FR2842310A1

FR2842310A1 - Modulateur et filtre electro-optique

Info

Publication number: FR2842310A1
Application number: FR0208782A
Authority: FR
Inventors: Pascal Joffre
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-07-12
Filing date: 2002-07-12
Publication date: 2004-01-16
Anticipated expiration: 2022-07-12
Also published as: FR2842310B1

Abstract

L'invention concerne un modulateur/filtre électro-optique comportant une cellule électro-optique (1), au moins un premier dispositif de modulation spatiale du champ électrique (2) en contact avec un matériau électro-optique (14) de la cellule électro-optique. Cet ensemble est destiné à transmettre différents ordres de diffraction d'un faisceau lumineux. Des lentilles (4) associées permettent de focaliser la lumière transmise par la cellule et un dispositif de masquage (3) situé à proximité d'un plan de focalisation des lentilles permet de filtrer spatialement le diagramme de diffraction du faisceau transmis.Ce système est applicable en optique et optronique et particulièrement dans des applications de micro-lithographie et en visualisation.

Description

L'invention concerne un modulateur et filtre électro-optique et notamment

un modulateur à cristal liquide permettant de traiter la lumière à une ou des

longueurs d'onde particulières.

L'invention est applicable notamment dans le domaine de la modulation spatiale de la lumière en vue de visualiser une information ou traiter une surface d'un objet pour y imprimer ou y graver une information ou un motif (image) à l'aide d'un ou plusieurs faisceaux lumineux de longueurs d'ondes déterminées. L'invention est donc applicable dans le domaine de l'imprimerie, la photo-gravure, la photo-lithographie et la microlithographie, etc. Dans certaines applications, on utilise un modulateur spatial de lumière pour transférer un motif ou une information à la surface d'un objet. Pour cela on peut utiliser un masque ou un modulateur spatial reconfigurable contenant ou représentant le motif à transférer. Les modulateurs spatiaux électro-optiques constituent un outil souple pour de telles applications car ils permettent avec le même équipement de réaliser différents types de transferts d'informations. Les modulateurs électro-optiques les plus couramment utilisés dans la technique sont les modulateurs à cristaux

liquides ou à micro-miroirs (DMD).

Plus précisément, on pourra par exemple utiliser un cristal liquide du type nématique pour les raisons

expliquées ci-après.

Dans un cristal liquide nématique, les molécules de formes allongées sont parallèles entre elles et donnent ainsi au matériau, un axe privilégié qui se traduit par une anisotropie diélectrique très marquée. Une polarisation optique orientée selon cet axe voit un indice extraordinaire ne et lorsqu'elle est perpendiculaire, un indice ordinaire n0. Un champ électrique induit un moment dipolaire sur ces molécules et donc y exerce un couple de rotation proportionnel au carré du champ électrique. On parvient ainsi à les orienter sous l'action d'un champ obtenu avec une paire d'électrodes transparentes placées de part et d'autre du film de cristal liquide d'épaisseur d. Une fine couche d'alignement déposée sur ces électrodes impose une orientation déterminée aux molécules en l'absence de champ. La tension V appliquée aux électrodes crée un champ électrique V/d permettant de contrôler l'angle (0) entre les molécules de cristal liquide et le plan de la cellule. En première approximation, une polarisation optique voit un indice n(G) compris entre n0 et ne selon les relations ci-dessous: n(0) = n0 ne /( n02 cos2 9 + ne2 sin2 E)1, e = (n/2) /sin (V-Vs) n /2Vo si V > Vs 0 = O si V < Vs L'expression 6(V) ci-dessus traduit l'effet de seuil caractérisé par la tension VS en-dessous de laquelle les molécules restent dans leur état de repos. La saturation est obtenue pour une tension Vo (Vo " VS) lorsque la

quasi-totalité des molécules est alignée dans le champ.

