Brevet FR2182582A1 — publié le 19731214

La présente invention concerne un dispositif de projection à cristal liquide. On connatt les cristaux liquides qui doivent leur appellation au fait que leurs caractéristiques les apparentent à la fois à la phase liquide par leur consistance, et à l & phase solide par l'anisotropie optique, enelogue à celle des corps cristallins, qu'ils- présentent en lames minces. La lame mince dont il est question est constituee en réalité d'une couche liquide de lOpin d'épaisseur par exemple enfermée entre deux plaques généralement transparentes toutes les deux. Dans ce qui suit le mot de lame sera employé pour do signer la couche mince seule de cristal liquide à laquelle se réduit idéa liement la lame mince en question. On sait aussi que, parmi toutes les sortes de cristaux liquides, certains cristaux liquides nématiques possèdent la propriété de passer de l'état pratiquement transparent à l'étant diffusant sous effet d'une différence de potentiel (ddp aussi dans la suite) appliquez entre les deux faces opposées d'une lame mince constituée de l'un de ces cristaux. Tant que cette différence de potentiel reste inf;rieure à une valeur de seuil V9, de l'ordre de 6 V, la lame apparat pratiquement transparente. Pour une différence de potentiel supérieure à ce seuil, la lame devient diffusante. Au delà du seuil Vs, la diffusion croît avec la tension appliquée. C'est le phénomène de diffusion dynamique connu aussi sous l'abréviation de DSM, de l'anglais"Dynamic Scattering Sode "décrit dans le littérature en particulier par Heilmeier dans l'article " A New Electrooptic Affect in Certain Classes of Nematic Liquid Crystals'L P I E E E, Juillet 1968, pages 1162 à 1171. On usait que cette propriété a été récemment mise à profit pour la formation d'images au moyen d'une lame mince de ces cristaux, en commandant la différence de potentiel aux différents points de la lame par le signal image correspondant à ce point, et cela suivant des mises en oeuvre variées comme, par exemple, celle utilisant l'impact d'un faisceau d'électrons sur la lame pour-faire apparattre entre les faces de celle-ci, au point con.si dr, la différence de potentiel en question. Il ne sera pas discute ici de ces moyens. La possibilité de produire l'effet en question étant admise, on traitera de la façon de l'utiliser et des moyens mis en oeuvre à cette fin, ces moyens constituant l'objet de l'invention. On donnera d'abord quelques précisions sur le phénomène de diffusion dynamique mentionné plus haut. Ce phénomène consiste en ce qui suit lorsqu'un rayon de lumière incidente frappe la lame de cristal liquide nématique en un point, où la condition de potentiel énoncée plus haut est rçali- sée (différence de potentiel entre les deux faces opposées de la lame en ce point supérieur à Vs), ce point se comporte comme une source lumineuse diffusant de la lumière dans toutes les directions comprises à l'intérieur d'un angle solide ayant ce point pour sommet 7 la valeur de cet angle solide dépend des caract ris- tiques du dispositif, nature du cristal, angle d'incidence, procédé d'utilisation de la lame, en tran.smission ou en réflexion, etc... qui ne seront pas précisées davantage ici. Cette diffusion. s'effectue généralement suivant une distribution de révolution autour de l'axe, c'est-à-dire à l'intérieur d'un cône de révolution autour de cet axe, l'énergie lumineuse allant en s'affaiblissant au fur et à mesure que le rayon s'écarte de cet axe. On represente g-ncralement cette énergie lumineuse au moyen d'une indicatrice tracée à partir du point d'incidence en portant, à partir de ce point, sur chaque rayon lumineux, une quantite proportionnelle à l'intensité lumineuse dans la direction de ce rayon, la plus grande partie de l'énergie lumineuse étant d'ailleurs gG;néralement concentré autour de cet axe. On reviendra plus en détail sur cette indicatrice dans la suite. La diffusion exercée sur un faisceau de lumière incidente par les différents points de la lame,placès dans les conditions