Brevet FR2693020A1 — publié le 19931231

i DISPOSITIF D' AFFICHAGE A CRISTAL LIQUIDE NEMATIQUE EN HELICE La présente invention se rapporte aux dispositifs électro- optiques à commande électrique permettant l'affichage d'images, directement sur un panneau modulant la lumière par transmission, ou indirectement par projection sur un écran L'invention concerne plus particulièrement les dispositifs mettant en oeuvre un cristal liquide disposé entre deux polariseurs croisés et présentant, en l'absence de champ électrique modulateur, une structure nématique en hélice Dans cette configuration, on peut s'arrranger pour que la transparence décroisse lorsqu'on soumet la cellule à cristal liquide à une tension électrique croissante L'image visualisée présente un défaut d'uniformité qui dépend des conditions angulaires d'observation Pour diminuer cet inconvénient, l'invention propose d'associer à la couche de cristal liquide une ou plusieurs lames compensatrices, faites d'un milieu optique biréfringent uniaxe, l'ensemble étant situé entre les deux polariseurs croisés Cette technique permet d'obtenir un rapport de contraste plus homogène dans un angle d'observation plus ouvert. L'invention a donc pour objet un dispositif d'affichage à commande électrique mettant en oeuvre une couche de cristal liquide nématique en hélice disposée entre deux polariseurs, caractérisé en ce que des moyens compensateurs uniaxes à biréfringence sont associés à ladite couche à l'intérieur de la cavité optique formée par lesdits polariseurs. L'invention a également pour objet un dispositif d'affichage à commande électrique tel que décrit ci-dessus dans lequel la présence des moyens compensateurs permet d' annuler un défaut de symétrie qui est imputable à l'effet du champ électrique de commande sur la disposition en hélice des molécules du cristal liquide en phase nématique Cet agencement particulièrement avantageux pour l'affichage par projection consiste à utiliser une lame compensatrice dont l'axe optique présente une légère inclinaison par rapport à la normale aux faces qui délimitent la couche de cristal liquide Une variante de réalisation utilise un système compensateur à deux lames uniaxes superposées dont les axes optiques sont orthogonaux, afin que sous incidence normale le système se comporte comme un milieu isotrope; l'un des axes optiques étant alors légèrement incliné par rapport aux faces de la couche de cristal liquide et l'autre axe optique leur étant parallèle. L'invention sera mieux comprise au moyen de la description ci- après et des figures annexées, parmi lesquelles: La figure 1 est une vue isométrique d'un dispositif d'affichage selon l'invention, La figure 2 est une vue de profil du dispositif de la figure 1, La figure 3 est un diagramme explicatif du fonctionnement de la cellule à cristal liquide de la figure 1, La figure 4 est un diagramme précisant la réponse angulaire de la cellule à cristal liquide de la figure 1, en l'absence de moyen compensateur, La figure 5 est une vue de profil (a) et une vue frontale (b) d'une première variante de réalisation de l'invention, La figure 6 est une vue de profil (a) et une vue frontale (b) d'une seconde variante de réalisation de l'invention, La figure 7 est une vue de profil (a) et une vue frontale (b) d'une troisième variante de réalisation de l'invention, Les figures 8 et 9 illustrent les améliorations obtenues en ce qui concerne la dépendance angulaire du rapport de contraste, La figure 10 schématise un dispositif d'affichage à projection de type connu, Les figures 11 et 12 illustrent, par des vues de profil, d'autres variantes de réalisation de l'invention, La figure 13 est un schéma de dispositif d'affichage à projection selon l'invention, Les figures 14 et 15 illustrent les améliorations obtenues en ce qui concerne la dépendance angulaire du rapport de contraste, Les figures 16 et 17 illustrent la dépendance en longueur d'onde du facteur de transmission, respectivement, pour l'état ouvert et pour l'état fermé, Les figures 18 et 19 illustrent la dépendance angulaire du rapport de contraste avec des éléments compensateurs ayant l'axe optique légèrement incliné, soit par rapport aux faces de la couche de cristal liquide, soit par rapport à leur normale. Sur la figure 1, on peut voir deux lames support transparentes 3 et 4 qui délimitent une cavité à faces