Brevet FR2979154A1 — publié le 20130222

Procédé de réalisation d'un dispositif de phase à base de cristal liquide twisté à structure optimisée fonctionnant en lumière non polarisée Le domaine de l'invention est celui des dispositifs électrooptiques de 5 phase à base de cristal liquide de type nématique twisté ou cholestérique et trouvant des applications dans des domaines tels que celui des correcteurs de front d'onde ou des lentilles et notamment des lentilles de profil kinoforme. Il a déjà été décrit dans la littérature de tels dispositifs destinés à pouvoir fonctionner en lumière non polarisée. On peut notamment citer la 10 demande de brevet WO 2008/091896 décrivant une lentille constituée d'une électrode au profil kinoforme pour former une cellule qui est remplie d'un cristal liquide cholestérique, ou bien encore la demande de brevet FR 10 01114, décrivant un modulateur de phase à base de cristal liquide a structure hélicoïdale. 15 De manière générale, une des caractéristiques principales des cellules à cristal liquide réside dans le fait qu'il est possible de faire changer l'indice optique du milieu par l'application d'un champ électrique. En effet, les molécules cristal liquide, notamment des molécules nématiques présentent un axe optique ordinaire et un axe optique Ces molécules peuvent être 20 orientées sous l'action d'un champ électrique appliqué, les trois positions (a), (b) et (c) représentées en figure 1 sont respectivement relatives à un champ faible (en deçà du champ nécessaire pour pouvoir commencer à orienter les molécules), un champ moyen et un champ fort. En changeant l'orientation desdites molécules, on est ainsi en 25 mesure de faire varier l'indice optique moyen vu par un faisceau lumineux traversant le milieu. On peut utiliser un nématique non twisté d'anisotropie diélectrique positive ou négative intégré dans une cellule comportant plus précisément un polariseur en entrée, deux substrats dont un, grâce à un état de surface préalable, permet de contraindre les molécules dans un état 30 initial. Un tel dispositif fonctionne avec une lumière polarisée et au fur et à mesure que le champ augmente, les molécules de cristal liquide se redressant, la lumière voit un indice intermédiaire entre l'indice ordinaire et extraordinaire. Pour modifier la phase d'une lumière non polarisée, il faut effectuer cette opération de déphasage sur les deux composantes du champ électrique, on peut pour cela soit superposer deux dispositifs comme décrit dans l'article : Polarization-independent liquid crystal phase modulator using 5 a thin polymer-separated double-layered structure Yi-Hsin Lin, Hongwen Ren, Yung Hsun Wu, Zhibing Ge and Shin-Tson Wu : College of Optics and Photonics, University of Central Florida, Orlando, Florida 32816 et Yue Zhao and Jiyu Fang : Advanced Materials Processing and Analysis Center and Department of Mechanical, Materials, soit utiliser une lame quart d'onde et 10 un miroir et ainsi faire passer la lumière deux fois dans le même dispositif agissant ainsi sur les deux composantes du champ électrique comme décrit dans l'article : Liquid-crystal phase modulator for unpolarized light de Gordon D. Love APPLIED OPTICS / Vol. 32, No. 13 / 1 May 1993. Dans le premier cas, la superposition pose de gros problèmes de 15 parallaxe et n'autorise donc pas la superposition de matrices à petits pixels. Dans le deuxième cas, l'utilisation d'un réflecteur dans le chemin optique en fait un dispositif à réflexion qui ne peut donc être intégré dans une optique classique (zoom optique pour imageur par exemple). Il est par ailleurs connu des cellules cristal liquide de type nématique 20 twistée ou cholestérique dans laquelle les molécules ne se disposent pas exactement parallèles les unes aux autres mais adoptent une configuration hélicoïdale. Si on effectue une coupe de la structure suivant un plan perpendiculaire à l'axe z de la spirale, la distorsion des molécules dans le plan est analogue à celle d'un nématique mais la direction privilégiée 25 d'orientation des molécules tourne lentement quand on se déplace suivant l'axe z. On obtient ainsi une structure