Brevet FR2263569A1 — publié le 19751003

La présente invention a pour objet un dispositif d'affichage à cristaux liquides à grand angle de vue. Elle trouve une application en opto-électronique et notamment dans l'affichage de caractères alphanumériques. On connait de nombreux dispositifs d'affichage de caractères alphanumériques qui utilisent les cristaux liquides. Certains font appel au phénomène de diffusion dynamique de la lumière (en littérature anglo-saxonne "dynamic scattering mode"), d'autres tirent parti du phénomène d'orientation collective des molécules d'un cristal liquide sous l'action d'un champ électrique. Le dispositif de la présente invention appartient à la seconde catégorie. Pour plus de détails sur le fonctionnement de ce genre de dispositif, on pourra se reporter par exemple au brevet américain USP 3 625 591 de M.J. Freiser et I. Haller, intitulé "Liquid crystal display element . Les dispositifs d'affichage utilisant les cristaux liquides et le phénomène d'orientation collective présentent beaucoup d'intérêt mais ils sont affectés néanmoins d'inconvénients dus principalement à ce que l'angle de vue est très réduit (de l'ordre de quelques degrés) et à ce que la couleur de l'affichage, ou son contraste, est fonction de l'épaisseur du film de cristal liquide, ce qui met en relief tous les défauts d'inhomogénéité dudit film. L'invention a précisément pour objet un dispositif d'affichage qui ne présente pas ces inconvénients, notamment en ce qu'il conduit à un angle de vue sensiblement plus grand que dans les dispositifs de l'art antérieur et pouvant atteindre plusieurs dizaines de degrés. De plus, le rendement lumineux du dispositif de l'invention est de l'ordre du double de celui des dispositifs connus de ce genre. De façon plus précise, l'invention a pour objet.un dispositif d'affichage de caractères du genre de ceux qui comprennent: - une cellule à cristal liquide constituée par un film de cristal liquide intercalé entre une première paroi transparente recouverte par un premier système d'électrodes transparentes et une deuxième paroi recouverte d'un second système d'électrodes, les formes desdites électrodes permettant de composer lesdits caractères à afficher, ledit cristal liquide ayant un indice de réfraction qui dépend du champ électrique qui lui est appliqué, - des moyens pour appliquer entre les électrodes de chaque système qui composent le caractère à afficher une première différence de potentiel ou une deuxième différence de potentiel, - des moyens pour engendrer un faisceau lumineux dirigé sur ladite première paroi1 caractérisé en ce que l'angle d'incidence dudit faisceau lumineux par rapport à l'interface entre la première paroi et le cristal liquide est oblique et tel que, pour ladite première différence de potentiel, cet angle est inférieur à l'angle limite, le faisceau pénétrant alors apyres réfraction dans le film de cristal liquide et tel que, pour ladite deuxième différence de potentiel, l'angle d'incidence est supérieur à l'angle limite, le faisceau lumineux subissant alors une réflexion totale sur ladite interface et en ce qu'il comprend en outre un écran d'affichage disposé sur l'un quelconque des trajets réfractés et réfléchis empruntés par ledit faisceau lumineux. Dans une première variante, l'écran ot s'effectue l'affichage peut être constitué par un revêtement diffusant la lumière disposé par exemple sur le second système d'électrodes; il peut alors être solidaire de la cellule à cristal liquide. Dans une autre variante, l'écran d'affichage est séparé de la cellule et disposé soit à l'arrière de la deuxième paroi, sur le trajet du faisceau lumineux réfracté, soit à l'avant de la première paroi, sur le trajet du faisceau lumineux réfléchi. De toute manière, les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux après la description qui suit, d'exemples de réalisation donnés à titre explicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 représente un dispositif d'affichage de l'art antérieur utilisant une cellule à cristal liquide fonctionnant selon le principe de l'orientation collective des molécules; - la figure 2 représente le dispositif d'affichage de l'invention selon une première variante; - la figure 3 représente une deuxième variante du dispositif de l'invention dans laquelle l'écran d'affichage est séparé de la cellule à cristal liquide. On sait qu'un cristal liquide, dans sa phase mésomorphe, est un liquide anisotrope, caractérisé par un groupement ordonné de ses molécules qui présentent une facilité d'orientation collective. En couche mince (de l'ordre de quelques dizaines de microns) et en l'absence d'excitation, les