Brevet FR2597641A1 — publié le 19871023

DISPOSITIF DE MODULATION DE LA LUMIERE D'ECLAIREMENT D'UN ECRAN D'AFFICHAGE ELECTROOPTIQUE L'invention concerne un dispositif de modulation de la lumière d'éclairement d'un écran d'affichage électrooptique et notamment un dispositif de modulation pour écran d'affichage fonctionnant en transmission. Un des problèmes rencontrés dans les écrans plats modulateurs de lumière, tels que les écrans à cristaux liquides est la difficulté de modifier la brillance moyenne de ces écrans pour les observer dans des ambiances lumineuses fortement variables (de 100 000 lux à quelques lux par exemple). La solution la plus évidente,-dans son principe, est de faire varier l'intensité lumineuse de la source d'éclairage associée à cet écran en modifiant sa tension ou sa fréquence d'alimentation. Pour les écrans plats, on utilise en général, trois types d'éclairement: 1S a) incandescent b) électroluminescent c) fluorescent. Examinons la possibilité de modifier le flux lumineux de ces éclairages: a) dans le cas d'un éclairage à incandescence (halogène ou non) on constate que: la puissance lumineuse peut varier de façon continue en modifiant la tension d'alimentation. Par contre cette variation qui s'accompagne d'une modification de la température de couleur est inadaptée à des 25 écrans couleur. b) dans le cas d'un éclairage par électroluminescence (poudre AC: effet Destriau) on réalise facilement, grâce à cet effet, une source de lumière plane dont on peut faire varier (d'une décade environ) le flux lumineux par 30 modification de la tension d'alimentation. Ce type de source pré- sente deux inconvénients: - la courbe intensité lumineuse-tension présente un seuil et est non linéaire. - la lumière est émise dans une bande spectrale étroite. c) enfin dans un éclairage par fluorescent: L'effet utilisé, qui est une décharge dans un gaz, présente un seuil en tension en dessous duquel il est impossible d'allumer le tube fluorescent. Il est donc très difficile de faire varier le flux lumineux par variation de la tension d'alimentation. Par contre, une variation 10 de la fréquence d'excitation permet de faire varier faiblement le flux emis. L'invention concerne un dispositif de modulation utilisant tout type d'éclairage et évitent les inconvénients mentionnés précédemment. L'invention concerne donc un dispositif de modulation de la lumière d'éclairement d'un écran d'affichage électrooptique, comprenant notamment un afficheur électrooptique éclairé par transparence par une source lumineuse, comportant également des moyens de modulation de la lumière commandables électriquement 20 et situés entre la zone lumineuse et l'afficheur électrooptique. Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaitront plus clairement dans la description qui va suivre faite en se reportant aux figures annexées qui représentent: - la figure 1, un exemple de réalisation du dispositif de 25 modulation de l'invention; -la figure 2, un exemple de réalisation détaillée du dispositif de modulation de l'invention dans un état de fonctionnement fournissant un éclairage élevé; - la figure 3, un exemple de réalisation détaillé du dispositif de 30 modulation de la figure 2, dans un état de fonctionnement fournissant un éclairage faible; - la figure 4, un exemple de réalisation d'une variante du dispositif de modulation de l'invention; - la figure 5, un autre exemple de réalisation d'une variante du dispositif de modulation de l'invention; la figure 6, un exemple de réalisation des circuits de commande du dispositif de l'invention. Sur la figure 1, on trouve donc un exemple de réalisation du 5 dispositif de modulation de la lumière d'éclairement d'un écran à cristal liquide selon l'invention. Ce dispositif comporte un afficheur électrooptique tel qu'un écran à cristal liquide I comprenant deux lames transparentes 11 et 12 qui enserrent un cristal liquide 10. Selon cet exemple de 10 réalisation, l'écran à cristal liquide 1 fonctionne