Cet effet est connu sous le nom de "Biréfringence Electriquement Contrôlée" (BEC) et est utilisé pour réaliser des modulateurs d'amplitude. Une cellule à cristal liquide BEC est associée à un polariseur d'entrée, et un second polariseur de sortie orthogonal au premier, tous deux orientés à 450 des axes des molécules de cristal liquide. Si l'on utilise un faisceau non polarisé comme c'est le cas dans un projecteur vidéo, la transmission optique, pour V = 0, est maximale soit 50% en supposant les polariseurs et le cristal liquide parfaitement transparents. En effet, un polariseur ne fait que sélectionner la moitié de l'énergie lumineuse dont la polarisation correspond à son axe et absorbe ou réfléchit l'autre moitié. Une condition doit également être respectée qui consiste à former une lame biréfringente demi-onde à tension nulle: d = A / [2 (ne - no)], (2) L'épaisseur d de la cellule vaut typiquement 2pm pour une longueur d'onde A = 0,635pm et une variation d'indice ne - no = 0.15 En biréfringence nulle, pour V = Vo, la transmission est presque nulle, seulement limitée par le taux d'extinction des polariseurs et la qualité de l'alignement. Pour une tension V comprise entre 0 et Vo, la transmission T du modulateur vaut T= sin2( nd(n(O) - no)/ A) Une variante de cette structure très utilisée en pratique est la structure "Nématique Twistée" obtenue en tournant de 900 l'alignement entre les deux parois de la cellule. Les molécules de cristal liquide forment ainsi l'équivalent d'un empilement hélicodal de lames biréfringentes. Une telle structure, lorsque la polarisation incidente est parallèle à l'un des axes optiques d'entrée ou de sortie a la propriété de faire tourner cette polarisation de 90 . La tension appliquée V vient plus ou moins perturber cet arrangement jusqu'à restaurer une couche isotrope pour V≥Vo. Ces structures offrent un champ angulaire important et une plus grande facilité de réalisation mais présentent l'inconvénient

d'un temps de relaxation plus long.

Certains cristaux liquides peuvent exister sous forme ferroélectrique, c'est-à-dire présenter un moment dipolaire permanent. Il est alors possible de les commander de manière symétrique puisque la direction des molécules est liée au sens du champ électrique. Ces matériaux se mettent en oeuvre comme les nématiques à condition d'utiliser des épaisseurs très faibles (soit d inférieur à 2 pm). Une particularité importante est qu'ils n'ont que deux états stables donnant deux axes de biréfringence distincts et que leur modulation est binaire entre ces deux états. Un dispositif existant, décrit dans le document "Diffractive ferroelectric

liquid-crystal shutters for unpolarized light" de M.J.

O'CALLAGHAN et al. publié dans Optics Letters/Vol 16, nO /May 15. 1991, fonctionne à l'aide d'un tel cristal liquide ferroélectrique en mode de diffraction et permet de moduler un faisceau non polarisé. Son inconvénient est

qu'il ne permet pas une modulation analogique.

Les dispositifs modulateurs d'amplitude usuels utilisant des cristaux liquides nématiques ou ferroélectriques ont un inconvénient majeur. Ils nécessitent des polariseurs entraînant une perte d'au moins 50% d'un faisceau incident non polarisé. Cet inconvénient est lié à l'exploitation de l'effet de biréfringence qui fonctionne avec une polarisation bien définie. De plus, les polariseurs dichroques sous forme de film généralement utilisés présentent l'inconvénient de se détériorer sous l'effet de la chaleur photo-induite et leur utilisation est difficile voire impossible dans les applications nécessitant une intensité optique importante. La demande de brevet français n0 FR 2 679 048 prévoit de faire fonctionner un modulateur à cristal liquide nématique en y associant un réseau de diffraction tel que représenté en figures la et lb. II s'agit d'un support transparent Li recouvert d'une première couche ME conductrice et transparente puis d'une microstructure diélectrique RZ. Cette microstructure en relief constitue un réseau de phase monodimensionnel caractérisé dans ce document par un pas A de l'ordre de grandeur de la longueur d'onde de la lumière à traiter. Le diélectrique RZ est supposé parfaitement transparent d'indice no (ou ne) et est entouré d'un milieu cristal liquide d'indice plus élevé n(O). L'angle G est l'angle des molécules du cristal liquide par rapport au plan de l'électrode. Une telle structure assimilable à un réseau de diffraction actif, diffracte un faisceau lumineux qui la traverse dans un certain nombre d'ordres de diffraction faisant des angles aE n par rapport à la normale au réseau (a n = n X / A) avec une efficacité variant selon l'ordre de diffraction n. Un tel dispositif permet de moduler la polarisation

Pp parallèle aux traits du micro relief du réseau RZ.

L'alignement des molécules de cristal liquide est aisément obtenu dans cette direction par un moyen traditionnel de frottement mécanique des surfaces. En fonction de l'état du cristal liquide, de la tension appliquée ou non, et de la polarisation optique P considérée Pp parallèle aux traits du réseau RZ ou Ph perpendiculaire aux traits du réseau, différents cas de fonctionnement sont possibles. Par exemple, à tension appliquée nulle (V = 0 volt), la polarisation Pp voit l'indice extraordinaire ne dans le cristal liquide et l'indice no dans le diélectrique. Il y a donc diffraction et si l'épaisseur d du XL est convenablement ajustée, la transmission est minimum sur l'axe perpendiculaire au plan de la cellule. Dans le cas o la tension appliquée est maximale (V = Vo), l'indice vu par la polarisation Pp dans le cristal liquide est no comme dans le matériau du réseau RZ, il n'y a pas diffraction de la lumière. La

polarisation Ph quant à elle ne subit aucune diffraction.

