FR3006069A1 - Dispositif a transmission de lumiere variable a base de cristal liquide dichroique - Google Patents
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Abstract
Il est proposé un dispositif à transmission de lumière variable (100), comprenant un ensemble d'au moins deux filtres optiques (110, 120) superposés comprenant chacun un couple de cellules optiques (111, 112, 121, 122) superposées, chaque cellule optique comprenant une couche d'un mélange (115, 116, 125, 126) comprenant un matériau hôte à base de cristal liquide et au moins un matériau invité dichroïque.
Description
Dispositif à transmission de lumière variable à base de cristal liquide dichroïque 1. DOMAINE DE L'INVENTION L'invention concerne la conception et la réalisation de composants optiques mettant en oeuvre des matériaux à base de cristal liquide, et plus particulièrement d'obturateurs optiques à opacité variable. Plus précisément, l'invention concerne un dispositif à transmission de lumière variable à base de cristal liquide.
L'invention trouve tout particulièrement, mais non exclusivement, une application pour la réalisation des lunettes de visualisation dont les verres actifs sont constitués de cellules à base de cristaux liquides. 2. ARRIÈRE-PLAN TECHNOLOGIQUE On s'attache plus particulièrement dans la suite de ce document à décrire la problématique existant dans le domaine des lunettes 3D actives, à laquelle ont été confrontés les inventeurs de la présente demande de brevet. L'invention ne se limite bien sûr pas à ce domaine particulier d'application, mais présente un intérêt pour tout dispositif optique à transmission de lumière variable (ou à atténuation de lumière variable) devant faire face à une problématique proche ou similaire. A titre indicatif, l'invention pourra également être mise en oeuvre pour rendre des surfaces vitrées plus ou moins opaque. Il existe de nos jours un réel besoin de proposer des composants optiques dont le niveau d'atténuation/de transmission de lumière puisse être contrôlé de façon précise et ultra-rapide.
Les lunettes actives en particulier mettent en oeuvre des obturateurs dynamiques adaptés à laisser passer plus ou moins la lumière incidente provenant de la scène visualisée. De tels obturateurs sont généralement adaptés pour commuter entre un état de haute transmission (on parle aussi d'état de transparence, la transmittance étant supérieure à 90%) et un état de basse transmission (on parle aussi d'état d'absorption, la transmittance étant compris entre 1% et 70%, soit 99% à 30% d'absorption). Une de leurs caractéristiques est leur capacité à réaliser ce changement d'état soit manuellement, par exemple au moyen d'une commande manuelle à la portée de l'utilisateur, soit automatiquement, par exemple au moyen d'un signal de synchronisation de type radiofréquence (RF) ou infrarouge (IR) reçu par les lunettes qui permet de commander l'obturation alternée des verres actifs.
La plupart des verres actifs utilisés de nos jours sont constitués de matériaux à base de cristaux liquides, dont les propriétés optiques et notamment la biréfringence peuvent être modifiées en leur appliquant un champ électrique. En disposant de tels matériaux à base de cristal liquide dans une cellule, placée entre des polariseurs croisés (permettant d'obtenir une extinction du signal lumineux par exemple), on obtient un obturateur pouvant être commandé par une tension électrique. Or les technologies actuelles basées sur l'utilisation de polariseurs pour réaliser les obturateurs dynamiques ne sont pas adaptées pour assurer un fort contraste d'atténuation. Les lunettes actives sont utilisées en effet dans des applications où l'état de basse transmission est un paramètre essentiel à maîtriser. Or les polariseurs limitent la quantité de transmission de lumière du dispositif souvent en dessous d'une limite théorique de 50% seulement (puisque la lumière non polarisée est décomposée en deux états de polarisation). Afin de surmonter ce problème, des obturateurs dynamiques mettant en oeuvre des cristaux liquides dichroïques ont été élaborés, comme illustré dans le document de brevet US 6 239 778. De tels composants sont constitués d'une cellule optique comportant un mélange d'un matériau hôte à base de cristal liquide, majoritaire en concentration, et d'un matériau invité dichroïque qui absorbe la lumière dans une plage d'absorption donné. Le mélange hôte-invité (aussi couramment appelé mélange « guest-host ») est placé entre deux lames de verre transparentes équipées