en transmission. Une source lumineuse 2 éclaire l'écran à cristal liquide 1 et permet à un observateur O placé à droite de l'écran (sur la figure) de voir par transparence les informations affichées sur l'écran. Un dispositif de collimation 4 représenté par une lentille 15 projette vers l'écran un faisceau parallèle d'éclairement. Selon l'invention, entre l'écran à cristal liquide 1 et la source lumineuse 2 (et notamment le dispositif de collimation 4, on a placé un modulateur de lumière 3. Ce modulateur est commandé électriquement par des moyens 20 non représentés, soit manuellement, soit automatiquement en fonction de l'éclairage ambiant qui entoure l'écran à cristal liquide 1. De préférence, bien que cela ne soit pas obligatoire, le modulateur de lumière 3 agit de façon uniforme sur l'ensemble du faisceau lumineux projette sur l'écran à cristal liquide. En se reportant à la figure 2, on va décrire un exemple de réalisation détaillée du dispositif de l'invention. On retrouve dans cet exemple de réalisation l'écran à cristal liquide 1. On a supposé que cet écran fonctionne entre polariseurs (nématique en hélice, biréfringence électriquement contr8lée, smec30 tique C), on a donc prévu deux polariseurs 13 et 14 de part et d'autre de l'écran. La source lumineuse 2 a été représentée par plusieurs sources , 21, 22 en vue de fournir un éclairage plus uniforme. Le dispositif de collimation 4 est réalisé sous la forme d'un réseau du type lentille de Fresnel. Il fournit un éclairage uniforme du modulateur de lumière 3. Le modulateur de lumière 3 comporte: - une cellule à cristal liquide 30 contenant un cristal liquide 5 d'anisotropie diélectrique négative et commandé par une source de tension 32; - une optique de Schlieren tel qu'un diaphragme 31 comprenant dans son épaisseur un réseau de filtrage permettant de laisser passer les rayons lumineux perpendiculaires à la surface du diaphragme 31 10 et absorbant les rayons lumineux obliques par rapport à la surface du diaphragme. Un tel diaphragme se trouve dans le commerce sous la forme de plaques contenant, dans son épaisseur, un treillis dont le tissage permet le filtrage décrit précédemment. Il s'agit alors d'un filtre spatial directif de type "store vénitien" tels que les filtres 15 directifs commercialises sous la marque MINNESOTA 3M ("Light Control Film"). Quand le générateur 32 applique un champ électrique basse fréquence sur le cristal liquide d'anisotropie diélectrique négative, ce dernier passe d'un état transparent à un état diffusant. Pour traduire cet effet en une variation de luminosité, on a recours à une optique de schlieren 31 ou un diaphragme associé à la cellule à cristal liquide 30: - la lumière est intégralement transmise dans l'état non excité de la cellule (et le diaphragme 31 est transparent). - Il y a extinction dans l'état diffusant, car la lumière est bloquée par le diaphragme. En figure 2, on a représenté le fonctionnement du dispositif lorsque le maximum de lumière est transmis vers l'écran à cristal liquide 1. En figure 3, on a représenté le fonctionnement du même dispositif lorsque le minimum de lumière est transmis à l'écran à cristal liquide I en raison de la diffusion de la lumière ainsi diffusée, par l'obturateur 31. Un tel obturateur fonctionne avec des tensions de l'ordre de Volts avec des temps de réponse de 200 ms environ. La dynamique d'un tel obturateur dépend de la diffusion obtenue sous champ et du diaphragme associé. Elle est supérieure à l/O10 = 10. La source de lumière ainsi obtenue est collimatée prati5 quement rigoureusement et il faut donc dans le cas d'écrans devant être observés selon un grand angle y associer un deuxième diffuseur. C'est pourquoi sur les figures 12 et 13, on trouve entre le diaphragme 31 et l'écran à cristal liquide I (ou le polariseur 13), un diffuseur 5 qui diffuse la lumière provenant du diaphragme 31 10 comme cela est indiqué par les lobes d'énergie dessinés sur la figure 2. En se reportant à la figure 