche thermosensible 4 est déposée sous forme rectangulaire et apparaît grise à température ambiante. Sur la figure 16B, on a représenté la carte de visualisation de la figure 16A à une température supérieure à la température de transition de la couche thermosensible : les pigments thermochromes ont commuté, et la couche thermosensible apparaît uniformément verte. Sur la figure 16C, on a représenté la même carte de visualisation à température ambiante, exposée à un rayonnement infrarouge à une longueur d'onde de 10,6 microns, de densité de puissance de 20 W/cm2, en mode réflexion. On observe sur la figure 16C, au centre de la couche thermosensible, une tache plus claire 40, qui permet de visualiser et de localiser le rayonnement infrarouge. Sur la figure 16D, on a représenté la même carte de visualisation à température ambiante, exposée à un rayonnement infrarouge à une longueur d'onde de 10,6 microns, de densité de puissance de 60 W/cm2, en mode transmission. On observe sur la figure 16D, au centre de la couche thermosensible, une tache 41 centrale plus claire, qui permet de visualiser et de localiser le rayonnement infrarouge par transmission.
Les figures 7 à 10 représentent différentes étapes de fabrication d'un système de visualisation de rayonnement infrarouge selon un deuxième mode de réalisation de l'invention.
La figure 7 représente un substrat 1 , par exemple formé d'une carte blanche en PVC, par exemple laminée sans couche protectrice (ou overlay). On a déposé sur une première face du substrat 1 , une couche absorbante 2, qui recouvre toute la surface de la première face. De façon avantageuse, la couche 2 est composée de noir de carbone, qui est absorbant sur une gamme spectrale très étendue du visible à l'infrarouge. Par exemple, on utilise un vernis chargé en noir de carbone de la société VFP Ink Technologies (Gamme UVISOFT). On a déposé sur la couche 2, une couche de contraste 3 qui recouvre toute la surface de la couche 2. De façon avantageuse, la couche de contraste 3 est un vernis blanc opaque. Dans un exemple de réalisation, la couche de contraste 3 est une couche d'un vernis chargé en dioxyde de titane (TiO2) de la société VFP Ink Technologies (Gamme UVISOFT).
Sur la figure 8, on a déposé une première couche thermosensible 4 comprenant des particules de pigments thermochromes dispersés dans une matrice sur une région seulement de la surface de la couche de contraste 3. Par exemple, la première couche thermosensible 4 est formée par dépôt d'un vernis incolore (Gamme UVISOFT) de la société VFP Ink Technologies chargé en pigments thermochromes.
Sur la figure 9, on a déposé une autre couche thermosensible 5 comprenant des particules de pigments thermochromes dispersés dans une matrice sur autre une région de la surface de la couche de contraste 3, distincte de la région de la première couche thermosensible 4. Par exemple, la couche thermosensible 5 est formée par dépôt d'un vernis incolore (Gamme UVISOFT) de la société VFP Ink Technologies chargé en pigments thermochromes, d'une autre couleur, correspondant à une autre température de transition (TH) et donc à une sensibilité différente de celle de la première couche thermosensible 4.
Par exemple, à l'état en dessous de leur seuil de transition respectif, la couleur du vernis de la première couche thermosensible 4 peut par exemple être rose, et la couleur du vernis de l'autre couche thermosensible 5 violette ou noire.
Dans un mode de réalisation particulier, le vernis des couches thermosensibles 4 et 5 est un vernis polymérisable sous irradiation à un rayonnement ultraviolet. On polymérise la couche thermosensible 4 chargé en pigments thermochromes de la même manière, par exposition à un rayonnement ultraviolet. De façon avantageuse, la couche absorbante 2, la couche de contraste 3, ainsi que les couches thermosensibles 4 et 5 sont déposées par sérigraphie, en un ou plusieurs passages.
La figure 10 représente un système de visualisation obtenu suivant le procédé détaillé en lien avec les figures 7 à 9, vu de la face portant les couches thermosensibles 4 et 5. On a imprimé, par exemple par sérigraphie, à l'encre noire sur la couche de contraste 3 des indications de fonctionnement du dispositif, telles que le domaine de longueur d'onde, ici par exemple de 1 ,5 à 5 microns.
La figure 1 1 représente un autre exemple de procédé de fabrication, analogue au procédé illustré en lien avec les figures 7-8, et dans lequel on dépose d'autres couches thermosensibles 14, 15 juxtaposées sur une couche de contraste 3, elle- même déposée sur une couche absorbante 2 dans l'infrarouge, par exemple de noir de carbone, recouvrant le substrat 1 .
