Brevet FR2544882A1 — publié le 19841026

DISPOSITIF A CRISTAUX LIQUIDES POUR LA ROTATION CONTINUE DE LA POLARISATION SELECTIVE D'UNE LUMIERE MONOCHROMATIQUE La présente invention concerne un dispositif à cristaux liquides pour la rotation continue de la polarisation sélective d'une lumière monochromatique. Les dispositifs à cristaux liquides nématiques sont connus et sont normalement utilisés dans les unités d'affichage Ils sont essentiellement fondés sur le phénomène dénommé biréfringence commandée électriquement (BCE), c'est-à-dire sur la propriété qu'a un champ électrique convenablement orienté de faire tourner la molécule nématique qui possède une anisotropie diélectrique En pratique, la lumière qui traverse un cristal nématique rencontre un indice de réfraction différent conformément au champ appliqué Si le cristal orienté uniformément est placé entre des polariseurs mutuellement orthogonaux, la lumière polarisée qui le traverse subit un effet "ON-OFF" en fonction du champ électrique appliqué. Cependant, ces dispositifs à cristaux liquides nématiques ne permettent pas une variation continue de polarisation, mais seulement des variations brusques qui sont d'amplitude limitée De plus, ils ne permettent-pas la formation d'unités d'affichage en couleur. En addition aux cristaux liquides nématiques, les cristaux liquides cholestériques sont également connus, ces derniers ayant un ordre hélicoldal dans l'espace, outre leur ordre d'orientation dans le plan A présent, les cristaux liquides cholestériques sont utilisés pour leur propriété de faire varier continûment leur couleur en fonction de la température et, pour cette raison, ils ont été appliqués jusqu'à ce jour, pratiquement seulement au domaine thermométrique. La présente invention est fondée sur l'utilisation d'une relation entre le pouvoir rotatoire d'une mixture cholestérique dans la bande de dispersion et le champ électrique appliqué à cette mixture elle-même, et sur le comportement sélectif de cette relation, en ce sens que le pouvoir rotatoire en fonction de la tension appliquée varie quand la longueur d'onde de la lumière transmise varie On a découvert d'une façon surprenante que la rotation de la polarisation peut être commandée 2- par de très basses tensions, de l'ordre de 2 volts, et qu'en partant de ces valeurs de tension, la relation entre l'angle de rotation de polarisation et ladite tension est linéaire. Le dispositif à cristaux liquides pour la rotation continue de la polarisation sélective d'une lumière monochromatique conformément à l'invention qui fait une application avantageuse de ces propriétés est caractérisé en ce qu'il comprend: une mixture cholestérique avec une anisotropie diélectrique positive; une paire de plaques de verre qui sont rendues conductrices sur la surface en contact avec la mixture disposée en elles, et sont traitées pour donner une orientation plane à cette mixture; une tension appliquée entre ces deux plaques de verre; et un polariseur de lumière d'entrée qui est appliqué à l'une des deux plaques de verre. Avantageusement, le dispositif conforme à l'invention peut utiliser une mixture cholestérique ayant la composition en poids suivante Chlorure de cholestéryl 31,0 à 31,5 Z de préférence 31,2 % Carbonate de d'oléyl cholestéryl 47,3 à 48,0 Z de préférence 47,7 % Nonanoate de cholestéryl 20,5 à 21,7 % de préférence 21,1 % Conformément à l'invention, la surface des plaques du verre qui est en contact avec la mixture cholestérique peut recevoir un dép 6 t d'indium ou de dioxyde d'étain. En vue d'obtenir l'orientation plane de la mixture cholestérique, la surface conductrice des plaques de verre peut recevoir une évaporation oblique d'oxyde de silicium ou un dépôt d'une solution de silane. Une application avantageuse du dispositif conforme à l'invention peut consister en un rotateur de polarisation comprenant ledit dispositif, un dispositif de commande de température et un variateur pour la tension continue appliquée entre les deux plaques de verre. -3- Une autre application avantageuse du dispositif conforme à l'invention peut consister en une unité d'affichage comprenant ledit dispositif, un filtre de couleur appliqué au polariseur d'entrée et un analyseur de la lumière polarisée qui traverse la mixture cholestérique. Dans une réalisation modifiée de cette seconde application, l'unité d'affichage en couleur peut comprendre le dispositif rotateur conforme à l'invention, un filtre coloré appliqué au polariseur d'entrée et une surface réfléchissante prévue sur l'autre plaque de verre. La présente invention va être clarifiée ci-après d'après des exemples de réalisation