Brevet FR3101441A1 — publié le 20210402

Structure diffusive pour source de lumière. L’invention concerne un diffuseur 3 destiné à recevoir de la lumière émise par une source de lumière 1 visible comprenant une couche de transmission 10 et une couche de diffusion 22 destinée à diffuser ladite lumière, le diffuseur étant caractérisé en ce que la couche de diffusion comprend une pluralité de nanostructures métalliques 200, chacune de ces nanostructures métalliques présentant, en projection dans un plan d’extension principal xy, une dimension longitudinale L selon un axe longitudinal et une dimension transverse l selon un axe transverse, lesdites dimensions longitudinales et transverses étant différentes entre elles et la dimension transverse l étant inférieure à 650 nm, et en ce que ces nanostructures métalliques sont en outre réparties au sein de la couche de diffusion de sorte qu’au moins deux nanostructures métalliques adjacentes sont respectivement orientées selon deux axes longitudinaux non parallèles. L’invention concerne également un procédé de fabrication d’un tel diffuseur, et un système d’affichage comprenant un tel diffuseur. Figure pour l’abrégé : Fig. 4I Structure diffusive pour source de lumière L’invention concerne le domaine de l’optique. Elle trouve pour application particulièrement avantageuse l’amélioration de la diffusivité de sources de lumière pixellisées telles que des diodes électroluminescentes (LED). ÉTAT DE LA TECHNIQUE Une source de lumière peut être étendue ou ponctuelle. Une source de lumière ponctuelle, également dénommée source de lumière pixellisée, peut être utilisée dans des systèmes de visualisation ou d’affichage. En particulier, une pluralité de sources de lumière ponctuelles adjacentes permet de former des pixels d’un écran. Une telle source de lumière ponctuelle peut présenter des dimensions de l’ordre de quelques dizaines de microns. Les diodes électroluminescentes (LED) peuvent avantageusement former ces sources de lumière ponctuelles. Une LED présente généralement un angle d’émission relativement restreint. Elle se caractérise par une directivité élevée. Dans certaines applications cependant, il peut être nécessaire d’avoir une source de lumière ponctuelle présentant une faible directivité, avec un grand angle d’émission. C’est le cas pour des écrans d’affichage 3D par exemple. Une solution pour rendre une LED peu directive consiste à ajouter une structure diffusive à la LED, de façon à diffuser la lumière émise par la LED dans toutes les directions. De façon connue, une telle structure diffusive peut se présenter sous forme d’un film diffuseur diélectrique comprenant des corrugations diélectriques aléatoires (figure 1A). Les pseudo-périodes et/ou les dimensions de ces corrugations peuvent atteindre plusieurs microns, voire plusieurs dizaines de microns (figure 1A). Elles sont notamment plus grandes que la longueur d’onde d’émission de la LED. Le fonctionnement d’un tel film diffuseur diélectrique n’est donc pas directement basé sur un phénomène de diffusion de la lumière. Le film diffuseur diélectrique génère dans ce cas de multiples réfractions de la lumière sur les surfaces d’inclinaisons différentes des corrugations, tel qu’illustré à la figure 1B. La lumière est donc réfractée par le film diffuseur, dit film diffuseur réfractif, dans une multitude de directions différentes. Ce phénomène de réfraction de la lumière statistiquement dans toutes les directions reproduit, par effet de moyennage, un phénomène de diffusion isotrope. Ce type de film diffuseur réfractif fonctionne très bien pour des sources de lumière étendues. Cependant, pour des sources de lumière pixélisées, en particulier pour des sources pixellisées dont les dimensions sont inférieures ou égales à 15µm, ce type de film diffuseur réfractif ne permet pas de reproduire un phénomène de diffusion isotrope pour chacune des sources. De telles sources pixellisées agencées en regard de ce type de film diffuseur réfractif ne sont plus associées chacune à une multitude de corrugations. L’effet de moyennage obtenu avec une source étendue n’est donc plus obtenu avec une source ponctuelle. Dans ce cas, la lumière émise par une source ponctuelle est réfractée dans un nombre limité de directions, voire dans une seule direction. Le phénomène de diffusion n’est donc pas bien reproduit. Cette réfraction est même particulièrement anisotrope. La source ponctuelle, par exemple une LED formant un pixel d’un écran d’affichage, reste très directive avec ce type de film diffuseur réfractif. Dans ce cas, la ou les directions de réfraction varient en outre d’un pixel à un autre. Pour un écran dont les pixels sont des LED émettant toutes une lumière de même intensité lumineuse, des variations d’intensité lumineuse dues au film diffuseur réfractif peuvent donc être perçues sur l’écran, selon la direction d’observation. Le film diffuseur réfractif ne permet pas d’obtenir une diffusion isotrope de la lumière émise