FR2655163A1 - Dispositif de visualisation en faibles eclairements a couches de materiaux photo-electriques et electro-optiques. - Google Patents

Abstract

la présente invention présent un dispositif de visualisation comportant deux polariseurs (3,10), deux électrodes (5,8), un circuit d'alimentation électrique (11), comportant un matériau (6) dont l'activité optique dépend du champs électromagnétique qui lui est appliqué et un assemblage photo-sensible (7) arrangés de telle manière que l'intensité des rayons incident sur l'assemblage (7) influence la commande d'état de la couche (6) qui contrôle elle-même la transmittance de ces rayons. Le dispositif permet ainsi de réaliser un amplificateur ou un réducteur de contrastes et réagit aux faibles éclairements. Ce dispositif est destiné à s'adapter à tous systèmes optiques.

Description

La présente invention concerne un dispositif de visualisation de scènes contrastées ou faiblement éclairées pouvant s'insérer dans une lunette, une caméra, un appareil photographique, un microscope, un télescope. et plus généralement dans tous système optique.

Les systèmes de visualisation en faible éclairement actuels, de type å photocathode présentent un rapport signaîbruit très médiocre, sont très sensibles aux éblouissements a cause de leur haute tension de fonctionnement et leur contrôle automatique de gain. De plus ils ne permettent pas la visualisation en couleur et sont très onéreux
Les caméras de type a dispositif de transfert de charges ou a tube cathodique, présentent un encombrement important, ne sont pas assez sensibles et pas assez tolérantes aux contrastes et aux éblouissements.

Les caméras a tube cathodique bien que plus sensibles, ne restituent pas correctement les forts contrastes et peuvent être endommager par les lumières vives.

L'invention propose de remédier à ces inconvénients par l'utilisation d'un assemblage photosensible constitué soit d'une fine couche de matériau photoconducteur. soit d'au moins une photo-diode plane, placé avec un matériau å activité optique variable en fonction du champ électromagnétique qui lui est appliqué, ces deux matériaux étant placés entre deux électrodes transparentes et entre deux filtres polariseurs. L'ensemble est éclairé d'une part par un objectif focalisant une image surl'assemblage photo-sensible. Pourlavisualisation en faible éclairement une source de lumière interne au dispositif permet éventuellement de regarder l'image formée sur le matériau optique.

La luminosité de chaque point de l'image formée sur l'assemblage photosensible influence la conductivité du point de cet assemblage qui le reçoit Cette conductivité contrôle la transmission au point en vis4-vis du matériau å activité optique variable, du champ électro-magnétique généré entre les électrodes. Enfin, la variation de l'activité optique en ce point influence la transmission des rayons le traversant c'est a dire des rayons éclairant le point de l'image considérée. Ainsi la tranmittance du dispositif pour chaque point de l'image est fonction de la luminosité incidente en ce point
Dans un premier mode de réalisation l'assemblage photo-sensible est constitué d'une ou deux couche de matériau photo-conducteur.

Dans un deuxième mode de réalisation, le dispositif comporte deux photodiodes planes entourant un matériau a activité optique variable en fonction du champs électromagnétique qui lui est appliqué.

II est a noter que d'autres modes de réalisation sans polariseurs sont conformes å l'esprit de l'invention, par l'utilisation d'un matériau électrosptique électro-chroique ou å cristaux liquides nommés NCAP,.ou PDLC, dont les molécules sont sphériques et diffusent ou non les rayons lumineux selon la tension qui leur est appliquée.

Selon certains modes de réalisation, un miroir peut séparer le matériau photoconducteur du matériau optique, la source lumineuse interne se trouvant alors du coté du matériau électro-optique.

Selon d'autres modes de réalisation, le spectre de longueurs d'onde de la lumière faisant réagir le matériau photo-conducteur est disjoint de celui de la lumière éclairant le matériau optique, un ou des filtre optique étant éventuellement incorporé au dispositif à cet effet
Le dispositif est donc caractérisé en ce qu'il comporte une couche de matériau photo-conducteur ou un assemblage photo-sensible et une couche de matériau à caractéristique optique variable en fonction du charnps électromagnétique qui lui est appliqué, lesdites couches de matériau se trouvant entre deux électrodes, un objectif formant une image sur la couche de matériau photo-conducteur et optionellement une source lumineuse éclairant le matériau électro-optique sans faire varier sa transparence.