molécules s'orientent selon l'état de surface et la préparation des parois qui définissent la cellule. Ces molécules présentent une anîsotropie diélectrique donc un moment dipolaire permanent dont la direction par rapport à l'axe de la molécule dépend du type de molécule. Pour le p-métoxybenzylidène-p-n-b-ylanlllne (en abrégé MBBA), par exemple, le moment dipolaire est perpendiculaire au grand axe de la molécule et l'anisotropie diélectrique correspondante est négative.Sous l'action d'un champ électrique appliqué au cristal liquide, la direction des molécules a tendance à basculer, de telle sorte que le moment dipolaire s'aligne avec le champ électrique. Un champ électrique peut donc faire tourner l'axe optique d'une cellule à cristal liquide et modifier son indice de réfraction. La figure 1 représente schématiquement une cellule d'affichage selon l'art antérieur qui utilise cette propriét-, Sur cette figure, la cellule proprement dite porte la référence 2 et elle est placée entre un polariseur 4 et un analyseur 6 dont les axes peuvent être croisés. La cellule 2 comprend deux lames de verre 8 et 10 recouvertes de systèmes d'électrodes transparentes 12 et 14 permettant de composer par des combinaisons judicieuses, les signes ou les caractères que l'on veut afficher. Le cristal liquide 16 est intercalé entre les deux systèmes d'électrodes. L'épaisseur de ce film peut être, par exemple, de l'ordre de 10 microns. Des moyens 18 permettent d'adresser sur certaines des électrodes 12 et 14 des tensions appropriées. En général, ces tensions sont alternatives et de fréquence supérieure à une fréquence de seuil. Des cales d'épaisseur 20 et 22 assurent au cristal liquide une épaisseur convenable et uniforme. Une source de lumière 24, blanche ou monochromatique, éclaire le dispositif qui est vu en transmission par l'observateur disposé en 26. Les dépôts 12 et 14 sont de nature telle qu'en absence d'excitation les molécules du cristal liquide sont par exemple perpendiculaires aux parois1 de sorte que l'axe optique-est lui aussi perpendiculaire aux parois; la lumière issue de la source 24, traversant la cellule sous une incidence normale, voit l'indice ordinaire du liquide et tout se passe comme si le milieu traversé était isotrope. Lorsqu'aucune tension n'est appliquée aux électrodes de la cellule, aucune lumière n'est donc transmise de la source 24 à l'observateur 26. Pour que la lumiere traverse sans atténuation le polariseur 4, la cellule 2 puis l'analyseur 6, il faut que le film 16 de cristal liquide se comporte comme une lame demi-onde qui transforme une vibration rectiligne à 450 des axes principaux de la lame en une autre vibration rectiligne à 900 de la précédente. Ceci est obtenu en appliquant une tension d'amplitude supérieure à une valeur de seuil et de fréquence appropriée aux électrodes de la cellule, ce qui a pour effet de faire tourner et de faire varier l'indice n du cristal liquide depuis la valeur de l'indice ordinaire jusqu'à celle d'un indice extraordinaire. Pour afficher un caractère, il suffit de porter les électrodes qui le composent au potentiel approprié. Ainsi qu'il est connu, les électrodes 12 et 14 peuvent être constituées par des ensembles de segments (au nombre de 7 ou 16) par des ensembles de points (disposés par exemple en matrice de 7 par 5) ou par des systèmes à bandes croisées. On pourra se reporter au brevet déjà cité pour l'étude plus précise du fonctionnement d'un tel dispositif. Mais il est clair qu'il souffre de l'inconvénient d'avoir un angle de vue très réduit car l'observateur doit nécessairement se placer sur le trajet des rayons lumineux qui atteignent la cellule sous une incidence normale. En pratique, cet angle de vue est de l'ordre de quelques degrés. De plus, on voit qu'il est nécessaire d'utiliser un couple de polariseur-analyseur. de sorte que le rendement lumineux global est faible. La cellule de la figure 1 fonctionne en transmission avec des électrodes 12 et 14 transparentes, mais il est aisé de concevoir une cellule du même genre fonctionnant en réflexion avec, par exemple, un système d'électrodes 14 constitué par un dépôt réfléchissant. Les caractéristiques d'une cellule travaillant en réflexion sont les mêmes que celles d'une cellule travaillant en transmission et conduisent donc aux mêmes inconvénients. Sur la figure 2 est représenté le dispositif d'affichage selon l'invention. Ce dispositif comprend une cellule 30 à cristal liquide, constituée par un film 32 de cristal liquide intercalé entre une première paroi 34 transparente recouverte par un premier système 36 d'électrodes transparentes et une deuxième paroi 38 recouverte d'un second système