Brevet FR2684198A1 — publié le 19930528

ECRAN POUR PROJECTION DAMAGE L'invention concerne un écran diffusant et plus particulièrement un écran pour projection d'image utilisable notamment dans le domaine de la télévision haute définition. En effet dans ce domaine on cherche actuellement à obtenir des images dont les dimensions sont de l'ordre du mètre carré, une telle contrainte peut être satisfaite en ayant recours à des dispositifs de projection comprenant des tubes cathodiques ou des matrices à cristal liquide dans lesquels l'observateur et les images sont du même côté de l'écran. La figure 1 illustre un exemple de réalisation de ce type de projecteur d'images dans lequel l'écran constitue un élément indépendant du projecteur, qui permet de visualiser une image dont la taille peut être variable. I1 se compose d'une source lumineuse collimatée, de miroirs de renvoi MR et de miroirs dichroïques Md capables de réfléchir sélectivement le rouge, le vert et le bleu ainsi que des lentilles (L) couplées à des matrices cristal liquide (CL) permettant de moduler les intensités lumineuses rouge, verte Oll bleue. Les faisceaux lumineux de couleur sont recombinés puis envoyés sur un objectif de projection (OP) capable de projeter sur un écran l'image ainsi constituée, l'observateur étant situé entre le projecteur et l'écran et recevant les images en réflexion depuis l'écran. L'écran n'étant pas intégré all projecteur, il est donc nécessaire que l'utilisateur s'équipe d'un projecteur et d'un écran indépendant. Mais l'emploi d'un écran nécessite soit de le ranger et de le sortir uniquement lorsque l'on en a l'usage soit de disposer d'un espace disponible et suffisant pour conserver son écran en permanence en mode de fonctionnement. Pour pallier ce problème l'invention propose un dispositif permettant l'utilisation d'une surface quelconque transparente ou non (fenêtre ou mur) comme écran diffusant. Pour cela on dispose sur la surface quelconque un écran selon l'invention capable d'être transparent hors mode de fonctionnement (laissant passer la lumière dans le cas d'une fenêtre ou le décor mural dans le cas d'un mur) et de devenir réfléchissant (avantageux par rapport aux écrans diffusant classiques) et diffusant tels les écrans classiques, en mode de fonctionnement. Lorsque ce type d'écran selon l'invention est apposé sur une fenêtre, il peut avantageusement servir de volet permettant d'isoler un sujet de l'extérieur sans pour autant apporter une zone sombre puisque la lumière ambiante peut se rétrodiffusée sur la fenêtre devenue diffusante. L'invention propose ainsi un écran diffusant caractérisé en ce qu'il est obtenu à partir de l'association dgune cellule (C1) comprenant une couche de matériau (M1) capable de passer d'un étant transparent à un état diffusant et d'une cellule (C2) comprenant une couche de matériau (M2) capable de passer d'un état transparent à un état absorbant et réfléchissant, l'ensemble des cellules (C1) et (C2) étant apposé sur une surface (S). Le matériau (M1) peut être un polymère (P) dans lequel est dispersé un cristal liquide (CL). Comme l'illustrent les figure 2a (état transparent) et figure 2b (état diffusant) il est possible avec ce type de matériau d'obtenir les deux états souhaités. En effet, il est possible de fabriquer des films de polymère dans lesquels sont dispersées des bulles de cristal liquide. La figure 2a illustre un film de polymère à cristal liquide dispersé (PDLC) au repos. Les bulles dispersées dans le polymère peuvent renfermer des particules de cristal liquide, on choisit préférentiellement un nématique présentant des particules oblongues s'orientant parallèlement à un axe privilégié (schématisé sur la figure 2a par la direction x). L'ellipsoïde des indices de telles molécules ne présente pas de symétrie de révolution et l'on définit classiquement deux indices optiques, l'indice optique ordinaire nO dans une direction perpendiculaire au grand axe de la molécule et l'indice extraordinaire n e dans une direction parallèle. La e fabrication des films génère classiquement des microbilles allongées parallèlement au plan du film dans lesquelles les molécules nématiques sont contraintes à s'orienter parallèlement au grand axe