chacune d'une électrode pour l'application d'un champ électrique à la cellule. La cellule peut être dans un état relâché (ou de repos) dans lequel aucune tension ne lui est appliquée ou dans un état commuté dans lequel une tension lui est appliquée. Le matériau invité dichroïque peut être un dopant organique ou métallo-organique par exemple constitué, respectivement, par des particules de colorants organiques anisotropes ou métallo-organiques anisotropes. Ces matériaux sont bien connus de l'Homme du métier comme indiqué de façon plus générale dans les documents de brevet US 6 133 973, US 6 404 472, US 6 551 529, US 6 563 640 ou encore dans les publications scientifiques intitulées « Molard et al. Clustomesogens : liquid crystal materials containing transition-metal clusters », Angewandte Chemie, Vol. 49, p. 3352-3355 (2010) » et « A. S. Mocanu et al. Liquid crystal properties resulting from synergetic effects between non-mesogenic organic molecules and a one nanometre sized octahedral transition metal cluster, Chemistry communications, Vol. 47, p. 2056-2058 (2011) ». Pour obtenir des propriétés optiques satisfaisantes, le mélange à base de cristal liquide et de dopant doit être miscible, c'est-à-dire à dire qu'une liaison mésogène de longueur suffisante est nécessaire pour que le dopant organique ou métal-organique soit mélangé et solidarisé totalement au cristal liquide. Un champ électrique de valeur prédéterminée appliqué à la cellule optique permet d'induire une modification de l'axe d'orientation des molécules de cristal liquide (substance hôte) qui, à son tour, modifie l'orientation des molécules du dopant dichroïque (substance invitée). La lumière incidente arrivant sur la cellule est alors absorbée par le dopant dichroïque en fonction de son orientation moléculaire et de la polarisation de ladite lumière incidente. Ces obturateurs connus sont cependant confrontés à un certain nombre d'obstacles quant à leur développement technologique. La capacité d'absorption de la cellule optique est fonction de la concentration de dopant dichroïque présent dans le mélange et de l'épaisseur de la cellule, comme exprimée par l'expression suivante: / / /, = exp(- a[N]e) où [N] est la concentration du dopant, e l'épaisseur de la cellule et a le coefficient d'absorption du dopant dichroïque.
Un rendement dichroïque (ou contraste d'atténuation) élevé nécessite la mise en oeuvre d'une cellule optique relativement « épaisse » (typiquement d'une épaisseur de cristal liquide supérieure à 10 um). De fortes tensions sont donc nécessaires pour commuter la cellule optique avec un temps de commutation relativement élevé (généralement supérieur à 100 ms). De plus, le fait de décroitre l'épaisseur de la cellule reviendrait à réduire la capacité d'absorption de la cellule, ce qui n'est pas souhaitable.
La dynamique d'atténuation obtenue avec ce type d'obturateur reste par ailleurs relativement limitée. Par ailleurs, afin de couvrir une large bande d'absorption spectrale, telle que les longueurs d'onde couvrant le spectre visible par exemple (bande spectrale comprise entre 380 nm et 780 nm), une solution connue consiste à introduire au sein de la cellule optique plusieurs dopants de nature différente. Or l'obtention d'un mélange de plusieurs dopants au sein d'une même cellule est une opération délicate et complexe à mettre en oeuvre, qui induit souvent des problèmes de démixtion et de diffusion résiduelle des composés dudit mélange. 3. OBJECTIFS DE L'INVENTION L'invention, dans au moins un mode de réalisation, a notamment pour objectif de pallier ces différents inconvénients de l'état de la technique. Plus précisément, dans au moins un mode de réalisation de l'invention, un objectif est de fournir une telle technique qui permette d'obtenir un dispositif à transmission de lumière variable ayant un rendement dichroïque augmenté. Au moins un mode de réalisation de l'invention a également pour objectif de fournir un tel dispositif qui présente un fort contraste d'atténuation pour des tensions électriques d'amplitude moindre. Un autre objectif d'au moins un mode de réalisation de l'invention est de fournir un tel dispositif qui présente une grande bande d'absorption spectrale. Un objectif complémentaire d'au moins un mode de réalisation de l'invention est de fournir un tel dispositif permette un filtrage sélectif dans des bandes spectrales distinctes. Un objectif complémentaire d'au moins un mode de réalisation de l'invention est de fournir un tel dispositif qui soit de mise en oeuvre simple et peu coûteuse. 