Sur la figure 12, est représenté un autre exemple de système de visualisation obtenu suivant le procédé détaillé en lien avec les figures 7, 8 et 1 1 , vu de la face portant les couches thermosensibles 14 et 15 chargées en pigments thermochromes. On a imprimé, par exemple par sérigraphie, à l'encre noire sur la couche de contraste 3, des indications de fonctionnement du dispositif, telles que le domaine de longueur d'onde, qui s'étend de 6 à 20 microns.
Les systèmes de visualisation illustrés sur les figures 10 et 12 fonctionnent par réflexion, le rayonnement infrarouge étant incident sur une des couches de pigments thermosensibles 4 ou 5 pour le dispositif de visualisation 30 de la figure 10, et respectivement sur une des couches de pigments thermosensibles 14 ou 15 pour le dispositif de visualisation 30 de la figure 12.
L'utilisation d'un système de visualisation 30 peut présenter deux plages de sensibilité différentes selon la densité de puissance du rayonnement électromagnétique à visualiser.
D'autre part, on peut utiliser deux systèmes de visualisation 30 ayant chacun des gammes de sensibilité en longueur d'onde spécifiques. De façon particulièrement avantageuse, on choisit un pigment thermochrome qui réagit à température ambiante, dont la température de transition TH, est de préférence située au dessus de la température ambiante, ce qui permet d'enregistrer une trace du rayonnement infrarouge de manière non permanente.
Alternativement, on peut aussi choisir un matériau dont la température ambiante est située à l'intérieur de la boucle d'hystérésis, ce qui permet de garder une trace du rayonnement infrarouge pendant le temps nécessaire à l'observation puis de l'effacer par chauffage ou refroidissement.
De façon préférée, on utilise un pigment thermochrome ayant une plage de transition la plus abrupte possible, c'est-à-dire que la transition de la totalité du pigment thermochrome s'étale sur une plage de transition étroite en température. Avantageusement, on utilise des leuco-dye qui présentent l'avantage d'avoir une boucle d'hystérésis sur une plage de 1 .5 à 2° C seuement.
Avantageusement, on choisit un pigment thermochrome ayant une température de transition de couleur de basse température à haute température, telle que cette température de transition est située dans une gamme comprise entre +5 degrés et +20 degrés au dessus de la température ambiante. Ainsi, le pigment thermochrome est peu sensible aux variations ambiantes de quelques degrés de température ambiante et ne commute pas spontanément.
Plus l'écart entre la température d'utilisation du système et la température de transition est grand, plus la densité de puissance nécessaire pour obtenir la commutation du pigment thermochrome est élevée et plus le seuil de sensibilité de la carte de visualisation est élevé.
On peut citer parmi les pigments thermochromes les composés à transition de spin décrits dans les documents de brevet FR2894581 et FR2917410 qui se présentent sous forme de particules micrométriques ou nanométriques. Ces composés présentent une variété de couleurs dans chaque état de spin en fonction de la composition, la concentration, la dimension et la forme des particules.
De façon avantageuse, on peut utiliser comme pigments thermochromes ceux commercialisés par les sociétés Naxagoras Technology, Paint With Pearl, Solar Color Dust ou encore ceux notamment sous forme de capsules thermochromiques de la société française Gem'lnnov. Les pigments thermochromes ont l'avantage d'être disponibles sur une large gamme de couleurs apparentes dans le visible.
De plus, les pigments thermochromes sont disponibles dans une très grande variété de couleurs et avec une grande gamme de température de transition, ce qui permet d'adapter la configuration d'un système de visualisation à différentes applications.
Plus précisément, la valeur du seuil de densité de puissance qui permet de commuter la couche thermosensible dépend notamment du coefficient d'absorption infrarouge de l'empilement et du spectre du rayonnement infrarouge. Dans un troisième mode de réalisation, on utilise une encre thermosensible comprenant un mélange de pigments thermochromes ayant différentes températures de commutation. Par exemple, on mélange un premier pigment thermochrome ayant une température de commutation TH égale à 30 °C avec un deuxième pigment thermochrome ayant une température de commutation TH égale à 42 °C, puis un troisième pigment thermochrome ayant une température de commutation TH égale à 60 ° C. On obtient ainsi une couche thermosensible ayant quatre couleurs apparentes indiquant respectivement quatre domaines de température : une première couleur en dessous de 30° C, une deuxième couleur entre 30°C et42° C, une troisième couleur entre 45 ° C et 60 °C et enfin une quatrième couleur au-dessus de 60 °C. La figure 13 illustre un exemple de mélange de trois pigments thermochromes associés à différentes couleurs apparentes en fonction des plages de température. Lorsque que la couche thermosensible du mélange de pigments est à une température inférieure à 30 ° C, sa couleur apparente 45 est bleue. Ensuite, brsque la même couche thermosensible est à une température comprise entre 30 °C et 42 ° C, sa couleur apparente 46 est bleu clair. Pour une température comprise entre 45 ° C et 60 °C, la couleur apparente 47 de la couche thermosensible devient verte. Enfin, pour une température supérieure à 60 ° C, la couleur apparente48 est blanche.
