FR2911192A1 - Structure eclairante et structure optique - Google Patents

Abstract

L'invention porte sur une structure éclairante (1) comportant une pluralité de sources lumineuses (11) disposées dans un plan et une structure diffusante comportant un substrat transparent (20) ayant une première et une deuxième face principale, le substrat étant en vis-à-vis des sources lumineuses et étant à une distance inférieure à 6 mm des sources, une couche diffusante (22) sur l'une des faces principales dudit substrat, la couche diffusante, dite inhomogène, présentant une épaisseur variable et/ou une densité de recouvrement variable. L'invention porte aussi sur une structure optique (20) comportant une structure diffusante destinée à homogénéiser une pluralité de sources lumineuses disposées dans un plan, structure diffusante comportant le substrat transparent (21) et la couche diffusante inhomogène (22), et un empilement d'éléments optiques (23) sur l'une des faces du substrat et choisi parmi un ou plusieurs films diffusants, un film diffusant et un élément de redirection de la lumière vers la normale au substrat et un film diffusant, ou encore un film diffusant et un polariseur réflectif.

Description

1 STRUCTURE ECLAIRANTE ET STRUCTURE OPTIQUE

La présente invention concerne une structure diffusante destinée à homogénéiser une source lumineuse et plus particulièrement une structure diffusante utilisée pour homogénéiser la lumière émise depuis un système de rétro-éclairage. Les systèmes de rétro-éclairage ou back-light sont largement utilisés pour des écrans à cristaux liquides, dénommés encore écrans LCD. La ou les sources de lumière utilisées dans le système de rétro-éclairage sont par exemple : - des lampes ou des tubes à décharge comme les lampes fluorescentes à cathode froide (dites CCFL pour Cold Cathode Fluorescent Lamp en anglais) typiquement de diamètre de l'ordre de 3 mm, les lampes fluorescentes à cathode chaude (HCFL pour Hot Cathode Fluorescent Lamp en anglais), typiquement de diamètre de l'ordre de 15 mm, les lampes à décharge à barrière diélectrique (DBDFL pour Dielectric Barrier Discharge Fluorescent Lamp ) ; - ou encore des diodes électroluminescentes (LED pour Light Emitting Diodes en anglais).

Une solution satisfaisante du point de vue de l'homogénéité consiste à recouvrir la face avant du système de rétro-éclairage d'un diffuseur rigide. Parmi les écrans à cristaux liquides, on distingue les écrans incorporant une structure dite "Direct Light" pour lesquels les sources lumineuses sont situées à l'intérieur d'une enceinte directement derrière la dalle LCD, et les écrans incorporant une structure dite "Edge Light" pour lesquels les sources lumineuses sont positionnées sur le côté de l'enceinte, la lumière étant véhiculée par un guide de lumière. Il apparaît que la lumière ainsi émise n'est pas suffisamment homogène et présente des contrastes trop importants.

Aussi dans la structure dite "Direct Light" on place une structure diffusante devant les sources lumineuses et dans les écrans "Edge Light" la lumière est véhiculée par un guide de lumière vers une structure diffusante située en face avant. La structure diffusante comporte d'abord un diffuseur rigide, sous forme d'une plaque de plastique tel qu'un polycarbonate ou un polymère acrylique contenant des charges minérales dans la masse, la plaque présentant par 2 exemple une épaisseur de 2 mm. Comme diffuseur rigide, on connaît aussi un verre doté d'une couche diffusante composée de particules agglomérées dans un liant, structure diffusante décrite dans la demande de brevet WO0190787. Dans l'article intitulé "Architectural Choices in a Scanning Backlight for Large LCD TVs" de A. S. Sluyterman, E. P. Boonekamp, publié dans les Proceedings of SID 2005, 18.2, 996-999, les auteurs décrivent un système de rétro-éclairage utilisant des sources de type HCFL disposés à 6 mm d'un diffuseur. Les tubes sont espacés de 52 mm les uns des autres. Seulement 8 tubes sont utilisés pour un système de rétro-éclairage ayant une diagonale de 32" alors que plus de 15 CCFL sont nécessaires pour obtenir le même niveau de luminance. Ceci implique une réduction des coûts importante. Pour obtenir une bonne homogénéité en luminance, une couche diffusante est déposée sur la surface des tubes HCFL en vis-à-vis du diffuseur. Ainsi, la lumière n'est pas émise par les tubes de façon symétrique mais l'émission par les côtés est plus importante. Cette solution utilisée commercialement dans les télévisions Philips avec le Backlight ApturaTM est satisfaisante d'un point de vue de l'homogénéisation de la luminance mais reste complexe, encombrante, et engendre des difficultés de mise en oeuvre et des surcoûts de fabrication et d'utilisation.

