Brevet FR2778000A1 — publié le 19991029

DISPOSITIF DE VISUALISATION A CRISTAL LIQUIDE A COMPENSATEUR DE BIREFRINGENCE L'invention concerne un dispositif de visualisation à cristal liquide à compensation de la biréfringence permettant d'augmenter notablement l'angle de vision du dispositif de visualisation. Les écrans à cristaux liquides ont connu un très grand essor avec le développement des ordinateurs portables utilisant une technologie de transistors en films minces (TFT - Thin Film Transistor) et une cellule cristal liquide en hélice TN (Twisted Nematic). Les fabricants d'écrans LCD (Ecrans à cristaux liquides) cherchent à présent à diversifier et agrandir leur marché en se positionnant par exemple sur le créneau des ordinateurs de bureau. Pour cela, un problème spécifique doit être résolu: I'angle de vue de ces écrans. En effet, du fait de la biréfringence intrinsèque du cristal liquide, le niveau de contraste chute dès que l'observateur s'éloigne de la normale à l'écran, et pour certaines zones d'observation les niveaux de gris s'inversent. Ce phénomène, tolérable pour l'application écran portable conçu pour être mono-utilisateur, doit absolument être compensé lorsqu'il s'agit de réaliser des écrans d'ordinateurs de bureau. Les propriétés d'angle de vue d'un écran à cristal liquide s'évaluent à partir d'un conoscope, qui donne les courbes d'isocontraste en fonction de l'angle d'observation caractérisé par (0, 4) avec: 0 = angle de l'observateur avec la normale de l'écran = angle de la projection de la direction d'observation dans le plan de l'écran, repéré par rapport à l'axe Est-Ouest (horizontale). Sur la figure 1 est représenté le conoscope d'une cellule à cristal liquide TN non compensée. Diverses méthodes ont été proposées pour la compensation des écrans LCD: La première consiste à modifier la structure de la cellule en créant dans chaque cellule élémentaire (pixel) plusieurs domaines dans lesquels I'ancrage du cristal liquide est différent. On obtient alors un effet de moyennage qui réduit sensiblement le problème. Cette solution conduit à une plus grande complexité dans le procédé de fabrication de l'écran. D'autres types de cellules cristal liquide, o l'alignement, la nature du cristal liquide ou le principe d'adressage sont différents du cristal liquide nématique en hélice TN (Twisted Nematic) ont été expérimentés. Certaines, telles les cellules commutation par commande électrique dans le plan (In Plane Switching - IPS), ont débouché sur des produits commerciaux de qualité équivalente au cristal liquide TN et possédant un très grand angle de vue. Néanmoins, ces effets complexes à mettre en oeuvre sont difficiles à maîtriser. La troisième solution ne modifie pas la structure de la cellule et corrige la biréfringence du cristal liquide par l'ajout d'un ou plusieurs films biréfringents optimisés pour compenser l'effet du cristal liquide. La philosophie de la compensation est la suivante: les problèmes d'angle de vue des cellules à cristal liquide TN proviennent du caractère biréfringent du cristal liquide, qui transforme différemment la polarisation d'une onde lumineuse en fonction de son angle d'incidence. L'extinction entre polariseurs croisés n'étant possible que si la polarisation de sortie est linéaire, le noir n'est obtenu que pour les angles voisins de la normale. On cherche donc à annuler cette biréfringence par l'adjonction de films possédant une biréfringence " inverse ". On caractérise un milieu biréfringent par son ellipsoïde des indices, surface caractéristique de l'indice de propagation d'une onde lumineuse de polarisation et de direction donnée: les axes du repère propre de l'ellipsoïde constituent les axes propres du milieu, et la longueur de ces axes est égale à l'indice de propagation de la lumière polarisée selon l'axe correspondant. Si l'ellipsoïde est de section transverse circulaire, le milieu est " uniaxe ". Pour un élément uniaxe, I'indice selon l'axe de révolution ou axe optique est appelé indice extraordinaire ne, I'indice selon les deux autres axes est l'indice ordinaire no (voir figures 2a et 2b). Si l'indice extraordinaire ne est