périodique hélicoïdale le long de la direction z perpendiculaire au plan des couches. Selon la longueur d'onde d'illumination et le pas de l'hélice, de telles structures peuvent se comporter partiellement en miroir si la condition suivante est vérifiée : p = À /n avec À la 30 longueur d'onde de l'onde et n l'indice moyen du milieu cristal liquide. De manière générale, pour obtenir une cellule à cristaux liquides de type nématique twisté TN ou cholestérique, on utilise habituellement deux substrats transparents assemblés pour former entre eux une cavité dans laquelle les molécules de cristal liquide sont incorporées. Les opérations de frottement connues de l'homme de l'art réalisées sur les deux substrats et leur assemblage sont telles qu'il existe un angle de torsion dit angle de twist entre les axes de frottement des deux couches d'alignement. Par exemple, cet angle de torsion ou twist peut être de 90°. Il peut également être inférieur, par exemple de 80° ou supérieur, par exemple de 280°, typiquement pour les cristaux liquides dits super nématiques en hélice STN. De manière générale, les cristaux liquides de type cholestérique s'orientent spontanément dans une direction privilégiée n de l'espace qu'on appelle le directeur. Lorsqu'un champ électrique applique les contraintes dans une certaine orientation, les molécules ont tendance à revenir dans cet état en réponse à une déformation. Dans le cadre d'un dispositif de phase, lorsqu'une lumière traverse ces cristaux liquides cholestériques à l'état OFF, si le pas du cristal liquide est suffisamment rapide, celui-ci n'a qu'un faible pouvoir rotatoire sur la lumière qui « voit » alors un indice moyen connu pour être approximativement no+1/2An où no est l'indice ordinaire du cristal liquide et An la différence entre l'indice extraordinaire et ordinaire (ne-no). Or, pour une épaisseur arbitraire de cristal liquide et un pas donné 20 du cholestérique, il existe outre le petit pouvoir rotatoire, un changement de l'ellipticité de la lumière qui traverse le dispositif. Par exemple, une lumière polarisée rectiligne traversant le dispositif en sort légèrement elliptique, le taux d'ellipticité dépend de l'azimut entre le directeur d'entrée du cristal liquide, de la direction de la polarisation en 25 entrée et aussi de la longueur d'onde. Cette ellipticité aurait été obtenue de la même façon en traversant une lame biréfringente simple positionnée à 45° de la polarisation étudiée : on dit alors que le cristal liquide cholestérique a une biréfringence résiduelle, cette biréfringence ayant pour valeur celle de la lame équivalente définie ci- 30 dessus. Dans ce contexte, la présente invention a pour objet un procédé de réalisation d'un dispositif de phase à base de cristal liquide à structure optimisée permettant de compenser cette biréfringence résiduelle. Plus précisément, la présente invention concerne un procédé de 35 réalisation d'un dispositif de phase fonctionnant à au moins une longueur d'onde À comprenant une cellule contenant un cristal liquide possédant une structure hélicoïdale, inséré entre deux couches d'alignement possédant des axes de frottement et des moyens pour appliquer une tension à ladite cellule, ladite structure hélicoïdale présentant pour un nombre de tours d'hélice k une ellipticité résiduelle, ledit cristal liquide présentant un angle de twist défini entre les axes de frottement des deux couches d'alignement, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - la détermination d'un angle de compensation c répondant à l'équation suivante : =2kîz-Nîz 1 d2An2 N222 avec : 2k ii(1+ d2An2 ) N entier le plus proche de 4k222 et l'angle de twist B = 2k7z- - An : la biréfringence du cristal liquide ; d : l'épaisseur de la cellule cristal liquide ; À : la longueur d'onde du faisceau lumineux qui traverse la cellule cristal liquide ; le traitement de l'une des faces selon une direction d'alignement anti-parallèle corrigé dudit angle de compensation c, desdites molécules de cristal liquide. Selon une variante de l'invention, le dispositif de phase est une lentille. Selon une variante de l'invention, la lentille est une lentille de profil kinoforme. Selon une variante de l'invention, le procédé fonctionne au moins dans la bande de longueurs d'onde [400nm, 700nm], le calcul de l'angle de compensation c étant effectué à une longueur d'onde voisine de 475 nm. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles : - la figure 1 schématise l'orientation de molécules cristal liquide sous l'action d'un champ électrique; - les figures 2a, 2b et 2c illustrent les phénomènes cumulés et dissociés de l'action d'une lumière polarisée sur un cristal liquide twisté ; - la figure 3 illustre les molécules cholestériques le long d'une hélice dans un dispositif à cristal liquide et la polarisation de la lumière le long de l'épaisseur de ladite cellule ; - la figure 4 illustre l'évolution de la coordonnée Z en fonction du nombre de tours pour une cellule à cristal liquide présentant une épaisseur d égale à 5.1pm, de variation d'indice An = 0, 2139 et pour une lumière de longueur d'onde À = 0,55 pm ; - la figure 5 illustre l'évolution de l'ellipticité en fonction de l'angle d'azimut d'entrée pour des cellules dont l'épaisseur est constante et le pas d'hélice variable ; - la figure 6 l'évolution de l'ellipticité en fonction de l'angle d'azimut d'entrée pour des cellules dont le pas d'hélice est constant et l'épaisseur variable ; - la figure 7 illustre ainsi dans le cadre d'une cellule à cristal liquide présentant 7 tours d'hélice, l'ellipticité résiduelle avec un traitement anti-parallèle en fonction de l'angle d'azimut d'entrée et l'ellipticité résiduelle obtenue avec le procédé de l'invention ; - la figure 8 illustre les ellipticités résiduelles à différentes longueurs d'onde. Le Demandeur a considéré que l'action d'une molécule oblongue de 30 cristal liquide twisté d'un angle 0, sur une lumière polarisée, peut être représentée sur la sphère de Poincaré comme celle : - d'un biréfringent elliptique de coordonnées X et Z définies ci-après : 35 27-c4n X- 27z-4112 46)2 ) 28 Z= 27z4n 46)2 ) d2 L'amplitude de rotation du biréfringent elliptique étant définie comme suit : 15 Amp = di/ ± ) ( 27z-An2 46)2 avec : n : l'indice du cristal 20 6 : l'angle de twist d : l'épaisseur de la cellule cristal liquide À : la longueur d'onde du faisceau lumineux qui traverse la cellule cristal liquide ; - suivie d'une rotation dépendant du twist total. 25 Les figures 2a, 2b et 2c illustrent ainsi de manière cumulée et de manière dissociée les deux phénomènes. La figure 2b met notamment en évidence, la polarisation d'entrée Pol, du faisceau à À, ainsi que le biréfringent en entrée, montrant le directeur 30 d'entrée CL. On peut ainsi décomposer le phénomène en une première action (celle du biréfringent Bi) qui prend un point de l'équateur Eq et le met n'importe où sur la sphère de Poincaré pour en faire une lumière elliptique, la deuxième action étant la rotation liée au twist total, lesdites actions étant schématisées par les références Ac, et AC11, ACIlf indiquant la fin de l'action 35 de rotation. 10 d d2 Il apparaît, ainsi, avec 0 = 2-rrk et k le nombre de tours de cholestérique que plus k est grand, plus l'axe du biréfringent elliptique se positionne verticalement (comme le montre l'évolution sur la figure 2b de l'axe du biréfringent en fonction du nombre k). En parallèle, la figure 3 illustre le nombre de tours d'hélice au sein d'une cellule à cristal liquide inséré entre deux électrodes El et E2 dont les faces sont traitées pour imposer un angle de twist dans un exemple où k est égal à 5. A titre indicatif, la figure 4 montre l'évolution de la coordonnée Z en fonction du nombre de tours pour une cellule à cristal liquide présentant une épaisseur d égale à 5.1 pm, de variation d'indice An = 0, 2139 et pour une lumière de longueur d'onde À = 0,55 pm. Lorsque le nombre de tours est suffisant grand, on tend à atteindre la coordonnée Z = 1, signe d'un axe biréfringent vertical et d'une ellipticité induite nulle. Il est donc possible en augmentant fortement le nombre de tours du 15 cholestérique de tendre à supprimer l'ellipticité en tendant à obtenir une polarisation rectiligne mais dans ce cas, il devient nécessaire de