L'invention a donc pour but de proposer une structure éclairante ayant au moins l'un des avantages suivants : - coût d'obtention et d'utilisation limités, - rapidité/facilité de fabrication ou d'assemblage, - compacité et/ou légèreté, sans affecter les performances optiques globales, à tout le moins sans dégrader le niveau de puissance lumineuse émise, ni le niveau d'homogénéité de luminance. A cet effet, la structure propose d'abord une structure éclairante comportant une pluralité de sources lumineuses disposées dans un plan et une structure diffusante comportant : - un substrat transparent ayant une première et une deuxième face principale, le substrat étant en vis-à-vis des sources lumineuses et à une distance inférieure à 6 mm des sources, de préférence à une distance inférieure ou égale à 5 mm voire à 3 mm, 3 - une couche diffusante sur l'une des faces principales dudit substrat, la couche diffusante, dite inhomogène, présentant une épaisseur variable et/ou une densité de recouvrement variable. Dans une structure Direct light avec des sources lumineuses (tubes fluorescents, sources ponctuelles type diodes) positionnées horizontalement à une distance de quelques cm les unes des autres, les variations de luminance dues à l'emplacement des sources lumineuses ont une période pour laquelle l'oeil est particulièrement sensible et doivent être supprimées. Or la structure diffusante selon l'invention présente une épaisseur variable de la couche et/ou une densité de recouvrement qui permet de réduire sensiblement la distance sources/diffuseur tout en gardant une bonne homogénéité de la luminance. En effet, les variations d'épaisseur et/ou de densité de recouvrement induisent des variations de transmission lumineuse de la couche diffusante, qui aura une transmission plus faible en correspondance des sources lumineuses. Contre toute attente, l'homogénéité de luminance reste satisfaisante pour plusieurs angles d'observation. La demanderesse a en effet constaté que dans la configuration avec la distance sources lumineuses/diffuseur est fortement réduite, aucun effet de parallaxe (décalage entre l'emplacement des sources lumineuses et les zones du diffuseur avec transmission plus faible lorsque le système est observé en biais) n'est détectable. La densité de recouvrement variable peut être par exemple obtenue en réalisant un dépôt par sérigraphie, la densité de points pouvant en outre varier d'une zone totalement couverte à une zone de points dispersés, la transition étant progressive ou non. En face des sources, la transmission lumineuse de la structure diffusante peut être entre 40% et 70%, encore plus préférentiellement entre 45% et 60% alors qu'entre les sources, la transmission lumineuse être entre 60 et 90% encore plus préférentiellement entre 70% et 85%. Naturellement, lorsque le substrat transparent a au moins une face texturée, rugueuse, les valeurs de transmissions peuvent être abaissées typiquement de 5 à 20%. Naturellement, lorsque la couche diffusante est du coté des sources, cette couche peut être à une distance inférieure à 5 mm de sources, de préférence à une distance inférieure ou égale à 3 mm. La couche diffusante peut être de préférence d'épaisseur maximale égale à 100 pm, voire 50 pm. 4 La structure diffusante selon l'invention est apte à former un diffuseur le plus proche de la source lumineuse, notamment en étant suffisamment rigide. Cette structure présente de préférence un flou maximal supérieur à 90% voire 95%. L'épaisseur moyenne du substrat dépend de sa nature, typiquement à partir de 0,5 mm pour du verre et 1 mm pour du plastique. La structure diffusante peut avoir une épaisseur globale sensiblement comprise 0,5 et 4 mm. Les source lumineuses utilisées peuvent être choisies parmi les diodes électroluminescentes, les lampes fluorescentes à cathode froide et les lampes fluorescentes à cathode chaude de préférence sans revêtement diffusant pour une simplification de la structure et une réduction des coûts. Si l'on utilisait un diffuseur classique (diffusion homogène) avec des sources HCFL sans couche diffusante, il faudrait éloigner le diffuseur des sources au delà 10 mm pour maintenir l'homogénéité, au détriment de la compacité. Par ailleurs, grâce à la structure diffusante utilisée dans l'invention, on peut augmenter l'espacement entre les sources lumineuses, (notamment les sources intenses comme les sources HCFL et LED) et donc diminuer le nombre de sources lumineuses ce qui permet une réduction des coûts.

Si les sources lumineuses sont des diodes électroluminescentes et/ou des lampes fluorescentes à cathode chaude, on peut choisir préférentiellement que l'espacement entre les centres des sources lumineuses adjacentes soit supérieur à 50 mm, voire supérieur ou égal à 55 mm, voire supérieur ou égal à 60 mm ou même à 80 mm. Si les sources lumineuses sont des lampes fluorescentes à cathode froide, on peut choisir préférentiellement que l'espacement entre les centres de sources lumineuses adjacentes soit supérieur à 30 mm, voire supérieur à 40 mm voire encore supérieur à 50 mm. La distance entre les sources et la structure diffusante peut quant à elle être de préférence inférieure à 6 mm des sources pour conserver le gain en compacité.

Par ailleurs, il est possible d'associer à la structure diffusante (du côté observateur) des éléments optiques (plastiques ou de nature minérale), comme par exemple les éléments suivants déjà connus : -d'abord, un film plastique mince, courant appelé film diffusant, formé d'un film plastique, généralement en PET, ayant sur sa face externe une couche organique suffisamment rugueuse pour renforcer la diffusion du diffuseur rigide, ce film plastique étant en outre connu pour rediriger la lumière vers l'avant, c'est-à-dire vers la normale au diffuseur, - ensuite un film plastique comportant une face interne lisse et une 5 face externe avec des sillons ayant un angle au sommet de 90 pour rediriger encore davantage la lumière vers l'avant, ce film étant couramment appelé BEF, -enfin un polariseur réflectif permettant de transmettre une polarisation de la lumière et de réfléchir l'autre polarisation.

Comme polariseur réflectif il s'agit par exemple : - d'un polariseur réflectif de type multicouches biréfringentes (à base de polyéthylène naphtalate ou PEN , par exemple un film DBEF commercialisé de la société 3M), - d'un polariseur réflectif de type phases biréfringentes disperses, - d'un polariseur réflectif de type à cristaux liquides cholestériques (par exemple ceux commercialisés par les sociétés MERCK, 3M, NITTO DENKO ou WACKER), - d'un polariseur réflectif de type wire-grid (par exemple ceux commercialisés par la société MOXTEK).

On peut choisir par exemple le film diffusant plastique CH27 commercialisé par la société SKC, et les films plastiques BEF-III 10T et DBEF-D550 commercialisés par la société 3M. Par ailleurs, d'autres empilements de films peuvent être choisis, comportant un ou plusieurs films. Les différentes solutions seront choisies en fonction du niveau de luminance demandé, ainsi que de la répartition angulaire de la lumière. Parmi les solutions les plus économiques et simplifiées, rendues possibles grâce aux performances optiques de la structure diffusante selon l'invention, on peut choisir un empilement avec un, deux ou trois films diffusants (plastiques ou non) mais sans film BEF et sans polariseur réflectif. Une autre solution consiste dans l'empilement (en partant du substrat transparent) film diffusant puis film BEF puis film diffusant , qui a une luminance normale accrue par rapport à la solution avec trois films diffusant. D'autres solutions moins économiques mais très performantes en termes d'efficacité lumineuse (notamment pour les cristaux liquides par exemple d'écran d'affichage etc) consistent dans les empilements (en partant du substrat 6 transparent) film diffusant et polariseur réflectif ou encore film BEF et polariseur réflectif . La suppression du film diffusant placé juste au dessus du substrat est particulièrement envisagée lorsque la face opposée aux sources est rugueuse ou texturée comme déjà décrit, car cela autorise la superposition d'un film de surface interne lisse comme un film BEF. Des empilements contenant un film BEF+DBEF intégrés par exemple l'élément tel que décrit dans la demande US2006/025263 ou le produit vendu par 3M sous le nom VikuitiTM DBEF MF1-650 sont aussi possibles. Dans ce cas la fonction DBEF peut être sur la face la plus proche des sources.