parallèles traitées au moyen de surfactant et par un procédé d'alignement, afin de communiquer aux molécules d'un cristal liquide nématique qui remplit cette cavité des orientations particulières La zone cylindrique 7 illustre cette orientation moléculaire en hélice en l'absence de champ électrique de commande A proximité immédiate de la lame 3 les molécules sont orientées dans la direction 10 qui est inclinée à 45 degrés par rapport aux axes X et Y A proximité immédiate de la lame 4, les molécules sont orientées dans la direction 9 orthogonale à la direction 10 A mi- distance des faces internes des lames 3 et 4, les molécules de cristal liquide sont orientées selon l'axe X que l'on suppose correspondre à la direction verticale du dispositif d'affichage Les lames 3 et 4 sont équipées d'électrodes transparentes reliées à un générateur électrique 6, afin de créer un champ électrique de direction Z et d'intensité proportionnelle à la tension électrique u délivrée par le générateur 6 Ce champ électrique de commande modifie l'orientation moléculaire en hélice comme illustré dans la zone cylindrique 8 En l'absence de champ de commande, l'orientation moléculaire est symétrique et capable de faire tourner de 90 degrés la polarisation rectiligne d'un rayonnement lumineux pénétrant dans la couche de cristal liquide par l'une de ses faces principales et émergeant par son autre face principale Si l'ensemble 3-4 est placé entre un polariseur 2 et un analyseur 5 de telle façon que ces éléments imposent les directions 10 et 9, on voit que l'orientation en hélice 7 permettra à la lumière produite par la source lumineuse 1 de traverser le dispositif d'affichage le mieux possible, ceci en l'absence de champ électrique de commande, ce qui caractérise un état 'ouvert' Au contraire, l'action d'un champ électrique de commande aura pour effet de diminuer le pouvoir rotatoire de la couche de cristal liquide et du même coup les polariseurs croisés 2 et 5 auront sur la lumière une action obturatrice correspondant à un état 'fermé'. Entre le polariseur 2 et la lame transparente 3, ou bien entre la lame 4 et l'analyseur 5, on a prévu, conformément à l'invention, d'ajouter un élément compensateur 11 qui, à titre d'exemple non limitatif, peut revêtir la forme d'une lame à faces parallèles taillée dans un milieu biréfringent uniaxe dont l'axe optique est dirigé suivant l'axe OZ Sans cet élément, le dispositif des figures 1 et 2 est de type connu et ses propriétés électro-optiques sont décrites par les diagrammes des figures 3 et 4 A titre d'exemple, les caractéristiques d'un dispositif d'affichage à cristal liquide nématique en hélice sont: Cristal liquide de type MERCK ZLI-3347 Différence de marche optique (ne-no)d:476 nm angle d'hélice:900 préinclinaison des molécules de cristal liquide en l'absence de champ électrique: 20 polariseurs de type SANRITZ LLC 2 82185 Tension d'état"ouvert':1,74 Volt Tension d'étatlfermé": 5,40 Volt Longueur d'onde de la lumière: 550 nm La figure 3 exprime le facteur de transmission T en fonction de la tension de commande u La figure 4 exprime par deux courbes les propriétés angulaires, c'est à dire la variation du rapport de contraste CR avec la direction du rayon lumineux R En se reportant à la figure 1, on voit que les coordonnées angulaires du rayon lumineux sont e et e La coordonnée 3 donne l'orientation du plan I 3 qui contient R et Z La coordonnée 9 fixe l'orientation de R par rapport à Z. La courbe e = O montre comment varie le rapport de contraste lors d'un balayage angulaire horizontal, tandis que la courbe e = 1/2 concerne un balayage angulaire vertical On note -que le résultat est symétrique pour un balayage horizontal, alors qu'il est asymétrique et déporté à droite pour un balayage vertical L'asymétrie et le déport à droite se comprennent aisément en examinant la vue de profil sur la figure 2 On voit que les molécules basculent dans la direction OZ en tournant sur elles-mêmes dans le sens déterminé par l'angle de préinclinaison, au lieu de rester sensiblement parallèles aux faces de la couche de cristal liquide Dans ces conditions, lors d'un balayage angulaire vertical, comme indiqué par la flèche 14, la biréfringence résiduelle de la couche ne fait qu'augmenter, ce qui explique le déport sur la figure 4. Les courbes des figures 3 et 4 sont établies dans l'hypothèse d'un