d'électrodes 40; les formes desdits systèmes d'électrodes 36 et 40 sont telles qu'elles permettent par des combinaisons judicieuses de composer le caractère que l'on désire afficher. Le cristal liquide 32 est du type de ceux dont l'indice de réfraction dépend du champ électrique qui leur est appliqué, par exemple du type nématique.Le dispositif comprend en outre des moyens 42 pour appliquer entre les électrodes qui composent le caractère à afficher l'une ou l'autre d'une première ou d'une deuxième différence de potentiel. Des moyens pour engendrer un faisceau lumineux dirigé sur ladite première paroi sont constitués par des sources lumineuses 44 et 44', de préférence polarise convenablement par les polariseurs 75 et 75', un seul de ces ensembles source-polariseur pouvant d'ailleurs être utilisé.Le dispositif de la figure 2 est caractérisé, par rapport à celui de la figure 1, en ce que l'angle d'incidence i du faisceau lumineux 48 (et/ou 48'), par rapport à l'interface entre la première paroi 34 et le film de cristal liquide 32, est oblique et tel que, pour ladite première différence de potentiel appliquée entre les électrodes, il est inférieur à l'angle limite, de sorte que le faisceau pénètre , après réfraction, dans le film 32, et tel que, pour ladite deuxième différence de potentiel, l'angle d'incidence est supérieur à l'angle limite, de sorte que le faisceau lumineux incident subit alors une réflexion totale sur l'interface entre la paroi 34 et le film de cristal liquide 32. Le choix de l'angle d'incidence i s'effectue donc de la manière suivante . Si nO est-l'indice du cristal liquide en l'absence d'excitation, il lui correspond un angle limite X tel que sin X = nO/n si n est l'indice de la paroi 34. Sous excitation, l'indice du cristal liquide passe à la valeur n' et o il lui correspond une autre valeur X' de l'angle limite définie par sin B' = n'O/n. L'angle i est alors choisi pour que soit satisfaite l'inégalité Si n si nO Le rayon réfracté porte la référence 54 et le rayon réfléchi la référence 55. La cellule comprend en outre un écran d'affichage disposé sur l'un quelconque des trajets réfracté et réfléchi empruntés par le faisceau lumineux incident; dans le mode de réalisation de la figure 2, cet écran 50 est confondu avec l'électrode 40 et il est réalisé en un matériau diffusant la lumière. Dans ce mode de réalisation, la couche déposée sur la paroi 38 est donc à la fois diffusante pour la lumière et conductrice pour l'électricité. Pour décrire le fonctionnement d'un tel dispositif, on peut envisager deux cas, suivant que l'anisotropie diélectrique des molécules du cristal-liquide est positive ou négative. Si l'anisotropie diélectrique des molécules est négative, ce qui est le cas du MBBA par exemple, au repos les molécules sont perpendiculaires aux parois et la lumière incidente traverse le cristal liquide en donnant naissance au faisceau réfracté 54. Ce faisceau atteint l'écran diffusant 50 qui diffuse la lumière, L'observateur 56, qui se place devant la paroi 34, voit donc une surface 50 uniformément éclairée. Dans ce cas, ladite première différence de potentiel est nulle. L'application d'une tension entre les-électrodes qui composent le caractère à afficher modifie l'indice du cristal liquide, de sorte que l'angle d'incidence devient supérieur à l'angle limite. La lumière incidente 48 se réfléchit alors à l'interface paroi 34-film 32 au niveau des surfaces excitées, ce qui supprime la diffusion de la lumière sur l'écran 50 dans les zones correspondantes.Dans ce cas, le caractère affiché apparait donc noir sur fond blanc. Dans le cas oû l'anisotropie diélectrique du cristal liquide est positive, ce qui est le cas par exemple du cristal liquide ABABN (alkoxy-benzilidène-amino-benzonitrile), en l'absence d'excitation électrique, les molécules sont couchées sur les parois et la lumière est réfléchie à l'interface paroi 34-film 32. La surface de l'écran 50 vue par l'observateur apparait donc noire. L'application d'une tension sur les segments qui composent le caractère à afficher permet, au niveau de ces segments, la réfraction de la lumière dans le cristal liquide, puis sa diffusion sur l'écran diffusant 50. Dans ce cas, les caractères affichés apparaissent en blanc sur fond noir. La surface à l'arrière de la paroi 38 peut être avantageusement recouverte d'une couche 60 réfléchissante, qui a pour rôle de renvoyer la lumière diffusée par l'écran 50 en direction de l'observateur 56, ce qui augmente le rendement lumineux du dispositif. Si une telle couche réfléchissante 60 n'existe pas, l'observation du caractère affiché peut très bien se faire par un observateur disposé