L'élément de redirection de la lumière vers la normale peut être réalisé de différentes façons. Il peut comporter sur sa face externe (opposée à aux sources) une répétition d'au moins un motif, notamment motif géométrique, les motifs étant répartis régulièrement ou aléatoirement, de largeur inférieure ou égale à 50 pm et dont la valeur absolue de la pente est en moyenne supérieure ou égale à 10 , encore plus préférentiellement 20 voire 30 . Le motif est choisi parmi l'un au moins des motifs suivants : - un motif allongé, en creux ou en relief, notamment un prisme de préférence avec un angle au sommet sensiblement égal à 90 ou lenticule, -un motif tridimensionnel, en creux ou en relief, notamment de type pyramidal, avec de préférence une base de largeur inférieure ou égale à 50 pm et un angle du sommet inférieur à 140 , encore plus préférentiellement inférieur à 110 , - un motif de type lentille de Fresnel.

De préférence, la distance entre la face optiquement lisse et la base du motif est supérieure ou égale à 1 mm. Dans un mode de réalisation préféré, la couche diffusante inhomogène est positionnée en face des sources. Par ailleurs, la deuxième face du substrat transparent peut être à l'opposée des sources lumineuses. cette deuxième face ou une couche diffusante homogène additionnelle sur cette deuxième face (à l'opposé de la couche diffusante inhomogène) ou encore ladite couche diffusante inhomogène sur la deuxième face présente une rugosité de surface telle que, sur un profil de rugosité réalisé avec un filtre gaussien de longueur de coupure égale à 2,5 mm et déterminé sur une longueur de mesure égale à cinq fois la longueur 7 de coupure, au moins 80% des points dudit profil sont distants d'au moins 100 nm de toute droite non sécante au profil et tangente en au moins deux points dudit profil. La rugosité de surface (du coté opposé aux sources lumineuses) a pour effet d'augmenter le pouvoir diffusant de la structure diffusante. La rugosité de surface permet en outre d'éviter la formation d'anneau de Newton lorsqu'un film avec une face interne lisse est posé directement sur la structure diffusante. Cette rugosité contrôlée rend possible son association directe avec un élément de redirection de la lumière vers la normale au substrat. A contrario, si l'on associe une structure diffusante avec une deuxième face (opposée aux sources) trop lisse et un film optique de surface interne lisse, la lame d'air à l'interface est susceptible d'être, au moins par endroit, trop fine, c'est-à-dire inférieure à 100 nm. En conséquence, la lumière provenant d'une onde évanescente (générée par les rayons lumineux en réflexion totale dans le substrat transparent) serait couplée directement dans le film à face lisse où elle aurait un angle supérieur à l'angle limite. Et, pour les angles supérieurs à 45 (correspondant notamment au demi angle au sommet d'un film à face externe prismatique de redirection de la lumière vers la normale au substrat autrement dit BEF ), la lumière n'est alors pas redirigée vers l'avant en sortie d'un film de type BEF mais au contraire s'écarte davantage de la normale. Dans la structure diffusante préférée selon l'invention, la distance entre la deuxième face (ou une couche diffusante) rugueuse et la face interne d'un film lisse étant maintenue importante, le couplage de la lumière entre la structure diffusante et le film lisse est négligeable. La surface rugueuse de la deuxième face (opposée aux sources) peut par exemple être composée de reliefs répartis périodiquement ou quasi périodiquement, par exemple des motifs géométriques notamment tronconiques pyramidaux ou rectangulaires. La surface peut aussi être composée de reliefs (et de creux) répartis (quasi) aléatoirement. On préfère qu'au moins 90%, encore plus préférentiellement 95% des points dudit profil soient distants d'au moins 100 nm de toute droite non sécante au profil et tangente en au moins deux points dudit profil.

De même, on peut encore augmenter la distance minimale à 200 nm voire à 500 nm pour limiter encore davantage le couplage de lumière avec un film optique que l'on pose sur cette face.

Pour obtenir la rugosité recherchée de la deuxième face, le verre peut être un verre laminé, un verre dépoli à l'acide, un verre sablé.

Et, dans une configuration préférée de ce dernier mode avec une deuxième face rugueuse ou une couche diffusante rugueuse, le paramètre de rugosité Rdq est supérieur à 10 , encore plus préférentiellement à 20 , et le paramètre de rugosité Ra est supérieur ou égal à 500 nm, de préférence à 1 dam. Et de préférence, le paramètre Rsm est inférieur à 200pm.

Soit z(x) le profil correspondant à l'écart à la moyenne de chaque point de mesure d'abscisse x.

On rappelle que Ra est défini comme suit : 1 Ra = ' z(x)~dx o

On rappelle que Rsm est défini comme suit : R 1 i = n Sl sm i=1 n n où Si est la distance entre deux pics voisins (mesurée au niveau de la moyenne) et n le nombre de pics.

On rappelle que Rdq est défini comme suit : S1+S2+.... +S n If 8 2 (x~dx avec e (x) = arctan[z' (x)] dq R et I est la longueur de coupure.

Le paramètre Rdq reflète la pente moyenne du profil par rapport à l'horizontale. Il est choisi de préférence supérieur à 10 voire 20 , afin que la rugosité de surface ait des propriétés diffusantes particulières. En effet, une surface présentant des pentes très raides induit une diffusion vers les grands 9 angles des rayons lumineux incidents avec un petit angle, alors qu'elle permet une redirection vers l'avant des rayons avec grands angles d'incidence. On choisit un Ra cinq fois supérieur à 100 nm pour limiter significativement voire supprimer le couplage de lumière avec un film optique ayant une surface lisse sur cette face du substrat opposée aux sources. On préfère aussi un Rsm relativement faible, afin d'augmenter la diffusion de la lumière à la surface. De préférence, le rapport entre Ra sur Rsm peut être supérieur à 0,01, voire supérieur à 0,05 encore plus préférentiellement supérieur à 0,1.