La description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés dans un but explicatif et nullement limitatif permet de mieux comprendre les avantages, buts et caractéristiques de l'invention.

Pour une raison de clareté, le matériau à caractéristiques optiques variables en fonction du champ électromagnétique qui l'entoure est dans la description, principalement un cristal liquide nématique. Le remplacement de ce matériau par un autre reste conforme à l'esprit de l'invention et nécessite des modifications connues de l'homme de l'art La figure 1 1 représente en coupe un premier mode de réalisation du dispositif a fine couche de photo-conducteur.

La figure 2 représente un deuxième mode de réalisation du dispositif à photodiodes.

La figure 3 représente un mode de réalisation du dispositif selon la forme présentée en figure 1 incorporée dans un système de visualisation en faible éclairement
La figure 4 représente en coupe un mode de réalisation du dispositif selon la forme présenté en figure 2 incorporé dans un système de visualisation en faible éclairement et comportant un miroir.

Lafiure 5 représente une partie d'un troisième mode de réalisation du dispositif comportant une couche de céramique PLUT.

La figure 6 représente une partie d'un quatrième mode de réalisation å photoconducteur surfacique.

La figure7 représente une vue en coupe d'une partie du dispositif selon un quatrième mode de réalisation å séparation spectrale.

Dans la figure 1 sont représentés, successivement sur un axe optique A, un polariseur 3, un substrat en verre 4 portant une électrode plane 5, une couche 7 de matériau photo-conducteur, une couche d'orientation 3O, un cristal liquide 6, une deuxième couche d'orientation 31, une électrode 8 portée par un substrat en verre 9 et un polariseur 10. En dehors de l'axe optique A se trouve un circuit d'alimentation électrique 1 t relié électriquement aux électrodes 5 et 8. La couche de cristal liquide 6 contient des espaceurs 32.

Tous ces éléments sont de type connu. En particulier, les polariseurs 3 et 10, les substrats de verre 4 et 9, les électrodes 5 et 8 les couches d'orientations 30 et 31, les espaceurs 32 et le cristal liquide 6 forment un écran a cristaux liquide nématique a une seule zone, communément appelé obturateur å cristaux liquides. Les couches d'orientations 30 et 31 sont orientées perpendiculairement entre elles. Les polariseurs 3 et 10 ont des axes de polarisation parallèles, représentés par des flèches perpendiculaires à l'axe optique A La cellule a cristaux liquide ainsi constituée est donc négative, c'est à dire qu'en l'absence de tension entre les électrodes 5 et 8, la transmittance, ici la transparence, est faible.

La fine couche de matériau photoconducteur 7 peut etre réalisée à partir de techniques connues. par exemple par dépôt sous vide. par électrodéposition chimique, par une technique de solution en gel par épitaxie, par dopage de l'électrode 5, par combinaison de corps ou de composés chimiques.

La tension fixée par le circuit 11 entre les électrodes 5 et 8 est de même ordre que la somme de la tension de commande maximale du cristal liquide et des barrière de potentiel éventuelle crées entre la couche 7 et l'électrode 5, d'une part et la couche d'orientation 30. La couche de photo-conducteur 7 possède une résistivité supérieure a celle du cristal liquide pour les faibles intensités lumineuses incidentes, telles que représentées par une flêche unique sur la gauche de la figure 1 et inférieure pour les fortes intensités lumineuses incidentes telles que représentées par trois flèches sur la partie droite de la figure 1.

La résistivité en chaque point de la couche 7 de photoconducteur est fonction de l'éclairement incident Pour les éclairements faibles, la résistivité est élevée et la tension appliquée au cristal liquide 6 qui se trouve électriquement en série par rapport à la couche 7 de photo-conducteur est faible. Les molécules du cristal liquide restent donc en hélice et la polarisation des rayonbs lumineux tourne de 90' en traversant le cristal liquide. Les polariseurs 3 et 1D étant parallèles, ces rayons sont faiblement transmis.