de ces microbilles. Ainsi lorsqu'un rayon lumineux arrive sous une incidence de direction k perpendiculaire au plan du film (PDLC), il est influencé par l'indice optique extraordinaire n e (correspondant à l'axe optique parallèle à la direction x) ; cet indice peut avoir été judicieusement choisi égal à l'indice optique du polymère liant n et donc à l'état p 11, le milieu apparaît homogène et peut donc être transparent à la lumière incidente. La figure 2b illustre le comportement des molécules nématiques lorsque le film est soumis à un champ électrique de préférence alternatif appliqué dans une direction y perpendiculaire au plan du film. Les molécules nématiques sont contraintes et s'orientent selon cette direction y, l'indice optique déterminant est dans ce cas l'indice ordinaire nO différent de l'indice optique moyen du polymère np, il y a ainsi des petits domaines d'indice optique différent créant des défauts générant des zones inhomogènes dans le film et conduisant à l'existence d'un état 12 diffusant et rétrodiffusant (la diffusion s'effectuant dans le sens de propagation de la lumière et la rétrodiffusion s'effectuant dans la direction opposée). De préférence le matériau (M2) est un matériau électrochrome dont l'absorption peut être commandée électriquement et qui est ainsi capable de passer d'un état transparent 21 à un état partiellement absorbant et partiellement réfléchissant 22. Lorsque le matériau (M1) est dans son état diffusant 12, il est intéressant d'intercaler entre ce matériau et la surface (S) le matériau (M2) dans son état 22 de manière à compenser la transmission partielle de la cellule (C1) qui bien que diffusante et rétrodiffusante, transmet toujours un peu de lumière issue de l'extérieur dans le cas d'une fenêtre ou d'éléments muraux dans le cas d'un mur. Cette lumière parasite vient perturber l'écran diffusant et le contraste des images vues par un observateur lorsque l'écran est utilisé dans un dispositif de projection d'images. L'intérêt de la cellule (C2) est double puisque le matériau (M2) dans son état 22 est aussi partiellement réfléchissant et peut ainsi générer la rétrodiffusion de la lumière transmise par la cellule (C1) augmentant par conséquent la rétrodiffusion totale et donc la luminosité de l'écran. Les deux cellules (C1) et (C2) utilisées dans l'invention comprennent de préférence des électrodes transparentes permettant d'appliquer les tensions nécessaires aux différents changements d'état. L'écran selon l'invention peut être utilisé comme écran pour projection d'images lorsqu'il est associé à un dispositif de projection images comprenant une source de lumière fournie un tube cathodique ou un ensemble de matrices à cristal éclairées par une lampe. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description donnée à titre non limitatif et des figures annexées parmi lesquelles - la figure 1 illustre un exemple de dispositif de projection d'image associé à un écran de projection selon l'art connu - la figure 2 schématise le fonctionnement d'un film de polymère contenant du cristal liquide dispersé la figure 2a montre ce type de film générant un étant transparent Il la figure 2b montre le même film générant un état diffusant 12 sous champ électrique - la figure 3 illustre un exemple de cellule (C2) utilisée dans un écran diffusant selon l'invention; - la figure 4 illustre un exemple d'écran diffusant selon l'invention constitué par l'association d'une cellule (C1) comprenant un polymère à cristal liquide dispersé et d'une cellule (C2) comprenant un matériau électrochrome. L'écran diffusant selon l'invention peut avantageusement être constitué d'une cellule (C1) comprenant un matériau polymère (P) pouvant être de type polyvinylalcool ou de type résine époxy dans lequel sont dispersées des billes de cristal liquide de préférence nématique. Plusieurs techniques permettent l'obtention de films composites de cette nature. La synthèse du polymère PDLC peut être effectuée en réalisant un latex de particules cristal liquide encapsulées par une couronne de polymère, l'enduction d'un substrat par ce type de solution suivie de l'évaporation du solvant, génère un film de polymère à cristal liquide dispersé. I1 est également possible