Brevet FR2578064A1 — publié le 19860829

OBTURATEUR DE LUMIERE A CRISTAUX LIQUIDES La présente invention se rapporte à un obturateur de lumière à cristaux liquides capable de commander la transmission de la lumière et plus particulièrement elle se rapporte à un obturateur de lumière à cristaux liquides convenant à un dispositif d'enregistrement dans lequel une écriture lumineuse est appliquée au tambour photosensible. On a développé et utilisé récemment à la place des imprimantes à impact du type à impression mécanique une imprimante qui utilise la technique électrophotographique pour obtenir une impression à grande vitesse. Des faisceaux lasers, des arrangements de diodes électrolumi- nescentes, des obturateurs de lumière à cristaux liquides et analogues ont été proposés en tant que moyens d'écriture lumineux pour la matière photosensible. Dans le cas de l'imprimante qui emploie l'obturateur de lumière à cristaux liquides, il n'est pas besoin de parties fonctionnant mécaniquement pour obtenir l'écriture lumineuse, cette imprimante peut être réalisée comme un dispositif fonctionnant à l'état solide et on peut utiliser une source lumineuse qui corresponde à la longueur d'onde sensible du matériau photosensible. Du fait qu'il est nécessaire que cet obturateur de lumière à cristaux liquides ait une vitesse de réponse élevée au moment de l'ou- verture et de la fermeture dudit obturateur, un entraînement du genre dit "à deux fréquences" est utilisé comme procédé de commande des cristaux liquides. Dans le cas o la commande de l'obturateur de lumière à cristaux liquides se fait par une commande à deux fréquences, on applique un champ électrique qui comporte une composante de fréquence (qui sera ci-après désignée par fH) supérieure à une fréquence de croisement (à laquelle l'anisotropie diélectrique de la matière des cristaux liquides est inversée et qui sera ci-après référencée comme fc) pour obtenir la dispersion diélectrique et qui est à l'origine d'un alignement homogène lorsque l'obturateur de lumière à cristaux liquides qui sera décrit plus tard est fermé tandis qu'un champ électrique qui comprend une composante de fréquence (qui sera ci-après représentée par fL) inférieure à fC est appliquée pour imposer a la direction du champ électrique un alignement homéotropique lorsque l'obturateur de lumière à cristaux liquides qui sera décrit plus tard est ouvert. Les caractéristiques optiques de l'obturateur a cristaux liquides du type "Guest-Host", dans lequel est contenu un colorant dichroTque, seront décrites en référence aux figures 1A, lB et aux figures 3A, 3B. Les figures 1A et lB montrent une cellule à cristaux liquides du type "Guest-Host" ou "invité-hôte" (qui sera ci-après indiqué par type G.H.). La cellule a cristaux liquides du type G.H. comporte la mise en solution du colorant dichroTque, qui sert comme hôte dans le cristal liquide qui sert de receveur. La lumière incidente 1 provenant d'une source lumineuse qui a la même longueur d'ondes que la longueur d'ondes d'absorption du colorant dichroTque est polarisée linéairement par une plaque de polarisation 2 qui a une direction de polarisation 2a pour être transformée en lumière 3 qui entre dans une cellule a cristaux liquides 4. La cellule à cristaux liquides 4 comprend des molécules de cristaux liquides 5 et des molécules de colorant dichrolque 6 dont les directions d'alignement sont modifiées par l'application des fréquences fL ou fH. Du fait que les molécules 6 de colorant dichroTque absorbent plus de lumière dans la direction de leurs grands axes que dans la direction de leurs petits axes, la lumière polarisée linéairement 3 qui a pénétré dans la cellule à cristaux liquides 4 est absorbée en n'émettant pas de lumière 7 vers l'extérieur dans le cas o les molécules de cristaux liquides 5 et les molécules de colorant dichroTque 6 sont alignées comme indiqué à la figure 1A. C'est pourquoi cela correspond à un état fermé lorsque cette cellule est utilisée comme obturateur de lumière à cristaux liquides. Lorsque les molécules de cristaux liquides 5 et les molécules de colorant dichrolque 6 sont alignées de la manière représentée à la figure lB pour ne pas absorber la lumière incidente 3, la lumière 7 est émise vers l'extérieur. Ceci correspond à l'état ouvert lorsque cette cellule est utilisée comme obturateur de lumière à cristaux liquides. Cependant, pour obtenir une