Avec une telle rugosité on limite significativement le risque de formation d'anneaux de Newton en réflexion et éventuellement en transmission qui peut altérer, en particulier dans les grands angles, le rendu des couleurs. Le substrat transparent - éventuellement rugueux, texturé - peut être en plastique (en PMMA, PA...) ou de préférence être en verre moins sensible à la chaleur d'autant que les sources lumineuses sont proches. On choisit par exemple un verre extraclair, présentant une transmission lumineuse TL au moins égale à 91% avec l'illuminant D65, et de préférence au moins égale à 91,50%, pour un verre présentant un indice de 1,52 0,04. On peut choisir toutes les compositions de verre extraclair décrites dans le document WO04/025334. La transmission lumineuse TL étant calculée pour une épaisseur e donnée du substrat en verre le cas échéant on adapte l'épaisseur comme décrit dans le document WO04/025334. A titre d'exemple, on choisit des substrats en verre du commerce, commercialisés selon les dénominations suivantes : - B270 de la société SCHOTT avec e=0,9 mm, -B270 de la société SCHOTT avec e=2,0 mm, - OPTIWHITE de la société PILKINGTON avec e=1,8 mm, - CS77 de la société SAINT-GOBAIN GLASS avec e=1,1 mm, Diamant de la société SAINT-GOBAIN GLASS.

Ces substrats peuvent subir une texturation par tout moyen, par exemple par sablage ou attaque acide. Il existe aussi des verres extraclair déjà texturés, notamment laminés, comme les verres ALBARINO-S ou FOCUS de la société SAINT-GOBAIN GLASS. Il peut s'agir aussi d'un verre sablé ou ayant subi une attaque acide comme le verre Satinovo commercialisé par SAINT GOBAIN GLASS. 10 Le substrat peut aussi être texturé par pressage notamment avec une presse plane. Par ailleurs, la couche diffusante peut comprendre des particules diffusantes dispersées dans un liant. Elle est de préférence essentiellement minérale (particules diffusantes minérales voire aussi liant minéral). Dans un mode de réalisation de l'invention, la couche diffusante comprend, dispersées dans un liant, des particules diffusantes minérales notamment avec un diamètre moyen compris entre 0,3 et 2 microns et qui comprennent, de préférence essentiellement, des nitrures, des carbures ou des oxydes, les oxydes étant choisis de préférence parmi la silice, l'alumine, le zircone, le titane, le cérium ou un mélange d'au moins deux de ces oxydes. Le liant peut être choisi de préférence parmi les liants minéraux, tels que les silicates de potassium, les silicates de sodium, les silicates de lithium, les phosphates d'aluminium, et les frittes de verre.

Lorsque l'épaisseur souhaitée de la couche déposée est supérieure à 2 microns, on utilise un procédé de dépôt du type sérigraphie, pulvérisation, rouleau ou rideau. Lorsque l'épaisseur de la couche est inférieure à 4 microns, le dépôt est de préférence effectué par flow-coating ou par pulvérisation. Par ailleurs, le rayonnement ultraviolet produit par la ou les sources de lumière, en particulier sur la plage de longueurs d'onde 250 à 400 nm, atteint le ou les films optiques, ce qui, au cours du temps, finit par les endommager. Aussi de préférence, la structure diffusante peut assurer la coupure du rayonnement ultraviolet, en particulier sur la plage de longueurs d'onde de 250 à 400 nm, tout en étant suffisamment transparente à la lumière visible.

Dans une configuration avantageuse, la couche diffusante peut comprendre des particules absorbant le rayonnement ultraviolet dans le domaine de 250 à 400 nm, lesdites particules absorbantes étant constituées par des oxydes aux propriétés d'absorption du rayonnement ultraviolet. Selon une caractéristique, les particules absorbant le rayonnement ultraviolet sont choisis parmi l'un ou le mélange d'oxydes suivants : oxyde de titane, oxyde de vanadium, oxyde de cérium, oxyde de zinc, oxyde de manganèse. Avantageusement, les particules absorbantes présentent un diamètre moyen d'au plus 2 dam.

Les particules absorbantes peuvent représenter 1 à 8%, voire même 1 à 20%, du poids du mélange liant, particules diffusantes et particules absorbantes.

Selon une autre caractéristique, la structure diffusante présente un rapport de transmission du rayonnement à 365 nm et à 450 nm T365 inférieur à T450 60%, et/ou un rapport de transmission du rayonnement à 315 nm et à 450 nm T315 inférieur à 30%. T450 Selon un mode de réalisation de la couche diffusante et absorbant le rayonnement de 250 à 400 nm, la couche comporte de la fritte de verre en tant que liant, de l'alumine en tant que particules diffusantes, et de l'oxyde de titane en tant que particules absorbantes dans des proportions de 1 à 8% en poids du mélange, les particules absorbantes présentant un diamètre moyen d'au plus 0,1 dam.

L'invention est aussi relative à l'utilisation d'une structure diffusante telle 15 que décrite précédemment pour réaliser un système de rétro-éclairage d'un écran à cristaux liquides.

Enfin, l'invention est relative à une structure optique comportant :

- une structure diffusante destinée à homogénéiser une pluralité de sources lumineuses disposées dans un plan, comportant :

20 - un substrat transparent ayant une première et une deuxième face principale,

- une couche diffusante sur la première face dudit substrat, la couche diffusante présentant une épaisseur variable et/ou une densité de recouvrement variable.

25 - un empilement d'éléments optiques sur l'une des faces du substrat et choisi parmi :

- un ou plusieurs films diffusants,

- un film diffusant, un élément de redirection de la lumière vers la normale au substrat et un film diffusant,

30 - un film diffusant et un polariseur réflectif.

Cette structure diffusante peut être telle que décrite précédemment (avec une couche diffusante minérale, un substrat verrier et/ou texturé...) et le substrat transparent avoir la face la plus proche des sources à une distance inférieure à 12 6 mm voire inférieure ou égale à 3 mm de sources. L'empilement d'éléments optiques peut aussi être tel que décrit précédemment.