Dans le cadre d'applications telle que la microlithographie o les faisceaux fournis par le modulateur doivent être focalisés avec précision sur la surface à traiter, un modulateur ainsi décrit n'est pas applicable tel quel. En effet, il convient de focaliser la lumière issue de chaque pixel du modulateur en ne laissant passer qu'un seul ordre de diffraction (l'ordre 0 par exemple) tout en éliminant les autres ordres de diffraction. Par ailleurs on a intérêt à avoir un

dispositif aussi compact et monolithique que possible.

L'invention concerne un moyen de réaliser une modulation d'amplitude à très haute résolution spatiale sans utiliser de polariseur et compatible avec une structure planaire, c'est à dire dont les dimensions latérales sont très supérieures à l'épaisseur (d'un facteur au moins 10). Un tel modulateur doit permettre également la fonction de filtre chromatique électrooptique. L'invention concerne donc un modulateur et filtre électrooptique comportant une cellule électrooptique qui contient un matériau électro-optique et destinée à être éclairée par une source lumineuse émettant un faisceau lumineux collimaté. Au moins un dispositif de modulation spatiale du champ électrique en contact avec le matériau électro-optique induit un effet de diffraction de la lumière. La cellule électro-optique est éclairée par le faisceau lumineux et est destinée à transmettre différents ordres de diffraction de la lumière du faisceau lumineux. De plus, une lentille au moins permet de focaliser la lumière transmise par la cellule et un dispositif de masquage associé à la lentille et situé à proximité d'un plan de focalisation de la lentille permet de filtrer spatialement le

diagramme de diffraction du faisceau transmis.

Le dispositif de modulation spatiale du champ électrique comporte une structure périodique de modulation dont le pas est sensiblement supérieur à la longueur d'onde dudit faisceau lumineux. Plus précisément, ce pas peut être compris entre trois fois et six fois la longueur d'onde dudit faisceau lumineux. De plus, ce pas peut être compris entre une fois et trois

fois l'épaisseur dudit matériau électro-optique.

Selon une forme de réalisation, la structure

périodique de modulation comporte des éléments en relief.

Dans ce cas, ces éléments en relief sont, avantageusement, en un matériau dont l'indice de réfraction se situe dans la plage de variation du cristal liquide dans l'un de ses états: excité électriquement, intermédiaire ou non excité. Ces éléments en relief peuvent être réalisés sous forme d'un arrangement

périodique de bandes linéaires ou de plots.

On peut prévoir un deuxième dispositif de modulation spatiale du champ électrique, similaire au premier,

également en contact avec le matériau électro-optique.

Les deux dispositifs de modulation sont alors situés de part et d'autre du matériau électro-optique tels que les éléments de l'un soient orthogonaux aux éléments de

l'autre pour traiter les deux polarisations Pp et Ph.

Selon un autre mode de réalisation, le dispositif de modulation spatiale du champ électrique comporte au moins un pixel réalisé sous la forme d'un réseau de microélectrodes de formes linéaires de pas Asimilaire au pas des microreliefs précédents. On peut prévoir que les différentes électrodes d'un pixel soient interconnectées

entre elles.

Par ailleurs, on prévoit un ensemble de lentilles de focalisation situé entre la cellule électro-optique et le dispositif de masquage, ledit dispositif de masquage

comportant un masque associé à chaque lentille.

Selon une forme de réalisation de l'invention, la cellule électro-optique comporte une pluralité de pixels et une lentille est associée à chaque pixel. L'ensemble de lentilles est situé selon un plan parallèle au plan de la cellule électro-optique et le dispositif de masquage est situé entre le plan des lentilles et les points de

focalisation des lentilles.

Selon un mode de réalisation de l'invention, l'ensemble de lentilles est recouvert d'une couche d'un matériau transparent, une surface plane de cette couche étant parallèle au plan des lentilles. Le dispositif de masquage est situé sur ladite surface plane, l'épaisseur de la couche de matériau transparent étant telle que le dispositif de masquage est localisé à proximité d'un plan

contenant les points de focalisation des lentilles.

On pourra prévoir que la cellule électro-optique est une cellule à cristal liquide nématique ou une cellule à

cristal liquide ferroélectrique.