Pour les éclairement forts, au contraire, la résistivité ponctuelle de la couche 7 photoconductrice devient faible et la tension appliquée au cristal liquide est élevée ce qui a pour effet d'orienté les molécules de ce cristal liquide parallèlement Les rayons lumineux traversant cette zone exitée du cristal liquide ont une polarisation inchangée et traversent donc le polariseur 10.

On comprend alors comment se forme un champ de tranparence ponctuelle du cristal liquide correspondant en positif. c'est à dire de manière croissante, au champ d'intensités lumineuses ponctuelles traversant la couche photo-conductrice 7.

Il est à noter que le changement de position des polariseurs 3 ettou 10 qui les rend croisés permet de crée un champ de transparence ponctuelle correspondant en négatif, c'est à dire de manière décroissante au champ d'intensités lumineuses ponctuelles traversant la couche photo-conductrice 7.

Le champs électromagnétique en chaque point du cristal liquide 6 qui influence son activité optique ou sa biréfringence est donc fonction de l'éclairement ponctuel du point de la couche 7 photo-conductrice qui est en regard de ce point du cristal liquide.

Les polariseurs 3 et 10 permettent alors de visualiser cette activité optique ponctuelle et de voir une image correspondant à l'image formée sur la couche 7.

Le circuit électrique 1 1 génère un tension alternative et préférentiellement contrôle que la moyenne du transfert de charges électrique d'une électrode vers l'autre est pratiquement nulle, de telle manière que le cristal liquide 6 ne subisse pas d'électrolyse.

Le dispositif selon ce premier mode de réalisation permet donc de réaliser un amplificateur ou un réducteur de contrastes, en trasmettant de manière croissante, polariseurs parallèles. ou décroissante, polariseurs croisés, respectivement les rayonnements incidents.

Il est à noter que le cristal liquide peut être nématique, ssmétique, cholestérique, ferroélectrique ou être remplacer par d'autres composés à activité optique variable en fonction du champs électro-magnétique qui leur est appliqué, tels que les composés constituant les MOD ou magnéto-optic device, les écrans à céramique PLZT ou tout autre type permettant d'atteindre le même résultat.

II est enfin a noter que deux couches photo-conductrices peuvent être associées chacune a une électrode pour bénéficier, par exemple de la différence de leurs domaines spectraux respectifs, ou de la symétrie ainsi crée.

Dans la figure 2 est représentée un dispositif selon un autre mode de réalisation du dispositif Dans cette figure, on retrouve sur l'axe optique A, un polariseur 3, un substrat 4 portant une électrode plane 5, un cristal liquide 6. une électrode plane 8 portée par un substrat 9 et un polariseur 10. En dehors de l'axe optique A se trouvent un circuit d'alimentation électrique 11.

Entre chacune des électrodes 5 et 8 et le cristal liquide 6 se trouvent deux couches formant une photodiode. On trouve donc une couche dopée en charges électrique positive, respectivement 18 et 21, et une couche dopée en charges électriques négatives, respectivement 19 et 20 entre les électrodes, respectivement 5 et 8, et le cristal liquide 6. Il est à noter que la disposition inverse, à couches dopées positivement le et 21 contre le cristal liquide est aussi conforme à l'invention. Les photodiodes ainsi formées sont opposées puisqu'elles sont passantes chacune dans un sens de courant allant d'une électrode vers l'autre.

L'alimentation électrique 11 alimente les composants du dispositif de la même manière que présentée en regard de la figure 1 et le même résultat est obtenu mais avec des temps de réponse plus faible. Ce mode de réalisation est particulièrement adapté à la prise de vues rapide et å l'utilisation de cristaux liquides rapides, ferroélectriques, par exemple.

La compréhension de ce mode de réalisation et de sa fabrication est aisée et n'est pas plus détaillée ici. La fabrication de telles photo-diodes relève de techniques connues, en particulier par épitaxie et dopage.

II est cependant notable qu'une seule photo-diode peut suffire au bon fonctionnement du dispositif. I'alimentation électrique 11 contrôlant alors que la moyenne du transfert de charges électrique d'une électrode vers l'autre est nulle.