supérieur à l'indice ordinaire, le milieu est dit uniaxe positif, l'ellipsoïde est allongée en forme de cigare (figure 2a). L'axe extraordinaire est l'axe lent. Si au contraire l'indice extraordinaire ne est inférieur à l'indice ordinaire no, le milieu est dit uniaxe négatif, I'ellipsoïde est aplatie en forme de coussin ou d'assiette (figure 2b). L'axe extraordinaire est l'axe rapide. L'écart entre ces deux indices est très faible, par exemple 0.1 %, mais cela suffit pour introduire des modifications de polarisation très importantes. Le milieu est biaxe si l'ellipsoïde n'est pas de révolution, c'est-à- dire s'il existe trois axes propres orthogonaux avec trois indices différents. Les cristaux liquides sont des milieux uniaxe positifs, I'axe optique correspondant au directeur de la molécule de cristal liquide. Généralement, les films biréfringents sont positionnés entre les polariseurs et les substrats de la cellule. La figure 3 fournit un exemple de cellule avec un film de chaque côté de la cellule. L'étirement d'un film plastique PVA (Poly Vinyl Alcohol) uni ou bidimensionnel permet d'obtenir toutes les biréfringences " dans le plan " (uniaxe type " assiette " ou " cigare ", biaxe) c'est-à-dire avec les axes de l'ellipsoïde des indices contenus dans le plan du film ou selon la normale. La demande de brevet français n 94 13623 décrit une compensation à l'aide d'un film biréfringent de type PVA étiré de marque POLATECHNO-LTD positionné de chaque côté de la cellule. Le film est un biaxe dont les axes de l'ellipsoïde des indices sont dans le plan et normal au substrat (figure 4). Un des axes dans le plan du substrat correspondant à l'axe passant du polariseur correspondant. Cette configuration est représentée figure 5. Il est important de remarquer que sur la figure 5 le polariseur est orienté à 90 de la direction de frottement de la molécule de cristal liquide située du même côté de la cellule. Cette configuration est dite de type Il. Pour le type 1, le polariseur est parallèle au directeur de la molécule de cristal liquide ancrée sur la surface située du même côté de la cellule. Avec ce film, une compensation sur dispositif d'affichage essentiellement Est-Ouest, a été obtenue dans une configuration de type 11, comme le montre la figure 6 qui présente les courbes d'isocontraste d'une cellule à cristal liquide TN compensée avec deux films biaxes, en fonction de la position d'observation exprimée en (0, 4). L'angle de vue horizontal est très bon (+ 70 pour l'isocontraste 50 mais l'angle de vue vertical est très restreint ( 15 - isocontraste 50). Une méthode plus efficace est de compenser la biréfringence de type " cigare " uniaxe du cristal liquide (ne > no) par un film biréfringent de type " assiette " (ne 2 754 609. Notons que pour que la compensation s'opère, I'axe optique des assiettes positionnées de chaque côté de la cellule, doit être contenu dans le plan défini par la normale au substrat et la direction de frottage du côté correspondant. L'obtention d'assiettes inclinées est difficile et d'autant plus difficile que la valeur de biréfringence souhaitée est importante. La solution décrite dans EP 0 645 829 comporte une assiette inclinée d'environ 90 nm de biréfringence, ce qui est une valeur élevée. La compensation optimale nécessite de coupler de chaque côté une " assiette inclinée " et une " assiette dans le plan ", généralement obtenu par étirage d'un film plastique. Un procédé d'évaporation de couches diélectriques dit " oblique " permet d'obtenir également par le concept de " form biréfringence " des films minces d'axe optique incliné de type biaxe à dominante " cigare ". Le brevet US 5 504 603 décrit des architectures de compensation incluant un biaxe positif incliné et diverses combinaisons de films biréfringents " dans le plan ". L'invention a pour objet d'améliorer l'angle de vue aussi bien horizontalement que verticalement. L'invention concerne donc un dispositif de visualisation à cristal liquide comprenant un écran à cristal liquide muni sur au moins une de ses faces principales de moyens de correction de la biréfringence du cristal liquide, caractérisé en ce que les moyens de correction comportent un film possédant une biréfringence biaxe à anisotropie d'indices de réfraction ainsi qu'un film possédant une biréfringence uniaxe d'axe optique oblique par rapport au plan de l'écran à cristal liquide. L'invention prévoit donc de combiner un film biaxe et un film uniaxe d'axe optique oblique pour permettre une correction d'angle de vue horizontalement et verticalement. L'invention fournit également les orientations relatives des différents composants du dispositif. Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront dans la description qui va suivre donnée à titre d'exemple et dans les figures annexées qui représentent: - la figure 1, le conoscope d'une cellule à cristal liquide nématique en hélice (type 11); - les figures 2a et 2b, les ellipsoïdes des indices d'un milieu uniaxe, de forme cigare pour la figure 2a et de forme assiette pour la figure 2b; - la figure 3, une cellule à cristal liquide munie de moyens de compensation; - la figure 4, I'ellipsoïde des indices d'un film biaxe; - la figure 5, une cellule à cristal liquide munie de films plastiques biaxe connue dans la technique; - la figure 6, le conoscope d'une cellule à cristal liquide nématique en hélice compensée avec un film biaxe 80 nm; - la figure 7, le conoscope d'une cellule à cristal liquide TN compensée avec un film biaxe 80 nm et une assiette inclinée de -40 nm; - la figure 8, un exemple de réalisation simplifiée d'un dispositif de visualisation selon l'invention; - la figure 9, une vue éclatée du dispositif selon l'invention; - les figures 10a et 10b, un film holographique à réseau de strates utilisable dans le dispositif de la figure 9; - les figures 11la à 11c, des conoscopes de dispositifs de visualisation selon l'invention. L'invention consiste à combiner dans une configuration de type Il d'une cellule TN, un film plastique étiré biaxe et un film de biréfringence uniaxe inclinée dans une orientation particulière et non conventionnelle par rapport à celle préconisée habituellement dans les corrections connues. Le compensateur est donc hybride car il est constitué de deux éléments de technologie différentes: un film de plastique étiré possédant une biréfringence dite " dans le plan " et une biréfringence oblique qui peut être positive ou négative. L'orientation de l'axe optique est selon un angle 0 optimisé dont le signe est donné par le sens de la molécule médiane lorsque la cellule est sous tension (état noir pour un TN entre polariseurs croisés). Par exemple, pour une molécule médiane orientée selon +0: axe optique orienté dans le sens des 0 positifs pour une oblicité de type assiette; axe optique orienté dans le sens des 0 négatifs pour une oblicité de type cigare. L'oblicité de type assiette peut être obtenue par holographie ou avec un cristal liquide polymérisé de type discotique. L'oblicité de type cigare peut être obtenue par évaporation oblique ou avec un cristal liquide polymérisé de type nématique.. La présence de cette biréfringence inclinée a pour effet d'améliorer l'angle de vue vertical du conoscope de la cellule avec film biaxe dans le plan, en conservant son bon angle de vue horizontal initial. L'avantage d'une telle structure réside dans le fait qu'une faible biréfringence inclinée, typiquement de l'ordre de 40 nm, permet l'obtention d'une bonne compensation (voir exemple de réalisation) lorsqu'elle est couplée avec un film biaxe du commerce de 80 nm de retard dans le plan. Rappelons que la biréfringence inclinée, difficile à réaliser, est d'autant plus accessible technologiquement qu'elle est faible. La figure 8 représente de façon simplifiée un dispositif de visualisation selon l'invention. Ce dispositif comporte: - un écran (ou cellule) à cristal liquide 1; deux films 2 et 2' biaxes présentant une anisotropie d'indices de réfraction accolés de chaque côté de l'écran à cristal liquide; - deux films 3 et 3' présentant une biréfringence uniaxe d'axe optique oblique par rapport au plan de l'écran à cristal liquide. Les deux films 3 et 3' sont accolés aux films 2, 2'; - deux polariseurs croisés 4 et 4' disposés de part et d'autre des