vitesse de réponse élevée, l'obtura- teur de lumière à cristaux liquides décrit ci-dessus est utilisé pendant qu'on le maintient dans un état chauffé et qu'il présente, ainsi, une viscosité réduite. En outre, on le commande par une onde de commande dans laquelle sont contenues de nombreuses composantes à haute fréquence de tension élevée comme représenté par 31 à la figure 7A, par exemple, au moment de son arrêt. Les molécules de cristaux liquides 5 ne sont pas complètement alignées parallèlement à la direction du traitement d'alignement de la cellule à cristaux liquides 4 dans ces conditions. C'est pourquoi, les molécules de colorant dichroTque 6 provoquent également une dérive 11, comme représentée a la figure 3B, par rapport à la direc- tion normale d'alignement 8 qui est parallèle a la direction de traite- ment d'alignement représenté à la figure 3A. En raison de cette déri- ve 11, la lumière polarisée linéairement n'est pas entièrement absorbée par les molécules de colorant dichroTque 6, une très faible quantité de lumière de fuite étant ainsi émise vers l'extérieur. La référence 10, aux figures 3 et 3B, indique la direction polarisée de la lumière 3 qui a été polarisée linéairement par la plaque de polarisation 2. Comme indiqué à la figure 4, la direction polarisée de la lumière qui a subi une double réfraction à l'intérieur de la cellule à cristaux liquides 4, est différente de sa direction initiale de polarisation en raison de l'anisotropie du taux de réfraction des molécules de cristaux liquides 5 irrégulièrement orientées. C'est pourquoi, une dérive entre les molécules de colorant dichroique et la direction polarisée de la lumière ayant subi une double réfraction devient plus notable, de sorte qu'un composé consistant en des composantes de lumière de fuite 12 et des composan- tes 13 doublement réfractées mais non absorbées devient la lumière émise 14, ce qui rend l'état d'arrêt de l'obturateur ci-dessus décrit incomplet. Lorsque l'obturateur de lumière à cristaux liquides répète ses opérations de marche-arrêt, ce phénomène est différent pour des opéra- tions d'arrêt simple et pour des opérations d'arrêt continu. En bref, la quantité de lumière émise est plus grande au moment d'opérations d'arrêt continu qu'au moment d'opérations d'arrêt isolé et son niveau est fonction de la température. La présente invention a pour objet d'éliminer les inconvénients mentionnés ci-dessus et de fournir un obturateur à cristaux liquides du type G.H. qui puisse commander tout accroissement de la quantité de lumière transmise par l'obturateur à l'état d'arrêt, ledit accroissement résultant d'une dérive d'alignement au moment de la commande de l'obtu- rateur, et qui puisse rendre uniforme la quantité de lumière transmise par cet obturateur a l'état d'arrêt. L'objet de la présente invention peut être réalisé par un obturateur de lumière a cristaux liquides du type G.H. qui comprend un mélange d'un matériau à base de cristaux liquides et d'un colorant dichroTque scellé entre deux plaques sensiblement transparentes et qui est optiquement ouvert et fermé en fonction de champs électriques de commande qui correspondent à des informations devant être enregistrées pour permettre, de manière sélective, le passage de la lumière d'une source lumineuse à travers cet obturateur, de manière à soumettre un corps photosensible à cette lumière, l'obturateur de lumière à cristaux liquides étant muni de plaques de polarisation sur ces faces d'entrée et de sortie de la lumière. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui suit donnée uniquement a titre d'exemple en référence aux dessins annexes dans lesquels: - les fig. 1A et lB représentent la partie principale de l'obtura- teur de lumière à cristaux liquides habituel; - la figure 2 représente un arrangement de la partie principale d'un obturateur de lumière à cristaux liquides selon la présente invention; - les fig. 3A et 3B montrent l'action des molécules de colorant dichroTque; - la figure 4 montre la partie principale d'un obturateur de lumière a cristaux liquides habituel; - la figure 5 montre une disposition du dispositif d'enregistrement qui utilise l'obturateur de lumière a cristaux liquides selon la présente invention; - la figure 6 montre une disposition de l'obturateur de lumière à cristaux liquides selon la présente invention; - la figure 7A montre les signaux d'une commande à deux