Dans un but explicatif, les polariseurs 3 et 10 sont ici croisés, ce qui correspond, comme décrit en regard de la figure 1 à réduction de contrastes entre les intensités lumineuses des rayons incidents. Le positionnement de polariseurs 3 et 10 de manière parallèle, ce qui correspond å une amplification des contrastes entre les intensités lumineuses des rayons incidents reste conforme å l'invention.

Dans la figure 3 sont représentés, sur un axe optique A un objet optique 0, un objectif 1, un miroir incliné partiellement réfléchissant 2, un polariseur 3, un substrat en verre 4 portant une électrode plane 5, un cristal liquide 6 dans lequei se forme une image I de l'objet O, cette image I étant formée par l'objectif 1. une couche de matériau photoconducteur 7, une électrode 8 portée par un substrat en verre 9 et un polariseur 10.

En dehors de l'axe optique A se trouve un circuit d'alimentation électrique 11 relié d'une part aux électrodes 5 et 8 et d'autre part å une source lumineuse 12 qui se trouve sur l'axe optique A', réflexion de l'axe optique A par le miroir partiellement réfléchissant 2.

Tous ces éléments sont de type connu. En partculier, les polariseurs 3 et 10, les substrats de verre 4 et 9, les électrodes 5 et 8 et le cristal liquide 6 forment un écran a cristaux liquide å une seule zone, communément appelé obturateur å cristaux liquides.

L'épaisseur de la couche photo-conductrice 7 est adaptée a ce que la durée de vie des porteurs de charges électriques soit inférieur à la moitié de la durée de persistance rétinienne soit environ une durée de vie de un cinquantième de seconde.

Pour ce faire, le photoconducteur peut etre dopé en absorbeur de charges électriques.

On peut cité, par exemple, le CdSe 35, c'est a dire le séléniure de cadmnium actif d'une épaisseur égale å celle utilisée pour la réalisation des photorésistances. D'autres matériaux composant communément des photorésistances ou d'autres matériaux photoconducteurs peuvent aussi être utilisés conformément à l'esprit de l'invention.

La source lumineuse 12 est adaptée à émettre un rayonnement visible.

Préférentiellement cette source lumineuse 12 est associée à un réflecteur evou a une lentille convergente de manière a focaliser son flux lumineuxvers le cristal liquide 6.

Cette source lumineuse a un temps de réponse très faible, inférieur à moitié de la durée de la persistance rétinienne. Préférentiellement cette source lumineuse 12 est comporte un dispositif a semai conduteur ou un dispositif à décharge électrique.

Enfin. le circuit d'alimentation électrique 11 est adapte å alimenter alternativement la source lumineuse 12 et les électrodes 5 et 8 de telle manière que la source lumineuse 12 génère un flux lumineux dirigé vers le cristal liquide 6 quand celui-ci ne subit aucun champ électromagnétique. Ainsi. la lumière provenant de la source lumineuse 12 provoque une diminution de la résistivité de la couche de photoconducteur 7, par augmentation du nombre de porteur de charges électrique dans cette couche 7, ces charges électriques disparaissant avant qu'un champs électromagnétique n'influence le cristal liquide 6.

Pendant l'extinction de la source lumineuse 12, la résistivité en chaque point de la couche 7 de photoconducteur est fonction de l'éclairement provenant de l'objectif 1.

Le champs électromagnétique en chaque point du cristal liquide qui influence son activité optique ou sa biréfringence est donc fonction de l'éclairement ponctuel du point de la couche photo-conductrice qui est en regard de ce point du cristal liquide.

Préférentiellement un temps d'extinction des deux boucles électriques separe le moment d'extinction de la source lumineuse 12 du moment d'alimentation des électrodes 5 et 8.

Les polariseurs 3 et 10 permettent alors de visualiser cette activité optique ponctuelle et de voir une image correspondant a I'image I formée par l'objectif 1.

Lafigure 4 représente en coupe un autre mode de réalisation du dispositif selon l'invention. On y retrouve les éléments présentés en regard de la figure 3 auxquels s'ajoutent un miroir non conducteur 13 placé entre la couche photo-conductrice 7 et le cristal liquide 6. Il est R noter que dans 6e mode de réalisation, la source lumineuse 12 et le miroir partiellement réfléchissant 2se trouve optiquement derrière les autres composants optiques.