Selon une autre variante de réalisation de l'invention, on prévoit que le dispositif de masquage comporte un modulateur spatial de lumière électrooptique. Dans cette variante de réalisation il peut être avantageux de prévoir que chaque lentille de l'ensemble de lentilles transmette au moins deux faisceaux de longueurs d'ondes différentes. Le modulateur spatial de lumière possède alors au moins deux pixels de modulation associés à chaque lentille pour pouvoir moduler séparément les deux faisceaux transmis par cette lentille. Plus précisément, le modulateur spatial de lumière peut comporter quatre fois au moins deux pixels disposés en croix, deux pixels destinés à recevoir la lumière polarisée selon une première direction de polarisation et diffractée dans le mode d'ordre +1 étant alignés selon une première direction avec deux pixels destinés à recevoir la lumière de cette première direction de polarisation mais diffractée dans le mode d'ordre -1. Deux pixels destinés à recevoir la lumière polarisée selon une deuxième direction de polarisation et diffractée dans le mode d'ordre +1 sont alors alignés selon une deuxième direction perpendiculaire à la première avec deux pixels destinés à recevoir la lumière de cette deuxième direction de polarisation mais

diffractée dans le mode d'ordre -1.

Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la

description qui va suivre faite à titre d'exemple non

limitatif et dans les figures annexées qui représentent: - les figures la et lb, un exemple de modulateur spatial électro-optique connu dans la technique; - la figure 2, un exemple de réalisation d'un modulateur et filtre électro-optique selon l'invention; - Les figure 3a et 3b, des variantes de réalisations du dispositif de la figure 2; - Les figures 4a à 4c, un exemple de dispositif selon l'invention permettant de fonctionner en trichrome; - Les figures 5a et 5b, des exemples d'électrodes permettant de réaliser une modulation spatiale de la tension et du champ électrique; - La figure 5c, un exemple de réalisation de l'invention mettant en òuvre des électrodes

telles que celles des figures 5a et 5b.

En se reportant à la figure 2, on va donc décrire un exemple de réalisation d'un modulateur électro-optique

selon l'invention.

Ce modulateur comporte une cellule électro-optique 1 qui est par exemple une cellule à cristal liquide. Cette cellule comporte deux lames transparentes 12 et 13 qui enserrent un matériau cristal liquide 14. La face 11 de la lame 13 qui est en contact avec le cristal liquide 14 comporte des électrodes 7 qui déterminent les pixels de la cellule 1. La face 10 de la lame 12 en contact avec le

cristal liquide 14 comporte un réseau de diffraction 2.

Ce réseau de diffraction comporte un ensemble d'éléments

en relief 20 dont la forme est de préférence linéaire.

Selon l'invention, le pas A de ces éléments est supérieur à la longueur d'onde A de la lumière traitée par le modulateur. A titre indicatif on pourra prévoir un pas A compris entre trois fois et six fois la longueur d'onde A de la lumière à traiter, par exemple de l'ordre de quatre fois la longueur d'onde A. La largeur de chaque élément est sensiblement la moitié du pas A. La hauteur h de chaque élément est de trois à six fois la longueur d'onde A. Par ailleurs on pourra prévoir avantageusement que la valeur du pas des éléments en relief 20 est comprise sensiblement entre une fois et trois fois la valeur de

l'épaisseur du cristal liquide 14.

Le matériau cristal liquide 14 est un matériau biréfringent. Ce peut être un cristal liquide nématique

ou ferroélectrique.

Le matériau des éléments 20 du réseau 2 présente un indice de réfraction dont la valeur est située dans la plage de variation de l'indice du cristal liquide dans l'un de ses états: excité électriquement, intermédiaire, ou non excité. Dans la mesure du possible, un mode de réalisation préféré prévoira de réaliser les éléments 20 avec un matériau dont l'indice de réfraction est sensiblement égal à l'indice de réfraction du matériau cristal liquide lorsqu'il est soit non excité électriquement, soit excité à saturation. La face 10 de la lame 12 comporte également au moins une électrode 75 en vis à vis des électrodes 7. Cette électrode est située soit sur la face 10 sous les éléments de réseau 20,comme cela est représenté sur la figure 2, soit recouvre au moins en partie les éléments de réseau 20, soit est constituée au moins en partie des éléments de réseau 20. Cette électrode est en principe transparente et est réalisée à l'aide d'un matériau (ITO)

connu dans la technique.

Comme cela est connu dans la technique des écrans à cristaux liquides, les électrodes et les faces des lames en contact avec le cristal liquide sont recouvertes d'une couche telle que 9 d'un matériau permettant l'orientation

des molécules du cristal liquide.