ae potentiel indiquées, dépend en outre, comme on l'a dit, de la valeur de la différence de potentiel entre les faces de la lame en ces points : à chacun de ces points correspond ainsi une indi catrice dont la forme dépend de la différence de potentiel régnant en ce point entre les faces de la lame, c'est-à-dire du signal image en ce point. En captant les lumières diffusées par les différents points de la lame dans un système optique associe à celle-ci, on obtient l'image, par projection sur un écran généralement. Chaque point de l'image reçoit une énergie lumineuse qui dépend de la forme de l'indicatrice correspondant à ce point et par conséquent du signal image en ce point. Fréquemment une partie seulement de la lumière diffusée est utilisée dans le système optique, soit la partie centrale des canes de diffusion, soit au contraire celle formée par les rayons lumineux les plus éloignés de l'axe de ces cônes.Cette façon de procéder a pour but de rendre encore plus étroite la relation existant entre l'énergie lumineuse reçue en un point de l'image et le signal image appliqué au cristal correspondant à ce point, la con.sidération d'une partie sealemen.t de cette énergie, soit la partie centrale, soit la partie marginale, comme on l'a dit, étant, vu la forme des indicatrices, précisée ci-dessous, plus caractéristique encore du signal image appliqué au point considéré que l'énergie lumineuse totale contenue dans le cône de diffusion de ce point. Ceci entrain l'amélioration du contraste de l'image mais a nvidemment comme inconvénient de réduire l'énergie lumineuse utile à une fraction. sealezaent de celle disponible, c'est-à-dire de réduire le rendement lumineux. Dans ce qui précède on a exposé la conception sur laquelle est basée l'utilisation de ces cristaux liquides nématiques dans les dispositifs pour la formation d'images de l'art antorieur. Des études faites par la Demanderesse ont conduit à une autre conception de cette utilisation. Les recherches effectues dans les laboratoires de la Demanderesse ont montre, en effet, que la lumière diffusee par certains cristaux liquides nématiques est constituée en partie de lumière polarisée liné irement. Il a été établi que la proportion de lumière polarisée dans la lumière diffusée par un point de la lame de cristal liquide dépend de la différence de potentiel existant entre les faces de la lame en ce point, c'est-à-dire du signal image appliqué à ce point. Pour une différence de potentiel don.nee la proportion de lumière polarisée varie en outre avec la direction du rayon. diffusé; Enfin, les mêmes études ont montre que le plan de polarisation varie avec la direction. du rayon diffusé. Un analyseur d'orientation fixe placé sur le trajet de la lumière diffusée exercera donc sur chacun. des rayons qui composent celle-ci une action différente suivant l'orientation de ces rayons. Ce sont ces résultats que l'invention met à profit pour realiser des images dont la qualité est meilleure que celles des images des dispositifs de l'art connu, pour les raisons qui seront données plus loin. la présente invention sera mieux comprise en se reportant à la description qui suit et aux figurss jointes qui représentent, les mêmes repères désignant les mies éléments -Figures 1, 2, 3, divers diagrammes, intervenant dans l'expli- cation du fonctionnement des dispositifs de l'art connu et de 1' in.ven.tion. -figure 4 un schéma relatif aux dispositifs de l'invention -figure 5 un diagramme comparatif -figure 6 (a, b) une vue schématique d'un dispositif de l'art connu et d'un dispositif de l'invention. -figure 7, une vue schématique G'un autre dispositif de l'invention. la figure 1 montre des exemples d'indicatrices, telles que celles dont il a été question. ci-dessus, etablies pour une lumière tombant sur la lame de cristal liquide 1, d'une épaisseur de 10/\xm par exemple, avec une incidence de 450, comme le montre la partie en haut et à gauche de la figure ; l'indicatrice 10 correspond à une différence de potentiel applique entre les deux faces