films 3 et 3'. Le dispositif de la figure 8 est un exemple préféré de réalisation. Cependant, on pourrait ne prévoir: - soit qu'un film à biréfringence biaxe 2 ou 2' et un film à biréfringence uniaxe 3 o u 3' disposés de chaque côté ou du même coté de l'écran à cristal liquide; - soit un film à biréfringence biaxe et deux films à biréfringence uniaxe; - soit deux films à biréfringence biaxes et un film à biréfringence uniaxe. L'idée de base de l'invention est donc d'associer à l'écran à cristal liquide au moins un film à biréfringence biaxe et un film à biréfringence uniaxe. On va maintenant décrire dans le détail la nature des différents composants d'un exemple de réalisation de l'invention et leurs orientations relatives les uns par rapport aux autres. La figure 9 représente une vue éclatée d'un tel exemple de réalisation. L'orientation du dispositif se fait par rapport aux directions Est- Ouest et Nord-Sud indiquées en bas de la figure. L'écran à cristal liquide 1 comporte un cristal liquide nématique en hélice. Ce cristal liquide est enserré entre deux lames de verre dont les faces 11 et 11' en contact avec le cristal liquide ont été traitées par frottement de façon à déterminer l'orientation des molécules en contact avec ces faces et leur inclinaison (tilt) par rapport au plan des faces. Le sens de frottement de la face 11 est dirigé à -45 de la direction Ouest-Est. Le sens de frottement de la face 11' est dirigé à + 45 de la même direction. Selon une configuration désignée type Il dans la technique, le polariseur 4 associé à la face 11 est orienté à 90 du sens de frottement de cette face. Il en est de même pour le polariseur 4' qui est orienté à 90 du sens de frottement de la face 11'. Les deux polariseurs sont donc orientés à 90 I'un de l'autre, à quelques degrés près éventuellement. Le film à biréfringence biaxe 2 est orienté de telle façon que son axe d'indice le plus grand est orienté perpendiculairement à la direction de frottement de la face 11. De façon similaire, le film à biréfringence biaxe 2' est orienté de telle façon que son axe d'indice le plus grand est orienté perpendiculairement à la direction de frottement de la face 11'. Le film uniaxe 3 est orienté de façon que: - I'axe optique de ce film fasse un angle OO compris entre 25 et 60 avec la normale au plan du film (le plan de l'écran à cristal liquide). Par exemple, cet angle est de 35 ; - et que la projection de l'axe optique de ce film sur le plan du film fasse un angle compris entre 90 et 135 (par exemple ) avec la direction Ouest-Est. Le film uniaxe 3' de façon similaire est orienté de façon que: - l'axe optique de ce film fasse un angle compris entre 25 et 60 avec la normale au plan de ce film; - et que la projection de l'axe optique de ce film 3' sur le plan du film fasse un angle compris entre 45 et 90 avec la direction Ouest-Est. Selon un mode de réalisation préféré, le film biaxe est un film plastique étiré. Le film uniaxe est un film holographique dans lequel un réseau de strates a été enregistré en volume. Les figures 10a et 10b représentent un tel réseau et son procédé d'enregistrement. Dans un tel film, I'axe optique est la normale au plan des strates d'indices. Selon cet exemple de réalisation, I'axe optique du film fait un angle OO de 35 avec la normale au plan du film et l'axe optique du film se projette selon l'axe Oy sur le plan du film. La figure 10a représente un mode d'enregistrement du réseau de strates selon lequel deux ondes contrapropagatives interfèrent dans le film. La direction de ces ondes correspond à celle de la normale au plan des strates à obtenir. La longueur d'onde de ces ondes est inférieure à la gamme de longueurs d'ondes d'utilisation du dispositif de visualisation. Selon un exemple de réalisation le dispositif de l'invention utilise un film biaxe dans le plan de marque POLATECHNO et un film de type " assiette " inclinée réalisé par holographie, dont les caractéristiques sont les suivantes: Film POLATECHNO À Différence de marche optique dans le plan du film (ne - no) x d = 80 nm 5. Différence de marche optique dans la section du film (nz - no) x d = - 128 nm * Rapport de biaxialité r= n.