fréquences; - les fig. 7B à 7D sont des vues caractéristiques indiquant des taux de transmission de lumière; - la figure 8 est une vue caractéristique montrant les quantités de lumière perdues dans la traversée d'une cellule à cristaux liquides; - les fig. 9A et 9B indiquent les alignements de molécules de cristaux liquides ferro-électriques. On décrira, ci-après, en référence aux dessins, une forme de réalisation de la présente invention. La figure 5 est un croquis montrant un agencement du dispositif d'enregistrement qui fait application de l'obturateur de lumière à cristaux liquides selon la présente invention. A la figure 5, la réfé- rence 15 représente une source lumineuse; 16 un obturateur de lumière à cristaux liquides selon la présente invention,_17 un système optique formateur d'images, 18 un tambour photosensible et 19 un chargeur. L'obturateur de lumière a cristaux liquides 16 comporte intérieurement une pluralité de micro-obturateurs 20, comme représenté à la figure 6. Bien que non représenté, un réchauffeur pour le chauffage de l'obtura- teur de lumière à cristaux liquides 16 à une température prédéterminée et qui sera décrit plus tard, est logé dans l'obturateur de lumière à cristaux liquides 16. Pour décrire brièvement l'opération d'enregistre- ment du dispositif d'enregistrement, la lumière émise par la source lumineuse 15 pénètre dans les micro-obturateurs 20 de l'obturateur de lumière à cristaux liquides 16. Ces micro-obturateurs 20 sont commandés par un circuit de commande non représenté pour s'ouvrir et se fermer de manière sélective en fonction de la commande à deux fréquences mention- née ci-dessus et la lumière traversant ces micro-obturateurs 20 ouverts forme une image sur une face photosensible 18a du tambour photosensi- ble 18 à travers le système optique 17 pour exposer une image égale en dimensions a celles des micro-obturateurs 20 à travers lesquelles la lumière est passée. La surface photosensible 18a est exposée en réponse au signal à enregistrer et la charge qui a été précédemment et uniformément appli- quée au tambour photosensible 18 au moyen du chargeur 19, disparaît en fonction de la quantité d'exposition pour former une image latente statique. Cette image latente est traitée par le même processus que le processus de copie des machines à copier électroniques habituelles ou analogues. L'agencement d'un micro-obturateur 20 dans l'obturateur de lumière à cristaux liquides 16, qui laisse passer ou arrête la lumière pendant l'opération d'enregistrement mentionnée ci-dessus est tel que représenté à la figure 2 o les plaques de polarisation 22 et 23 sont situées à l'avant et à l'arrière d'une cellule a cristaux liquides 21 respecti- vement et o les directions de polarisation de ces deux plaques de polarisation sont parallèles à la direction de traitement d'alignement de la cellule à cristaux liquides 21. Cet agencement a pour objet d'empêcher celles des composants qui sont provoquées par la double réfraction au moment o l'obturateur de lumière a cristaux liquides conventionnel décrit ci-dessus est à l'arrêt d'être perdues. En particulier, la plaque de polarisation 23 est également située du côté de l'émergence de la lumière de la cellule à cristaux liquides 21. Afin de confirmer l'état d'une composante 24 qui est provoquée par double réfraction à travers la cellule de cristaux liquides 21 représen- tée a la figure 2, on fera une description situant la plaque de polari- sation 23 sur le c6té de l'émergence de la lumière de la cellule à cristaux liquides 21 d'une manière telle que la direction de polari- sation de la plaque de polarisation 23 soit perpendiculaire à la direction de polarisation 25 de la plaque de polarisation 22, par exemple. Les caractéristiques de température de la quantité de lumière émergeant pendant un cycle TW lorsque les signaux de commande marche- arrêt 30 et 31 sont appliqués par la commande à deux fréquences, comme indiqué à la figure 7A, sont représentées par les références 32 et 33 de la figure 8. Si la lumière ne subit pas une double réfraction dans sa traversée de la cellule à cristaux liquides 21, la quantité de lumière émergeant lorsque la plaque de polarisation 23 est située perpendiculairement à la plaque de polarisation 22 ne dépend pas de l'état des molécules 26 de cristaux liquides ou des molécules 27 de colorant dichroTque, mais est égale au taux de transmission