de la lame 1, au point d'incidence M, de 30 V, tandis que les indicatrices 11, 12 et 13 correspondent respectivement aux différences de potentiels de 14, 8 et O V , la dernière de ces indicatrices correspondant à l'état transprent du cristal, aucune diffusion n'intervenant pour une ddp appliquée nulle.Ces indicatrices ont été tracées, comme on l' dit plus haut, en. portant, à partir du point E et dans la direction. de chacun des rayons lumineux du c8ne de diffusion, l'intensité- lumineuse mesurée avec une unité arbitraire correspondant à ces rayons, suivant une échelle logarithmique comme indiqué sur l'axe horizontal ; sur les cercles de ce diagramme sont portés de 50 en 50 les angles alpha de ces directions avec la direction. du rayon incident pris pour origine. Be rendement lumineux de la diffusion est défini comme le rapport de l'énergie lumineuse diffusée à l'énergie lumineuse incidente ; dans le cas de dispositifs n'utilisant qu'une portion du cbne de lumière diffuse, il va sans dire que l'énergie diffusée à considérer est celle limitée à cette portion ; elle siobtient par intégration des énergies lumineuses des différents rayons dans toute cette portion. Ces considérations permettent de préciser les conditions d'utilisation des dispositifs à cristaux liquides de l'art connu pour la formation d'images lumineuses, et leurs limites en ce qui concerne le contraste et le rendement lumineux. Elles expliquent, par le caractère sélectif des indicatrices dans la direction du rayon incident (indicatrices allongées dans cette direction), pourquoi on se limite généralement à une partie seulement du cône de diffusion. Bes deux diagrammes suivants, dont il sera question maintenant, sont relatifs aux dispositifs de l'invention. Be diagramme de la figure 2 donne le pourcentage p de la lumière polarisée linéairement en fonction de la différence de potentiel appliquée, pour différentes valeurs de l'angle alpha, ou angle de visée, du rayon diffusé avec la direction du rayon. incident ; comme on le voit sur cette figure ce pourcentage varie très sensiblement avec l'orientation du rayon diffusé sans qu'il soit possible toutefois de reconnaitre une loi simple dans cette variation. Par contre, comme l'indique la figure 3, les résultats expérimentaux obtenus par la demanderesse permettent de mettre en évidence avec netteté une loi de variation de l'énergie lumineuse obtenue à la sortie d'un analyseur d'orientation variable recevant la lumière diffusée, en fonction de l'orientation. du rayon diffusé et de la tension appliquée. Ces courbes correspondent à une incidence normale. Sur cette figure on distingue des ellipses correspondant à différentes valeurs des paramètres : les deux plus petites de ces ellipses correspondant à un angle alpha nul, c'est-à-dire à une direction. du rayon diffusé confondue avec celle du rayon incident, et à une tension. V nulle (état transparent), pour l'ellipse à grand axe horizontal, et une tension V supérieure au seuil Vs pour l'ellipse à grand axe vertical. la plus grande de ces ellipses correspond à une tension. V supérieure au seuil et à une valeur donnée de l'angle alpha non nulle. Sur cette figure l'angle bêta est celui qui définit l'orientation de l'analyseur.Cet angle est l'angle de la direction. de polarisation de l'analyseur avec une direction de référence, tel que le montre la figure 4 où ont été representés schématiquement la lame de cristal liquide 1 et l'analyseur 20 sur lesquels ont été tracés les axes de références ox et oy, confondus avec les lignes neutres de la lame, et la direction. de polarisation. de l'analyseur, vecteur oP, la direction. de la flèche oo étant celle de l'un. des rayons diffusés et la direction. de la lumière incidente celle de la flèche à gauche de la figure. Revenant à la figure 2, on signale, à titre d'indication., que les rayons diffusés dans la direction. du rayon incident (alpha= zéro, courbe à hachures verticales) sont polarisés perpendiculai- rement à ceux diffusés dans les autres directions (alpha différent