La figure 14 illustre l'exposition d'un système de visualisation selon le troisième mode de réalisation à un rayonnement infrarouge à une longueur d'onde de 10,6 microns de densité de puissance de 10 W/cm2. Le système de visualisation comprend un empilement formé d'un substrat, d'une couche intermédiaire et d'une couche thermosensible. La couche thermosensible 4 comporte ici un mélange de différents pigments thermochromes On observe, au centre de la couche thermosensible 4, une tache sur laquelle on peut distinguer les quatre couleurs : la couleur 48 blanche au centre, où la densité de puissance du rayonnement est la plus élevée, la couleur verte 47 sous forme d'un anneau entourant le centre, la couleur bleu clair 46 entourant l'anneau vert 47, et la couleur bleue 45 sur tout le reste de la surface de la couche thermosensible. Chaque couleur étant associée à un domaine de température. La couleur apparente de la couche thermosensible du mélange de pigments permet ainsi de déterminer la gamme de température. Après calibration, cette gamme de couleur peut être associée, pour une gamme de longueurs d'onde infrarouge déterminée, à différentes gammes de densité de puissance de rayonnement infrarouge.
Une couche thermosensible comportant un tel mélange de différents pigments thermochromes permet ainsi de visualiser la distribution spatiale de la densité de puissance d'un rayonnement électromagnétique.
Toutefois, la conductivité thermique du système peut induire une diffusion thermique dans le système, nuisible à la résolution spatiale du changement de couleur.
Dans une variante, on dépose le mélange de pigments thermochromes sous forme de plots sur un support peu absorbant et ayant une bonne conductivité thermique. Cette variante permet de visualiser la distribution spatiale d'intensité du rayonnement incident.
De façon avantageuse, le choix des pigments permet de sélectionner différentes gammes de température et différentes couleurs.
Le système de visualisation selon l'un ou l'autre des modes de réalisation de l'invention apporte une réponse simple et efficace au problème de visualisation d'un rayonnement invisible à l'œil nu.
La mise en œuvre d'un tel système de visualisation est extrêmement simple. Cette simplicité d'usage est particulièrement avantageuse par comparaison avec les systèmes électroniques de visualisation de rayonnements infrarouge existants.
On a ainsi fabriqué un dispositif de visualisation de rayonnement infrarouge fonctionnant de préférence entre 1 et 20 microns et avec une largeur spectrale s'étendant sur plusieurs microns. Par exemple, la bande spectrale du dispositif de visualisation s'étend de 1 .5 à 5 microns et/ou de 6 à 20 microns.
La durée de l'exposition nécessaire pour permettre de visualiser le rayonnement infrarouge dépend de nombreux paramètres, entre autres du coefficient d'absorption de l'empilement, du type de pigments thermochromes de la couche thermosensible. En pratique, le temps de réponse peut aller de quelques millisecondes à quelques dizaines de secondes.
Les figures 15A-15B représentent une carte de visualisation infrarouge, à température ambiante, respectivement en absence d'exposition à un rayonnement infrarouge, et suite à une exposition à un faisceau infrarouge ayant une longueur d'onde de 2 microns et une densité de puissance de 500 mW/cm2. Sur la figure 15A, la couche thermosensible est de couleur uniforme. Sur la figure 15B, la tache 42 plus claire au centre de la couche thermosensible 4, correspond à la zone d'exposition au rayonnement infrarouge.
Le système de visualisation subit une augmentation locale de température induite par absorption du rayonnement infrarouge, qui produit une transition des pigments thermochromes associé à un changement de couleur apparente de la couche thermosensible. En dehors de la zone de diffusion thermique, le reste de la surface de la carte de visualisation n'a pas subi d'augmentation de température suffisante pour induire une transition des pigments thermochromes et changer de couleur. La tache claire s'efface lentement si on bloque le rayonnement infrarouge et la carte reprend sa couleur uniforme.
L'invention permet de visualiser et de localiser un rayonnement dans le domaine des longueurs d'onde infrarouge.