préférés et quelques applications en relation avec les dessins annexés dans lesquels: la Fig 1 est une section sous la forme d'un diagramme d'un dispositif conforme à l'invention; la Fig 2 est une section sous la forme d'un diagramme d'un dispositif fixé à un porte- échantillon à température commandée; la Fig 3 est un graphe montrant la variation de la longueur d'onde À O correspondant au minimum de la lumière transmise, quand la température T varie; - la Fig 4 est un graphe montrant la variation de la valeur de À O quand la tension appliquée V varie; la Fig 5 est un graphe montrant la variation de l'angle de polarisation R de la lumière émergente quand la tension appliquée V varie; et la Fig 6 est un graphe montrant la variation de l'intensité de la lumière transmise imax quand la tension appliquée V varie. Comme on peut le voir sur la Fig 1, le dispositif conforme à l'invention comprend essentiellement une mixture cholestérique 1 avec une anisotropie diélectrique positive Ladite mixture constitue le cristal liquide et est formée de chlorure de cholestéryl, de carbonate d'oléyl cholestéryl et de nonanoate de cholestêryl, et est disposée entre deux plaques de verre conductrices 2, 2 ' qui sont espacées mutuellement par des pièces d'écartement 3, par exemple en mylar, et ont leurs surfaces conductrices en contact avec la mixture cholestérique 1 traitées de façon à favoriser l'orientation plane de ladite mixture. La Fig 2 représente un "sandwich" formé par les deux plaques de verre 2, 2 ' avec la mixture cholestérique 1 et les pièces d'écartement 3 4- disposées entre elles dans un environnement 4 à température commandée. Les plaques de verre 2, 2 ' sont connectées à une source de tension continue 5 par l'intermédiaire d'une résistance de régulation 6. Le fonctionnement du dispositif conforme à l'invention est fondé sur l'observation des phénomènes suivants: à la température ambiante, la réponse spectrale du système présente un minumum de la lumière transmise pour une certaine longueur d'onde À, et, quand cette température T s'acrroît, la valeur de la longueur d'onde À s'accroit, selon une relation sensiblement linéaire (voir Fig 3); quand la tension appliquée V s'accroit, à partir d'une certaine valeur limite basse ( 2 volts), la valeur À s'accroit, avec une relation sensiblement linéaire (voir Fig 4), si une lumière monochromatique de longueur d'onde À O est appliquée au système, la polarisation de la lumière émergente se trouve avoir tourné d'un angle R dont la valeur augmente quand la tension appliquée V augmente à partir d'une certaine valeur limite basse ( 2 volts), avec une rotation sensiblement linéaire (voir Fig 5) En outre, la pente de la courbe qui exprime cette relation varie quand la longueur d'onde À varie et atteint sa valeur maximale pour À = Ào; quand la tension appliquée V augmente à partir d'une certaine valeur limite basse ( 2 volts), l'intensité de la lumière transmise i augmente avec une relation sensiblement linéaire (voir Fig 6). En vertu de la mise en pratique de ces phénomènes, le dispositif conforme à l'invention est bien adapté à des applications particulières avantageuses parce: qu'il permet au plan de polarisation de la lumière incidente de tourner continûment quand la tension appliquée V varie; qu'il est sélectif en ce sens que pour chaque température il y a une certaine longueur d'onde À pour laquelle l'angle de rotation R de la polarisation varie fortement avec la tension appliquée V, tandis que pour d'autres longueurs d'onde À, la variation de l'angle de rotation R est minimale qu'il a une haute sensibilité en fonction de la tension appliquée V. L'exemple suivant va rendre encore plus claire l'invention. - Une mixture cholestérique est préparée avec la composition en poids suivante: Chlorure de cholestéryl 31,2 % Carbonate d'oléyl cholestéryl 47, 7 % Nonanoate de cholestéryl 21,1 % Cette mixture cholestérique est disposée entre deux plaques de verre conductrices 2, 2 ' mutuellement espacées de 9 pm au moyen de pièces d'espacement en mylar 3 La surface des plaques de verre 2, 2 ' en contact avec la mixture cholestérique 1 est rendue conductrice au moyen d'un dépôt d'indium 7 bien que des résultats également favorables puissent être obtenus au moyen d'un dép 6 t de dioxyde d'étain. En vue d'obtenir une bonne orientation plane de la mixture cholestérique 1, les plaques de verre, 2, 2 ' sont plusieurs fois immergées dans une solution à 1 % d'un polymère surfactant de la famille des silanes (par exemple le MAP-E de CRISSO Corporation) Après chaque immersion, les plaques de verre 2, 2 ' sont frottées mécaniquement (méthode de