D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront dans la suite de la description en regard des dessins annexés sur lesquels : • La figure 1 illustre un système de rétro-éclairage avec une structure diffusante dans un premier mode de réalisation de l'invention ; • La figure 2 illustre un système de rétro-éclairage avec une structure diffusante dans un deuxième mode de réalisation de l'invention ; • Les figures 3 à 7 montrent des profils de luminance de structures diffusantes dans différents modes de réalisations de l'invention ; • Les figures 8 à 10 montrent des profils de rugosités de structures diffusantes dans des modes de réalisations de l'invention.

Par souci de clarté, les dimensions ne sont pas respectées entre les différents éléments.

La figure 1 illustre un système de rétro-éclairage 1 selon l'invention destiné par exemple à être utilisé dans un écran LCD. Le système 1' comporte une enceinte 10 comprenant un illuminant ou des sources de lumière 11, et une structure notamment diffusante 20 qui est associée à l'enceinte 10. L'enceinte 10, d'épaisseur environ 20 mm, comporte une partie inférieure 12 dans laquelle sont agencées les sources de lumière 11 et une partie supérieure opposée 13 qui est ouverte et depuis laquelle se propage la lumière émise des sources 11. La partie inférieure 12 présente un fond 14 contre lequel sont disposés des réflecteurs 15 destinés à réfléchir d'une part, une partie de la lumière émise par les sources 11 qui était dirigée vers la partie inférieure 12, et d'autre part, une partie de la lumière qui n'a pas été transmise au travers de la structure diffusante mais réfléchie par le substrat en verre et rétro-diffusée par la couche diffusante. Les sources de lumière 11 sont par exemple des tubes à décharge du type HCFL pour Hot Cathode Fluorescent Lamp de diamètre 16 mm et avec un espacement entre deux centres adjacents de 52 mm. Les tubes 11 n'ont pas de couche diffusante sur leur surface. 13 La structure diffusante 20 est rapportée sur la partie inférieure 13 et maintenue solidaire par des moyens de fixation mécanique non illustrés tels que des moyens de clipsage coopérant avec l'enceinte et la structure, ou bien maintenue posée par des moyens d'engagement mutuel non illustrés tels qu'une gorge prévue sur la périphérie de la surface de la structure coopérant avec une nervure périphérique de l'enceinte. La structure diffusante 20 comporte : - un substrat transparent 21 de préférence en verre, de préférence texturé; - une couche diffusante 22, de préférence minérale, d'épaisseur entre 3 et 20 dam, et disposée sur la face interne, donc du côté de l'enceinte, ces deux éléments 21, 22 permettant d'homogénéiser la lumière, la couche diffusante se trouvant à une distance de 3 mm des sources lumineuses, ayant une transmission lumineuse variable en fonction de la position avec une transmission plus faible en face des lampes; - 3 éléments optiques de type films diffusant 23 ou en variante un film diffusant, un film BEF et un film DEBF.

La figure 2 illustre un autre système de rétro-éclairage 1' selon l'invention destiné par exemple à être utilisé dans un écran LCD. Le système 1' comporte une enceinte 10 identique à l'enceinte déjà décrite en figure 1, et une structure diffusante 20' qui est associée à l'enceinte10. Cette structure diffusante 20' diffère de la structure diffusante 20 en ce que : - la couche diffusante 22' est placée directement sur la face externe du substrat, soit la face opposée à l'enceinte 10, éventuellement le substrat transparent 21' n'est pas texturé et se trouve à une distance inférieure à 6 mm des sources lumineuses. Dans les exemples n 1 et n 2 ci après sont plus précisément décrits le substrat transparent 21 et la couche diffusante 22 formant le diffuseur rigide de la structure diffusante 20 en relation avec le premier mode de réalisation montré en figure 1. 35 14 EXEMPLES Dans un exemple n 1, le substrat transparent 21 est un verre comportant une première face texturée obtenue par sablage. Il s'agit d'un verre OPTIWHITE vendu par la société PILKINGTON qui est ensuite sablé.

Ce verre est extra-clair, c'est-à-dire présente une faible absorption de la lumière de sorte que sa transmission lumineuse TL sous illuminant D65 soit au moins égale à 90,5% pour une épaisseur moyenne de verre de 3 mm. D'autres épaisseurs sont possibles comme par exemple 1,8 mm. La couche diffusante 22, sur la deuxième face (interne) du substrat verrier, comprend un liant et des particules diffusantes, particules dont la nature du matériau et leur volume permettent de laisser passer les longueurs d'onde du domaine visible tout en diffusant la lumière. Les particules diffusantes sont de préférence des particules minérales telles que des oxydes, des nitrures ou des carbures. Parmi les oxydes, le choix peut être orienté sur la silice, l'alumine, le zircone, le titane, le cérium, ou le mélange d'au moins deux de ces oxydes. Elles présentent un diamètre moyen compris entre 0,3 et 2 dam. Le liant est choisi parmi les liants minéraux, tels que les silicates de potassium, les silicates de sodium, les silicates de lithium et les phosphates d'aluminium, les frittes de verre. La couche 22 diffusante est déposée par toute technique connue de l'homme de l'art, telle que par sérigraphie, par enduction d'une peinture, par dip-coating , par spin-coating , par pulvérisation, ou encore par flowcoating .

La couche diffusante 22 présente une transmission lumineuse TL variant en fonction de la position. En face des sources, la transmission lumineuse est de 50% (55% avant le sablage du verre) alors qu'entre les sources elle vaut 70% (85% avant le sablage du verre). Le profil de transmission lumineuse de la couche est sinusoïdal, avec une période égale à l'espacement entre les sources lumineuses. La transmission lumineuse moyenne vaut dans cet exemple à 60% (70% avant le sablage du verre). Une réalisation aisée de cette couche consiste en une simple sérigraphie inhomogène. Plus précisément, on peut par exemple : 15 - former sur le substrat des plots diffusants équidistants, par exemple 1 mm, dont la largeur est de l'ordre de 0,6 mm dans les zones plus diffusantes et de l'ordre de 0,2 mm dans les zones moins diffusantes. - ou encore faire varier l'épaisseur de la couche diffusante, couche plus épaisse en regard des sources lumineuses. La couche diffusante 22 peut comprendre de préférence en outre des particules d'oxyde aux propriétés d'absorption du rayonnement ultraviolet, en particulier sur la plage de 250 à 400 nm, telles que de l'oxyde de titane, de vanadium, de cérium, de zinc, de manganèse ou d'un mélange de ces oxydes. Ces particules absorbantes présentent un diamètre d'au plus 2 dam. Dans le tableau 1 ci-après sont fournis pour trois exemples de pourcentages en poids des composants du mélange formant la couche déposée.