de zéro), dans toute la région recouverte par ces hachures. Sur le diagramme de la figure 3, l'énergie lumineuse E sortant de l'analyseur, mesure en valeur relative par rapport à l'énergie lumineuse correspondant à une direction donnez de l'analyseur prise comme direction de référence, est représentée par le rayon vecteur wu ; cette direction. est la même pour les %::ois groupes de conditions d'opération. La déformation des ellipses de la figure 3 en fonction. de l'angle alpha montre que, pour une orientation donne béta de l'an.alyseur,l'énergie lumineuse recueillie sur chaque rayon diffusé, après son passage dans l'analyseur, dépend de l'angle alpha, c'està-dire de la direction de ce rayon : l'intensité du vecteur #L qui représente cette énergie dépend en effet des ellipses consi déréels sur le diagramme de la figure 3, c'est-à-dire de alpha. Ainsi, l'invention, par l'adjonction. d'un analyseur au dispositif de projection de l'image, ajoute à la sélection des dispositifs de l'art antérieur celle résultant de l'effet de polaristation linéaire exercée par la lame de cristal liquide nématique sur toute lumière incidente, effet sélectif à un double titre, puisqu'il s'exerce, en fonction. de la direction. du rayon. diffusé, à la fois sur la proportion ae énergie lumineuse diffusée subBsant cette polarisation et sur la direction dans laquelle elle s'effectue. l"an.alyseur est orienté de façon à fréter les rayons écartés de l'axe du cône de diffusion d'un. point auquel est appliqué un signal de tension et qui sont, d'après ce qui précède, polarisés dans une forte proportion, surtout pour les tensions intermédiaires, comme le montre la figure 2. I1 laisse par contre passer, pour ces points, les rayons lumineux voisins de l'axe du cône qui ne sont que faiblement polarisés et pratiquement toute la lumière des points auxquels n'est appliqué aucun signal, à l'atténuation près due au facteur de transmission de l'analyseur. 'a présence de l'analyseur a donc pour effet d'atténuer plus sensiblement la lumière issue d'un point de la lame auquel est appliqud un signal que celle issue d'un. point sans signal. Be contraste s'en trouve onc améliore. I1 a été possible d'obtenir dans ces conditions des contrastes bien meilleurs que ceux obtenus avec les dispositifs dc l'art connu, comme le montrent les courbes expérimentales de la figure 5 donnant, pour le point central de l'image, le contraste on. fonction. de la différence de potentiel appliquée eorrespondante, avec un. dispositif de projection de l'art connu (courbe en trait plein) tel que celui schématisé sur la figure 5 (a) et avec celui de l'invention représenté schématiquement sur la figure 6 (b) (courbe entrait interrompu). Le contraste C de l'image obtenue sur l'écran. est défini, pour chaque point, comme le rapport des éclairements de ce point en l'absence de diffusion. et dans le cas d'un.e telle diffusion. l"invention apporte aussi indirectement une amélioration., sous l'angle de la limitation. du faisceau de lumière diffusée utilisée à la formation de l'image, évoquée plus haut et pratiquez aussi bien dans les dispositifs de l'invention que dans ceux de l'art antérieur. I1 est possible en effet, en se contentant d'une amé- lioration moins grande concernant le contraste que colle mise en évidenec par les courbes de la figure 5, d'obtenir un. rendement lumineux meilleur que celui obtenu avec les dispositifs de l'art antérieur, l'invention aboutissant ainsi dans tous les cas à une amélioration. de la qualité globale de l'image. Tes figures 6 (a) et 5 (b) donnent le schéma d'un. exemple d'un dispositif de projection à cristal liquide selon. l'art connu et selon. l'invention, respectivement. Sur ces figures, la lame de cristal liquide nématique 1, expose à un faisceau incident de lumière parallèle venant de la gauche dans la direction des flèches, transmet une lumière diffusée représentée on. trois de ses points par les faisceaux de flèches figurés à droite de la lame 1. Un système optique 30, dans le plan focal image duquel