4, on va maintenant décrire un exemple de variante de réalisation de l'invention. Sur cette figure, on retrouve l'écran à cristal liquide 1, auquel 15 sont associés ses polariseurs 13, 14, ainsi que les sources lumineuses , 21, 22. Entre les sources lumineuses 20, 21, 22 et le polariseur 13 sont placés un diffuseur 8, un polariseur 7 et une cellule à cristal liquide 6 contenant un cristal liquide nématique en hélice (TN). Sur la figure 4, au-dessous des polariseurs 7, 13 et 14 sont indiqués des symboles représentant les sens de polarisation de ces polarisations. On voit donc que le sens de polarisation P3 du polariseur 7 est croisé par rapport au sens de polarisation P2 du polariseur 13, lequel est croisé par rapport au sens de polarisation 25 Pl du polariseur 14. Lorsque le générateur 32 applique une tension à la cellule à cristal liquide 6, un champ électrique d'excitation est appliqué, la cellule à cristal liquide 6 n'induit pas de rotation de polarisation de la lumière. Sous l'effet des deux polariseurs croisés 7 et 13, la 30 lumière transmise par les sources 20 à 22 n'est pas ou peu transmise à l'écran à cristal liquide 14. Celui-ci est faiblement éclairé. Lorsque le générateur 32 applique une tension à la cellule à cristal liquide, le fonctionnement est inverse et un maximum de lumière est transmis à l'écran à cristal liquide I. Comme on peut le voir dans l'exemple de réalisation de la figure 4, le polariseur 13 est commun à la cellule 6 et à l'écran 1, mais on peut également envisager que la cellule 6 ait ses propres polariseurs. Les sens de polarisation P2 et P3 peuvent également être parallèles. Les cas de fonctionnement en éclairement maximal et minimal de l'écran I selon l'application d'un champ électrique d'excitation ou non sont alors inversés par rapport à la description qui précède. Un tel dispositif de modulation fonctionne avec des tensions de quelques volts et des temps de réponse de 40 ms environ. La dynamique d'un tel obturateur est celle d'un afficheur de ce type 1/10 = 100. Enfin, dans l'exemple de réalisation de la figure 4, le dispositif.. 15 de collimation 4, prévu dans les dispositifs représentés en figures 1 à 3, n'est pas nécessaire en raison du type de fonctionnement de la cellule à cristal liquide 6. Selon une autre variante de réalisation de l'invention représentée en figure 5, on associe au cristal liquide de la cellule faisant 20 office de modulateur de lumière, un colorant dichroTque qui absorbe ou non une polarisation selon son orientation. Dans le cas d'une géométrie planaire au repos et homéotrope sous champ, on peut passer d'un état absorbant à un état non absorbant. Les caractéristiques de l'effet électrooptique sont sensiblement identiques à 25 celles du cristal liquide nématique en hélice. Selon l'exemple de réalisation de la figure 5, on a alors accolé une cellule a cristal liquide 9 ainsi décrite à l'écran à cristal liquide 1. De part et d'autre de cet ensemble cellule-écran on a disposé deux polariseurs croisés 13 et 14 dont les sens de polari30 sation P2 et PI, ainsi que celui P4 de la cellule 7, sont indiqués en dessous de la figure 5. Cette variante de réalisation fournit une structure plus compacte que les réalisations qui précèdent et nécessite un polariseur en moins par rapport à la réalisation représentée en figure 4. Enfin, ces types d'obturateurs achromatiques peuvent utiliser, sans sortir du cadre de l'invention, d'autres effets électrooptiques: a) Diffusant-transparent l'effet mixte thermique et diélectrique dans les smectiques A qui présente l'avantage de la mémoire. Transition cholestérique-nématique (mémoire) Effet d'un champ électrique sur une céramique piézoélectrique de type PLZT. b) Absorption de la lumière: par exemple la transition 10 cholestérique nématique avec un colorant. Tous ces modulateurs présentent des caractéristiques communes: simplicité: structure de type à cellule à cristal liquide dont la réalisation est identique à celle de l'afficheur. - Cette