Brevet FR2580105A1 — publié le 19861010

Cellule d'affichage à cristaux Liquides nématiques du type réf Lectif à biréfringence contrôLée éLectriquement permettant d'améLiorer L'éclairement de L'affichage La présente invention concerne une cellule d'affichage à cristaux Liquides nématiques du type réflectif à biréfringence contrôlée électriquement permettant d'améliorer L'écLairement de L'affichage. L'invention s'applique aux cellules d'affichage à cristaux Liquides nématiques à bi réfringenee contrôlée électriquement utilisés par exemple comme convertisseurs d'informations électriques en informations optiques notamment -dans Les systèmes d'affichage pour montres, calculateurs, appareiLs de mesure et en périinformatique. Les celLuLes à cristaux Liquides nématiques du type réflectif à biréfringence contrôlée éLectriquement sont connues. Une telle celLuLe est représentée sur La figure 1. Une cellule à cristaux Liquides nématiques du type réflectif à biréfringence contrôLée eLectriquement comprend deux plaques de verre 1, 3 maintenues écartées par un joint de scellement 9, et entre lesquelles est intercalée une couche de cristal Liquide nématique 11. Sur les faces internes de ces plaques 1, 3 sont déposées respectivement une électrode de type métallique 5 et des électrodes transparentes 7. Un polariseur rectiligne 13 est situe sur La face externe de la plaque de verre supérieure 3. L'éLectrode métallique 5 est optiquement réflectrice, elle réfléchit la lumière incidente 20 qui est préalablement poLarisée par le poLariseur 13 puis transmise par la plaque de verre 3 et Les électrodes transparentes 7. Lorsque la cellule est au repos, c'est-à-dire lorsqu'aucun champ électrique n'est appliqué entre les électrodes 5,7, les molécules de cristal Liquide 11 s'orientent de façon à être paralLèles à une même direction, perpendiculaire aux surfaces formées par les élec- trodes 5, 7, appelée direction d'homéotropie. Lorsqu'une tension électrique appropriée est appliquée aux electrodes 5, 7 de La cellule, les molécu- Les de cristal Liquide s'orientent toutes, suivant une ne direction formant un angle x avec la direction d'homéotropie. L'effet de biréfringence contrôLée électriquement consiste donc à visualiser La rotation de la direction d'orientation des moLécuLes de cristal liquide sous L'effet d'un champ éLectrique, par La variation de La biréfringence du cristaL Liquide induite par cette rotation. Les cellules de ce type présentent L'inconvénient d'offrir un contraste dégradé Lorsqu'eLLes sont observées obtique.ent et ce d'autant ptus que L'angle d'observation est important. Pour pallier à cet inconvénient, on compense de façon connue La biréfringence liée à la structure de ces celLuLes, en associant au polariseur 13 une Lame à retard disposée entre La plaque de verre supérieure'3 et Le polariseur 13, et en introduisant une couche de cristal liquide 11 d'épaisseur déterminée. L'association d'une lame à retard, généralement quart d'onde, à un polariseur rectiLigne permet d'obtenir une polarisation quasi-circulaire de la lumière poLarisée rectilignement par le polariseur et inversement. Ainsi une onde Lumineuse polarisée quasi-circulairement après son passage dans l'ensemble polariseur-lame à retard, traverse La couche de cristal liquide une première fois, elle est réfléchie par l'électrode métallique, puis retraverse la couche de cristal liquide en sens inverse. L'épaisseur de la couche de cristaL Liquide a été choisie telle que l'on observe, lorsque La cel-lule n'est pas excitée, une extinction totale des ondes iumi- neuses polarisées quasi-circulairement traversant La couche de cristal liquide avant et après réflexion. Cette extinction a lieu pour des ondes lumineuses pénétrant dans la cellule aussi bien avec un angle d'incidence nul que non nul, angle considéré par rapport à la direction d'homéotropie. Lorsque la cellule est excitée, la polarisation quasi-circulaire de l'onde lumineuse traversant ta couche de cristal liquide est inversée lors de son passage dans celle-ci avant réflexion, puis elle est à nouveau inversée lors de son passage, après réflexion sur L'électrode métallique. Dans ce cas, l'onde