vulcanisation de Chatelin), et à la fin du traitement, elles sont placées dans un four à une température de 1000 C pendant une durée d'une heure Le résultat de ce traitement est la formation d'une couche 8 adhérant à la surface des plaques conductrices 2, 2 ' et comprenant une pluralité de micro-canaux qui impose une certaine orientation aux molécules de la mixture 1 Cette dernière est introduite entre les plaques de verre 2, 2 ' par capillarité dans une phase isotropique à la température approximative de 50 'C. Le "sandwich" formé de cette manière est fixé dans un porte échantillon 4 à commande électrique de température (voir Fig 2) Les plaques de verre 2, 2 ' sont connectées aux bornes d'une batterie 5 de 7,5 volts par un potentiomètre 6 en parallèle avec elle Deux polariseurs croisés 9, 9 ' sont appliqués à l'extérieur contre les deux plaques de verre 2, 2 ' et un faisceau de lumière monochromatique de longueur d'onde réglable est dirigé de façon à frapper orthogonalement la surface du polariseur d'entrée 9. Une pointe de réflectivité pour À = 740 nm a été mesurée à 240 C. Puis, établissant une lumière incidente ayant une longueur d'onde A de 745 nm, la tension appliquée est progressivement modifiée de O V à 6 V La 6 - Fi S 5 montre la variation de l'angle de rotation optique R R de la polarisation induite sur le champ électrique de la lumière polarisée linéairement (l'angle R correspond à une tension nulle) Cette variation montre que jusqu'à 3 V, la rotation optique demeure sensiblement constante, tandis que pour des tensions comprises entre 3 V et 6 V, il y a une rotation continue et réversible du plan de polarisation de la lumière d'environ 45 . Quand la longueur d'onde X de la lumière incidente varie, des courbes analogues sont obtenues avec un seuil qui est toujours aux alentours de 3 V mais avec différentes pentes conformément à la valeur de l À O (voir Fig 5). D'autres tests ont été conduits en faisant varier la température T et en observant comment cette variation conduisait à une variation de À O (voir Fig 3) tout en obtenant pour chaque température et par suite pour chaque l,, un diagramme analogue à celui donnant l'angle de rotation R R O en fonction de la tension appliquée V. Finalement, d'autres tests furent conduits en vue de mesurer la valeur de l'intensité imax de la lumière transmise en fonction de la tension fournie V et les résultats de ces tests sont représentés dans la Fig 6. En vertu de ces caractéristiques, le dispositif conforme à l'invention est adapté à de nombreuses applications pratiques et en particulier, à un usage en tant que rotateur de polarisation de laboratoire et en tant qu'unité d'affichage. ROTATEUR DE POLARISATION DE LABORATOIRE Dans cette application, le dispositif conforme à l'invention exige un dispositif de commande de température 4 Quand la température pour laquelle le dispositif est commandé, varie, la longueur d'onde X de la lumière incidente varie également, si bien que le dispositif présente un pouvoir rotatoire marqué Quand la tension V appliquée varie, le plan de polarisation de la lumière transmise à cette longueur d'onde tourne Par exemple, si l'on désire obtenir deux faisceaux lumineux ayant la même direction mais différents en longueur d'onde, afin de les traiter indépendamment, la température opératoire est choisie à la valeur qui rend la couche 1 sensible à la longueur d'onde de l'un des deux faisceaux, et en faisant varier la tension V, le plan respectif de -7- polarisation tourne relativement à l'autre plan qui reste pratiquement insensible à cette variation de tension. De cette manière, on obtient un instrument qui permet de faire varier l'angle entre deux plans _ de polarisation en faisant varier simplement la tension, sans avoir à utiliser la rotation réelle du polariseur comme dans le passé. UNITE D'AFFICHAGE EN COULEUR Dans ce cas o il n'est pas nécessaire d'utiliser le dispositif de commande de température 4, un polariseur coloré (polariseur d'entrée 9 + filtre) et un analyseur (polariseur de sortie 9 ') sont associés respectivement avec les deux plaques de verre 2, 2 '. La lumière incidente polarisée et colorée qui traverse le polariseur d'entrée 9 est faite tourner par la mixture cholestérique 1 en l'absence de tension appliquée, et peut être transmise ou non selon la façon dont l'analyser 9 ' est arrangé Dans le premier cas, quand une tension est appliquée au dispositif, induisant ainsi une rotation supplémentaire du plan de rotation de la lumière, la lumière transmise décroît quand la tension augmente Par contraste, dans le second cas, elle augmente Il s'ensuit qu'en utilisant des masques