Brevet FR2808599A1 — publié le 20011109

La présente invention concerne un empilement optique associé à une valve à cristaux liquides de type TN pour "nematique twisté", plus particulièrement à une valve â cristaux liquides ce type utilisée en projection. La présente invention concerne aussi bien la projection frontale que la rétroprojection. De manière connue, un projecteur frontal ou un rétroprojecteur comporte un système d'éclairage constitué essentiellement d'une lampe associée à un réflecteur. Le système d'éclairage suivi d'un système optique permettant de diriger les rayons lumineux vers une ou plusieurs valves à cristaux liquides, les rayons issus de la ou valves à cristaux liquides étant recombinés pour entrer dans une lentille projection. De manière connue, pour fonctionner correctement, une valve à cristaux liquides de type TN doit recevoir une lumière polarisée. De ce fait la valve est associée à un empilement optique connu comportant un polariseur, la valve optique elle-même et un analyseur. A empilement connu, peuvent être associés d'autres films qui permettent d'obtenir une bonne continuité de l'état de polarisation entre le système optique amont et la valve puis entre la valve et le système optique aval et corriger les défauts intrinsèques aux valves à cristaux liquides de type en terme de variation du contraste en angle de vue. En effet, les cellules à cristaux liquides type TN présentent des variations de transmission en fonction de l'angle sous lequel elles sont éclairées. Ceci est un défaut intrinsèque qui génère, en projection, une non- uniformité de la valeur du contraste sur l'écran, une valeur moyenne du contraste affaiblie ainsi que l'existence d'une zone sur l'écran pour laquelle on observe une inversion des niveaux de gris. Différentes méthodes sont utilisées pour minimiser les phénomènes ci-dessus. Ainsi, on peut optimiser le système optique en éclairant les valves à cristaux liquides avec une lumière la plus collimatée possible, en inclinant les valves par rapport à l'axe optique d'éclairage ou encore en réduisant l'ouverture de l'objectif et en travaillant en off- . II est aussi connu d'utiliser des films de compensation. La présente invention a donc pour but de proposer un empilement optique spécifique qui peut être utilisé en projection et qui permet limiter les variations du contraste en angle de vue. Ainsi, la présente invention a pour objet un empilement optique associé à une valve à cristaux liquides de type TN pour nématique twisté utilisée en projection, ledit empilement comportant au moins un polariseur, une valve à cristaux liquides et un analyseur, caractérisé en ce qu'il comporte de plus entre le polariseur et la valve à cristaux liquides, un premier film de compensation incluant au moins une couche uniaxe à biréfringence négative dont l'axe optique est incliné par rapport à la normale aux faces principales du film. Selon une autre caractéristique de la présente invention, l'empilement optique comporte entre la valve à cristaux liquides et l'analyseur, un second film de compensation incluant au moins une couche uniaxe à biréfringence négative dont l'axe optique est incliné par rapport à la normale aux faces principales du film. De préférence, les premier et second films de compensation comportent de plus une couche à biréfringence positive et à axe optique dans le plan. Selon un mode de réalisation préférentiel, la couche uniaxe à biréfringence négative dont l'axe optique est incliné par rapport à la normale aux faces principales du film, comporte une couche de cristal liquide discotique à pré-inclinaison homogène. L'utilisation de ces films de compensation entre le polariseur et la valve â cristaux liquides ainsi qu'entre la valve à cristaux liquides et l'analyseur, supprime totalement les zones d'inversion de niveaux de gris et augmente le contraste moyen de façon notable. Ils assurent aussi une meilleure uniformité du contraste sur l'écran. Pour obtenir les meilleurs résultats possibles et conformément à la présente invention, l'axe optique du premier et/ou du second film compensation est décroisé par rapport à l'axe d'absorption du polariseur et/ou l'analyseur, de préférence l'angle de décroisement est compris entre et 5 , à savoir égal à 1 . D'autre part, selon une autre caractéristique de la présente invention, pour que la structure du film ne soit pas modifiée â cause de temperature élevée due à l'éclairage dans le système de projection, premier film de compensation est accolé sur la face de sortie du polariseur, l'ensemble étant laminé sur une plaque de verre indépendante de manière être positionné à une certaine distance de la valve à cristaux liquides. plus, second film de compensation est accolé sur la face de sortie de valve cristaux liquides, l'analyseur étant accolé à l'ensemble. D'autre part, selon une caractéristique supplémentaire de présente invention, l'empilement optique comporte de plus une première lame demie-onde positionnée avant le polariseur et une seconde lame demie-onde positionnée après l'analyseur, ces lames ayant pour d'optimiser le flux lumineux en éclairant le polariseur avec une lumière polarisee linéairement. Les lames demie-onde assurent la parfaite rotation de la polarisation issue du système d'éclairement vers l'axe de polarisation du polariseur associé aux écrans à cristaux liquides. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaitront à la lecture de la description d'un mode de réalisation préférentiel, cette description étant faite avec référence aux dessins ci- annexés dans lesquels la figure 1 représente schématiquement un projecteur couleur comportant trois valves à cristaux liquides auquel s'applique la présente invention, la figure 2 représente schématiquement un empilement optique conforme à la présente invention, figure 3 représente une vue en coupe de l'empilement optique, et figure 4 représente une courbe montrant le contraste en fonction l'angle de vue entre une cellule compensée conformément à la présente invention, et une cellule non-compensée. décrira tout d'abord avec référence à la figure 1, un mode de réalisation projecteur d'images couleur utilisant trois valves optiques à cristaux liquides avec lequel on a mis en oeuvre la présente invention. Ce projecteur comprend un système d'éclairage 1, comportant une lampe 10, telle qu'une lampe à halogénure de métal, xénon ou similaire, et un réflecteur 1 entourant la lampe 10. Le système d'éclairage 10 associé à un intégrateur optique 2, dont le rôle est de répartir uniformément la lumière émise par lampe 10 du système d'éclairage sur les éléments de l'unité optique ou moteur optique 3 qui seront décrits ci-après. L'unite optique 3 comporte schématiquement des moyens de séparation des couleurs pour fournir à chaque valve optique 30, 31, 32, la composante couleur correspondante bleue (B), verte (G), rouge (R) et des moyens de recombinaison 37, 38 des images fournies par les trois valves optiques. Comme représenté sur la figure 1, les moyens de recombinaison images sont formés par deux miroirs dichroïques 37, 38 positionnées telle sorte que le miroir 37 recombine les images formées sur les valves à cristaux liquides 31 et le miroir 38 recombine les images issues miroir 37 et de la valve a cristaux liquides 32. La lumière par le miroir 38 envoyée sur une lentille de projection 5. Dans le mode de réalisation représenté, les moyens séparation des couleurs sont constitués par miroirs dichroïques 33 et 35 associés à des miroirs plans 34 et 36 ainsi 'à des lentilles 41, 42 et 43 positionnées de manière connue de l'homme l'art pour renvoyer les composantes de couleurs verte, rouge et bleue respectivement vers les valves 30, 31, 32. La présente invention concerne plus particulièrement l'empilement optique associé à chacune des valves 30, 31, 32 pour envoyer une composante de lumière correctement polarisée sur les moyens de recombinaison 37 et 38. Cet empilement optique sera décrit de manière plus détaillée avec référence aux figures 2 et 3. Comme représenté sur la figure 2, l'empilement comporte donc une valve optique 100 constituée par une valve à cristaux liquides de type TN pour nématique twisté . En amont de la valve optique 100 est prévu, de manière connue, un polariseur 101 qui permet d'obtenir une lumière correctement polarisée, à savoir polarisée linéairement comme représenté par la flèche f en entrée de la valve à cristaux liquides. Conformément à présente invention, entre le polariseur 101 et la valve optique 100 est prévu un film de compensation 102. Ce film de compensation qui améliore l'angle de vue, est un film incluant au moins une couche uniaxe à biréfringence négative dont l'axe optique est incliné par rapport à la normale aux faces principales du film. De préférence, à ladite couche uniaxe à biréfringence négative, est associée une autre couche à biréfringence positive à optique dans le plan. Le plus souvent, la couche uniaxe à biréfringence négative dont l'axe optique est incliné par rapport à la normale aux faces principales du film est constituée par une couche de cristal liquide discotique à pré-inclinaison homogène. D'autre part, comme représenté sur la figure en sortie de la valve 100 est prévu, de manière connue, un analyseur 103. Cet analyseur 103 est, conformément à la présente invention, associé avec un film de compensation 104 du même type que le film de compensation 102. A savoir, le film de compensation 104 comporte au moins une couche uniaxe à biréfringence négative dont l'axe optique est incliné par rapport à la normale aux faces principales du film. Cette couche uniaxe peut être associée à une couche à biréfringence positive et à axe optique dans le plan. De plus, la couche uniaxe à biréfringence négative dont l'axe optique est incliné par rapport à la normale aux faces principales du film est constituée d'une couche de cristal liquide discotique à pré-inclinaison homogène. Comme représenté sur la figure 2, dans ce mode de realisation, une première lame demie-onde 105 est prévue en amont du polariseur 101 et une seconde lame demie-onde 106 est prévue en aval de l'analyseur 103. Ces lames demie-ondes ont pour but d'assurer une rotation parfaite de la polarisation issue du système d'éclairage vers l'axe de polarisation du polariseur pour la lame demie-onde 105 et de rendre optimale la polarisation pour le système optique de sortie dans le cas de la lame demie-onde 106. Comme représenté de manière plus précise sur la figure 3, le polariseur 101 associé au film de compensation 102 n'est laminé directement sur la face d'entrée de la valve à cristaux liquides mais est positionné à une certaine distance d de cette face d'entrée, manière à bien ventiler valve. En effet, dans le cas des projecteurs, la puissance de la lampe est importante. Or la demanderesse s'est aperçue que