par une source ponctuelle. La présente invention vise à pallier au moins partiellement certains des inconvénients mentionnés ci-dessus. Un objet de la présente invention est de proposer une solution permettant d’optimiser la diffusion de la lumière émise par une source de lumière, en particulier par une source de lumière ponctuelle. Un autre objet de la présente invention est de proposer une solution permettant d’améliorer l’isotropie de la diffusion. Les autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à l'examen de la description suivante et des dessins d'accompagnement. Il est entendu que d'autres avantages peuvent être incorporés. RÉSUMÉ Pour atteindre les objectifs mentionnés ci-dessus, la présente invention prévoit selon un premier aspect un diffuseur destiné à recevoir de la lumière émise par une source de lumière visible, ledit diffuseur comprenant une couche de transmission et une couche de diffusion, de préférence supportée par la couche de transmission, et destinée à diffuser la lumière émise par la source de lumière. Avantageusement, la couche de diffusion comprend une pluralité de nanostructures métalliques. Ces nanostructures métalliques présentent chacune, en projection dans un plan d’extension principal : une dimension longitudinale correspondant à la plus grande dimension de la nanostructure métallique selon cette projection, la dimension longitudinale s’étendant selon un axe longitudinal et, une dimension transverse prise selon un axe transverse perpendiculaire à l’axe longitudinal, la dimension transverse étant inférieure à la dimension longitudinale et étant inférieure à 650 nm. Ces nanostructures métalliques sont en outre réparties au sein de la couche de diffusion de sorte que les axes longitudinaux d’au moins deux nanostructures métalliques adjacentes sont non parallèles entre eux. L’axe longitudinal de la nanostructure est dénommé grand axe et l’axe transverse de la nanostructure est dénommé petit axe. Ainsi le diffuseur selon l’invention comprend une pluralité de nanostructures présentant chacune au moins une dimension – la dimension transverse – inférieure à 650 nm, de préférence inférieure à 500 nm et de préférence inférieure à 400 nm. Cette dimension transverse est donc inférieure à au moins une partie du spectre de longueurs d’onde de la lumière visible. Cela permet d’obtenir un phénomène de diffusion de cette lumière, contrairement au diffuseur réfractif présenté plus haut. Par ailleurs, ces nanostructures sont en un matériau métallique. Un tel matériau métallique présente notamment un indice de réfraction au moins deux fois supérieur à celui de la couche de transmission transparente à la lumière émise. Cela permet d’obtenir un phénomène de diffusion significatif, contrairement au diffuseur réfractif présenté plus haut. L’efficacité de la diffusion est améliorée. Par ailleurs, ces nanostructures, en particulier les nanostructures adjacentes, présentent entre elles des orientations différentes. Cela permet d’éviter une diffusion de la lumière selon une direction privilégiée par effet de réseau. Cela permet d’améliorer l’isotropie de la diffusion. Les nanostructures sont de préférence orientées de façon aléatoire ou désordonnée. Ainsi, la présente invention prévoit d’intégrer dans la couche de diffusion des nanostructures métalliques permettant non seulement de diffuser la lumière, mais de rendre une telle diffusion efficace et isotrope. Les développements menés dans le cadre de la présente invention ont montré que la combinaison des caractéristiques de ces nanostructures permettait d’obtenir un effet synergique, conduisant à une diffusion optimisée, en particulier pour des sources de lumière ponctuelles ou pixellisées. Un deuxième aspect de la présente invention concerne un procédé de fabrication d’un diffuseur comprenant au moins une couche de diffusion destinée à diffuser une lumière émise par une source de lumière visible et comprenant une pluralité de nanostructures métalliques. Ce procédé comprend les étapes suivantes : Fournir une couche de transmission en un matériau transparent à la lumière émise, et présentant une face avant, Former sur la face avant une pluralité de nanostructures métalliques, chacune de ces nanostructures métalliques présentant, en projection dans un plan d’extension principal parallèle à la couche de diffusion, une dimension longitudinale selon un axe longitudinal et une dimension transverse selon un axe transverse, lesdites dimensions longitudinales et transverses étant différentes entre elles et la dimension transverse étant inférieure à 650 nm, les nanostructures métalliques étant en outre réparties au sein de la couche de diffusion de sorte qu’au moins deux nanostructures métalliques adjacentes sont respectivement orientées selon deux axes longitudinaux non parallèles. Un troisième aspect de la présente invention concerne un système comprenant au moins un diffuseur selon l’invention et au moins une source de lumière