lumineuse des plaques de polarisation 22 et 23 lorsqu'elles sont orthogonales. Cette valeur varie en fonction des plaques de polarisation, mais de l'ordre de quelques pour cent. Comme représenté à la figure 8, cependant, il existe un domaine de température au-dessus duquel la quantité 33 de lumière émergeant au moment de la commande arrêt s'élève anormalement plus haut que la quantité de lumière émergeant au moment oO existe la commande de marche. Ce domaine de températures va de 44 C à 52 C, comme indiqué à la figu- re 8, par exemple. En outre, la valeur de créte est supérieure à 15% de la quantité de lumière 32 émergeant de la commande de marche qui est indiquée à la figure 1B et on comprendra combien est élevée la valeur de la composante 13 qui est provoquée par la double réfraction a la figure 4. En outre, ce domaine de températures correspond sensiblement à celui pour lequel le matériau des cristaux liquides est chauffé par le réchauf- feur non représenté pour répondre à vitesse élevée et ce domaine de température ne peut être évité lorsqu'on utilise les cristaux liquides comme obturateur. Cette modification de la quantité de lumière transmise qui, est provoquée par les molécules de colorant dichroTque déviées de leur direction d'alignement normal lorsque les molécules de cristaux liquides sont écartées de la direction d'alignement normal pour l'alignement homéotropique, comme indiqué a la figure 3, est stable et faible en fonction de la température comme indiqué par la référence 32 à la figure 8. C'est sensiblement la même que lorsqu'on ne provoque pas de dérive, comme indiqué a la figure 1A, et elle ne pose pas de problème. Selon la présente invention, cependant, la plaque de polarisa- tion 23 dont la direction de polarisation 29 est parallèle à celle de la plaque de polarisation 22 située sur le côté d'entrée de la lumière, est située sur le côté d'émergence de la lumière pour absorber la compo- sante 24 qui est provoquée par la double réfraction mentionnée ci-dessus. La composante 24 qui est provoquée par cette double réfraction, est absorbée par la plaque de polarisation 23, ce qui réduit la lumière émergente 28 à une très faible quantité de lumière perdue. Bien qu'on n'ait pas représenté un autre modèle de fonctionnement correspondant au moment oO l'obturateur de lumière à cristaux liqui- des 16 est mis en route, la lumière émergente n'est atténuée que par le rapport de transmission de lumière parallèle d'une autre plaque de polarisation non représentée par laquelle la direction de polarisation est parallèle à la direction de vibration au moyen de cette plaque de polarisation. Ce rapport de transmission de lumière parallèle est sensiblement de 85%, valeur qui peut être utilisée dans la pratique. Les figures 7B à 7D montrent les caractéristiques de réponse électro-optiques obtenues par l'obturateur de lumière à cristaux liqui- des 16 selon la présente invention aussi bien que par un obturateur conventionnel. La figure 7B montre quatre commandes d'arrêt de l'obturateur de lumière à cristaux liquides qui sont continues a partir de la commande de marche de celui-ci. Les figures 7C et 7D montrent des réponses électro-optiques obtenues respectivement par l'obturateur de lumière à cristaux liquides conventionnel et par l'obturateur 16 selon la présente invention. Le rapport de transmission de la lumière au moment de la commande d'arrêt présente une instabilité de niveaux en fonction de la température dans le cas de l'obturateur de lumière conventionnel à cristaux liquides tandis que le rapport de transmission de lumière au moment de la commande d'arrêt présente un niveau très stable, le rapport marche-arrêt pouvant être élevé d'environ 15X si on le compare au niveau conventionnel parce que la quantité de lumière émergeant au moment de l'arrêt de l'obturateur est réduite, cela dans le cas de l'obturateur de lumière à cristaux liquides selon la présente invention. Bien qu'on ait utilisé comme cristaux liquides hôtes dans le cas des formes de réalisation ci-dessus, des cristaux liquides dont les modifications d'anisotropie diélectrique dépendent de la fréquence de la tension de commande, on peut employer d'autres cristaux smectiques chiraux tels que DOBANBC (p-décyloxybenzylidène-p'-amino-2-méthylbutyl- cinnamate) et HOBANBC (p-hexyloxybenzylidêne-p'-amino-2-methylbutyl- cinnamate), par exemple, qui présentent des propriétés