Le modulateur de la figure 2 comporte en outre des lentilles 4 plaquées sur la face extérieure de la lame 13 ou moulées directement sur cette lame. Ces lentilles sont donc situées selon un même plan 40 parallèle aux lames 12, 13 de la cellule électro-optique 1. Selon l'exemple de réalisation de la figure 2, à chaque électrode 7, donc à chaque pixel de la cellule électro-optique est associée une lentille 4. Ces lentilles sont conçues pour focaliser un faisceau collimaté 60 en des points 41 situés sensiblement dans un même plan de focalisation 42. Une surface 80 à traiter d'une pièce 8 qui peut être un écran de visualisation ou une surface photo-sensible sera localisée pratiquement selon ce plan 42 ou à proximité de

ce plan.

Par ailleurs, selon l'exemple de réalisation de la figure 2, l'ensemble des lentilles 4 est recouvert d'une couche 5 d'un matériau transparent d'indice de réfraction différent de celui des lentilles pour que cellesci puissent jouer leur rôle de lentilles. La couche 5 forme une surface 50 parallèle au plan 40 des lentilles. Sur cette surface sont réalisés des masques 3 permettant de ne laisser passer que la lumière correspondant à la ou les longueurs d'ondes A que l'ont désirent filtrer et transmises par le réseau 2 et par la cellule électrooptique 1. La surface 50 est située entre les lentilles 4 et le plan de focalisation 42. Plus précisément l'épaisseur de la couche 5 permet d'ajuster la position du masque 3 et permettra éventuellement de faire en sorte que la surface 50 soit à proximité du plan de focalisation 42 de façon à permettre une bonne efficacité du masque 3 sans avoir de contact physique entre la

surface 50 et la surface 80 d'un objet 8 à traiter.

Dans le cadre d'un fonctionnement monochromatique, on pourra avoir intérêt à ce que le masque soit conçu pour laisser passer la lumière d'ordre zéro transmise par

le réseau de diffraction et la cellule électro-optique.

La lumière d'ordre zéro transmise par le réseau de

diffraction peut donc être focalisée sur la surface 80.

La lumière du faisceau 60 d'une longueur d'onde déterminée donne donc lieu au faisceau 61 qui peut se focaliser au point 41 tandis que la lumière de toute autre ordre non nul donne lieu à un faisceau tel que 62 qui est diffractée et est arrêtée par le masque 3. Le modulateur de la figure 2 permet ainsi de moduler spatialement la lumière en intensité sans recourir au

moindre polariseur.

A titre d'exemple, si les lentilles (4) sont réalisées en un matériau d'indice 1.7, la couche 5 pourra être faite avec un matériau d'indice 1.5. ou inversement Par exemple, les lentilles pourront être réalisées en matériau polymère d'indice 1.6 à 1.7 et la couche 5 en matériau polymère d'indice 1.53 à 1.54, ces matériaux

étant connus dans la technique.

On peut également, pour réaliser la couche 5, déposer une couche d'un matériau transparent (matériau polymère par exemple), de façon à planariser l'ensemble de la surface extérieure des lentilles, puis à appliquer et éventuellement à coller sur cette surface planarisée, une lame de verre permettant d'optimiser l'épaisseur de

la couche 5 ainsi réalisée.

L'épaisseur de la couche 5 sera calculée en fonction de la distance focale des lentilles. A titre d'exemple, pour une couche 5 en matériau d'indice 1.53 et des lentilles 4 d'indice de réfraction 1.65 et de rayon de courbure de 150 micromètres, on pourra prévoir une couche

d'épaisseur d'environ 1 millimètres.

L'exemple de réalisation ainsi décrit en relation avec la figure 2 permet de traiter un faisceau polarisé (ou une polarisation de la lumière). La figure 3a représente un exemple de réalisation dans lequel on a prévu un deuxième réseau de diffraction 2' en contact avec l'autre face du matériau électro-optique 14 (cristal liquide). Les éléments qui constituent ce deuxième réseau sont linéaires et sont perpendiculaires aux éléments qui constituent le premier réseau de diffraction 2. Si la lumière du faisceau 60 émis par la source 6 n'est pas polarisée, le réseau 2 convenablement orienté pourra diffracter la lumière polarisée selon une première direction et le réseau 2' pourra diffracter la lumière polarisée selon une deuxième direction perpendiculaire à

la première direction.

Le système de l'invention permet donc avec deux réseaux de diffraction similaires de traiter un faisceau de lumière non polarisée, à savoir de filtrer une longueur d'onde de ce faisceau (ou une gamme restreinte de longueurs d'ondes) et de moduler spatialement en

intensité ce faisceau.