pixellisée, agencés l’un à l’autre. L’au moins un diffuseur est configuré pour coopérer avec l’au moins une source de lumière ponctuelle de façon à diffuser une lumière émise par celle-ci. Un tel système peut avantageusement être utilisé pour la réalisation d’écran d’affichage, en particulier pour des écrans 3D. BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES Les buts, objets, ainsi que les caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront mieux de la description détaillée de modes de réalisation de cette dernière qui sont illustrés par les dessins d’accompagnement suivants dans lesquels : La FIGURE 1A est une image par microscopie électronique à balayage d’un film diffuseur diélectrique selon l’art antérieur. La FIGURE 1B illustre schématiquement en coupe un fonctionnement du film diffuseur diélectrique de la figure 1A. La FIGURE 2A illustre schématiquement en coupe transverse un diffuseur comprenant une couche de diffusion, une couche de transmission et une couche de polarisation selon un mode de réalisation non limitatif de la présente invention. La FIGURE 2B illustre schématiquement en vue de dessus une couche de diffusion d’un diffuseur selon un mode de réalisation de la présente invention. La FIGURE 3A illustre schématiquement en coupe transverse une première configuration d’un cristal liquide. La FIGURE 3B illustre schématiquement en coupe transverse une deuxième configuration d’un cristal liquide. Les FIGURES 4A à 4I illustrent schématiquement des étapes de formation d’un diffuseur comprenant une couche de diffusion à base d’une pluralité de nanostructures métalliques, une couche de transmission, une couche de polarisation à base de cristaux liquides, selon un mode de réalisation de l’invention. . La FIGURE 5 montre un agencement d’un diffuseur à une pluralité de LED, selon un mode de réalisation de l’invention. La FIGURE 6 montre un système configuré pour un affichage 3D comprenant un écran haute résolution associé à une matrice de microlentilles. La FIGURE 7 montre un système configuré pour un affichage 3D comprenant une pluralité de micro-écrans associée à une pluralité de systèmes de projection et à au moins un diffuseur, et une matrice de microlentilles. La FIGURE 8 montre un système de projection du système d’affichage 3D illustré à la figure 7, selon un mode de réalisation. La FIGURE 9 montre un dimensionnement d’une partie du système d’affichage 3D illustré à la figure 7. La FIGURE 10 montre le système d’affichage 3D illustré à la figure 7, comprenant au moins un diffuseur selon un mode de réalisation non limitatif de la présente invention. Les dessins sont donnés à titre d'exemples et ne sont pas limitatifs de l’invention. Ils constituent des représentations schématiques de principe destinées à faciliter la compréhension de l’invention et ne sont pas nécessairement à l'échelle des applications pratiques. En particulier les dimensions des différentes couches et structures des diffuseurs ne sont pas représentatives de la réalité. Diffuseur (3) destiné à recevoir de la lumière émise par une source de lumière (1) visible comprenant une couche de transmission (10) et une couche de diffusion (22) destinée à diffuser ladite lumière, le diffuseur (3) étant caractérisé en ce que la couche de diffusion comprend une pluralité de nanostructures métalliques (200), chacune de ces nanostructures métalliques présentant, en projection dans un plan d’extension principal (xy) : une dimension longitudinale (L) correspondant à la plus grande dimension de la nanostructure métallique (200) selon cette projection, la dimension longitudinale (L) s’étendant selon un axe longitudinal et, une dimension transverse (l) prise selon un axe transverse perpendiculaire à l’axe longitudinal, la dimension transverse (l) étant inférieure à la dimension longitudinale (L) et étant inférieure à 650 nm, et en ce que ces nanostructures métalliques (200) sont en outre réparties au sein de la couche de diffusion (22) de sorte que les axes longitudinaux d’au moins deux nanostructures métalliques (200 i , 200 j ) adjacentes sont non parallèles. Diffuseur (3) selon la revendication précédente dans lequel les axes longitudinaux des nanostructures métalliques (200) sont orientés selon une pluralité d’orientations différentes dans le plan d’extension principal (xy). Diffuseur (3) selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel les dimensions longitudinale (L) et transverse (l) sont telles que L≥ k * l, avec k = 1.5. Diffuseur (3) selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel, pour au moins certaines des nanostructures métalliques (200 i , 200 j ) adjacentes, les axes longitudinaux de ces nanostructures métalliques (200 i , 200 j ) adjacentes forment un angle α d’au moins 40° et de préférence d’au moins 60°. Diffuseur (3) selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel, pour une nanostructure métallique donnée, au moins plusieurs nanostructures adjacentes à ladite nanostructure donnée