Un exemple de dispositif de visualisation a été testé pour une densité de puissance de l'ordre de 500 mW/cm2 avec une source laser émettant en continu aux longueurs d'onde suivantes : 2 microns, 3 microns, et 4 microns, avec un temps d'exposition de quelques secondes en mode réflexion. Le rayonnement non polarisé émis par cette source est utilisé directement sans précautions particulières. Une même carte de visualisation permet de visualiser le rayonnement infrarouge aux différentes longueurs d'onde indiquées ci-dessus.
Un exemple de dispositif de visualisation fonctionnant en réflexion et en transmission a été testé avec une source laser C02 délivrant un rayonnement électromagnétique à la longueur d'onde de 10,6 microns. Pour cette application, on utilise un substrat conducteur thermique, de préférence un matériau céramique, tel que l'alumine (Al203). En mode réflexion, la carte de visualisation permet de visualiser un faisceau laser C02 ayant une densité de puissance de 20 W/cm2, avec un temps d'exposition de quelques secondes. En mode transmission, la même carte de visualisation permet de visualiser un faisceau laser C02 ayant une densité de puissance de 60 W/cm2, avec un temps d'exposition de quelques secondes, sans détérioration du système de visualisation. La taille apparente du spot sur la carte de visualisation dépend de la densité de puissance et du temps d'exposition au faisceau laser. Plus la densité de puissance et/ou le temps d'exposition augmente, plus la taille du spot est large. La taille du spot n'est pas représentative uniquement de la répartition spatiale du faisceau.
L'invention met à profit l'absorption du rayonnement infrarouge par un empilement de différents matériaux, et la conduction thermique de cet empilement vers une couche thermosensible, pour permettre de visualiser un rayonnement infrarouge, dans une gamme spectrale et dans une gamme de densité de puissance allant d'une densité de puissance faible jusqu'à une densité de puissance élevée.
L'invention apporte une réponse simple et efficace à un problème de visualisation d'un rayonnement infrarouge dans un domaine de fréquence invisible à l'œil nu.
L'invention permet de localiser un rayonnement infrarouge d'une source laser ou autre. L'invention permet aussi de caractériser la répartition spatiale d'un faisceau laser d'un rayonnement infrarouge. Par conséquent, l'invention facilite le réglage d'un montage optique infrarouge. L'invention permet d'étendre considérablement le domaine spectral de visualisation sur une large gamme spectrale dans l'infrarouge.
De façon avantageuse, les pigments thermochromes utilisables présentent une large gamme de couleurs de visualisation dans le visible. La mise en œuvre du dispositif et du procédé de visualisation de l'invention est peu onéreuse. De plus, l'invention est peu sensible aux variations de température ambiante ou d'éclairage ambiant.
L'utilisation de différents pigments thermochromes ayant différents seuils de transition en fonction de la densité de puissance du rayonnement infrarouge permet d'obtenir des dispositifs de visualisation ayant une sensibilité différente. Il est ainsi possible d'ajuster la sensibilité du dispositif et procédé de visualisation en fonction de la puissance du rayonnement infrarouge que l'on cherche à visualiser.

Claims

REVENDICATIONS Système de visualisation (10, 30) du rayonnement électromagnétique infrarouge émis par une source, le système de visualisation (10, 30) comprenant :
- un substrat (1 ),
- au moins une couche solide thermosensible (4) comprenant des pigments thermochromes dispersés dans une matrice solide, les pigments thermochromes ayant au moins une température de transition 0"H, Tb), ladite au moins une température de transition (TH, TB) étant associée à un changement de couleur apparente desdits pigments thermochromes, et
- au moins une couche intermédiaire (2, 3) disposée entre le substrat et la couche solide thermosensible (4) comprenant des pigments thermochromes, ladite au moins une couche intermédiaire (2, 3) étant thermiquement conductrice,
- dans lequel le substrat (1 ), ladite au moins une couche intermédiaire (2, 3) et la couche solide thermosensible (4) forment ensemble un empilement adapté pour absorber un rayonnement électromagnétique infrarouge et pour induire une augmentation locale de température dT et dans lequel ladite au moins une couche intermédiaire (2, 3) est adaptée pour transférer par conduction thermique ladite augmentation locale de température dT vers une région de la couche solide thermosensible (4), de manière à induire un changement local de la couleur apparente de la couche solide thermosensible (4) de pigments thermochromes.
