Filtrage en optique

Modulateurs spatiaux de lumière (SLM pour Spatial Light Modulators)

L'inconvénient principal des clichés photos est le temps relativement long nécessaire au traitement chimique.

Il est préférable d'utiliser les propriétés électro-optiques de certains cristaux pour créer ou enregistrer en temps réel les données optiques qui interviennent dans le système destiné au traitement optique du signal.

On distingue deux catégories de SLM :

  • SLM à adressage électriques, utilisés si l'information est collectée par des composants optoélectroniques (photo diodes, Caméra CCD, simulation numérique)

  • SLM à adressage optiques, utilisés si l'information est sous forme optique (sortie d'un moniteur vidéo, sortie d'un système imageur quelconque).

Dans tous les cas, par définition la sortie (du composant SLM) est toujours optique. Pour des amples informations concernant ce sujet le lecteur pourra consulter la référence []

Utilisations des SLM

A l'origine les modulateurs spatiaux de lumière ont été développés pour une utilisation dans des processeurs optiques tels que :

  1. Convertir une image incohérente en image cohérente

  2. Amplifier une faible image

  3. Convertir les longueurs d'ondes (passer de l'I.R. dans le visible)

  4. Modifier le filtre spatial utilisé dans le plan de Fourier (spectral)

  5. ...

Mais c'est le développement de modulateurs pour des applications grands publics comme les vidéo-projecteurs qui a permis les travaux de recherches sur les processeurs optiques de reconnaissance de formes que l'on connaît aujourd'hui.

Propriétés des cristaux liquides

L'utilisation des cristaux liquides est répandue (affichage digital, écrans...). La tension appliquée aux électrodes provoque une variation dans l'intensité de la lumière transmise ou réfléchie par l'afficheur. Les cristaux liquides peuvent être vus comme composés de molécules ellipsoïdales. Ces molécules se regroupent entre elles de différentes façons formant 3 classes (ou phases) de cristaux liquides : les nématiques, les smectiques et les cholestériques.

Figure I-9 : Arrangements moléculaires pour différents types de cristaux liquides. Quand il le faut, les couches ont été séparées pour plus de clarté.
Figure I-9 : Arrangements moléculaires pour différents types de cristaux liquides. Quand il le faut, les couches ont été séparées pour plus de clarté. [zoom...]

Les SLM utilisent principalement les cristaux nématiques (NLC) et une classe spéciale des smectiques (C*) appelée les « Ferroelectric Liquid Cristal » (FLC).

Propriétés des NLC :

Il est possible d'imposer des conditions aux limites pour orienter les cristaux liquides nématiques en polissant les surfaces des couches d'alignement dans une direction donnée. Les axes des molécules en contact avec la paroi ont tendance à s'aligner avec les petits scratches du polissage au niveau de la surface. Pour garder une continuité au niveau de l'alignement des axes on peut appliquer une torsion à la cellule comme le montre la figure I-10(a). En appliquant un champ électrique on induit un dipôle électrique dans chaque molécule. Le grand axe de la molécule (où le dipôle apparaît) s'aligne avec le champ électrique (figure I-10(b)).

Figure I-10 : (a) Arrangements moléculaires dans une cellule à cristaux liquides lorsque les directions de polissages des couches d'alignement sont perpendiculaires. (b) Alignement des axes moléculaires avec le champ électrique.
Figure I-10 : (a) Arrangements moléculaires dans une cellule à cristaux liquides lorsque les directions de polissages des couches d'alignement sont perpendiculaires. (b) Alignement des axes moléculaires avec le champ électrique. [zoom...]

Les propriétés optiques des NLC

  • Les molécules sont allongées ce qui provoque une anisotropie induisant une biréfringence importante. La variation d'indice est élevée ce qui permettra d'avoir des épaisseurs au niveau des cellules relativement faibles ( ne suivant l'axe de la molécule et n0 perpendiculaire à l'axe)

  • Si les molécules sont disposées de façon hélicoïdale (figure I-10 (a)) nous avons un pouvoir rotatoire important.

En combinant ces deux propriétés on peut réaliser des modulations d'intensité de la lumière.

Exemple de fonctionnement

En l'absence d'un champ électrique (figure I-11), la lumière polarisée à 45° des axes xOy rencontre l'axe de la molécule orienté à la verticale.

Figure I-11 : En l'absence de champ électrique l'intensité de la lumière réfléchie par la cellule est nulle.
Figure I-11 : En l'absence de champ électrique l'intensité de la lumière réfléchie par la cellule est nulle. [zoom...]

Elle voit donc le grand ainsi que le petit axe de la molécule. Les composantes du champ lumineux suivant x et y subissent un déphasage différent (suivant ne et no ). Au niveau du miroir au fond de la cellule la lumière sera polarisée circulairement si on s'arrange pour que le déphasage soit égale à . Ceci est réalisé en choisissant d une épaisseur de cellule convenable. Après l'aller-retour (réflexion sur le miroir) la lumière sera polarisée rectilignement et orientée à 90° de la lumière incidente. Elle rencontre le polariseur P placé à l'entrée en position croisée. L'intensité sera minimale à la sortie de la cellule.

En revanche et en présence d'un champ électrique suffisant, les molécules seront alignées avec le champ électrique appliqué. Les composantes sur x et sur y de la lumière rencontrent cette fois ci le petit axe de la molécule (voir figure I-12). Il n' y aura pas de déphasage entre les composantes du champ lumineux. La lumière est polarisée rectilignement en se réfléchissant sur le miroir et reste parallèle à elle même en arrivant sur le polariseur P après l'aller-retour. L'intensité lumineuse en sortie est maximale.

Figure I-12 : En présence d'un champ électrique suffisant l'intensité de la lumière réfléchie par la cellule est maximale.
Figure I-12 : En présence d'un champ électrique suffisant l'intensité de la lumière réfléchie par la cellule est maximale. [zoom...]

Si le champ électrique n'est pas suffisant pour faire aligner toutes les molécules dans la cellule il en résulte une réflexion partielle.

Caractéristiques techniques typiques

  • Tension à appliquer : 5 – 10 V

  • épaisseur des cellules :

  • Temps de réponse d'alignement des molécules :

  • Temps de réponse de relaxation des molécules : 20 ms

Le nombre de pixels ou de cellules dans un SLM (typiquement 600x800, appelée communément et à tort résolution) peut varier dépendant de l'application envisagée.

Il faut noter que bien que des modulateurs spatiaux de lumière aient été développés pour une utilisation dans des processeurs optiques, c'est le développement de modulateurs pour des applications comme les vidéo projecteurs qui a permis les travaux de recherches très nombreux sur les processeurs optiques de reconnaissance de formes au cours des 15 dernières années.

AccueilOutils transversesNouvelle pageInformations sur le cours (ouvrir dans une nouvelle fenêtre)Le film photographiqueFiltrage spatial et traitement optique de l'information