présentent un axe longitudinal non parallèle à celui de ladite nanostructure donnée. Diffuseur (3) selon l’une quelconque des revendications précédentes comprenant en outre au moins une couche de polarisation (30) configurée pour polariser la lumière émise par la source et destinée à être diffusée par la pluralité de nanostructures métalliques. Diffuseur (3) selon la revendication précédente dans lequel la couche de polarisation (30) comprend un polariseur (301 ) . Diffuseur (3) selon l’une quelconque des deux revendications précédentes dans lequel la couche de polarisation (30) comprend un cristal liquide (300). Diffuseur (3) selon l’une quelconque des trois revendications précédentes dans lequel la couche de polarisation (30) est configurée de sorte à moduler dynamiquement la polarisation de la lumière émise selon une fréquence de modulation. Diffuseur (3) selon la revendication précédente dans lequel la fréquence de modulation est comprise entre 20Hz et 200Hz. Diffuseur (3) selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel la dimension longitudinale (L) est comprise entre 200 nm et 2 µm, et la dimension transverse (l) est comprise entre 50 nm et 500 nm. Diffuseur (3) selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel les nanostructures métalliques (200) présentent, en projection dans le plan d’extension principal (xy), une forme prise parmi une ellipse et un rectangle, et présentent de préférence toutes la même forme. Diffuseur (3) selon l’une quelconque des revendications précédentes présentant dans le plan d’extension principal (xy), une dimension d’extension principale D comprise entre 5 µm et 30 µm. Diffuseur (3) selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel au moins une partie des nanostructures métalliques est en au moins un métal pris parmi l’aluminium, le tungstène, le cuivre, l’argent, l’or. Système d’affichage comprenant au moins un diffuseur (3) selon l’une quelconque des revendications précédentes et au moins une source de lumière ponctuelle (1), dans lequel l’au moins un diffuseur (3) est configuré pour coopérer avec l’au moins une source de lumière ponctuelle (1) de façon à diffuser une lumière émise par celle-ci. Système d’affichage selon la revendication précédente comprenant : un écran (51), de préférence à très haute résolution, comprenant une pluralité de micro-écrans (52) comprenant chacun une pluralité de pixels, une pluralité de systèmes de projection (6) associée à la pluralité de micro-écrans (52), au moins un diffuseur (3) selon l’une quelconque des revendications 1 à 14, associé à au moins un pixel des pluralités de pixels des micro-écrans (52), et une matrice de microlentilles (4) associée à l’au moins un diffuseur (3). Procédé de fabrication d’un diffuseur (3) comprenant au moins une couche de diffusion (22) destinée à diffuser une lumière émise par une source de lumière (1) visible et comprenant une pluralité de nanostructures métalliques (200), ledit procédé comprenant les étapes suivantes : Fournir une couche de transmission (10) en un matériau transparent à la lumière émise, et présentant une face avant (110a), Former sur la face avant (110a) ladite pluralité de nanostructures métalliques (200), chacune de ces nanostructures métalliques présentant, en projection dans un plan d’extension principal (xy), une dimension longitudinale (L) correspondant à la plus grande dimension de la nanostructure métallique (200) selon cette projection, la dimension longitudinale (L) s’étendant selon un axe longitudinal, et une dimension transverse (l) prise selon un axe transverse perpendiculaire à l’axe longitudinal, la dimension transverse (l) étant inférieure à la dimension longitudinale (L) et étant inférieure à 650 nm, les nanostructures métalliques (200) étant en outre réparties au sein de la couche de diffusion (22) de sorte que les axes longitudinaux d’au moins deux nanostructures métalliques (200 i , 200 j ) adjacentes sont non parallèles. Procédé selon la revendication précédente comprenant en outre la formation d’une couche de polarisation (30) sur une face arrière (100b) de la couche de transmission (10), ladite couche de polarisation (30) étant configurée pour polariser la lumière destinée à être diffusée par les nanostructures métalliques. Procédé selon la revendication précédente dans lequel la formation de la couche de polarisation (30) comprend une formation d’une cavité (401) et un remplissage de ladite cavité par un cristal liquide (300). Procédé selon la revendication précédente comprenant en outre la formation d’électrodes (311, 321) autour de la cavité (401), lesdites électrodes étant configurées pour appliquer un champ électrique au cristal liquide (300) et pour connecter électriquement la couche de polarisation (30) à un système de modulation configuré pour coopérer avec le diffuseur afin de moduler dynamiquement la polarisation de la lumière polarisée par la couche de polarisation (30), selon une fréquence de modulation.