2. Système de visualisation (10, 30) selon la revendication 1 , dans lequel ledit empilement présente un coefficient d'absorption a dans une gamme de longueur d'onde infrarouge, une densité r et une capacité calorifique Cp, définissant un rapport : a supérieur à une valeur seuil sur ladite gamme de longueur d'onde infrarouge, ledit rapport étant adapté pour induire par absorption locale d'un rayonnement infrarouge incident ayant une longueur d'onde dans ladite gamme de longueur d'onde infrarouge et une densité de puissance /, une augmentation locale de température c/Tdans ledit empilement telle que : lorsque le rayonnement infrarouge incident a une densité de puissance / comprise dans une gamme, de préférence de 1 mW.cm"2 à 100 W.cm"2.
3. Système de visualisation (10, 30) selon l'une des revendications 1 à 2, dans lequel le matériau du substrat (1 ) est choisi parmi du papier, du carton, du plastique, du métal ou une céramique, de préférence de l'alumine.
4. Système de visualisation selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel ladite au moins une couche intermédiaire (2, 3) comprend une couche de contraste d'indice (3) dans le visible formée d'un matériau ayant un coefficient d'absorption faible dans le domaine spectral du visible, ladite couche de contraste d'indice (3) étant de préférence une couche chargée en dioxyde de titane.
5. Système de visualisation selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel ladite au moins une couche intermédiaire (2, 3) comprend une couche absorbante (2) dans l'infrarouge, ladite couche absorbante (2) dans l'infrarouge ayant un coefficient d'absorption supérieur à 20% dans au moins une partie du domaine de longueur d'onde compris entre 1 et 20 microns, ladite couche absorbante (2) dans l'infrarouge étant de préférence chargée en noir de carbone.
6. Système de visualisation selon l'une des revendications 1 à 5, le système de visualisation (10, 30) comprenant une première zone adaptée pour absorber un premier rayonnement infrarouge ayant une densité de puissance comprise dans une première gamme de densité de puissance, de préférence comprise entre 5 W/cm2 et environ 100 W/cm2, et le système de visualisation étant adapté pour transformer, par conduction thermique, une augmentation de température induite par absorption du premier rayonnement infrarouge en une augmentation locale de température dT1 supérieure à un seuil de commutation thermochromique dans une première région de la couche de pigments thermochromes, de manière à induire une commutation thermochromique de la couche de pigments thermochromes qui produit un changement de la couleur apparente de la couche solide thermosensible (4) de pigments thermochromes lorsque le premier rayonnement infrarouge a une densité de puissance comprise dans la première gamme de densité de puissance, et le système de visualisation comprenant une deuxième zone adaptée pour absorber un deuxième rayonnement infrarouge ayant une densité de puissance comprise dans une deuxième gamme de densité de puissance, de préférence comprise entre 1 mW/cm2 et 5 W/cm2, et le système de visualisation étant adapté pour transformer, par conduction thermique, une augmentation de température induite par absorption du deuxième rayonnement infrarouge dans l'empilement en une augmentation locale de température dT2 supérieure à un seuil de commutation thermochromique sur une deuxième région de la au moins une couche solide thermosensible (4) de pigments thermochromes, de manière à induire une commutation de la au moins une couche de pigments thermochromes qui produit un autre changement de la couleur apparente de la au moins une couche solide thermosensible (4) de pigments thermochromes lorsque le deuxième rayonnement infrarouge a une densité de puissance comprise dans la deuxième gamme de densité de puissance.
7. Système de visualisation selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel la couche solide thermosensible (4) comporte au moins un pigment thermochrome choisi parmi des leuco-colorants.
8. Système de visualisation selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel la couche solide thermosensible (4) comporte un mélange d'au moins deux pigments thermochromes ayant des seuils de transition en température différents.
9. Système de visualisation selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel le substrat (1 ) a une première face et une deuxième face opposée à la première face, la deuxième face du substrat comprenant au moins une zone d'exposition ayant une surface nue (13) adaptée à recevoir ledit rayonnement électromagnétique infrarouge incident pour un fonctionnement en transmission, et la première face étant adaptée à recevoir ledit rayonnement électromagnétique infrarouge incident pour un fonctionnement en réflexion.
10. Procédé de visualisation du rayonnement électromagnétique infrarouge émis par une source, comprenant :
- l'exposition à un rayonnement infrarouge ayant une densité de puissance supérieure ou égale à un seuil de densité de puissance, d'au moins une zone d'un système de visualisation selon l'une des revendications 1 à 9, de manière à induire par absorption dans l'empilement puis par conduction thermique une augmentation locale de la température dans la couche de pigments thermochromes supérieure à un seuil de transition TH, adaptée pour induire un changement de couleur apparente d'une région de la couche solide thermosensible (4) de pigments thermochromes.
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