élément 11 n'introduisant pas de compensation par biréfringence. Selon une première variante de réalisation de l'invention illustrée à la figure 5, le moyen compensateur 11 prend la forme d'un milieu uniaxe de biréfringence négative dont l'axe optique OA est dans le plan XZ et fait avec la face de la couche de cristal liquide un angle ( 3) compris entre 75 et 900 La flèche 16 indique la préinclinaison moléculaire En (b), on voit que la section 17 de l'ellipsoide des indices est circulaire pour une propagation parallèle à l'axe OA Pour chiffrer les performances d'un dispositif d'affichage, on peut se référer à un rapport de contraste intégré ICR dont l'expression mathématique est la suivante j Ir 04 ICR(o C) = fcijîde ?'e,A CI j) o: transmission pour les états "ouvert" et nfermé". En adoptant pour le compensateur une différence de marche de -390 nm et un angle de l'axe optique de 83 , la grandeur ICR( 200) vaut 187, alors que pour une cellule à cristal liquide sans compensateur,on obtient une valeur de 77 Un tel compensateur peut être réalisé par une couche de cristal liquide discotique à préinclinaison homogène Les courbes référencées HRTI sur les figures 18 et 19 se rapportent à cette variante de réalisation On constate sur la figure 19 que le déport de la courbe HRTI est annulé, alors qu'il apparait sur la courbe TN qui représente la variation angulaire d'une cellule à cristal liquide sans compensateur 11 La figure 18 montre que dans la direction horizontale, le compensateur 11 élargit la répartition angulaire du rapport de contraste CR. La compensation illustrée par la figure 5 utilise un seul élément 11 à biréfringence négative qui présente des propriétés isotropes pour une onde lumineuse se propageant suivant l'axe optique Comme le montre la figure 6, on peut obtenir un résultat similaire en utilisant deux éléments compensateurs à biréfringence positive i 1 a et i 1 b juxtaposés. Ces éléments introduisent les mêmes différences de marche, mais comme leurs axes optiques OA sont orthogonaux, l'ensemble présente un comportement isotrope dans une direction de propagation peu inclinée par rapport à l'axe Z L'axe optique OA de l'élément 1 la est orienté perpendiculairement au plan de la figure, tandis que l'axe optique i 1 b est incliné d'un angle (fb) compris entre O et 150 par rapport aux faces de la couche de cristal liquide L'élément compensateur llb peut être constitué par une couche de cristal liquide A titre d'exemple non limitatif, le doublet compensateur de la figure 6 comprend des éléments présentant une différence de marche de 440 nm et l'axe optique OA de l'élément ilb est incliné à 6,50 On obtient un rapport de contraste intégré ICR( 200) de 182 Les courbes DRTI des figures 18 et 19 donnent des indications sur la répartition angulaire du rapport de contraste CR pour ce type de compensation. Une simplification consiste à utiliser des éléments compensateurs dont les axes optiques sont perpendiculaire ou parallèle aux faces de la couche de cristal liquide Avec cette simplification, l'exemple de la figure 5 permet d'obtenir les résultats angulaires illustrés par les courbes HR des figures 8 et 9 La même simplification appliquée au cas de la figure 6 fournit les résultats angulaires illustrés par les courbes DR des figures 8 et 9 Sur la figure 6, les sections 19 et 20 de l'ellipsoïde des indices ont leurs grands axes dirigés suivant X et Y La figure 7 représente une autre variante de réalisation qui diffère de celle de la figure 6 par le fait que les grands axes des sections 23 et 24 de l'ellipsoïde des indices sont orientés dans les directions 9 et 10 Les sections 21 et 22 correspondent au plan de la figure 7 La variante de la figure 7 fournit les résultats angulaires illustrés par les courbes DRO des figures 8 et 9. Une conséquence de la simplification décrite ci-dessus est que, dans la direction verticale, le déport des courbes n'est pas annulé, ce qui ne présente pas de problème pour un dispositif d'affichage à vision directe Dans les mode de réalisation déjà décrits, le cas de la figure 5 correspond à la mise en oeuvre d'un milieu biréfringent uniaxe négatif. Les cas illustrés aux figures 6 et 7 mettent en oeuvre des milieux biréfringents uniaxes positifs. Sur la figure 10, on a représenté un système à projection comprenant un dispositif d'affichage à cristal liquide