films de compensation tels que décrits ci-dessus ont l'inconvénient ne pas présenter une bonne tenue en température. De manière plus précise, l'ensemble constitué du film de compensation 102, du polariseur et de la lame demie-onde 105 est donc laminé sur une plaque de verre , la lame demie-onde étant accolée à ladite plaque 107. D'autre comme représenté figure 3, l'ensemble formé du second film de compensation 104, de l'analyseur 103 et de la lame demie-onde 106 est lamine de manière classique face de sortie de la valve à cristaux liquides 1 De plus, comme représenté par les flèches de la figure 2, la meilleure configuration possible consiste à travailler avec l'axe d'absorption du polariseur et de l'analyseur parallèle aux directions de frottement des couches d'alignement de la valve à cristaux liquides. Toutefois, les essais effectués montré que pour obtenir meilleurs résultats possibles, les films de compensation 102 et 104 devaient présenter un angle de décroisement par rapport à cet axe, compris entre et 5 , à savoir 1 , cet angle étant fonction de compatibilité entre le film compensation et la cellule à cristaux liquides. donnera maintenant les résultats de mesures effectuées avec un système optique du type de celui décrit avec référence â la figure 1. tableau A concerne un moteur optique sans film de compensation, le contraste étant mesuré en neuf points de l'écran. Tableau A CR _ 171 240 178 247 209 240 153 122 145 D'autre part, sans film de compensation, une zone d'inversion contraste largement visible en haut de l'écran. L'uniformité de contraste est faible, car on observe une différence importante entre le haut et le bas de l'image avec un contraste moyen 189. donnera maintenant dans le tableau B, les résultats obtenus avec film compensation, selon la structure décrite ci-dessus. Tableau B CR 301 312 296 311 351 333 287 280 298 Dans ce cas, aucune inversion de niveaux de gris n'est visible l'écran. obtient une uniformité de contraste bonne sur tout l'écran et contraste moyen de 307. la figure 4, on a aussi représenté deux courbes donnant le contraste en fonction de l'angle de vue dans le cas d'un moteur optique avec ou sans film de compensation. On voit sur cette courbe que, si le contraste maximum atteint diminue avec l'utilisation d'un film de compensation, sa valeur moyenne sur une large plage angulaire est beaucoup plus intéressante et, ce fait, le contraste observé sur l'écran est globalement meilleur. En effet - pour un angle de vue entre [-10 , + 10 ], le contraste compensé = 1,35 CR nue, - pour un angle de vue entre [-15 , + 15 ], CR compensé = 1 nue, - pour un angle de vue entre [-20 , + 20 ], CR compensé = 1 nue. Ainsi, avec l'empilement optique tel que décrit ci-dessus, on observe une amelioration nette du contraste, une amélioration d'uniformité de l'image noire une suppression des zones d'inversion de niveaux de gris. De plus, est possible d'utiliser une optique beaucoup moins sophistiquée permettant d'obtenir un produit moins cher. REVENDICATIONS - Empilement optique associé à une valve à cristaux liquides type TN (pour nématique twisté ) utilisée en projection, ledit empilement comportant au moins un polariseur (101), une valve (100) à cristaux liquides et un analyseur (103), caractérisé en ce qu'il comporte de plus entre polariseur et la valve à cristaux liquides, un premier film (102) compensation incluant au moins une couche uniaxe à biréfringence négative dont l'axe optique est incliné par rapport à la normale aux faces principales du film. - Empilement optique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte entre la valve à cristaux liquides et l'analyseur, un second film (104) de compensation incluant au moins une couche uniaxe biréfringence négative dont l'axe optique est incliné par rapport à la normale aux faces principales du film. - Empilement optique selon les revendications 1 et caractérisé en ce que le premier ou le second film de compensation comporte plus une couche à biréfringence positive et à axe optique dans le plan. - Empilement optique selon l'une quelconque revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la couche uniaxe à biréfringence négative dont l'axe optique est incliné par rapport à la normale aux faces principales film comporte une couche de cristal liquide discotique à inclinaison homogène. - Empilement optique selon les revendications à 4, caractérisé en ce que l'axe optique du premier et/ou du second film de compensation est décroisé rapport à l'axe d'absorption du polariseur et/ou l'analyseur. - Empilement optique selon la revendication caractérisé en ce que l'angle de décroisement est compris entre 0 et 5 degrés. - Empilement optique selon la revendication caractérisé en ce que l'angle de décroisement est égale à 1 degré. - Empilement optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le premier film compensation est accolé sur la face de sortie du polariseur, l'ensemble étant laminé sur une plaque de verre indépendante (107). 9 - Empilement optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le second film compensation est accolé sur la face de sortie de la valve à cristaux liquides, l'analyseur étant accolé à l'ensemble. 10 - Empilement optique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte de plus une première lame demie-onde (105) positionnée avant le polariseur et une seconde lame demie-onde (106) positionnée après l'analyseur.