ferro-électriques. Comme on le voit dans le cas des formes de réalisation ci-dessus, ces cristaux liquides ferro-électriques sont scellés avec le colorant dichroique et sont disposés de manière homogène entre la paire de substrats transparents, lesquels sont formés par stratification d'une électrode transparente et d'une pellicule d'alignement dont les faces intérieures sont opposées l'une à l'autre. Les cristaux liquides ferro- électriques qui ont été agencés de manière homogène modifient leur alignement homogène, en fonction de la direction du champ électrique qui est appliqué aux électrodes transparentes. Les axes longitudinaux des molécules de cristaux liquides 5 sont dirigés le long de la direction de traitement d'alignement O dans laquelle le film d'alignement est orienté, comme représenté à la figure 9A, en fonction de la direction d'un champ électrique E, tandis qu'ils sont déviés de quelques dizaines de degrés de cette direction de traitement d'alignement 0, comme représenté à la figure 9B, lorsqu'un champ électrique E', dont la direction est contraire à celle du champ électrique E est appliqué. Ainsi, les plaques de polarisation peuvent être disposées de quatre manière différentes dans le cas de la forme de réalisation ci-dessus. Selon une manière, on amène la direction de polarisation des deux plaques de polarisation en coTnci- dence soit avec une direction L dans laquelle les molécules de cristaux liquides sont alignées lorsque le champ électrique E est appliqué, soit avec la direction de traitement d'alignement O, comme indiqué par une ligne en traits pleins P de la figure 9A. Dans ce cas, la condition pour laquelle le champ électrique E est appliqué représente l'état de ferme- ture, tandis que la condition pour laquelle le champ électrique E' est appliqué représente l'état d'ouverture. Une seconde façon consiste à rendre la direction de polarisation des deux plaques de polarisation perpendiculaire a la direction du traitement d'alignement 0 comme indiqué par une ligne brisée P' à la figure 9A. Dans ce cas, la condition pour laquelle le champ électrique E est appliqué représente l'état d'ouverture, tandis que la condition pour laquelle le champ électrique E' est appliqué représente l'état de fermeture. Une troisième manière est de faire coïncider la direction de polarisation des deux plaques de polarisation avec la direction L' dans laquelle les molécules de cristaux liquides sont orientées lorsque le champ électrique E' est appliqué, comme indiqué par un trait plein P A la figure 98. Dans ce cas, la condition pour laquelle le champ électrique E est appliqué représente l'état d'ouverture tandis que la condition pour laquelle le champ électrique E' est appliqué représente l'état de fermeture. Une quatrième facon consiste à rendre la direction de polarisation des deux plaques de polarisation perpendiculaires à la direction L', comme indiqué par une ligne brisée P' de la figure 9B. Dans ce cas, la condi- tion pour laquelle le champ électrique E est appliqué représente l'état de fermeture tandis que la condition pour laquelle le champ électrique E' est appliqué représente l'état d'ouverture. Bien qu'une déviation d'alignement soit provoquée entre les molécules de cristaux liquides 5 et les molécules de colorant 6, dans le cas de cet obturateur de lumière à cristaux liquides lorsqu'il est alternativement et de manière continue mis en marche ou arrêté, tout accroissement de la quantité de lumière transmise qui résulte de la dérive d'alignement peut être commandé par la plaque de polarisation située du côté de l'émission de lumière, comme on le voit dans le cas des formes de réalisation ci-dessus. Si l'on considère les caractéristiques de l'ensemble, la plaque de polarisation qui est située du côté o émerge la lumière est choisie pour avoir une capacité de polarisation relativement faible, mais un rapport de transmission lumineux élevé. Une réduction de la quantité de lumière au moment de la commande de marche de l'obturateur de lumière à cristaux liquides peut être ainsi compensée et les plaques de polarisa- tion plus minces et celles qui ont pour effet de couper les rayons ultraviolets peuvent être utilisées. La plaque de polarisation qui est située du côté entrée de la lumière peut être inclinée pour présenter un angle approprié si nécessaire. Selon la présente invention telle qu'elle est décrite ci-dessus en