nématique en hélice associé à une source lumineuse 1 munie d'un réflecteur 100 La projection sur écran est assurée par un objectif 26 et compte tenu du déport du maximum de contraste observé en direction verticale pour un dispositif d'affichage non compensé, on voit qu'il est nécessaire d'incliner le dispositif 25 par rapport à l'axe optique 27, afin que l'éclairement soit optimal dans la direction de l'axe optique On pourrait aussi déporter le dispositif 25 par rapport à l'axe optique de l'objectif pour atteindre le même résultat Dans les deux cas, on constate que ces mesures ne permettent pas d'utiliser au mieux l'objectif de projection puisque le dispositif 25 n'est pas correctement positionné du point de vue de l'imagerie optique On a déjà proposé ci-dessus une solution à ce problème qui consiste à utiliser des milieux biréfringents uniaxes ayant l'axe optique légèrement incliné, soit par rapport à la normale aux faces de la couche de cristal liquide, soit par rapport à ces faces ellesmêmes. La solution étant difficile à mettre en oeuvre, on a représenté aux figures 1 1 et 12 d'autres solutions plus faciles à réaliser L'élément compensateur 11, simple ou double, n'est plus disposé parallèlement à la couche de cristal liquide, mais il présente une inclinaison J 3 qui permet, avec des éléments compensateurs à axe optique parallèle ou perpendiculaire aux faces d'entrée et de sortie, d'obtenir en fin de compte une annulation du déport de la courbe du rapport de contraste dans la direction verticale. Sur la figure 11, la couche de cristal liquide nématique en hélice est une couche d'épaisseur uniforme, emprisonnée entre deux lames transparentes 3 et 4 à faces parallèles Le polariseur 2 est maintenu à une certaine distance de la lame 3 et entre ces deux organes, on a disposé obliquement un compensateur à biréfringence 11 ayant des faces d'entrée et de sortie parallèles d'inclinaison I% Le compensateur 11 forme avec son entourage deux prismes d'air Comme la lumière franchit de nombreux dioptres air-verre, une perte par réflexion interne diminue la quantité de lumière transmise et altère la qualité des images Pour pallier cet inconvénient, la figure 12 suggère de substituer à la lame 3 le prisme 29 d'angle et de prévoir entre le polariseur 2 et le compensateur 11 un autre prisme 28 qui supprime tout intervalle d'air. A titre d'exemple non limitatif, la configuration de la figure 11 peut être réalisée avec un élément compensateur simple ayant l'axe optique perpendiculaire à ses faces d'entrée et de sortie; en adoptant une différence de marche de -450 nm et un angle> 3 de 100, on obtient un rapport de contraste intégré ICR( 200) = 205 Les courbes de répartition angulaires correspondantes sont dénotées IHR-f sur les figures 14 et 15 Les courbes des figures 16 et 17 ayant la même référence illustrent la dépendance des facteurs de tranmission T à l'état 'ouvert' et "fermé" vis-à-vis de la longueur d'onde > En se basant sur la figure 11, avec un compensateur double du type illustré à la figure 6 et en adoptant une différence de marche de 475 nm et un angle A de 10 , on trouve un rapport de contraste intégré ICR( 200)= 190 Ce cas est illustré aux figures 14 à 17, par les courbes référencées IDR-f. En se fondant sur la figure 12, avec un compensateur simple du type illustré à la figure 5 et en adoptant une différence de marche de -380 nm et un anglet S de 70, on trouve un rapport de contraste intégré ICR( 200)= 187 Ce cas est illustré aux figures 14 à 17 par les courbes référencées IHR-w. En se fondant sur la figure 12, avec un compensateur double du type illustré à la figure 6 et en adoptant une différence de marche de 500 nm et un angle 13 de 6 , on trouve un rapport de contraste intégré ICR( 200)= 173 Ce cas est illustré aux figures 14 à 17 par les courbes référencées IDR-w. Sur la figure 13, on peut voir le schéma d'un système à projection équipé d'un dispositif d'affichage conforme à la figure 12 Les conditions de formation par l'objectif 26 d'une image agrandie sont idéales et la distribution angulaire du rapport de contraste est symétrique par rapport à l'axe optique dans les direction horizontale et verticale. D'après la description qui précède, on voit que le fait d'associer un compensateur à biréfringence uniaxe à une couche de cristal liquide nématique en hélice apporte dans tous les cas