Brevet FR2971064A1 — publié le 20120803

Ecran d'affichage à barrière de parallaxe avec cellules photovoltaïques intégrées, et procédé pour sa fabrication L'invention concerne le domaine des écrans plats d'affichage, et plus particulièrement le domaine des écrans d'affichage rétro-éclairés. De tels écrans comportant un grand nombre de pixels rétro-éclairés sont connus depuis longtemps, et utilisés dans des postes de télévision, des ordinateurs et des dispositifs portables de petite taille, tels que des téléphones mobiles, des consoles de jeux et des calculatrices. On entend ici par un pixel « rétro-éclairé » un pixel qui est situé devant une source lumineuse qui l'éclaircit par l'arrière (par exemple un pixel à cristaux liquides). Dans un écran rétro-éclairé, une source de lumière diffuse est placée derrière le plan des pixels, afin d'améliorer le contraste. Les dispositifs portables disposent en général d'une alimentation électrique par batteries, dont la durée d'autonomie est un facteur de confort d'utilisation important. Dans le but d'augmenter cette durée d'autonomie, on a intégré des photopiles dans ces dispositifs portables, qui produisent une partie du courant nécessaire au fonctionnement dudit dispositif. Dans la mesure où l'espace disponible pour disposer des photopiles sur la surface externe desdits dispositifs portables est très réduit, il serait souhaitable d'intégrer les photopiles dans l'écran d'affichage. Le document US 2007/0102035 (X. Yang) montre des exemples pour une telle intégration. Cependant, ces photopiles ne doivent dégrader ni les caractéristiques d'imagerie ni la luminosité de l'écran dans lequel elles ont été intégrées, et c'est pourquoi la surface totale disponible pour ces photopiles est en fait très réduite ; en effet, la largeur des photopiles ne peut pas être significativement supérieure à l'espace entre deux pixels, un espace que l'on souhaite minimiser afin d'améliorer la résolution de l'écran. On connaît par ailleurs les écrans d'affichage à barrière de parallaxe. On appelle ici « écran à barrière de parallaxe » un écran dont l'image perçue par l'observateur dépend de la position de l'observateur par rapport à la surface dudit écran. A titre d'exemple, l'image perçue par l'observateur peut changer lorsque l'observateur se déplace latéralement devant l'écran, ou lors qu'il s'approche ou s'éloigne de l'écran. Dans certains types d'écran à barrière de parallaxe, cet effet peut permettre une perception en relief ou même en trois dimensions de l'image affichée par l'écran. Un tel dispositif est décrit dans le brevet US 7,697,105 (Sharp). Il permet, à l'intérieur d'une certaine distance d'observation, une vision tridimensionnelle d'une image affichée par l'écran. Cet effet est provoqué par un réseau de bandes opaques parallèles. Cependant, ces bandes diminuent la luminosité de l'écran. II n'est alors pas souhaitable de dégrader encore les caractéristiques d'imagerie et/ou la luminosité de cet écran par l'ajout de photopiles. Ce problème est résolu par la présente invention, qui s'applique aux écrans rétro-éclairés, mais aussi aux écrans comportant des pixels qui émettent directement de la lumière (par exemple des pixels constitués par une ou plusieurs diodes électroluminescentes). Selon l'invention, l'intégration de cellules photovoltaïques dans un écran digital d'affichage à barrière de parallaxe sans dégrader les caractéristiques d'imagerie et/ou la luminosité de l'écran est réalisée par un écran digital d'affichage à barrière de parallaxe comportant un réseau de pixels et un réseau d'éléments surfaciques formant barrière de parallaxe qui absorbent au moins partiellement la lumière visible (et qui peuvent être opaques), ledit réseau d'éléments surfaciques étant parallèle à l'écran et placé entre le réseau de pixels et l'observateur, lesdits éléments surfaciques étant positionnés de telle sorte qu'ils limitent l'angle de sortie a de l'image représentée par les pixels, de préférence à une valeur inférieure à 30° et encore plus préférentiellement inférieure à 