est transmise par l'ensemble lame à retard-potariseur et émerge de la cellule avec une polarisation rectiLigne identique à celle de l'onde incidente polarisée par ce polariseur. L'épaisseur particuLière de la couche de cris- tal liquide est déterminable par L'homme de L'art. A titre indicatif pour une lame quart d'onde permettant d'obtenir une polarisation quasi-circulaire, on peut choisir un cristal liquide dans la famille des bases de SCHIFF et réaliser une couche de cristal Liquide d'une épaisseur de l'ordre de 5 pm dont l'anisotropie optique est égale à 0,2. La compensation de la biréfringence obtenue par l'association d'une lame à retard au poLariseur et par la réalisation d'une couche de cristal liquide d'épaisseur déterminée, permet d'obtenir un contraste élevé dans la visualisation d'un affichage dans la cel Lu Le. On connait également un deuxième type de cellule d'affichage à cristaux liquides nématiques utilisant l'effet de biréfringence. La figure 2 représente schématiquement une telle cellule, du type "å nématiques en hélice" en mode réflectif. Cette cellule comprend une couche de cristal liquide nématique 11 intercalée entre deux plaques de verre 1, 3 en regard et maintenues écartées par un joint de scellement 9. Sur les faces internes des plaques 1, 3 sont disposées des éLectrodes transparentes 2, 7. Deux polariseurs 13, 15 rectilignes croisés sont disposés de part et d'autre des deux ptaques de verre 1, 3. Une couche métalLique 17 notamment en aluninium est déposée sur La face arrière de la cellule, sur Le polariseur 15 ; cette couche 17 constitue le fond réflecteur de la cellule. Les différents éléments : plaques de verre 1, 3 ; potariseurs 15, 13 et fond réflecteur 17 sont collés les uns sur les autres. Dans ce type de cellule, ta couche de cristal liquide Il est disposée de façon à ce qu'en L'absence de champ électrique les molécuLes qui la composent aient une disposition parallèle à La surface interne des plaques et une structure hélicoidale tandis qu'en présence d'un champ électrique, Les molécules soient toutes pa rallèles à la direction d'homéotropie. Les cellules à cristaux Liquides du deuxième type qui viennent d'être décrites en se référant à La figure 2 sont1 parmi les cellules connues, celles dont la structure se rapprochent le plus de celle des ceLlu- les de la présente invention. C'est pour cette raison que l'on a rappelé leur existence ici, mais il faut toutefois noter qu'ils utilisent des cristaux du type "né- matique à hélice" qui ne sont pas compatibles avec le perfectionnement qu'apporte L'invention. Pour éviter une dépolarisation d'une onde lumineuse incidente lors de sa réflexion dans une cellule fonctionnant en mode réflectif, on utilise de façon connue comme réflecteur optique, une couche mince métallique déposée sous vide et ayant subi un recuit, donnant à cette couche une granulométrie de L'ordre de 1 à 1,5 jjm. Une telle couche permet de diffuser de la lumière incidente par son aspect mat et de conserver La polarisation de l'onde incidente. L'invention a pour but de réaliser une cellule d'affichage à cristaux Liquides nématiques en mode ré- flectif à biréfringence contrôlée électriquement, permettant d'améliorer la luminance de ce type de cellule. L'invention a pour objet une cellule d'affichage à cristaux Liquides nématiques du type réflectif, à biréfringence contrôlée électriquement, comprenant une couche de cristal liquide intercalée entre deux plaques de verre maintenues écartées par un joint de scel lement et entre lesquelles sont déposées des électrodes. Cette cellule est caractérisée en ce qu'elle comprend en outre deux lames à retard déposées de part et d'autre des plaques de verre, un polariseur déposé sur la lame à retard inférieure de La ceLluLe, un fond réflecteur déposé sur ce polariseur et un deuxième polariseur situé dans un plan au-dessus du plan formé par la lame à retard supérieure de la cellule et incliné d'un angle par rapport à celui-ci. Selon un mode préféré de réalisation d'une cellule d'affichage conforme à L'invention, l'angle est compris entre 200 et 300. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre donnée à titre purement illustratif et non limitatif en référence à La figure 3 annexée qui fait suite aux figures 1 et 2, dans lesquelles : - la figure 1, déjà décrite, représente schématiquement une cellule d'affichage à cristaux liquides nématiques à biréfringence contrôlée électriquement, - la figure 2, déjà décrite, représente schématiquement une cellule d'affichage à cristaux liquides du type à "nématiques en helice", - ta figure 3, représente schématiquement une cellule d'affichage à cristaux liquides conforme à l'invent ion. Sur la figure 3 est représentée schématiquement une cellule d'affichage à cristaux liquides conforme à L'invention. Cette cellule comprend une couche de cristal Liquide 11 intercalée entre deux plaques de verre 1, 3 maintenues écartées par un joint de scellement 9. Sur La face interne de ces plaques de verre 1, 3 sont disposées des électrodes transparentes 2, 7 et sur Leur face externe, des lames à retard 19, 21. Dans le reste du texte, on appellera lame à retard supérieure La lame la plus proche d'un observateur regardant la cellule, et lame à retard inférieure, celle La plus éloignée de celui-ci. Un polariseur 15 est déposé sur la face externe de la lame à retard 19 inférieure de La cellule et un fond réflecteur 17 est déposé sur ce polariseur 15.Un deuxième polariseur 14 est disposé dans un plan au-dessus du plan formé par la lame à retard 21 supérieure de la cellule et incliné d'un angle a par rapport à celuici. Le polariseur 14 est L'élément de La cellule Le plus près de l'observateur. Les différents éléments, plaques de verre 1, 3, lame à retard.19, 21, polariseurs 15 et fond réflecteur 17 sont collés Les uns sur les autres. Par contre, le polariseur 14 n'est pas en contact avec ces éléments, il est maintenu dans son plan incliné grâ- ce à un verre de protection placé au-dessus de ce qui ci ; le polariseur 14 est collé au verre de protection, lui-même solidaire d'un boitier contenant La cellule. Les lames à retard 19, 21 utilisées sont généralement des lames quart d'onde qui polarisent quasicirculairement une onde rectiligne les traversant et les polariseurs 14, 15 sont des polariseurs rectilignes. Les lames à retard 19, 21 et les polariseurs 14, 15 sont disposés de façon à ce que les couples polariseur 14 lame à retard 21 et polariseur 15-lame à retard 19 soient complémentaires, c'est-à-dire croisés. Ainsi, on peut disposer par exemple te couple polariseur 14-lame à retard 21 de façon à obtenir une polarisation quasi-circulaire gauche d'une onde incidente traversant ce couple et disposer Le coupte potari- seur 15-lame à retard 19 de façon à obtenir une polari- sation quasi-circulaire droite d'une onde incidente te traversant-. On utilise en outre une couche de cristal qui de al d'épaisseur déterminée permettant comme on t'a vu précédemment de compenser La biréfringence du cristal liquide. Le fond réflecteur 17 comprend une couche me- tallique ayant subi un recuit pour qu'il permette de conserver la polarisation d'une onde polarisée rectitignement se réfléchissant sur celui-ci et de diffuser de la Lumière. La suite de la description permet de comprendre Le fonctionnement d'une cellule conforme à l'inven- tion. L'inclinaison du polariseur 14 permet de Laisser rentrer dans la cellule des ondes lumineuses 20 arrivant sur celle-ci avec un angle d'incidence non nuL, par les côtés arrières et latéraux de la cellule sans traverser le polarisateur 14 ; ces ondes ne sont pas polarisées à l'entrée de La cellule par te polariseur 14 et ne sont donc pas atténuées par la traversée de ce qui ci. Par contre, les ondes lumineuses 20 pénétrant dans la cellule par le polariseur 14 sont polarisées. rectilignement et sont atténuées par rapport aux ondes non po Polarisées. Lorsque la cellule n'est pas excitée, une onde incidente 20 pénétrant dans celle-ci par le polariseur 14 est polarisée rectilignement par celui-ci puis quasi circulairement par la lame à retard 21. Cette onde quasi-circuLaire traverse alors la couche de cristal liquide Il puis la lame à retard 19 et le polariseur 15 dans lequel elle est absorbée. Cette absorption est due à la complémentarité du couple potariseur 15-lame