une meilleure répartition angulaire horizontale du rapport de contraste En inclinant de manière appropriée l'axe optique du milieu biréfringent constituant le compensateur par rapport aux faces de la couche de cristal liquide, on peut en outre éliminer le déport de la répartition angulaire verticale Lorsque le compensateur est fait d'une lame unique avec l'axe optique perpendiculaire aux faces d'entrée et de sortie, on constate que la polarisation rectiligne est conservée pour une traversée de la lame sous incidence normale Il en est de même dans la version à deux lames superposées, car la différence de marche produite par la première lame est annulée par l'autre lame. Les améliorations apportées aux dispositifs à cristal liquide nématique en hélice sont d'ordre optique Elles s'appliquent notamment aux dispositifs d'affichage à matrice passive ou active tels qu'on les utilise comme écrans d'ordinateur, ou pour les applications écran plat en télévision On peut également appliquer ces perfectionnement aux systèmes à projection, ainsi qu'aux viseurs pour caméra video et caméscopes. La description qui précède n'a été donnée qu'à titre d'exemple non limitatif et il va de soi que d'autres variantes peuvent être envisagées, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Dispositif d'affichage à commande électrique mettant en oeuvre une couche de cristal liquide nématique en hélice disposée entre deux polariseurs, caractérisé en ce que des moyens compensateurs uniaxes à biréfringence ( 11,11 a,11 b> sont associés à ladite couche à l'intérieur de la cavité optique formée par lesdits polariseurs ( 2,5). 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'orientation moléculaire ( 7) de ladite couche, en l'absence de tension électrique de commande, est ajustée pour faire tourner de 90 la polarisation rectiligne d'une onde lumineuse qui la traverse dans la direction normale (Z) par rapport à ses faces principales; lesdits polariseurs ( 2,5) étant croisés. 3 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que lesdits moyens compensateurs comprennent une lame biréfringente à faces parallèles ( 11); l'axe optique (OA) du milieu constituant ladite lame faisant avec la normale (Z) auxdites faces principales, un angle compris entre zéro et quinze degrés. 4 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que lesdits moyens compensateurs comprennent une paire de lames biréfringentes à faces parallèles ( 1 la,11 b) ayant des axes optiques (OA) orthogonaux; le premier desdits axes optiques étant parallèle auxdites faces principales et le second desdits axes optiques formant avec lesdites faces principales un angle compris entre zéro et quinze degrés. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que ledit angle a une valeur nulle; lesdites faces parallèles étant parallèles auxdites faces principales. 6 Dispositif selon les revendications 2, 4 et 5, caractérisé en ce que les axes lents desdites lames biréfringentes sont orientés selon les bissectrices des directions de polarisation fixées par lesdits polariseurs ( 2,5). 1 1 7 Dispositif selon les revendications 2, 4 et 5, caractérisé en ce que les axes lents desdites lames biréfringentes sont orientés selon les directions de polarisation sélectionnées par lesdits polariseurs ( 2, 5). 8 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que ledit angle a une valeur non-nulle; lesdites faces parallèles étant parallèles auxdites faces principales. 9 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que ledit angle a une valeur non-nulle; l'angle formé par lesdites faces parallèles avec lesdites faces principales étant égal audit angle. 1 O.Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'empilage de ladite couche de cristal liquide, desdits moyens compensateurs ( 11, 11 a, i 1 b) et desdits polariseurs ( 2, 5) est réalisé avec des moyens intercalaires réfringents ( 28, 29) en forme de coins. i 1 Système de projection d'images sur un écran comprenant un objectif de projection, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif d'affichage ( 2, 28,11,29,4,5) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 et 8 à 10 et en ce que ledit dispositif d'affichage comprend une couche de cristal liquide ayant ses faces principales perpendiculaires et centrées par rapport à l'axe optique ( 27) dudit objectif de projection ( 26).