Tableau 1 EXa EXb Exc Liant 40% 46% 52% Particules diffusantes 60% 50% 40% Particules absorbantes 0% 4% 8% La figure 3 montre des profils de luminance en normale pour le diffuseur de l'exemple 1 (courbe 31 en traits pleins gras) et pour deux diffuseurs comparatifs avec un substrat dont la face externe est texturée par sablage mais dont la face interne est revêtue d'une couche diffusante homogène respectivement de TL égale à 40% (courbe 32 en traits pointillés) et de TL égale à 60% (courbe 33 en traits pointillés). Ces profils de luminance sont obtenus après disposition des trois films diffusants. On rappelle que la couche diffusante est disposée dans ces exemples du côté des sources et que la distance sources/couche diffusante est de 3 mm- On observe que le diffuseur de l'exemple 1 est bien meilleur en homogénéisation de la luminance : l'emplacement des lampes n'est quasiment plus visible tout en gardant un niveau de luminance équivalent au diffuseur avec un couche homogène avec TL=60%. Le diffuseur avec TL=40% est 16 moins performant à la fois en terme de luminance moyenne et homogénéisation. Sur la figure 4 nous reportons des profils de luminance à 30 pour le diffuseur de l'exemple 1 (courbe 34 en traits pleins gras) et pour les deux diffuseurs comparatifs avec un substrat dont la face externe est texturée par sablage mais dont la face interne est revêtue d'une couche diffusante homogène respectivement de TL égale à 40% (courbe 35 en traits pointillés) et TL égale à 60% (courbe 36 en traits pointillés). Même sur ces profils, nous observons une meilleure homogénéisation de la luminance pour le diffuseur de l'exemple 1.

La figure 4bis montre des profils de luminance normale pour le diffuseur de l'exemple 1 (courbe 34' en traits pleins gras) et un diffuseur d'un exemple ibis avec une couche diffusante inhomogène identique mais avec une face externe du verre qui est lisse (courbe 35' en traits pointillés). On observe clairement que lorsque le verre est sablé, l'homogénéité de luminance est nettement meilleure.

Dans un exemple n 2, le substrat transparent 21 est un verre Albarino de la société SAINT-GOBAIN GLASS. Il s'agit d'un verre obtenu par laminage. La couche diffusante inhomogène 22 est obtenue par double sérigraphie dont une homogène. Plus précisément, sur une couche homogène on forme des plots diffusants dont la largeur est de l'ordre de 0,6 mm et dont l'espacement est variable. Dans les zones plus diffusantes l'espacement est de l'ordre de 0,1 mm et de l'ordre de 1 mm dans les zones moins diffusantes. La transmission lumineuse vaut 42 % dans les zones en faces de sources lumineuses et 60 % entre les sources.

La figure 5 montre des profils de luminance en normale pour le diffuseur de l'exemple n 2 (courbe 37 en traits pleins gras) et pour deux diffuseurs comparatifs avec un substrat identique dont la face externe est texturée par laminage mais dont la face interne est revêtue avec une couche homogène respectivement de TL égale à 40% (courbe 38 en traits pointillés) et TL égale à 60% (courbe 39 en traits pointillés). 17 Ces profils sont obtenus après disposition d'un empilement des films optiques différents que sont un film diffusant, un film BEF et un film DEBF. On rappelle que la couche diffusante est disposée dans ces exemples du côté des sources et la distance sources/couche diffusante est de 3 mm.

De nouveau, on observe que le diffuseur de l'exemple n 2 est bien meilleur en homogénéisation de la luminance et à le même niveau de luminance du diffuseur avec couche homogène avec un TL=60%. A titre de comparaison, nous reportons sur cette même figure le profil de luminance 37bis que l'on obtient pour un backlight de type Aptura de l'art antérieur déjà décrit. Ce diffuseur est en verre Albarino et présente une couche diffusante homogène avec TL= 50%, la distance tube-diffuseur est de 7 mm, les tubes HCFL sont chacun revêtus d'une couche diffusante et l'empilement de films est le même : Film diffusant, BEF, DBEF. On observe que l'homogénéisation de la luminance avec la structure optique selon l'invention est du même ordre (voire légèrement meilleure) que celle de l'art antérieur. En revanche, le niveau de luminance avec la structure optique selon l'invention est légèrement plus élevé à égalité de puissance des sources lumineuse (ici 20 W par source). La différence est de l'ordre de 2% en luminance. Nous attribuons cette différence essentiellement à l'élimination de la couche diffusante sur les sources. En effet, la présence de cette couche limite l'émission des sources. L'invention a donc permis d'obtenir un système de rétro-éclairage à la fois plus mince, moins onéreux et plus performant.

Dans un exemple n 3, nous comparons les performances de ces trois derniers diffuseurs mais en plaçant la couche diffusante du côté opposé aux sources. Une autre différence est que les faces du verre sont lisses. La distance entre le verre et les sources lumineuses est ici de 4 mm. La figure 6 montre des profils de luminance en normale pour le diffuseur avec la couche inhomogène (courbe 41 en traits pleins) et pour les deux diffuseurs comparatifs avec une couche homogène de TL=40% (courbe 42 en traits pointillés) et TL=60% (courbe 43 en traits pointillés), Ces profils sont obtenus après disposition de trois films diffusants. 18 Encore une fois, on observe que le diffuseur avec la couche inhomogène du type de l'exemple 2 est plus performant en homogénéisation de la luminance tout en ayant un bon niveau de luminance moyenne.