à retard 19 avec Le premier couple polariseur 14-laze à retard 21. Lorsqu'une onde incidente 20 pénètre dans la cellule non excitée sans traverser te polariseur 14, elle est polarisée rectilignement par le polariseur 15 après avoir traversé Les lames à retard 19, 21 et La couche de cristaL liquide 11. Cette onde polarisée rec titignement est réfléchie par Le fond réflecteur 17 en conservant sa polarisation. Elle traverse alors en sens inverse Le couple polariseur 15-lame à retard 19 qui ta transforme en une onde quasi-circulaire puis la couche de cristal Liquide 11 et enfin La Lame à retard 21 et Le potariseur 14 dans LequeL elle est absorbée. L'absorption de L'onde 20 est due égaLement à La complémentarité des deux couples potariseurs-lames à retard. Ainsi, quelle que soit l'incidence de L'onde lumineuse 20 pénétrant dans La celLule non excitée, elle sera absorbée qu'elle traverse ou non le polariseur 14, du fait de L'épaisseur particulière de la couche de cristaL Liquide 11 et de la complémentarité des deux couples polariseurs-lames à retard. La cellule restera donc éteinte. En revanche, lorsque la cellule est excitée, une onde incidente 20 pénétrant dans celle-ci par le polariseur 14 est transformée en onde quasi-circulaire par la lame à retard 21. Cette onde traverse une première fois la couche de cristal Liquide dans laquelle sa polarisation s'inverse puis Le couple polariseur 15-lame à retard 19 avant et après réflexion sur le fond réflec- teur 17. Cette onde n'est pas absorbée par le polariseur 15 du fait de l'inversion de polarité subie par celle-ci dans le cristal Liquide, avant son premier passage dans le polariseur 15. Lors de son deuxième passage dans la couche de cristal liquide 11, La polarisation de l'onde s'inverse à nouveau et traverse donc La Lame à retard 21 et le polariseur 14 sans etre absorbée par celui-ci. Lorsqu'unie onde incidente 20 pénètre dans la cellule excitée sans traverser Le polariseur 14, elle est polarisée rectilignement par Le polariseur 15 puis réfléchie par le fond réflecteur 17 en conservant sa polarisation. Elle retraverse alors le couple polariseur 15-lame à retard 19 qui la polarise quasi-circulairement. Lors de son deuxième passage dans la couche de cristal liquide 11, la polarisation de L'onde s'inverse, elle passe donc à travers la lame à retard 21 et le polariseur 14 sans qu'elle soit absorbée par celui-ci. Ainsi, quelle que soit L'incidence de t'onde lumineuse 20 pénétrant dans la cellule excitée en traversant ou non le polariseur 14, du fait de l'épaisseur particulière de la couche de cristal liquide Il et de la complémentarité des deux couples polariseurs-lames à retard, cette onde ressortira du polariseur 14 avec une absorption minimale. De plus, les ondes incidentes non polarisées par le polariseur 14 n'ayant pas subi la traversée de celui-ci avant réflexion sur le fond réflecteur 17, sont moins atténuées, elles renforcent de ce fait la luminance de la cellule et donc Les contrastes. L'utilisation d'un polariseur 14 incliné d'un angle par rapport à l'ensemble de La cellule permet d'améliorer L'éclairement de l'affichage dans la cellule, d'un ordre de 2X. L'angle d'inclinaison dépend de la position de lecture supposée de l'observateur par rapport à la cellule. il est généralement de l'ordre de 200 à 30". REVENDICATIONS 1. Cellule d'affichage à cristaux Liquides né- nautiques du type réflectif à biréfringence contrôlée électriquement comprenant une couche de cristal liquide (11) intercaLée entre deux plaques de verre (1, 3) maintenues écartées par un joint de scellement (9) et entre lesquelLes sont déposées des éLectrodes (2, 7), caracterisée en ce qu'elle comprend en outre deux lames à retard (19, 21) déposées de part et d'autre des plaques de verre (1, 3), un polariseur (15) déposé sur la lame à retard inférieure (19), un fond réflecteur (17) déposé sur ce polariseur (15), et un deuxième polariseur (14) situé dans un plan au-dessus du plan formé par La Lame à retard supérieure (21), et incliné d'un angle par rapport à celui-ci. 2. Cellule d'affichage selon la revendication 1, caractérisée en ce que L'angle a est compris entre 20- et 304.