Selon une variante de réalisation représentée en figure 3b, on prévoit de ne réaliser qu'un seul réseau d'éléments en relief 22 sur l'une des faces 10 ou il en contact avec le cristal liquide 14. Ce réseau est à deux dimensions pour pouvoir traiter les deux polarisations de la lumière du faisceau 60. Il se présente sous la forme de plots répartis selon des pas tels que définis précédemment. Ces plots ont une forme générale carrée dans la mesure ou les matériaux et la technologie de

fabrication le permet aisément.

Dans le cadre de l'application de l'invention en micro-lithographie, on pourra prévoir de fonctionner avec une source émettant dans l'UJV. Dans le cadre d'une telle application on prévoira alors les dispositions suivantes: - utilisation d'un cristal liquide nématique du type cyclohexane/cyclohexil; - des électrodes de commande de la cellule électrooptique en ITO d'épaisseur inférieure à 10nm; - un réseau de diffraction 2 présentant un pas de répartition des éléments 20 de l'ordre de quatre fois la longueur d'onde c'est-à-dire 1.5pm par

exemple;

- des lames 12 et 13 en matériau transparent connu sous le nom commercial " Suprasil ", ou un matériau de ce type; - le masque 3 peut être réalisé sous la forme d'une couche métallique gravée selon des ouvertures carrées de quelques microns de côté centrées sur

les axes des microlentilles.

Outre les avantages d'insensibilité à la chaleur et de compacité, le modulateur de l'invention présente les avantages supplémentaires suivants: - Insensibilité à la polarisation d'o la possibilité d'utiliser une source de lumière non polarisée et d'avoir une efficacité lumineuse au moins 2 fois supérieure; - Pas d'utilisation de polariseurs absorbants qui pourraient faire chauffer le modulateur surtout dans l'TJV ou l'Infrarouge; - Conception d'une structure planaire de grande surface permettant une tenue au flux très importante. Selon une variante de réalisation de l'invention au lieu de réaliser un réseau de diffraction en relief 2, on peut prévoir de réaliser chaque électrode de pixel 7 sous forme d'un réseau 70 d'électrodes ou de micro-électrodes tel que représenté en figures 5a ou 5b. Les différentes électrodes telles que 71 et 72 sont de préférence à un pas dont la valeur est comprise sensiblement entre la valeur de l'épaisseur du matériau électro-optique et 3 fois l'épaisseur de ce matériau. Par ailleurs ce pas est supérieur à la longueur d'onde du faisceau 60. Selon un mode de réalisation préféré on prendra pour ce pas une valeur comprise entre trois et six fois la valeur de la

longueur d'onde du faisceau 60.

Les électrodes d'un même pixel sont interconnectées entre elles. En figure 5a, elles ont l'une de leurs extrémités reliées entre elles. En figures 5b, les extrémités homologues des différentes électrodes d'un

même pixel sont reliées entre elles.

La figure 5c représente un exemple de réalisation du dispositif de l'invention comportant ainsi des réseaux de micro-électrodes sur la face 11 de la lame 13. On a alors représenté la contre-électrode 75 réalisée sur la face 10 de la lame 12. Cette contre-électrode peut être commune à toutes les électrodes 7,70. Elle peut être réalisée sous la forme d'un réseau de micro-électrodes interconnectées entre elles. Ce réseau de micro--électrodes est commun à tout ou partie des réseaux de microélectrodes 7,70. Le pas de répartition des micro-électrodes 75 est tel que

défini précédemment pour les réseaux 7,70.

En se reportant aux figures 4a à 4c, on va maintenant décrire un exemple de réalisation de l'invention permettant de filtrer plusieurs longueurs d'ondes et de les moduler. Un tel système sera applicable dans toutes les applications nécessitant une modulation

chromatique tel que la visualisation couleur.

Sur la figure 4a on retrouve la cellule électrooptique 1 et les réseaux de diffraction 2 et 2'. Pour la clarté de l'explication, on n'a représenté sur la figure 4a qu'un seul pixel avec son électrode 7. On n'a donc qu'une seule lentille 4. Dans l'exemple de réalisation de la figure 4a, le faisceau de lumière 60 comporte une longueur d'onde dans le rouge, une dans le vert et une dans le bleu. Le faisceau 60 donne lieu à un faisceau de lumière OR(0) d'ordre zéro et à des faisceaux d'ordres supérieurs. Nous nous intéresserons au faisceau OR(+1) d'ordre +1 et au faisceau OR(-1) d'ordre -1. Les faisceaux d'ordres +1 et -1 comportent en fait chacun autant de faisceaux qu'il y a de longueurs d'ondes car les réseaux de diffraction diffractent les différentes longueurs d'ondes selon des

angles différents.