15°, et lesdits éléments surfaciques formant une barrière de parallaxe et comportant des cellules photovoltaïques sur au moins une de leurs faces. L'écran peut être rétro-éclairé par un réseau de pixels rétro-éclairé au moyen d'une source de lumière placée derrière le réseau de pixels, et/ou les pixels peuvent émettre activement de la lumière (par exemple des pixels électroluminescents). Lesdits éléments surfaciques, éventuellement opaques, peuvent avoir une forme de lamelles avec une section sensiblement parallélépipédique, circulaire, ovale et/ou polygonale avec au moins trois côtés. Ils sont avantageusement disposés de manière à ce que leur longueur x soit parallèle à l'écran et leur largeur y s'étende dans une direction qui coupe l'écran, et de préférence dans une direction perpendiculaire à l'écran. Ils peuvent former un réseau parallèle, les longueurs x desdits éléments surfaciques étant parallèles. Lesdites cellules photovoltaïques peuvent être disposées sur les surfaces desdits éléments surfaciques qui s'étendent dans le plan formé par leur largeur x et leur longueur z. II s'agit avantageusement de cellules photovoltaïques en couche mince à base de silicium amorphe ou microcristallin, car ce type de cellules est particulièrement adapté pour convertir de la lumière de faible intensité (lumière diffusante, lumière à l'intérieur de pièces) ; mais on peut aussi réaliser ces cellules photovoltaïques en toute autre technologies adaptées, par exemple à base de CdTe ou CIGS (cuivre - indium - gallium - sélénium) ou à base de polymères. Dans l'écran selon l'invention, lesdits éléments surfaciques sont avantageusement disposés de manière à ce que, pour une distance d'observation donnée qui est en accord avec l'utilisation prévue du dispositif, l'ceil droit d'un utilisateur (observateur) dudit écran ne voie qu'un premier groupe des pixels, et à ce que son oeil gauche ne voie qu'un second groupe des pixels, ledit premier groupe et ledit second groupe étant différents, et chaque groupe de pixels pouvant afficher une image différente, de manière à favoriser une vision (ou plus précisément une perception) en relief ou en trois dimensions de l'image (ou des images) affiché par ledit réseau de pixels. Dans ce cas, les pixels non vus par l'un ou l'autre ceil de l'observateur sont cachés par les éléments surfaciques. Cette distance d'observation pour laquelle l'effet de barrière de parallaxe peut être observée dépend de l'utilisation prévue du dispositif ; à titre d'exemple, pour un écran destiné à un dispositif porté à la main (téléphone portable, écran de télévision miniaturisé), cette distance est typiquement de l'ordre de 20 à 60 cm, pour un écran d'ordinateur portable typiquement de l'ordre de 30 à 80 cm, pour un écran de télévision grand format de salon, de l'ordre de 2 à 5 mètres. Les figures 1 à 7 illustrent de manière schématique des modes de réalisation de l'invention, mais ne limitent pas l'invention. II est entendu que tous les modes de réalisation et toutes les variantes présenté(e)s peuvent être combinés entre eux et/ou entre elles. Ces figures ne montrent pas certains composants indispensables au fonctionnement d'un écran d'affichage, notamment la couche de transistors à effet de champ qui est essentielle pour générer une image dans un écran à cristaux liquides. La figure 1 montre de manière schématique un premier mode de réalisation de l'invention, appelé ici le mode de réalisation « lamelles à plat ». La figure représente une coupe transversale à travers un écran d'affichage selon l'invention. L'écran d'affichage 1 selon l'invention comporte un réseau 3 de pixels 4 rétro-éclairés par une source de lumière 2 plate et un réseau 5 d'éléments surfaciques 6 qui absorbent au moins partiellement la lumière visible, et qui peuvent être opaques. Ledit réseau 5 d'éléments surfaciques 6 est disposé parallèle au plan de l'écran 1 et placé entre le réseau 3 de pixels 4 et l'observateur 8. Lesdits éléments surfaciques 6 sont positionnés de telle sorte qu'ils limitent l'angle de sortie a de l'image