Par ailleurs, grâce à l'invention, l'espacement entres les centres de sources lumineuses adjacentes peut être considérablement augmenté. Ainsi, dans des exemples n 4 et 4bis, on présente deux systèmes de rétro-éclairage selon l'invention, l'un ayant des tubes HCFL de diamètre 16 mm espacés de 52 mm, l'autre ayant les mêmes types de sources mais avec un grand espacement de 62 mm. La puissance de chaque source est telle que la consommation totale des deux systèmes de rétro-éclairage est la même (source plus puissante lorsque l'espacement est de 62 mm). Dans les deux cas, les tubes n'ont pas de couches diffusantes sur leur surface. La distance tubes-diffuseur est de 3 mm et chaque structure diffusante est complétée par un empilement de 3 films optiques : un film diffusant, un BEF, un deuxième film diffusant. Les diffuseurs comportent un substrat avec une face externe sablée et sur la face interne (face côté sources lumineuses) une couche diffusante inhomogène adaptée par exemple réalisée en simple passe.

La fig. 7 montre trois profils de luminance normale : - le système de rétro-éclairage de l'exemple 4 avec l'espacement de 52 mm entre les tubes (courbe 46 en trait plein), - le système de rétro-éclairage de l'exemple 4bis avec l'espacement de 62 mm entre les tubes (courbe 47 en pointillé), - un autre système de rétro-éclairage, avec tubes revêtus d'une couche diffusante, un espacement entre les tubes de 62 mm, un espacement tubes-diffuseur de 6 mm, un diffuseur avec couche continue homogène (courbe 48 en pointillé fin). On observe que la solution avec un espacement de 62 mm est tout à fait 30 comparable à celle avec espacement 52 mm à la fois en terme de homogénéisation que de luminance moyenne. Avec l'autre système de rétro-éclairage, on observe clairement que l'homogénéisation de la luminance n'est pas suffisante quel que soit le pouvoir diffusant de la couche continue homogène. 35 19 PARAMETRES DE RUGOSITE Pour caractériser la rugosité des verres 21 des exemples n 1 et 2, on utilise un profilomètre optique MICROMESURE 2 de la société STIL. Les profils de rugosité sont réalisés avec un filtre gaussien de longueur de coupure égale à 2,5 mm et déterminé sur une longueur de mesure égale à 5 fois la longueur de coupure soit 12 mm. Les figures 8 à 10 représentent respectivement les profils de rugosité des faces sablée et laminée des exemples 1 et 2 et d'une couche diffusante inhomogène ou homogène externe soit avantageusement disposée à l'opposé des sources lumineuses. Le profil z(x) est en pm, l'abscisse x est en mm. Des droites non sécantes tangentes en au moins deux points dudit profil y sont tracées. La ou les droites tracées sont les plus caractéristiques. On obtient les mêmes résultats avec toute droite non sécante tangente en au moins deux points dudit profil. Le tableau 2 ci-après rassemble les paramètres de rugosité Rsk, Ra, Rsm, et, pour chaque profil de rugosité, le pourcentage de points distants d'au moins 100 nm, 200 ou 500 nm de droites non sécantes tangentes en au moins deux points dudit profil.

Tableau 2 0/0 0/0 points points > > Rsk Rsm % points Ra (pm) (pm) à 100 > à 500 nm à 200 nm nm Ex n 1 û 0 1,280 189,00 99,84 99,68 99,85 Ex n 2 > à -1 1,123 1027,16 98,4 97,5 95,1 Couche diffusante > à -0,3 0,995 70,72 99,95 99,91 99,08 externe Dans une variante de l'invention, on utilise un verre SATINOVO de la société SAINT-GOBAIN GLASS de texturation obtenue par attaque acide ou un verre FOCUS de la société SAINT-GOBAIN GLASS de texturation obtenue par laminage. Le tableau 3 ci-après rassemble ainsi les paramètres de rugosité Rsk, Ra, Rsm, et, pour chaque profil de rugosité, le pourcentage de points 20 distants d'au moins 100 nm, 200 ou 500 nm de droites non sécantes tangentes en au moins deux points dudit profil.

Tableau 3 % % points points Rsk Rsm % points Ra (pm) (pm) à 100 > à 500 nm à 200 nm nm Verre dépoli acide ù 0 1,550 138,00 99,99 99,92 99,92 Verre laminé FOCUS > à -2 1,086 663,58 98,8 97,7 93,1 MESURES DE CONTRASTE Sur le tableau 4 nous reportons les mesures de contraste de luminance normale pour les différents exemples. A partir d'un profil de luminance le 10 contraste est défini par la relation : Contraste = LM ù Lmn Lm + Lm, où LMaX et LM;,, sont respectivement le maximum et le minimum de la valeur de luminance sur le profil.

Tableau 4 Exemple Descriptif de la structure diffusante Contraste (%) 1 verre sablé et couche diffusante 0,6 inhomogène 1 comparatif verre sablé et couche diffusante continue 4,5 TL=40% 1 comparatif verre sablé et couche diffusante continue 5,4 TL=60% ibis substrat lisse et couche discontinue 2,3 2 verre laminé et couche diffusante 0,5 inhomogène 2 comparatif verre laminé et couche diffusante continue 3,4 TL=40% 2 comparatif verre laminé et couche diffusante continue 4,2 TL=60% 2 comparatif verre lisse, et couche diffusante continue 1,5 TL= 50%, distance 7 mm, tubes avec couche diffusante 3 couche discontinue externe 0,8 3 comparatif couche continue TL=40% 4,4 3 comparatif couche continue TL=60% 5,3 4 couche diffusante inhomogène - 0,6 espacement des tubes de 52 mm 4bis couche diffusante inhomogène - 0,7 espacement des tubes de 62 mm 4' couche diffusante continue - espacement 1,3 des tubes de 62 mm On obtient des valeurs de contraste plus faibles pour les exemples selon l'invention traduisant ainsi une meilleure homogénéité de la luminance. 21

Claims (17)

REVENDICATIONS

1. Structure éclairante (1, 1') comportant une pluralité de sources lumineuses (11) disposées dans un plan et une structure diffusante (20, 20') 5 comportant : - un substrat transparent (21, 21') ayant une première et une deuxième face principale, le substrat étant en vis-à-vis des sources lumineuses et à une distance inférieure à 6 mm des sources lumineuses, 10 - une couche diffusante (22, 22') sur l'une des faces principales dudit substrat, la couche diffusante, dite inhomogène, présentant une épaisseur variable et/ou une densité de recouvrement variable.