Sur le trajet de la lumière transmise par la cellule électro-optique 1 et la lentille 4 est placé un

modulateur spatial de lumière 35 connu dans la technique. Il s'agit par exemple d'un modulateur à cristal liquide commandé

électriquement à l'aide d'électrodes telles que 35.1, 35.2r, 35.2v, 35.2b associé à un analyseur 38 placé sur sa face de sortie, il n'est pas nécessaire de placer un polariseur d'entrée. Ce modulateur est placé

sensiblement selon le plan 50 de la figure 2.

Pour simplifier la figure 4a, on a représenté les trois faisceaux d'ordres +1 correspondant aux trois longueurs d'ondes rouge, vert et bleu. Par contre, pour l'ordre -1, on n'a représenté que le faisceau

correspondant au rouge.

Chaque faisceau peut être modulé en intensité par un pixel selon la commande appliquée aux électrodes de commande correspondantes. Chaque pixel transmet la lumière à des dispositifs de transmission ou d'affichage tels que des lentilles fournissant des faisceau Ri, Vl, Bl. On notera que sur la figure 4a, on a prévu un masque 37 qui bloque la transmission du mode de diffraction d'ordre 0. La commande en tension de la cellule électrooptique 1 permettra de transférer au maximum l'énergie du

faisceau d'entrée de l'ordre 0 vers les ordres +1 et -1.

Le dispositif de la figure 4a peut être appliqué à une structure matricielle. Sur la figure 4b, on voit que chaque lentille 4.1, 4.2, 4.3 permet de transmettre de la lumière au modulateur spatial de lumière 35 et à des pixels rn, vl, bl, r'1, v'l, b'i. Cela est également visible sur la figure 4c représentant en plan les pixels

de sortie tels que rl.

Sur la figure 4b, les faisceaux OR(+1) et OR(-l) résultent de la diffraction de la lumière polarisée selon une première direction et ont leurs axes contenus dans un premier plan. La lumière polarisée selon une deuxième direction perpendiculaire à la première direction donne lieu après diffraction à des faisceaux dont les axes sont contenus dans un deuxième plan perpendiculaire au premier plan précédent. Ces faisceaux atteignent les pixels tels que r''i et r'''i visibles sur la figure 4c. Comme on l'a vu précédemment, le modulateur 35 ne dispose pas de polariseur d'entrée. Ce modulateur doit donc traiter deux polarisations orthogonales. Les pixels tels que rn et r'i peuvent être commandés avec une tension V, les pixels

r''i et r'''i avec une tension complémentaire V-Vo.

Selon un mode de réalisation de l'invention, les lentilles 4.1, 4.2, 4.3 sont recouvertes d'une couche d'un matériau transparent 5 comme cela a été décrit précédemment. Le modulateur spatial de lumière 35 est accolé à cette couche 5, voire collé à cette couche ou intégré dans cette couche. Par ailleurs les lentilles de sortie telles que rn peuvent être moulées sur la face de sortie du modulateur spatial de lumière 35. L'ensemble suivant peut former un bloc monolithique: - cellule électro-optique 1 avec le ou les réseaux

2, 2',

- lentilles 4 - couche de matériau transparent 5, - modulateur spatial de lumière 35, - lentilles ri, vl, etc. L'invention fournit ainsi un modulateur/filtre présentant: - une efficacité lumineuse élevée car insensible à la polarisation - une haute tenue au flux car ne nécessitant qu'un seul polariseur et pas de matériaux absorbants

pour constituer les filtres colorés.

- une compatibilité avec une structure planaire - une structure compacte et monolithique ne

nécessitant donc pas de réglage.

Elle est applicable dans différents domaines d'activités telles que les techniques fonctionnant dans l'UV à très haute efficacité et nécessitant une bonne résolution spatiale, ainsi que dans les écrans d'affichage.

Claims

REVENDICATIONS

1. Modulateur et filtre électro-optique comportant une cellule électrooptique (1) contenant un matériau électro-optique destinée à être éclairée par une source lumineuse(6) émettant un faisceau lumineux (60), au moins un dispositif de modulation spatiale du champ électrique (2) en contact avec ledit matériau électro-optique et y induisant un effet de diffraction de la lumière, la cellule électro10 optique étant éclairée par ledit faisceau lumineux (60) et étant destinée à transmettre différents ordres de diffraction de la lumière dudit faisceau; caractérisé en ce qu'il comporte au moins une lentille (4) permettant de focaliser la lumière transmise par la cellule et au moins un dispositif de masquage (3, 35) associé à la lentille et situé à proximité d'un plan de focalisation de la lentille et permettant de filtrer spatialement le diagramme de diffraction

du faisceau transmis.

2. Modulateur et filtre électro-optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de modulation spatiale du champ électrique (2) comporte une structure périodique de modulation dont le pas est sensiblement supérieur à la longueur d'onde dudit faisceau

lumineux (60).