représentée par les pixels 4, cet angle a étant défini par rapport à la perpendiculaire de l'écran. Comme montré dans l'insert de la figure 1 en haut à droite, chaque élément surfacique 6 (ou au moins urie partie des éléments surfaciques 6) comporte au moins une cellule photovoltaïque 7 sur au moins une de ses faces. Dans l'exemple de la figure 1, il s'agit de la face éclairée par le réseau 3 de pixels 4 rétro-éclairés. Dans une première variante de ce mode de réalisation, la cellule photovoltaïque 7 se situé sur la face opposée dudit élément surfacique 6, à savoir sur la face dirigé vers l'observateur 8. Dans une seconde variante de ce mode de réalisation, il y a des cellules photovoltaïques 7 sur au moins deux faces dudit élément surfacique 6, par exemple sur la face éclairée par le réseau 3 de pixels 4 et sur la face dirigée vers l'observateur 8, et/ou sur l'une ou les deux de ses faces latérales. La source de lumière 2 plate peut être une plaque diffusante. Dans une variante de ces modes de réalisation, le réseau 3 de pixels 4 n'est pas rétro-éclairé par une source de lumière 2, mais chaque pixel 4 constitue lui-même une source de lumière, par exemple par électroluminescence. Dans l'exemple de la figure 1, les éléments surfaciques 6 sont des lamelles positionnés à plat dans le plan du réseau 5 qu'elles forment parallèle au plan de l'écran 1. Plus précisément, les lamelles 6, définies d'une manière générale par un sens long (appelé aussi longueur) x, une largeur y et une épaisseur z, sont disposées de manière à ce que leur largeur soit parallèle au plan du réseau 5. D'une manière générale, lesdits éléments surfaciques 6,16 peuvent comprendre la cellule photovoltaïque 7, ou ils peuvent constituer la cellule photovoltaïque (ce mode de réalisation n'est pas illustré par des figures). La figure 2 montre de manière schématique un second mode de réalisation de l'invention (appelé ici le mode de réalisation « lamelles debout ») qui se distingue du premier mode de réalisation par le fait que les éléments surfaciques 16 sont des lamelles disposées de manière à ce que leur longueur x soit parallèle au plan de l'écran 1 et leur largeur y s'étende dans une direction qui coupe le plan de l'écran 1, et de préférence dans une direction perpendiculaire à l'écran 1. Comme montré dans l'insert de la figure 2 en haut à droite, chaque élément surfacique 16 comporte au moins une cellule photovoltaïque 7 sur au moins une de ses faces, et plus précisément sur au moins une de ses faces qui s'étendent dans le plan formé par leur largeur et leur longueur, et de préférence sur les deux faces ainsi définies à la fois. La figure 3 montre de manière schématique (en vue de perspective) un autre mode de réalisation de type « lamelles debout » dans lequel la section des éléments surfaciques 26 est trapézoïdale. D'une manière générale, dans le mode de réalisation de type « lamelles debout », la surface disponible pour les photopiles est plus grande que dans le mode de réalisation de type « lamelles à plat », et l'effet de barrière à parallaxe sera normalement plus prononcé, c'est-à-dire l'angle a sera plus petit. Dans l'écran 1 selon l'invention, le réseau 5 d'éléments surfaciques 6,16,26 de préférence lamellaires, et encore plus préférentiellement en utilisant le mode de réalisation « lamelles debout », peut avoir le même effet qu'un filtre de confidentialité (« privacy screen » en anglais) de type connu (décrit par exemple dans le brevet EP 0 563 241 B1 (Minnesota Mining and Manufacturing Company), dans la demande de brevet WO 2007/106285 (3M Innovative Properties Company) et dans la demande de brevet US 2008/0088905 (NEC LCD Technologies, Ltd). Cela veut dire que l'angle a peut être fixé à une valeur telle qu'un observateur 8 placé en décalage par rapport à l'axé de l'écran ne verra plus les pixels, ces derniers étant cachés par les éléments surfaciques 6,16,26. L'angle a dépend de la géométrie précise du dispositif, notamment de la distance entre le réseau 5 d'éléments surfaciques 6,16,26 et le réseau 3 de pixels 4, de