cellule dans le cas du nématique avec colorant peut être réalisée en utilisant une des faces de l'écran lui-même comme substrat. - Tensions d'alimentation analogues à celles de l'écran. - Systèmes totalement achromatiques. De tels obturateurs commandés électriquement permettent de moduler l'intensité lumineuse des systèmes d'éclairage associés à des écrans non émissifs (par exemple à cristal liquide). Ils ont, en général, une faible perte d'insertion et sont parfaitement adaptés à des écrans couleur car achromatiques. Dans le cas d'un obturateur de dynamique de l'ordre de 100 (nématique en hélice) on pourra observer les écrans dans une gamme d'éclairement de 100 000 lux à 10 lux, l'oeil ayant une dynamique propre de l'ordre de 100. Il est bien évident que d'autres variantes de réalisation de 30 l'invention sont possibles sans sortir du cadre de l'invention. Par ailleurs, les valeurs numériques n'ont été données qu'à titre indicatif pour illustrer lPinvention. Comme cela a été mentionné précédemment, le dispositif de modulation peut être commandé soit manuellement, soit automa- tiquement en fonction d'évènement extérieur tel que l'éclairage ambiant. En se reportant à la figure 6, on va décrire des circuits permettant de réaliser cette commande. SOn a repris pour représenter ces circuits le dispositif de la figure 1, mais ces circuits sont applicables aux autres formes de réalisation de l'invention. Le modulateur 3, réalisé sous la forme de cellules à cristal liquide (30, 6, 9) dans les exemples de réalisation des figures 2 à 5, 10 est. commandé par un générateur de tensions 32. La valeur de la tension fournie par ce générateur 32 est commandée par un circuit de commande 33. Le circuit de commande est commandé: -soit manuellement par un circuit représenté de façon simplifiée par un contact 34 commandable manuellement et appliquant des signaux de commande au circuit 33; - soit automatiquement à l'aide de circuits 35 et 36 réagissant par exemple à l'éclairage ambiant dans lequel sont placés l'écran à cristal liquide 1 et l'observateur O. - 20 Dans ce dernier cas de commande, le circuit 36 est, par exemple, un photodétecteur ou tout autre circuit de détection sensible au flux lumineux 0 qu'il reçoit et fournissant sur une liaison 37 un signal traduisant l'intensité lumineuse reçue. Ce signal est transmis à un circuit de traitement 35 qui, en fonction de ce d 25 signa fournit un signal de commande au circuit de commande 33 qui commande de façon appropriée le générateur 32. Par exemple, si l'intensité du rayonnement lumineux (lumière ambiante) reçu par le circuit de détection 36 est faible (semiobscurité par exemple) , le circuit 33 commandera le générateur 32 30 de telle façon que celuici fournisse un niveau de tension au dispositif de modulation qui atténuera rintensité du faisceau d'éclairement fourni par la source 2 à l'écran à cristal liquide 1. Inversement, si l'intensité du rayonnement lumineux reçu par le circuit de détection 36 est élevée, le dispositif de modulation 25976!il permettra un éclairage plus intense de l'écran à cristal liquide 1. Le dispositif de l'invention permet ainsi d'adapter la luminosité d'affichage d'un écran à cristal liquide aux conditions ambiantes d'éclairement dans lequel se trouve un utilisateur de cet écran. Les circuits 32 à 36 de la figure 6 sont réalisables aisément dans l'état actuel de la technique pour mettre en oeuvre l'invention. Il n'est donc pas utile de les décrire dans le détail. Le dispositif de détection sera placé de préférence à proximité de l'écran à cristal liquide et si possible sur la face avant de cet écran. REVENDICATIONS 1. Dispositif de modulation de la lumière cd'éclairement d'un écran d'affichage électrooptique, comprenant notamment un afficheur électrooptique (1) éclairé par transparence par une source lumineuse (2), caractérisé en ce qu'il comporte également des 5 moyens de modulation (3) de la lumière commandables électriquement et situés entre la source lumineuse (2) et l'afficheur électrooptique (1). 