d'utiliser un cristal liquide à l'état fluide, tIn monomère liquide, de mélanger I'ensemble, de déposer ce mélange sur un substrat puis d'initier la polymérisation thermiquement ou par rayonnement ultra violets, le polymère et le cristal liquide démixant et conduisant à l'obtention du film de PDLC. I1 est également possible de mélanger à chaud directement un polymère à l'état solide à un cristal liquide, de réaliser à chaud l'enduction d'un substrat puis de provoquer la démixtion du polymère et du cristal liquide en refroidissant. Une autre possibilité consiste à trouver un solvant commun au cristal liquide et au polymère, de réaliser l'enduction d'un substrat à partir de cette solution, I'évaporation ultérieure du solvant conduisant alors à la séparation de phase et à la formation du film de PDLC. Des études ont montré que le contrôle des lobes de diffusion et de rétrodiffusion est assuré par la répartition en taille des billes de cristal liquide et l'épaisseur du film (S. Zumer, J.W. Doane Phys. Rev. A. 34, 4, 1986 p. 3373). Typiquement la taille des billes peut être de l'ordre de quelques microns pour un film de polymère de quelques dizaines de microns. Pour réaliser une cellule (C1) commandable électriquement le film de matériau (M1) est placé entre deux électrodes transparentes pouvant être des plaques de verre recouvertes d'oxyde d'indium et d'etain. La cellule (C1) est associée à une cellule (C2) comprenant un matériau (M2) capable de passer d'un état transparent 21 à un état absorbant et réfléchissant 22. Lorsque le matériau (M2) employé est un électrochrome (Ec) il est c nécessaire de le coupler à un matériau électrolyte (Et). En effet un matériau électrochrome peut devenir plus absorbant par insertion de cations tels les oxydes W03, V205 ou Nb205 ou bien encore TiO2. I1 peut également se colorer par Insertion d'anions tel l'oxyde Ir02 ou bien encore se colorer par désinsertion d'ions tel l'oxyde de nickel protoné NiO2, H+. Dans tous les cas l'échange d'ions est assuré par la présence d'une couche de matériau électrolyte en contact avec la couche de matériau électrochrome. L'électrolyte employé peut être un complexe organique formé de polymères de type polyéthers et de sels de métaux alcalins. La cellule C2 peut ainsi être composée de deux plaques de verre (ou tout autre substrat transparent tels que des films souples de polymères) sur lesquels sont déposées des électrodes transparentes (F2) pouvant être des couches d'oxyde d'Indium et d'Etain. Entre ces électrodes sont insérées au moins une couche de matériau électrochrome (Ec) et une couche de l'électrolyte (Et). La figure 3 illustre un exemple de réalisation de cellule (C2) comportant deux couches de matériaux électrochromes (Ec1) et (Ec2) séparées par une couche d'électrolyte (Et). Le matériau (Ec1) peut être un électrochrome capable de se colorer par insertion réversible de cations, le matériau (Ec2) peut être un électrochrome capable de se colorer et donc d'absorber par insertion d'anions et l'électrolyte est alors dans ce cas en mesure de fournir des cations et des anions sous l'action d'une tension. Plus précisément, il peut s'agir de l'association d'une couche d'oxyde de Tungstène WO3 (matériau Ec1) ; l'électrolyte (Et) pouvant être du carbonate de propylène chargé en perchlorate de lithium (ions Li+ et C1o4-). L'intérêt de deux couches est double et réside dans le fait d'isoler la couche réactive d'électrolyte (Et) d'une électrode (F2) de manière à en éviter la dégradation, et de renforcer les variations d'absorption de la cellule électrochrome (C2). L'association d'une cellule (C1) avec une cellule (C2) est illustrée dans un exemple d'écran diffusant pour projection d'images. La figure 4 schématise l'ensemble des cellules (C1) et (C2). La cellule (C1) est alimentée par une tension V1 permettant de maintenir l'état diffusant lors du fonctionnement de l'écran dans le cas d'un polymère à nématique dispersé ne présentant pas d'effet mémoire. La cellule (C2) est alimentée par une tension V2 permettant dans le cas d'une cellule électrochrome de basculer d'un état 21 transparent à un état 22 absorbant, une telle cellule présente de plus l'intérêt d'être à mémoire, il n'est donc pas nécessaire