la forme et orientation des éléments surfaciques 6,16,26, ainsi que de la distance entre deux éléments surfaciques 6,16,26. Une utilisation particulièrement intéressante de l'écran selon l'invention est une vision (ou plus précisément une perception) quasi-tridimensionnelle (ou au moins en relief) des images produits par le réseau 3 de pixels 4. En effet, on peut positionner lesdits éléments surfaciques de manière à ce qu'à une distance de l'écran 1 donnée, l'observateur 8 placé devant l'écran 1 ne verra avec son oeil gauche 10 qu'une première partie des pixels, et avec son oeil droit 9 qu'une seconde partie, au moins partiellement différente de la première, de pixels ; chaque partie (ou groupe) de pixels peut représenter une image différente, de manière à favoriser une perception en relief par l'observateur 8. Ainsi, l'écran 1 selon l'invention peut convenir pour un grand nombre de types d'écrans et à un grand nombre de situations d'utilisation de dispositifs électroniques portables. D'une manière générale, les éléments surfaciques 6,16,26 peuvent avoir des formes très variées. A titre d'exemple ils peuvent être parallélépipédiques (comme sur les figures 1 et 2), mais leur section peut aussi être circulaire, ovale et/ou polygonale avec au moins 3 côtés (comme sur la figure 3), ou prendre d'autres formes. Comme montré schématiquement sur la figure 4, en choisissant une largeur de pixel 4, une distance k entre le réseau 3 des pixels 4 et le réseau 5 des éléments surfaciques 6, et une largeur y des éléments surfaciques 6 adaptées, on peut faire varier l'angle a selon les besoins. Les cellules photovoltaïques 7 peuvent utiliser toute technologie en couches minces connue et appropriée. En particulier, dans le mode de réalisation « lamelles debout », il est préférable d'utiliser des cellules qui ont une bonne efficacité de conversion à faible luminosité (par exemple des cellules à base de silicium amorphe ou microcristallin), car lesdites cellules capteront principalement de la lumière diffusante, alors que dans le mode de réalisation « lamelles couchées », elles capteront principalement de la lumière directe. D'une manière générale, les pixels 6 n'ont pas besoin d'être tous dans le même plan, mais ils peuvent être disposés sur plusieurs plans sensiblement parallèles. Les pixels 6 peuvent être subdivisés en cellules, pour un affichage couleur, selon les technologies connues de l'homme du métier, par exemple chaque pixel peut être subdivisé en trois cellules de couleur rouge, verte et bleue. L'écran 1 selon l'invention peut comprendre d'autres composants qui améliorent ses caractéristiques ou qui les adaptent à certaines situations d'utilisation particulières. A titre d'exemple, il peut comprendre une plaque ou couche anti-reflet disposée entre le réseau 5 d'éléments surfaciques 6,16,26 et l'observateur 8. Il peut également comprendre un ou plusieurs de éléments suivants : un filtre de couleur, un de filtre de polarisation, un élément lenticulaire, un diffuseur de lumière, une couche protectrice. L'écran 1 peut aussi être un écran souple. La figure 5 montre un mode de réalisation dans lequel un réseau lenticulaire 11 est intercalé entre le réseau 3 de pixels 4 et le réseau 5 d'éléments surfaciques 6. Cela augmente la luminosité de l'écran. Le réseau lenticulaire 11 est constitué d'une juxtaposition de lentilles rectilignes identiques, qui peuvent être de type plan-convexe ou bi-convexe, ou autre ; elles peuvent être de type symétrique ou asymétrique, sphérique ou asphérique. L'axe longitudinal des lentilles qui forment le réseau lenticulaire 11 est parallèle à la longueur x des éléments surfaciques 6. Avantageusement, ledit réseau lenticulaire 11 génère un effet de lentille individuelle pour chaque pixel 4. Dans ce mode de réalisation, les éléments surfaciques 6 peuvent être en position « lamelles debout » (comme dans la figure 5) ou en position « lamelles à plat ». On peut aussi positionner le réseau lenticulaire derrière le réseau 3 de pixels 4. Dans tous les modes de réalisation, le réseau 5 d'éléments surfaciques 6,16 comportant des cellules photovoltaïques 7 sur au moins une de leurs faces peut être protégé par au moins une couche de protection 27, qui peut être rigide ou souple, continue ou discontinue ; par exemple, il peut s'agir d'un film polymère, de préférence pourvue d'une surface anti-reflets sur sa surface externe, déposé sur ledit réseau 5, comme cela est montré sur la figure 6, et/ou d'une couche mince déposée au moins sur la surface externe des cellules photovoltaïques 7. Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, illustré de manière schématique sur la figure 7, le réseau 5 d'éléments surfaciques 6,16,26, éventuellement associé au réseau lenticulaire 11, forme un ensemble 30 qui peut être apposé sur un écran digital d'affichage 31 pour former un écran digital d'affichage 1 à barrière de parallaxe comme précédemment décrit. Plus particulièrement, l'ensemble 30 peut être constitué d'un film transparent 32, de préférence souple ou semi-rigide, typiquement en matériau polymère, sur lequel a été déposé ledit réseau lenticulaire 11, sur lequel a été déposé ledit réseau 5 d'éléments surfaciques 6,16 comportant des cellules photovoltaïques 7 sur au moins une de leurs faces, éventuellement protégé, comme indiqué ci-dessus, par une couche de protection 27, par exemple un dépôt de surface (couche mince) ou un film souple. Cet ensemble 30, que nous appelons ici « film photovoltaïque à barrière de parallaxe », peut être apposé et fixé, par exemple par collage, sur la surface externe 33 d'un écran digital d'affichage 31, comme indiqué par des flèches sur la figure 7. Cette surface externe 33 est de préférence lisse ; elle peut être plate ou galbée, rigide ou souple. Ce film photo-voltaïque à barrière de parallaxe 30 comprend également les électrodes, typiquement en couche mince, nécessaires pour connecter les cellules photovoltaïques entre elles et pour collecter le courant (non montré sur les figures). Le procédé de fabrication d'un écran 1 digital d'affichage à barrière de parallaxe en utilisant le film photovoltaïque à barrière de parallaxe 30 selon l'invention comprend les étapes suivantes : on approvisionne un écran digital d'affichage 31 comportant une surface externe 33 lisse, on approvisionne un film photovoltaïque à barrière de parallaxe 30 selon l'invention, et on appose et fixe, de préférence par collage, ledit film photovoltaïque à barrière de parallaxe 30 sur ledit écran digital d'affichage 31 pour former un écran digital d'affichage 1 à barrière de parallaxe. Après l'apposition du film sur la surface externe 33 de l'écran 31, on établit une connexion électrique entre les électrodes du film photovoltaïque à barrière de parallaxe 30 et un élément d'alimentation électrique de l'écran 31, afin que l'énergie électrique générée par les cellules photovoltaïques 7 puisse contribuer à alimenter l'appareil électronique portable ou fixe dans lequel ledit écran est intégré en électricité ; cette alimentation peut se faire directement ou indirectement (en chargeant un moyen de stockage d'énergie électrique, tel qu'une pile rechargeable ou un condensateur). 2971064 s L'écran digital d'affichage 1 à barrière de parallaxe selon l'invention peut être incorporé dans un appareil électronique fixe ou portable ; cet appareil forme un autre objet de l'invention. REVENDICATIONS1. Ecran digital d'affichage (1) à barrière de parallaxe comportant (a) un réseau (3) de pixels (4) et (b) un réseau (5) d'éléments surfaciques (6,16,26) qui absorbent au moins partiellement la lumière visible, parallèle à l'écran (1) et placé entre le réseau (3) de pixels (4) et l'observateur (8), lesdits éléments surfaciques (6,16,26) étant positionnés de telle sorte qu'ils limitent l'angle de sortie a de l'image représentée par les pixels (4), caractérisé en ce que lesdits éléments surfaciques (6,16,26) forment une barrière de parallaxe et comportent des cellules photovoltaïques (7) sur au moins une de leurs faces. 