2. Dispositif de modulation de la lumière d'éclairement d'un écran d'affichage électrooptique selon la revendication 1, carac10 térisé en ce que les moyens de modulation (3) comportent une cellule à cristal liquide (30, 6, 7). 3. Dispositif de modulation de la lumière d'éclairement cPd'un écran d'affichage électrooptique selon la revendication 2, caractérisé en ce que: - la cellule à cristal liquide (30) comporte un cristal liquide d'anisotropie diélectrique négative tel qu'il possède deux états, Pl'un transparent, l'autre diffusant selon qu'on lui applique un champ électrique ou non; - il comporte en outre un diaphragme (31) situé entre ladite 20 cellule à cristal liquide (30) et Pafficheur électrooptique (1), ce diaphragme laissant passer la lumière normale à son plan et bloquant la lumière oblique par rapport à son plan. 4. Dispositif de modulation de la lumière d'éclairement d'un écran d'affichage électrooptique selon la revendication 3, carac25 térisé en ce que le cristal liquide de la cellule 30 est un cristal liquide nématique. 5. Dispositif de modulation de la lumière d'éclairement cd'un écran d'affichage électrooptique selon la revendication 3, caractérisé en ce que le diaphragme (31) comporte un réseau de filtrage. 30 6. Dispositif de modulation de la lumière d'éclairement d'un écran d'affichage électrooptique selon la revendication 2, caractérisé en ce que: - la cellule à cristal liquide (6) comporte un cristal liquide nématique en hélice; - de part et d'autre de la cellule à cristal liquide sont placés un premier polariseur (7) et un deuxième polariseur (13), les directions de polarisation (P3 et P2) de ces polariseurs étant orthogonales. 7. Dispositif de modulation de la lumière d'éclairement d'un écran d'affichage électrooptique selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'afficheur électrooptique (1) comporte un cristal liquide nématique en hélice et est placé entre le deuxième pola10 riseur (13) et un troisième polariseur (14) dont la direction de polarisation (PI) est orthogonale à la direction de polarisation (P2) du deuxième polariseur (13). 8. Dispositif de modulation de la lumière d'éclairement d'un écran d'affichage électrooptique selon la revendication 2, carac15 térisé en ce que la cellule à cristal liquide (7) comporte un cristal liquide en hélice contenant un matériau colorant dichroique. 9. Dispositif de modulation de la lumière d'éclairement d'un écran d'affichage électrooptique selon la revendication 8, caractérisé en ce que la cellule à cristal liquide (7) est accolée à 20 rafficheur électrooptique. 10. Dispositif de modulation de la lumière d'éclairement d'un écran d'affichage électrooptique selon la revendication 9, caractérisé en ce que: - l'afficheur électrooptique (1) comporte un cristal liquide 25 nrématique en hélice; -l'ensemble constitué par l'afficheur électrooptique (1) et la cellule à cristal liquide (7) est placé entre un premier polariseur (13) et un deuxième polariseur 14) de directions de polarisations (P2, PI) orthogonales. 11. Dispositif de modulation de la lumière d'éclairement d'un écran d'affichage électrooptique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte également au moins: - un générateur de tensions (32) connecté aux moyens de modulation et leur fournissant une tension de commande - un circuit de détection de lumière ambiante (36) permettant de détecter l'intensité lumineuse ambiante et de fournir un signal de commande au générateur de tension (32). 12. Dispositif de modulation selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comporte également, situé entre le circuit de détection (36) et le générateur (32): - un circuit de traitement (35) recevant du circuit de détection (36), un signal de détection, le traitant et fournissant en échange un 10 signalde commande; - un circuit de commande (33) recevant ledit signal de commande et commandant le générateur de tensions (32).