est placé un diaphragme 40, donne de chaque point du cristal une image sur un écran 50. ne tracé effectue pour le point central de la lame montre l'élimination des parties extrêmes du cône dc diffusion par le diaphragme 40. La lame 1 en question est pré-paré-e, suivant la tecsslnique connue, dc façon à présenter en tous ses points les mêmes directions de lignes neutres. Le schéma de la figure 6(b) diffère de celu. de la figure 6 (a) par la présence de l'analyseur 20. L'analyseur 20 est orienté de façon à laisser pratiquement passer toute la lumière diffusée dans la direction de la lumière incidente et arrêter celle diffusée dans les autres directions. On sait, d'après la remarque faite à propos de la figure 2, que ces lumières sont polarisées dans des directions perpendiculaires. Cette disposition, comme on l'a dit et comme l'ont confirmé les experiences faites, améliore le contraste lumineux. Sur la figure 5(b), l'analyseur 20 est placé, par rapport à la lumière incidente, immédiatement derrière la couche de cristal liquide I utilisé en transmission. Toujours dans le cas de dispositifs opérant par transmission de la lumière à travers la lame, il est possible de placer l'analyseur n'importe où sur le trajet de la lumière sortant de la lame de cristal liquide 1, et, éventuellement aussi, en avant de la lame de cristal liquide, sur le trajet du faisceau de lumière incidente ; dans ce dernier cas l'analyseur devrait être désigné plus proprement par le terme de polariseur ; on conservera néanmoins la dé-nomination d'analyseur. On obtint dans tous les cas des résultants du m8me ordre. Ia figure 7 montre la transposition du dispositif de le figure 6(b) dans le cas d'une couche de cristal liquide réfléchissante, telles qu'elle a été réalisée par la Demanderesse. Dans ce cas, la réflexion a lieu sur la face de gauche de la lame 1, munie sur cette face d'un dut positif réfléchissant qu'il n1 est pas possible, à l'échelle de la figure, de distinguer de la lame 1 elle-mme. Sur cette figure, on retrouve avec les runes repères les mimes éléments que sur 1? figure 6(b) et, en outre, une surface réfléchis- sante 60 recevant le faisceau incident. On. suit, par le trajet des flèches, la propagation de la lumière vers l'écran. de projection. 'a flèche triple correspond à un rayon arrêté par le diaphragme. Le dispositif de projection. de l'invention. apparaît comme particulièrement bien adapté à 1 projection de certaines structures de types XI où il est nécessaire d'obtenir des nont0cs rapides du contraste, à partir du moment où la différence de potentiel supé rieureau seuil est appliquée. REVENDICATIONS 1. Dispositif de projection d'ir:ages sur un écran, utilisant une lame de cristal liquide nératisue, dont l'effet diffusant, sur un faisceau de lumière incidente auquel cette lame est exposée, est commandé par les signaux constitutifs de l'image à projeter, et un système optique projetant la lumière diffusée par la lame sur l'écran de projection, caractérisé en ce qu'il comprend un diaphragme dont l'ouverture est centrée sur l'axe du système optique et un analyseur placé sur le trajet du faisceau lumineux entre la source lumineuse et l'écran sur lequel a lien. la projec- ion. 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit dispositif fonctionne par transmission. de la lumière incidente à travers la lame et en ce que ledit analyseur est placé juste après ladite lame. 3. Dispositif suivant la revendication 2, caractérise en ce que l'analyseur est orienté de façon à laisser passer les rouons diffusés dans la direction de la lumière incidente et à affaiblir ceux de ces rayons écartés de cette direction. 4. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit analyseur e-ft placé- en avant de ladite lame de cristal. 5. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la projection de l'image/fait nar réflexion sur l'une des faces de ladite lame, et en ce que le polariseur est tlacé entre la lame et l'écran de flacon à n'être traversé qu'une fois par la lumière incidente.