en 56' et qui observe alors l'arrière de la cellule. La figure 2 n'est pas dessinée à l'échelle, l'épaisseur du film 32 étant fortement exagérée pour plus de clarté, de sorte qu'il semble exister un décalage latéral important entre le caractère composé sur l'électrode 38 et le caractère lumineux affiché sur l'écran 50. En réalité, ce décalage est insignifiant car l'épaisseur du film de cristal liquide est très faible et négligeable devant les dimensions transversales de la cellule. Les avantages du dispositif d'affichage de l'invention tiennent , d'une part, à l'utilisation de l'effet d'orientation collective qui peut être obtenu avec une faible tension d'excitation, ce qui conduit à une durée de vie élevée, mais ce qui est un avantage commun à toutes les cellules d'affichage fonctionnant suivant ce principe, et d'autre part, au grand angle de vue qui est obtenu grace à l'utilisation d'un écran diffusant, ce qui est un avantage spécifique du dispositif de l'invention. En effet, on conçoit aisément, en consultant la figure 2, que l'observateur 56 peut se déplacer par exemple jusqu'en 57 et recevoir encore la lumière diffusée par l'écran 50, alors que dans les dispositifs de l'art antérieur, l'observateur devait se placer nécessairement et de manière critique sur- le trajet des rayons lumineux ayant franchi-le film de cristal liquide. Le dispositif de l'inventi-on utilise une disposition qui rappelle celle qui est décrite dans la demande de brevet n EN 7114399 déposée le 22 avril 1971 par la demanderesse pour 1Dispositif d'adressage d'un faisceau lumineux". Dans cette demande est décrit un dispositif qui comprend un film de cristal liquide dont l'indice dépend de la différence de potentiel appliquée entre deux électrodes et qui est éclairé par un faisceau lumineux dont l'incidence est telle que, pour une première valeur de ladite différence de potentiel, l'angle d'incidence soit inférieur à l'angle limite et telle que, pour une deuxième valeur de la différence de potentiel, cet angle soit supérieur a l'angle limite, le faisceau lumineux subissant alors respectivement une réfraction ou une réflexion totale sur la première interface rencontrée. Mais dans la demande en question, il s'agit d'un dispositif de déflexion dans lequel les systèmes d'électrodes sont homogènes et excités uniformément et dans lequel on n'interrompt pas le parcours des rayons lumineux par un écran diffusant puisque la fonction remplie par ce dispositif est la déflexion et non l'affichage. Le dispositif d'affichage représenté sur la figure 2, qui fait appel aux cristaux liquides et à une diffusion de la lumière, ne doit pas être confondu avec les dispositifs d'affichage connus qui utilisent le phénomène de diffusion de la lumière par un film de cristal liquide, ce qui est un phénomène entièrement différent de celui qui est utilisé dans l'invention (orientation collective des molécules) où la diffusion de la lumière n'est pas créée au sein du cristal liquide mais sur un écran solide pouvant être éventuellement très éloigné du film de cristal liquide. On ne sortirait pas du cadre de la présente invention en disposant l'écran diffusant 50 sur la face arrière de la paroi 38, qui doit alors être transparente. On ne sortirait pas non plus du cadre de l'invention en dissociant la cellule à cristal liquide de l'écran d'affichage et en disposant celui-ci à l'arrière de la paroi de sortie 38. C'est ce qui est représenté sur la figure 3. Sur cette figure, les éléments communs avec la figure 2 portent les mêmes références, à savoir le film de cristal liquide 32 intercalé entre une première paroi 34 recouverte d'un système d'électrodes 36 et une seconde paroi 38 recouverte d'un second système d'électrodes 40, des moyens 42 pour appliquer des tensions-appropriées sur certaines des électrodes et des moyens d'illumination 44 délivrant un faisceau lumineux incident 48. Sur l'interface paroi 34-film 32, le rayonnement incident est soit réfracté en donnant naissance au faisceau 54, soit réfléchi en donnant q naissance auisceau 55. La variante de la figure 3 se distingue de celle de la figure 2 en ce que le système d'électrodes 40 est transparent, de sorte que le faisceau réfracté 54 traverse ce système, puis la paroi 38 et s'échappe de la cellule sous forme de faisceau 70. L'écran d'affichage est disposé soit sur le trajet de ce faisceau réfracté 70, ce qui est le cas de l'écran E1, soit sur le trajet du faisceau réfléchi 55, ce qui est le cas de l'écran E2. L'observateur est situé en 1 devant l'écran E1 ou en O2 devant l'écran E2. On peut distinguer encore deux cas pour décrire le fonctionnement d'un tel système selon que l'anisotropie