3. Modulateur et filtre électro-optique selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif de modulation spatiale du champ électrique (2) comporte une structure périodique de modulation dont le pas est compris entre trois fois et six fois la longueur d'onde dudit faisceau lumineux (60).

4. Modulateur et filtre électro-optique selon l'une

des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que

le pas de la structure périodique de modulation est compris entre une fois et trois fois

l'épaisseur dudit matériau électro-optique.

5. Modulateur et filtre électro-optique selon l'une

des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que

la structure périodique de modulation (2) comporte des éléments en relief (20)

6. Modulateur et filtre électro-optique selon la revendication 5, caractérisé en ce que les éléments en relief (20) sont en un matériau dont l'indice de réfraction se situe dans la plage de variation du cristal liquide dans l'un de ses états: excité électriquement, intermédiaire ou

non excité.

7. Modulateur et filtre électro-optique selon la revendication 6 caractérisé en ce que les éléments en relief sont de forme linéaire et organisés en une structure périodique à une dimension ou sont des plots organisés en une

structure périodique à deux dimensions.

8. Modulateur et filtre électro-optique selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte un deuxième dispositif de modulation spatiale du champ électrique (2'), similaire au premier, également en contact avec le matériau électrooptique, les deux dispositifs (2) et (2') étant situés de part et d'autre du matériau électrooptique tels que les éléments linéaires de l'un étant orthogonaux aux éléments linéaires de l'autre.

9. Modulateur et filtre électro-optique selon l'une

quelconque des revendications 2 à 4 caractérisé

en ce que le dispositif de modulation spatiale du champ électrique (2) comporte au moins un pixel

réalisé sous la forme d'un réseau de microélectrodes de formes linéaires.

10. Modulateur et filtre électro-optique selon la revendication 9, caractérisé en ce que les différentes électrodes d'un pixel sont

interconnectées entre elles.

11. Modulateur et filtre électro-optique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un ensemble de lentilles de focalisation (4) situé entre la cellule électro-optique et le dispositif de masquage (3, 35), ledit dispositif de masquage comportant un masque associé à chaque lentille.

12. Modulateur et filtre électro-optique selon la revendication 11, caractérisé en ce que la cellule électro-optique (1) comporte une pluralité de pixels et en ce qu'une lentille (4)

est associée à chaque pixel.

13. Modulateur et filtre électro-optique selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'ensemble de lentilles est situé selon un plan (40) parallèle au plan de la cellule électrooptique et en ce que le dispositif de masquage (3) est situé entre ledit plan (40) et les points

de focalisation des lentilles.

14. Modulateur et filtre électro-optique selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'ensemble de lentilles (4) est recouvert d'une couche d'un matériau transparent (5), une surface plane (50) de cette couche étant parallèle au plan (40) des lentilles, le dispositif de masquage (3) étant situé sur ladite surface plane (50), l'épaisseur de la couche de matériau transparent étant telle que le dispositif de masquage est localisé à proximité d'un plan contenant les points de focalisation des lentilles.

15. Modulateur et filtre électro-optique selon l'une

quelconque des revendications précédentes,

caractérisé en ce que la cellule électro-optique est une cellule à cristal liquide nématique ou

une cellule à cristal liquide ferroélectrique.

16. Modulateur et filtre électro-optique selon l'une

quelconque des revendications précédentes,

caractérisé en ce que le dispositif de masquage (3) comporte un modulateur spatial de lumière

électro-optique (35).

17. Modulateur et filtre électro-optique selon la revendication 13, caractérisé en ce que chaque lentille (4) est destinée à transmettre au moins deux faisceaux de longueurs d'ondes différentes, le modulateur spatial de lumière (35) possédant au moins deux pixels de modulation associés à chaque lentille pour pouvoir moduler séparément

les deux faisceaux transmis par cette lentille.

18. Modulateur et filtre électro-optique selon la S revendication 14, caractérisé en ce que le modulateur spatial de lumière (35) comporte quatre fois au moins deux pixels disposés en croix, deux pixels destinés à recevoir la lumière polarisée selon une première direction de polarisation et diffractée dans le mode d'ordre +1 étant alignés selon une première direction avec deux pixels destinés à recevoir la lumière de cette première direction de polarisation mais diffractée dans le mode d'ordre -1, deux pixels destinés à recevoir la lumière polarisée selon une deuxième direction de polarisation et diffractée dans le mode d'ordre +1 étant alignés selon une deuxième direction perpendiculaire à la première avec deux pixels destinés à recevoir la lumière de cette deuxième direction de polarisation mais diffractée dans le mode d'ordre - 1.