déployer une tension de commande de plus en plus élevée. Dans ce contexte, le Demandeur a analysé que lorsque l'on observe la sphère de Poincaré et l'action du biréfringent elliptique sur la lumière, on 20 voit que si l'amplitude de rotation est un multiple de 2-rr, soit Amp = 2-rrN, n'importe quelle polarisation rectiligne retombe sur l'équateur après action du biréfringent. Ceci se traduit mathématiquement par l'équation suivante : 25 22 qui exprime à la fois que l'amplitude du biréfringent vaut 2N-rr mais aussi que l'angle 0 doit se rapprocher le plus possible de 2k-rr tout en restant inférieur à 2k-rr. -e =2k - d 2An2 2-c Soit : 22 8= N2 d2An2 =2kîr-s Avec N entier et c l'angle de compensation : une fonction décroissante en fonction du nombre N. E est minimum lorsque N entier, est voisin de 2k.\1(1+ d20lti2 4k222 Il est ainsi possible de déterminer l'angle c tel que : =2kîz-Nîz 1 d2 0n2 N222 ) 2ki(1+ d20n2 ) Avec N entier le plus proche de 4k222 c correspondant à l'angle de compensation qu'il faut donner pour que le twist soit égal à 2k-rr- c et donc supprimer l'ellipticité résiduelle. En effet, la lumière traversant le cholestérique, subit un effet rotatoire résiduel, ainsi si l'on veut partir d'une lumière polarisée en entrée et obtenir une lumière polarisée en sortie, il apparait que la rotation du biréfringent est 15 supérieure à 26, il convient donc d'imposer un angle de twist un peu inférieur pour que cette amplitude fasse exactement un nombre entier de fois 2-rr. Cela signifie donc que l'angle e doit être égal à 2k-rr - c, pour obtenir la condition : Amp = 2-rrN et que la plus petite valeur de c est obtenue pour N=2k. 20 De manière générale l'ellipticité générée sur un faisceau lumineux dépend de l'épaisseur de la cellule de cristal liquide et du pas d'hélice du cristal liquide en fonction de l'angle de twist. Par ailleurs, comme énoncé précédemment, selon la longueur 25 d'onde d'illumination et le pas de l'hélice, de telles structures peuvent se comporter partiellement en miroir si la condition suivante est vérifiée : p = À /n avec À la longueur d'onde de l'onde et n l'indice du milieu cristal liquide. Dans le cas de dispositif conçu pour fonctionner en transmission, cela signifie que le pas de l'hélice ne doit pas correspondre à une longueur d'onde telle que l'on forme un miroir de Bragg. On choisit ainsi des conditions d'épaisseur de cellule et un nombre de tours d'hélice k autorisé pour être en deçà de ces conditions. Typiquement, pour un dispositif devant fonctionner dans le visible, on choisit donc de préférence des conditions telles que la réflexion ait lieu dans l'infra rouge plutôt que dans l'ultra violet. A titre d'exemple, les figures 5 et 6 illustrent l'évolution de l'ellipticité en fonction de l'angle d'azimut d'entrée pour des cellules respectivement dont : - l'épaisseur est constante et le nombre de tours d'hélice variable (courbe C5a pour 27, courbe C5b pour 47, courbe C5c pour 67, courbe C5d pour 87, courbe C5e pour 107, courbe C5f pour 127 et courbe C5g pour 147) ; - le pas d'hélice est constant et l'épaisseur variable (courbe C6a pour 1 pm, courbe C6b pour 2 pm, courbe C60 pour 4 pm, courbe C6d pour 6 pm, courbe Che pour 8 pm, courbe C6f pour 10 pm). Le temps de réponse croît également en fonction du carré de l'épaisseur de la cellule. Un exemple de compromis satisfaisant peut être réalisé avec un cristal liquide présentant une variation d'indice An de l'ordre de 0,2 et une épaisseur de cellule de l'ordre de 5 pm et un pas de 0,71pm. On peut choisir également un pas de 0,83 pm qui contribue à abaisser la tension de commande en augmentant l'ellipticité induite. Exemple de lentille de profile kinoforme selon l'invention : Selon cet exemple, la lentille fonctionnant dans le visible comprend une couche de cristal liquide référencé MCL2062 de la société Merck inséré entre deux électrodes de commande sur lesquelles on été réalisées des traitements de surface d'alignement. L'épaisseur de la couche de cristal liquide est choisie de façon à ce que la variation de chemin optique vue par la lumière, dans la lentille kinoforme soit de 27, à la