diélectrique des molécules du cristal liquide est négative ou positive. Si l'anisotropie est négative, lorsqu'aucune tension n'est appliquée aux électrodes de la cellule, l'écran E1 est éclairé et apparat blanc à l'observateur O L'écran E2 est alors noir pour l'observateur 02. Lorsqu'on applique une tension sur les électrodes qui composent le caractère à afficher, ce caractère se trouve projeté en noir sur fond blanc sur l'écran E1 et en blanc sur fond noir sur l'écran E2. Si l'anisotropie est positive, en l'absence d'excitation, l'écran E1 est noir et l'écran E2 blanc. L'application d'une tension appropriée a pour effet de projeter sur l'ecran E1 un caractère blanc sur fond noir et sur l'écran E2 un caractère noir sur fond blanc. Tant dans le dispositif de la Fig. 3 que dans celui de la Fig. 2, il est préférable d'utiliser un polariseur 75 disposé entre la source 44 et la cellule, bien que cela ne soit pas indispensable. Si on ne polarise pas la lumière, on obtient une image sur les deux faisceaux réfracté et réfléchi et l'application d'une tension supprime l'image transmise. Dans le cas du dispositif de la figure 3, l'utilisation du polariseur 75 permet d'obtenir une image sur l'un ou l'autre des écrans E1 et E2, sans qu'il soit nécessaire d'utiliser après la cellule un analyseur comme dans l'art antérieur. Le rendement lumineux du dispositif de l'invention est donc sensiblement le double de celui des dispositifs connus de ce genre. Bien que la description ait été faite en utilisant des cristaux liquides de type nématique, il faut noter que l'on peut utiliser dans l'invention des cristaux liquides de type différent. Par-exemple, les cristaux liquides cholestériques peuvent donner les mêmes effets. L'indice d'un cristal liquide cholestérique varie en effet entre n sans champ électrique appliqué et nO sous l'action d'un champ électrique qui détruit la structure hélicoidale n + +n- du cholestérique (n = 2 e) ; si l'on opère en lumière polarisée il varie entre n sans champ électrique appliqué et lorsque e la direction de polarisation est parallèle aux premières molécules rencontrées et nO sous l'action du champ électrique. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'affichage de caractères du genre de ceux qui comprennent: - une cellule à cristal liquide constituée par un film de cristal liquide intercalé entre une première paroi transparente recouverte par un premier système d'électrodes transparentes et une deuxième paroi recouverte d'un second système d'électrodes, les formes desditesélectrodes permettant de composer lesdits caractères à afficher1 ledit cristal liquide ayant un indice de réfraction qui dépend du champ électrique qui lui est appliqué, - des moyens pour appliquer entre les électrodes de chaque système qui composent le caractère à afficher une première différence de potentiel, ou une deuxième différence de potentiel, - des moyens pour engendrer un faisceau lumineux dirigé sur ladite première paroi, caractérisé en ce que l'angle d'incidence dudit faisceau lumineux par rapport à l'interface entre la première paroi et le cristal liquide est oblique et tel que, pour ladite première différence de potentiel, cet angle est inférieur à 1 'angle limite, le faisceau pénètrant alors après réfraction dans le film de cristal liquide, et tel que, pour ladite deuxième différence de potentiel, l'angle d'incidence est supérieur à l'angle limite, le faisceau lumineux subissant alors une réflexion totale sur ladite interface et en ce qu'il comprend su outre un écran d'affichage disposé sur l'un quelconque des trajets réfractés et réfléchis empruntés par ledit faisceau lumineux 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit écran est un revêtement diffusant la lumière. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit ecran est confondu avec ledit second système d'électrodes. 4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la face arrière de ladite deuxième paroi est recouverte par une couche réfléchissante. 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit deuxième système d 1électrodes est transparent et en ce que ledit écran est disposé derrière ladite deuxième paroi également transparente, sur le trajet de la partie du faisceau lumineux qui est réfracté. 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit -écran est disposé devant ladite premiere paroi sur le trajet de la partie du faisceau lumineux qui est réfléchi. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le faisceau lumineux incident est polarisé rectilignement. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le cristal liquide appartient à la famille des cristaux nématiques.