2. Structure éclairante (1, 1') selon la revendication précédente caractérisée 15 en ce que le substrat (21, 21') est à une distance inférieure ou égale à 3 mm des sources.

3. Structure éclairante (1, 1') selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que les source lumineuses (11) sont choisies 20 parmi les diodes électroluminescentes, les lampes fluorescentes à cathode froide et les lampes fluorescentes à cathode chaude de préférence sans revêtement diffusant sur les lampes.

4. Structure éclairante (1, 1') selon l'une des revendications précédentes 25 caractérisée en ce que l'espacement entre les centres de sources lumineuses adjacentes (11) est supérieur à 50 mm et de préférence supérieur à 60 mm si les sources lumineuses sont des diodes électroluminescentes et/ou des lampes fluorescentes à cathode chaude, et en ce que l'espacement entre les centres de sources lumineuses adjacentes est supérieur à 30 mm, et de préférence supérieur 30 à 40 mm, si les sources lumineuses sont des lampes fluorescentes à cathode froide.

5. Structure éclairante (1, 1') selon l'une quelconque des revendications 35 précédentes caractérisée en ce que la structure diffusante (20, 20') comprend 23 en outre un empilement d'éléments optiques (23), l'empilement étant formé par la combinaison d'un ou plusieurs des éléments suivants : -un ou plusieurs films diffusants, - et/ou un élément de redirection de la lumière vers la normale au substrat, - et/ou un polariseur réflectif.

6. Structure éclairante (1) selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que la couche diffusante inhomogène est positionnée en face des sources lumineuses (11).

7. Structure éclairante (1, 1') selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que ladite deuxième face est à l'opposée des sources lumineuses, et en ce que ladite couche diffusante inhomogène est sur la deuxième face ou une couche diffusante homogène additionnelle est sur la deuxième face à l'opposé de la couche diffusante inhomogène et en ce que soit la deuxième face soit la couche diffusante homogène ou inhomogène sur la deuxième face présente une rugosité de surface telle que sur un profil de rugosité réalisé avec un filtre gaussien de longueur de coupure égale à 2,5 mm et déterminé sur une longueur de mesure égale à cinq fois la longueur de coupure, au moins 80% des points dudit profil sont distants d'au moins 100 nm de toute droite non sécante au profil et tangente en au moins deux points dudit profil.

8. Structure éclairante (1, 1') selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que ladite deuxième face est à l'opposée des sources lumineuses, et en ce que la deuxième face ou une couche diffusante homogène additionnelle sur la deuxième face ou encore ladite couche diffusante inhomogène sur la première face présente une rugosité de surface telle que sur un profil de rugosité réalisé avec un filtre gaussien de longueur de coupure égale à 2,5 mm et déterminé sur une longueur de mesure égale à cinq fois la longueur de coupure, le paramètre de rugosité Rdq est supérieur à 10 , encore plus préférentiellement à 20 , et le paramètre de rugosité Ra est supérieur ou égal à 500 nm, de préférence à 1 pm, et de préférence, le paramètre Rsm est inférieur à 200 pm. 24

9. Structure éclairante (1) selon l'une des revendications 7 ou 8 caractérisée en ce que la rugosité de surface de la deuxième face est obtenue par laminage d'un verre, par pressage, par dépolissage à l'acide, par sablage.

10. Structure éclairante (1, 1') selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que le substrat transparent (21, 21') est un élément verrier.

11. Structure éclairante (1, 1') selon l'une quelconque des revendications 10 précédentes caractérisée en ce que la couche diffusante (22, 22') comprend, dispersées dans un liant, des particules diffusantes minérales qui comprennent de préférence des nitrures, des carbures ou des oxydes, notamment la silice, l'alumine, le zircone, le titane, le cérium ou un mélange d'au moins deux de ces oxydes. 15

12. Structure éclairante (1, 1') selon la revendication précédente caractérisée en ce que les particules diffusantes présentent un diamètre moyen compris entre 0,3 et 2 dam. 20

13. Structure éclairante (1, 1') selon l'une quelconque des revendications 11 ou 12, caractérisée en ce que le liant est choisi parmi les liants minéraux, tels que les silicates de potassium, les silicates de sodium, les silicates de lithium, les phosphates d'aluminium et les frittes de verre. 25

14. Structure éclairante (1, 1') selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que la couche diffusante (22, 22') comprend des particules absorbant le rayonnement ultraviolet dans le domaine de 250 à 400 nm, lesdites particules absorbantes étant constituées par des oxydes aux propriétés d'absorption du rayonnement ultraviolet choisies parmi l'un ou le 30 mélange d'oxydes suivants : oxyde de titane, oxyde de vanadium, oxyde de cérium, oxyde de zinc, oxyde de manganèse.

15. Structure éclairante (1, 1') selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la couche diffusante (22, 22') comporte de la 35 fritte de verre en tant que liant, de l'alumine en tant que particules diffusantes,5 25 et de l'oxyde de titane en tant que particules absorbantes dans des proportions de 1 à 8% en poids du mélange, les particules absorbantes présentant un diamètre moyen d'au plus 0,1 dam.

16. Utilisation de la structure éclairante (1, 1') selon l'une quelconque des revendications précédentes pour réaliser un système de rétroéclairage d'un écran à cristaux liquides.

17. Structure optique (20, 20') comportant : - une structure diffusante, destinée à homogénéiser une pluralité de sources lumineuses disposées dans un plan, comportant : - un substrat transparent (21, 21') ayant une première et une deuxième face principale, - une couche diffusante (22, 22') sur l'une des faces dudit substrat, la couche diffusante, dite inhomogène, présentant une épaisseur variable et/ou une densité de recouvrement variable, - un empilement d'éléments optiques (23) sur l'une des faces du substrat et choisi parmi : - un ou plusieurs films diffusants, - un film diffusant, un élément de redirection de la lumière vers la normale au substrat et un film diffusant, - un film diffusant et un polariseur réflectif.