Selon ce mode de réalisation, I'alimentation électrique des électrodes 5 et 8 et de la source lumineuse 12 est permanente. Le miroir 13 est placé de telle manière qu'il réflechit les rayons lumineux provenant de la source lumineuse 12. Ainsi la couche photo-conductrice 7 n'est pas influencée par le rayonnement provenant de la source lumineuse 12.

Dans la figure 5 est représentée une partie du dispositif selon un autre mode de réalisation pouvant remplacer une partie du dispositif selon l'un des deux premiers modes de réalisation.

On trouve dans la figure 5, un polariseur 3, un couche de céramique PLZT portant deux réseaux d'électrodes 14 entourée d'un réseau de rangées photoconductrices 15. Selon ce mode de réalisation, le champ électromagnétique latéral sur la céramique PLZT dépend de la résistance entre deux électrodes, donc de l'éclairement incident sur les rangées photoconductrices 15.

On comprend aisément que cet assemblage peut remplacer les substrats de verre 4 et 9. les électrodes planes 5 et 8 et le cristal liquide 6 présentés dans les deux premiers mode de réalisation en regard des figures t et 2.

La figure 6 représente une partie d'un dispositif selon un quatrième mode de réalisation caractérisé par un photoconducteur dont la résistivité surfacique varie.

Dans la figure 6 sont représentés deux substrats en verre 4 et 9, deux réseaux d'électrodes 16 et 17, une couche de cristal liquide 6 et une couche de matériau photoconducteur T placée entre le réseau d'électrode 16 et le cristal liquide 6. Le matériau photo-conducteur constituant la couche T a la particularité que sa résistivité surfacique varie en fonction de l'intensité lumineuse incidente, comme, par exemple, le sulfure de cadmnium. La distance latérale séparant les électrodes des réseaux 16 et 17 sont très supérieure a l'épaisseur de la couche de cristaux liquides 6.Ainsi, en face des électrodes du réseau 17, I'activité optique du cristal liquide 6 dépend de la tension entre deux électrodes du réseau 16, donc de la résistivité de la zone de la couche photoconductrice en regard de cette électrode, donc de l'éclairement incident sur cette zone. A nouveau, l'activité optique varie avec l'intensité lumineuse incidente, et ceci ponctuellement
On comprend aisément que les éléments présentés en regard de cette figure 6 sont adaptés à remplacer les substrats 4 et 9, les électrodes planes 5 et 8, le cristal liquide 6 et la couche photoconductrice 7 présentée en regard des figures 1 et 2, selon les deux premiers modes de réalisation.

La figure 7 représente un cinquième mode de réalisation du dispositif dans lequel le rayonnement issu de la source lumineuse interne au dispositif se trouve dans une gamme spectrale différente de celle de réponse de la couche photoconductrice.

On y retrouve donc les éléments présentés en regard de la figure 3. Ici, La couche photo-conductrice 7 est insensible au raayonnement visible et la source lumineuse 12 n'émet que dans le visible. L'alimentation électrique 11 alimente donc en petmanence les électrodes 5 et 8 et la source lumineuse 12.

On peut citer, par exemple, un photoconducteur comme le ZnS, ou sulfure de
Zinc, ou d'autres photoconducteurs dont la barrière de potentiel ou energy gap, est supérieure å 3 pour réaliser un dispositif selon le mode de réalisation présenté en regard de la figure 7. La source lumineuse 12 émet alors dans le visible à une longueur d'onde en dehors du domaine spectrale de réponse du photo-conducteur ou de la ou les photo-diodes.

II est à noter que dans tous les modes de réalisation présentés, les électrodes peuvent etre remplacés par des réseaux d'électrodes et que les zones photoconductrices des couches photo-conductrices peuvent être alternées avec des zones de forte résistivité pour améliorer le fonctionnement du dispositif.

De même, d'autres moyens d'éclairement de la couche à activité optique variable, préférentiellement constituée de cristal liquide, que le miroir partiellemeent réfléchissant 2 peuvent être utilisés. En particulier, des lentilles optiques, des diffuseurs, des verres dépolis peuvent être utilisés dans ce but selon des moyens connus.

Toute combinaison des modes de réalisation du dispositif restent conformes a l'esprit de l'invention. En particulier, I'utilisation d'un miroir intermédiaire 13 est possible selon tous les modes de réalisation du dispositif.