- n = -1,6 ne - no À L'axe de plus fort indice est perpendiculaire à la direction de frottage (à quelques degrés près suivant la configuration) Film holographique Différence de marche globale ne - no = - 40 nm obtenue avec un film de 25 pm d'épaisseur - Angle d'inclinaison - (p = 90 Nord-Sud 0o = 33 (dans le sens de la molécule médiane) L'assiette inclinée est positionnée entre le biaxe et le polariseur, de part et d'autre de la cellule. Le conoscope correspondant à cette compensation est donné figure 7. Un léger décroisement des polariseurs (quelques degrés) est nécessaire pour optimiser la structure. En le comparant au conoscope de la compensation avec film biaxe seul, on constate par exemple pour un isocontraste de 50, un élargissement important de l'angle de vue vertical (+30, -40 ). On va maintenant décrire des exemples de réalisation et les conoscopes correspondant permettant de mettre en évidence l'intérêt de l'invention. Dans tous les cas ci-dessous la configuration de cellule à cristal liquide est une cellule à cristal liquide TN en configuration type Il décrite précédemment. Un premier dispositif ne prévoit que des films plastique étirés biaxe (type POLATECHNO) disposés de part et d'autre de l'écran à cristal liquide et correspond à un dispositif connu dans la technique. - Polariseur............................................. à 135 - Un premier film biaxe................................ à 140 - Cellule TN en configuration type Il - Un deuxième film biaxe............ ...............à 40 - Analyseur......................................... DTD: .......... à 45 Le conoscope obtenu avec un tel dispositif est du type représenté..DTD: en figure 6. Les trois configurations de dispositifs qui suivent correspondent à des configurations selon l'invention comportant de chaque côté de la cellule à cristal liquide un film plastique biaxe et un film holographique uniaxe (cf. figure 9). Ces différentes configurations diffèrent essentiellement les unes des autres par l'angle (p que fait la projection de l'axe optique du film holographique sur le plan du film avec la direction Ouest-Est. Configuration n 1 - Polariseur 4: 135 - Film holographique 3: (p = 90 Film plastique biaxe 2: 132 - Cellule TN en configuration type Il - Film plastique biaxe 2': 48 - Film holographique 3': (p' = 90 - Polariseur 4': 45 Dans ce dispositif, la projection de l'axe optique sur le plan du film holographique est donc orientée Nord-Sud. Le conoscope de ce dispositif est représenté en figure 1 a. Configuration n 2 - Polariseur 4: 135 - Film holographique 3: (p = 70 - Film plastique biaxe 2: 135 - Cellule TN en configuration type Il Film plastique biaxe 2': 45 - Film holographique 3': (pq' = 110 Polariseur 4': 45 Le conoscope de ce dispositif est représenté en figure 1 b. Configuration n 3 - Polariseur4: 135 - Film holographique 3: (p = 55 Film plastique biaxe 2: 135 - Cellule TN en configuration type Il - Film plastique biaxe 2': 45 - Film holographique 3': (p' = 125 - Polariseur 4': 45 Le conoscope de ce dispositif est représenté en figure 1 c. REVENDICATIONS 1. Dispositif de visualisation à cristal liquide comprenant un écran à cristal liquide (1) muni sur au moins une de ses faces principales (10, 11) de moyens de correction de la biréfringence du cristal liquide, caractérisé en ce que les moyens de correction comportent un film (2) possédant une biréfringence biaxe à anisotropie d'indices de réfraction ainsi qu'un film (3) possédant une biréfringence uniaxe d'axe optique oblique par rapport au plan de l'écran à cristal liquide. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le film (2) possédant une biréfringence biaxe est un film plastique étiré dans un plan parallèle au plan de l'écran à cristal liquide. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le film plastique a son axe d'indice le plus grand et un axe d'indice plus faible situés dans le plan du film. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le film (3) présentant une biréfringence oblique est un film holographique comportant un réseau de strates en volume. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le pas du réseau de strates est plus petit que la longueur d'onde la plus faible d'une gamme de longueurs d'ondes éclairant l'écran. 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'une première face (10) de l'écran à cristal liquide (1) étant destinée à être située du côté d'un observateur, le film plastique (2) est accolé à cette première face et en ce que le film (3) présentant une biréfringence oblique est accolé à la deuxième face (11) opposée à la première face. 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'une première face (10) de l'écran à cristal liquide étant destinée à être située du côté d'un observateur, le film (3) présentant une biréfringence oblique est accolé à cette première face et en ce que le film plastique (2) est accolé à la deuxième face (11) opposée à la première face. 8. Dispositif selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce qu'un film à biréfringence oblique possédant un réseau de biréfringence est également accolé au film plastique (2). 9. Dispositif selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce qu'un film plastique étiré possédant une biréfringence à anisotropie d'indices de réfraction est également accolé au film (3) à biréfringence oblique. 10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'une première face (10) de l'écran à cristal liquide est destinée à être située du côté d'un observateur et en ce que le film plastique et le film à biréfringence oblique (3) sont accolés à cette première face (10). 11. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'une première face (10) de l'écran à cristal liquide est destinée à être située du côté d'un observateur et en ce que le film plastique et le film à biréfringence oblique sont accolés à une deuxième face opposée à cette première face. 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le cristal liquide de l'écran à cristal liquide est un cristal liquide nématique en hélice et en ce qu'il comporte des polariseurs croisés disposés de part et d'autre de l'écran à cristal liquide. 13. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'écran à cristal liquide est réalisé sous une configuration de type Il et en ce que les polariseurs enserrent l'ensemble du dispositif écran à cristal liquide/moyens de correction. 14. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que chaque film plastique étiré est orienté de façon que son grand axe de biréfringence soit sensiblement parallèle à la direction du polariseur situé du même côté que ledit film par rapport à l'écran à cristal liquide. 15. Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce que ledit parallélisme est à moins de 10 près. 16. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque film (3) holographique est orienté de façon que la normale au plan des strates du film holographique fait un angle compris entre 25 et 60 avec la normale au plan de l'écran à cristal liquide. 17. Dispositif selon la revendication 16, caractérisé en ce que l'écran à cristal liquide est orienté de façon à ce que les sens de frottement d'ancrage des molécules à cristal liquide sur les faces de confinement du cristal liquide forment un angle de 45 avec une direction horizontale moyenne d'observation, le sens de frottement d'une première face faisant un angle de -45 par rapport à la direction horizontale et le sens de frottement d'une deuxième face faisant un angle de +45 par rapport à la direction horizontale et en ce que la projection de la normale au plan des strates du film holographique associé à la première face sur le plan de l'écran à cristal liquide fait un angle (p) compris entre 90 et 45 avec la direction horizontale. 18. Dispositif selon la revendication 17, caractérisé en ce que la projection sur le plan de la première face de la normale au plan des strates du film holographique associé à la première face fait un angle compris entre et 90 avec la direction horizontale et en ce que la projection sur le plan de la deuxième face de la normale au plan des strates du film holographique associé à la deuxième face fait un angle compris entre 90 et 135 avec la direction horizontale.