de maintenir la tension V2 lors du fonctionnement de l'écran ; lorsque l'on souhaite revenir à l'état transparent 21 il suffit alors d'appliquer une tension -V2 pour obtenir l'échange d'ions inverse entraînant la décoloration de la cellule (C2). Typiquement pour réaliser un écran de surface 1m2 on peut utiliser - une cellule (C1) comprenant une couche de matériau PDLC de 20 microns d'épaisseur, la taille des microbilles de cristal liquide étant de l'ordre de 2 à 3 microns les caractéristiques diélectriques des matériaux PDLC sont classiquement résistivité : 108ohm-m capacité équivalente C = 2,2 micro F ce qui implique une tension de commutation dans l'état diffusant de 40 V à 2 kHz, un temps de commutation d'environ 10 ms, l'efficacité d'un matériau PDLC en rétrodiffusion Rd étant supérieure à 20 % - une cellule (C2) comprenant au moins une couche de matériau électrochrome, une couche d'électrolyte. Typiquement les tensions de commande sont de l'ordre de quelques dizaines de volts selon les matériaux employés. Les temps de commutation varient d'une à quelques dizaines de secondes selon les tensions de commande. Pour l'oxyde de tungstène le facteur de transmission Tec à l'état bloquant est de l'ordre de 0,1 et le facteur de réflexion Rec moyenné sur tout le spectre visible à I'état bloquant est supérieur à 0,25. On peut ainsi évaluer en première approximation la réflectivité Re de l'écran et sa transparence T. R e =Rd + (1-Rd) (1-Rd) Rec = 0,36 T = (1-Rec) Tec (1-Rd) = 0,06 Lorsque cet écran est juxtaposé sur une surface (S) de type fenêtre > on peut évaluer le taux de lumière parasite apportée par l'écran dans l'ambiance lumineuse. Typiquement, dans une salle ensoleillée l'éclairage ambiant Ea peut être de l'ordre de 500 lux. La luminance parasite transmise par l'écran est alors Lt = T E /1T = 10 nits La luminance moyenne de l'environnement Lenv est définie par Lenv = R env . Ea /1T = 29 nits en utilisant la valeur usuelle des photographes concernant la réflectivité de l'environnement Renv = 0,18. La luminance parasite réfléchie par l'environnement L r est définie par Lr = Re. Lenv = 10 nits, ce qui entraîne une luminance parasite totale de l'écran Lp = Lr+Lt = 20 nits. Cette luminance parasite totale de l'écran reste inférieure à la luminance moyenne de l'environnement dans le cas défavorable d'une ambiance lumineuse élevée. REVENDICATIONS 1. Ecran diffusant caractérisé en ce qu'il est obtenu à partir de l'association d'une cellule (C1) comprenant une couche de matériau (M1) capable de passer d'un état transparent à un état diffusant et d'une cellule (C2) comprenant une couche de matériau (M2) capable de passer d'un état transparent à un état absorbant et réfléchissant, l'ensemble des cellules (C1) et (C2) étant opposé sur une surface (S). 2. Ecran diffusant selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau (M1) est un polymère (P) dans lequel est dispersé un cristal liquide (CL). 3. Ecran diffusant selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le matériau (M2) est un matériau électrochrome (Ec). 4. Ecran diffusant selon la revendication 3, caractérisé en ce que la cellule (C2) comprend une couche d'électrolyte (Et). 5. Ecran diffusant selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la surface (S) est une fenêtre. 6. Ecran diffusant selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la surface (S) est un mur. 7. Ecran diffusant selon ltune des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que écran est associé à un dispositif de projection d'images et qu'il fonctionne en mode de réflexion permettant le renvoi d'images dont la taille peut être variable. 8. Ecran diffusant selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la cellule (C1) comprend des électrodes transparentes (E1) permettant d'appliquer une tension sur la cellule (C1) de manière à faire basculer ladite cellule (C1) d'un état transparent à un état diffusant. 9. Ecran diffusant selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la cellule (C2) comprend des électrodes transparentes (F2) permettant d'appliquer une tension sur la cellule (C2) de manière à faire basculer ladite cellule (C2) d'une état transparent à un état absorbant et réfléchissant.