Toute utilisation de matériaux a caractéristique optique variable en fonction du champ électro-magnétique qui leur est appliqué à la place du cristal liquide 6 reste conforme a l'esprit de l'invention et ne nécessite que des adaptations connues.

L'asservissement en rotation d'un ou des deux axes de polarisation en entrée de la couche de matériau 6 etfou en entrée du polariseur 10, par le dispositif, au moyen de moteurs électriques ou d'un cristal liquide obturateur dépourvu de polariseur, tel que présenté dans le brevet PCT FR 87 00020 du 20 janvier 1 98F, placé entre le polariseur d'entrée 3 et la couche 6 permet d'asservir le choix entre l'amplification et l'atténuation des contrastes lumineux comme il a été expliqué en regard des figures 1 et 2.

Enfin, le circuit 1 1 d'alimentation électrique peut contrôler la tension entre les électrodes 5 et 8 le courant instantané entre ces bornes, et/ou la fréquence de variation de ces grandeurs de manière à contrôler la sensibilité du dispositif et à pouvoir la modifier selon les éclairements incidents sur l'assemblage photo-sensible.

Claims (10)

FSENDICATIONS

1) Dispositif de visualisation comportant des polariseurs (3,10), un circuit électrique (11) et des électrodes (5.8) caractérisé en ce qutil comporte entre lesdites électrodes un matériau (6) à activité optique variable en fonction du champ électro-magnétique qui lui est appliqué, et un assemblage photosensible (7,18,19,20.21) dont la courbe électrique caractéristique varie localement en fonction d'un rayonnement électromagnétique incident de telle manière que l'intensité du rayonnement incident local influence localement la transmission par l'assemblage ,18,19,20,21) au matériau (6) à activité optique variable. du champ électrique entre les électrodes (5,8).

2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'assemblage photosensible est constitué d'au moins une couche photo-conductrice (7) dont la résistance à l'obscurité est supérieure à celle de la couche de matériau (6).

3) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'assemblage photosensible est constitué d'au moins deux couches dopées (18.19,20,21) réalisant un photo-diode.

4) Dispositif selon l'une des revendications précédantes caractérisé en ce qu'il comporte une source lumineuse t adaptée à éclairer la couche de matériau (6) à activité optique variable de telle manière que son rayonnement n'influence pas l'action de l'assemblage photo-sensible (7,18,19,20,21) sur ladite couche (6).

5) Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce qu'un miroir non conducteur (13) sépare optiquement l'assemblage photo-sensible (7,18,1S,20,21) et la couche de matériau (6) à activité optique variable.

6) Dispositif selon la revendication 4 caractérisé an ce que la source d'alimentation électrique (11) alimente alternativement la source lumineuse (12) et les électrodes (5.8) et en ce que la somme des temps de réponse à l'extinction de la source lumineuse (12) et de l'assemblage photo-conducteur (7,18,19,20,21) soit inférieur à la durée de la persistence rétinienne.

7) Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce que le spectre de fréquence d'émission de la source lumineuse (12) et le spectre de sensibilité fréquenfiel de l'assemblage photo-sensible (7,18.19,20,21) sont dissociés.

8) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédantes caractérisé en ce que la source d'alimentation électrique est adaptée à contrôler que la moyenne du transfert de charges électrique d'une électrode (5.8) vers l'autre est faible ou nulle, de telle manière que la couche (8) de matériau à activité optique variable ne subit pas d'électrolyse.

9) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédantes caractérisé en ce que la variation de caractéristique électrique de l'assemblage photo-sensible (7,18,19,20,21) s'effectue surlaciquement et en ce que les électrodes constituent deux réseaux parallèles (18.17) dont les éléments sont alternés de telle manière qu'en visàvis de chaque élément de ces réseaux se trouve l'assemble photo-sensible (7.18,1 2O.21).

10) Dispositif selon l'un quelconque des revendications précédantes caractérisé en ce que la couche (6) de matériau à activité optique variable a une activité dépendant du champs électromagnétique latéral, en ce que les électrodes (5,8) constitue deux réseaux de rangées conductrices, les éléments de ces deux réseaux étant separés par une couche photoconductrice (7).