convenables (par exemple des matrices à sept segments), la tension qui commande les segments individuels détermine le fait qu'il transmet ou non de la lumière. Dans une réalisation différente non représentée sur les figures, l'analyseur 9 ' est remplacé par un miroir qui provoque une seconde traversée de la couche de mixture cholestérique-1 par la lumière et fait que le polariseur d'entrée agit également comme analyseur Dans ce cas, l'épaisseur de la couche de mixture cholestérique 1 est choisie de façon que le double passage de la lumière à travers la couche fait que la lumière, ou est transmise ou n'est pas transmise comme dans le cas précédent. Au lieu d'appliquer le miroir sur la plaque de verre 2 ', il est également possible de remplacer cette plaque de verre par le miroir. La présente invention a été illustrée et décrite selon une réalisation préférée et selon quelques applications avantageuses, mais des modifications et d'autres applications sont possibles en pratique sans sortir du domaine de protection de la présente demande de brevet. 8 - Re v e N di c a t i on s 1 Un dispositif à cristaux liquides pour la rotation continue de la polarisation sélective d'une lumière monochromatique, caractérisé en ce qu'il comprend: une mixture cholestérique ( 1) avec une anisotropie diélectrique positive; une paire de plaques de verre ( 2, 2 ') qui sont rendues conductrices sur leur surface en contact avec la mixture ( 1), disposée entre elles et qui sont traitées pour fournir une orientation plane à cette mixture; une source de tension appliquée entre les deux plaques de verre ( 2, 2 '); et un polariseur de lumière d'entrée ( 9) appliqué à l'une des deux plaques de verre ( 2). 2 Un'dispositif conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que des pièces d'espacement ( 3) sont disposées entre les deux plaques de verre ( 2, 2 '). 3 Un dispositif conforme aux revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les pièces d'espacement ( 3) sont faites en mylar. 4 Un dispositif conforme à la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est muni d'un dispositif de commande de température 4. Un dispositif conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que la mixture cholestêrique ( 1) a la composition suivante en poids: Chlorure de cholestéryl 31,0 à 31,5 % Carbonate d'oléyl cholestéryl 47,3 à 48,0 % Nonanoate de cholestéryl 20,5 à 21,7 %. 6 Un dispositif conforme aux revendications 1 et 5, caractérisé en ce que la mixture cholestérique 1 a la composition suivante en poids: Chlorure de cholestéryl 31,2 % Carbonate d'oléyl cholestéryl 47,7 % Nonanoate de cholestéryl 21,1 % 7 Un dispositif conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que la surface des plaques de verre ( 2, 2 ') qui est en contact avec la mixture cholestérique ( 1) reçoit un dépôt d'indium ( 7). 9 - 8 Un dispositif conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que la surface des plaques de verre ( 2, 2 ') qui est en contact avec la mixture cholestérique ( 1) reçoit un dép 8 t de dioxyde d'étain. 9 Un dispositif conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que la surface des plaques de verre ( 2, 2 '), qui est rendue conductrice, reçoit une évaporation oblique de dioxyde de silicium. Un dispositif conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que la surface des plaques de verre ( 2, 2 ') qui est rendue conductrice reçoit un dépôt de solution de silane. 11 Un rotateur de polarisation, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif conforme à l'une ou à plusieurs des revendications 1 à 10, un dispositif de commande de température ( 4) et un variateur ( 6) pour la tension continue ( 5) appliquée entre les deux plaques de verre ( 2, 2 '). 12 Une unité d'affichage coloré, caractérisée en ce qu'elle comprend un dispositif conforme à l'une ou plusieurs des revendications 1 à 10, un filtre de couleur appliqué au polariseur d'entrée ( 9) et un analyseur ( 9 ') pour la lumière polarisée qui traverse la mixture cholestérique ( 1). 13 Une unité d'affichage conforme à la revendication 12, caractérisée en ce qu'elle comprend un dispositif conforme à l'une ou plusieurs des revendications 1 à 10 qui possède un polariseur coloré ( 9) appliqué à la plaque de verre ( 2). 14 Une unité d'affichage coloré conforme à la revendication 12, caractérisée en ce que l'analyseur ( 9 ') est appliqué à la plaque de verre ( 2 '). Une unité d'affichage coloré conforme à la revendication 12, caractérisée en ce qu'elle comprend une surface réfléchissante appliquée à l'autre plaque de verre ( 2 '), l'analyseur étant constitué par le polariseur d'entrée ( 9).