longueur d'onde considérée. Typiquement, cette épaisseur est donc égale à 0,55 / (0,5 An) pour une longueur d'onde de 0,55 pm. Il ressort des équations précédentes correspondant à une cellule à cristal liquide présentant 3 tours d'hélice, que l'on peut trouver un angle de compensation c= 61° permettant d'annuler l'ellipticité résiduelle, cet angle de compensation étant appliqué lors du traitement de frottement anti-parallèle. De même, pour une cellule à cristal liquide présentant un nombre de tours d'hélice égal à 5, on peut déterminer un angle de compensation c= 36°. Selon le procédé de la présente invention, les traitements de surface, classiquement réalisés par frottement en anti-parallèle entre les deux surfaces, sont corrigés de l'angle c ainsi préalablement déterminé. La figure 7 illustre ainsi dans le cadre d'une cellule à cristal liquide présentant 7 tours, l'ellipticité résiduelle avec un traitement anti-parallèle en fonction de l'angle d'azimut d'entrée (courbe 7a) et l'ellipticité résiduelle obtenue avec le procédé de l'invention (courbe 7b) ainsi réduite à zéro. Le dispositif de la présente invention peut être également opérationnel dans une gamme de longueurs d'onde et non uniquement à une seule longueur d'onde. Pour cela, le Demandeur a étudié comment varie la biréfringence résiduelle à d'autres longueurs d'onde que celle à laquelle l'optimisation pour annuler l'ellipticité résiduelle, est réalisée. Dans le cas d'une lentille diffractive au profil kinoforme pour laquelle on souhaite une action nulle en mode OFF et une biréfringence nulle en mode OFF(avec les même paramètres de cristal liquide cités précédemment) et 7 tours complets pour le cholestérique, on obtient une action résiduelle représentée dans le graphique illustré en figure 8. La courbe C8a est relative à un traitement de surface classique, la courbe C8b est relative à une optimisation réalisée à une longueur d'onde de 550nm, la courbe Cgb est relative à une optimisation réalisée à une longueur d'onde de 450 nm et la courbe C6d est relative à une optimisation réalisée à une longueur d'onde de 400nm. On peut constater que pour une optimisation calculée pour 450nm, on obtient sur tout le spectre une amélioration considérable par rapport à un dispositif non optimisé. Typiquement, cela représente une correction de 38° sur la direction de frottement de la couche d'alignement (toujours avec les paramètres de cristaux liquides précités). REVENDICATIONS1 . Procédé de réalisation d'un dispositif de phase fonctionnant à 5 au moins une longueur d'onde (À) comprenant une cellule contenant un cristal liquide possédant une structure hélicoïdale, inséré entre deux couches d'alignement possédant des axes de frottement et des moyens pour appliquer une tension à ladite cellule, ladite structure hélicoïdale présentant pour un nombre de tours d'hélice k une ellipticité résiduelle, ledit cristal 10 liquide présentant un angle de twist défini entre les axes de frottement des deux couches d'alignement, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - la détermination d'un angle de compensation c répondant à l'équation suivante : d2 0n2 =21f7z- - Nn- ) 15 N222 avec : N entier le plus proche de 2k.\1(1+ d2'Alti2 4k222 l'angle de twist B = 2k7z- - E An : la biréfringence du cristal liquide ; 20 d : l'épaisseur de la cellule cristal liquide ; À : la longueur d'onde du faisceau lumineux qui traverse la cellule cristal liquide ; le traitement de l'une des faces selon une direction d'alignement anti-parallèle corrigé dudit angle de compensation c, desdites 25 molécules de cristal liquide. 2. Procédé de réalisation d'un dispositif de phase selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de phase est une lentille. 3. Procédé de réalisation d'un dispositif de phase selon la revendication 2, caractérisé en ce que la lentille est une lentille de profil kinoforme. 4. Procédé de réalisation d'un dispositif de phase selon l'une des revendications 1 à 3, fonctionnant au moins dans la bande de longueurs d'onde [400nm, 700nm], le calcul de l'angle de compensation c étant effectué à une longueur d'onde voisine de 475 nm.10