2. Ecran (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit écran (1) est rétro-éclairé par un réseau (3) de pixels (4) rétro-éclairé au moyen d'une source de lumière (2) placée derrière le réseau (3) de pixels (4). 3. Ecran (1) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que lesdits éléments surfaciques (6,16,26) qui absorbent au moins partiellement la lumière visible sont opaques. 4. Ecran (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lesdits éléments surfaciques (6,16,26) ont une forme de lamelles avec une section sensiblement parallélépipédique, circulaire, ovale et/ou polygonale avec au moins trois côtés. 5. Ecran (1) selon l'une quelconque des revendication 1 à 4, caractérisé en ce que lesdites éléments surfaciques (6,16,26) sont disposées de manière à ce que leur longueur x soit parallèle à l'écran (1) et leur largeur y s'étende dans une direction qui coupe l'écran (1), et de préférence dans une direction perpendiculaire à l'écran (1). 30 6. Ecran (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que lesdits éléments surfaciques (6,16,26) soient disposés de manière à former un réseau parallèle, les longueurs x desdits éléments surfaciques (6,16,26) étant parallèles. 35 7. Ecran (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que lesdites cellules photovoltaïques (7) sont disposées sur les surfaces desdits éléments 9 25surfaciques (6,16,26) qui s'étendent dans le plan formé par leur largeur x et leur longueur z. 8. Ecran (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les dites cellules photovoltaïques (7) sont des cellules en couche mince à base de silicium amorphe ou microcristallin, à base de CdTe ou à base de CIGS. 9. Ecran (1) selon l'une quelconque des revendication 1 à 8, caractérisé en ce que lesdits éléments surfaciques (6,16,26) sont disposés de manière à ce que pour une distance d'observation donnée, l'oeil droit (9) d'un utilisateur (8) dudit écran (1) ne voie qu'un premier groupe des pixels (4), et à ce que son ceil gauche (10) ne voie qu'un second groupe des pixels (3), ledit premier groupe et ledit second groupe étant différents, de manière à favoriser une vision en relief ou en trois dimensions de l'image ou des images affichée(s) par ledit réseau (3) de pixels (4). 10. Ecran (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le réseau (5) d'éléments surfaciques (6,16) comportant des cellules photovoltaïques (7) sur au moins une de leurs faces comporte au moins une couche de protection (27), rigide ou souple, continue ou discontinue. 11. Ecran (1) selon la revendication 10, caractérisé en ce que ladite couche de protection (27) est un film polymère, de préférence pourvue d'une surface anti-reflets sur sa surface externe, déposé sur ledit réseau (5), et/ou une couche mince déposée au moins sur la surface externe des cellules photovoltaïques (7). 25 12. Film photovoltaïque à barrière de parallaxe (30) pour la fabrication d'un écran (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, comprenant un film (32) transparent, de préférence souple ou semi-rigide, ledit film comprenant éventuellement un réseau lenticulaire (11), et ledit film comprenant un réseau (5) d'éléments surfaciques (6,16) 30 comportant des cellules photovoltaïques (7) sur au moins une de leurs faces, lesdites cellules photovoltaïques (7) étant de préférence protégées par ai moins une couche de protection (27), continue ou discontinue. 13. Procédé de fabrication d'un écran digital d'affichage (1) à barrière de parallaxe selon 35 l'une des revendications 1 à 11, dans lequel on approvisionne un écran digital d'affichage (31) comportant une surface externe (33) lisse, et dans lequel on approvisionne un film 5photovoltaïque à barrière de parallaxe (30) selon la revendication 12, et dans lequel on fixe, de préférence par collage, ledit film photovoltaïque à barrière de parallaxe (30) sur ledit écran digital d'affichage (31) pour former un écran digital d'affichage (1) à barrière de parallaxe. 14. Appareil électronique portable ou fixe incorporant un écran digital d'affichage (1) à barrière de parallaxe selon l'une quelconque des revendications 1 à 11. 10