détail, tout accroissement dans la quantité de la lumière transmise par l'obturateur en position arrêt, qui résulte de l'écart d'alignement entre les molécules de cristaux liquides et les molécules du colorant au moment de la commande de l'obturateur, peut être commandé et cette quantité de lumière transmise peut être ainsi rendue uniforme grâce à la plaque de polarisation située du côté émission de la lumière des cel- lules à cristaux liquides de manière que la qualité des images enregis- trées puisse être rendue stable. En particulier, avec l'obturateur de lumière à cristaux liquides dans lequel on utilise comme cristaux hôtes ceux dont les variations d'anisotropie diélectrique sont fonction de la fréquence du champ électrique appliqué, on peut éliminer l'accroissement additif de la quantité de lumière transmise à l'état de fermeture continu des micro-obturateurs et la caractéristique d'une opération d'arrêt répété stable peut être atteinte, la quantité de lumière trans- mise étant maintenue la même entre l'état de mise à l'arrêt unique et les états d'arrêt continu du fonctionnement. En outre, le rapport marche arrêt de la quantité de lumière transmise peut être amélioré d'environ %. Ainsi, des lignes fines des images enregistrées peuvent être rendues plus claires pour améliorer la qualité des images enregistrées. Bien entendu la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés, mais elle est susceptible de nom- breuses variantes accessibles à l'homme de l'art sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1.- Obturateur de lumière à cristaux liquides du type G.H. carac- t&risé en ce qu'on enferme un mélange d'un matériau à base de cristaux liquides et un colorant dichroTque entre deux plaques sensiblement transparentes et qui est optiquement ouvert et fermé en réponse des champs électriques de commande qui correspondent à l'information à enregistrer pour le passage sélectif de la lumière d'une source lumi- neuse à travers cet obturateur, de manière à faire rayonner cette information lumineuse sur un corps photosensible, caractérisé en ce que l'obturateur de lumière à cristaux liquides (16) est muni de plaques de polarisation (22,23) sur ses faces d'entrée et de sortie de la lumière. 2.- Obturateur de lumière à cristaux liquides selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que les directions de polarisation desdites plaques de polarisation (22,23) sont sensiblement parallèles entre elles. 3.- Obturateur de lumière à cristaux liquides selon la revendi- cation 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit matériau a base de cristaux liquides (16) est orienté de manière homogène lorsqu'il n'existe pas de champ électrique, la direction dans laquelle ledit matériau à base de cristaux liquides est orienté de manière homogène étant sensiblement parallèle à la direction de polarisation desdites plaques de polari- sation (22,23). 4.- Obturateur de lumière à cristaux liquides selon l'une des revendications 1 a 3, caractérisé en ce que l'anisotropie diélectrique dudit matériau à base de cristaux liquides (16) est inversé lorsqu'on applique un champ électrique (E) qui a une fréquence prédéterminée audit matériau A base de cristaux liquides et en ce que lesdits champs électri- ques de commande comprennent des composantes de fréquences supérieure ou inférieure à la fréquence prédéterminée dudit champ électrique. 5.- Obturateur de lumière à cristaux liquides selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit matériau à base de cristaux liquides (16) est chauffé et maintenu sous contrôle A une température prédéterminée. 6.- Obturateur de lumière à cristaux liquides selon l'une des revendications 1 A 5, caractérisé en ce que ledit matériau à base de cristaux liquides (16) est composé de matériau à cristaux liquides ferroélectriques. 7.- Obturateur de lumière a cristaux liquides selon l'une des revendication 1 à 6, caractérisé en ce que ledit matériau à base de cristaux liquides (16) est composé de matériau a cristaux liquides ferroélectriques, en ce que la direction de polarisation desdites plaques de polarisation (22,23) est sensiblement parallèle à ces plaques et, en ce que, lorsqu'un champ électrique (E) est appliqué, la direction de polarisation desdites plaques de polarisation est sensiblement parallèle à la direction (L) de l'alignement des molécules dudit matériau à base de cristaux liquides.