4. EXPOSÉ DE L'INVENTION Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, il est proposé un dispositif à transmission de lumière variable, comprenant un ensemble d'au moins deux filtres optiques superposés comprenant chacun un couple de cellules optiques superposées, chaque cellule optique comprenant une couche d'un mélange comprenant un matériau hôte à base de cristal liquide et au moins un matériau invité dichroïque. Le dispositif à transmission de lumière variable est tel que : pour chaque filtre optique : * ledit au moins un matériau invité dichroïque compris dans chaque cellule dudit couple est identique et absorbe au moins partiellement une lumière incidente sur une même bande d'absorption spectrale, ledit matériau hôte à base de cristal liquide compris dans l'une des cellules dudit couple présente un axe d'orientation moléculaire orthogonal à l'axe d'orientation moléculaire dudit matériau hôte à base de cristal liquide compris dans l'autre cellule dudit couple, pour au moins deux filtres optiques dudit ensemble, ledit au moins un matériau invité dichroïque compris dans le couple de cellules de l'un des filtres est différent dudit au moins un matériau invité dichroïque compris dans le couple de cellules de l'autre filtre et absorbe au moins partiellement une lumière incidente sur une bande d'absorption spectrale distincte. Le principe de ce mode de réalisation particulier est donc de superposer deux à deux des cellules optiques de même dichroïsme pour en former des filtres optiques dichroïques superposés, les cellules de chaque couple présentant un axe d'orientation moléculaire distinct de sorte que les axes d'orientation moléculaire desdites cellules sont orthogonaux. La combinaison de cellules dites « croisées » et de même dichroïsme, c'est-à-dire absorbant dans la même bande spectrale, permet d'obtenir un dispositif à transmission de lumière variable à dynamique d'atténuation augmentée. Chaque filtre optique étant associé à un matériau invité dichroïque permettant une absorption dans une bande d'absorption spectrale distincte, la superposition de tels filtres permet de réaliser un filtrage optique dans des bandes d'absorption spectrale distinctes et complémentaires. Par ailleurs, grâce à cette superposition astucieuse de cellules optiques, le dispositif selon l'invention ne requiert aucun mélange de matériaux dichroïques au sein d'une même cellule pour assurer un filtrage dans une large bande spectrale ou dans des bandes spectrales distinctes. Ceci permet donc une mise en oeuvre simple de dispositif à transmission de lumière variable.
Selon une caractéristique particulièrement avantageuse, chaque filtre optique comprend un jeu distinct d'électrodes électriques configurées pour commuter simultanément chaque cellule dudit filtre depuis un état relâché vers un état commuté. Un tel agencement d'électrodes électriques permet un filtrage sélectif en longueur d'onde grâce à un ensemble de filtres commutables indépendamment les uns des autres. Selon un aspect particulier de l'invention, pour chaque filtre optique dudit ensemble, la couche de mélange comprise dans chaque cellule dudit filtre optique est une couche mince ayant une épaisseur comprise entre 1 et 10 um.
La superposition d'une pluralité de cellules en couches minces, permet d'offrir un dispositif optique à rendement dichroïque amélioré. Un signal électrique d'amplitude moindre peut être appliqué au niveau de chaque filtre optique pour permettre la commutation entre l'état de haute transmission et l'état de basse transmission (et vice versa), tout en assurant un fort contraste d'atténuation. Le temps de commutation s'en trouve par ailleurs diminué. Selon une caractéristique particulière, ledit matériau hôte à base de cristal liquide des cellules d'au moins un filtre dudit ensemble est un matériau à orientation homéotrope ou un matériau à orientation planaire. L'état de basse transmission (effet dichroïque) d'un des filtres optiques dudit ensemble peut être ainsi obtenu soit en présence d'un champ électrique (cas de la configuration homéotrope), soit en l'absence de champ électrique (cas de la configuration planaire). Selon une caractéristique particulièrement avantageuse, ladite couche de matériau comprise dans chaque cellule de chaque filtre optique est disposée entre deux lames de matériau optiquement transparent ayant une épaisseur comprise entre 0,1 mm et 1,0 mm, et plus particulièrement comprise entre 100 um et 500 um. Ceci a pour effet de réduire l'encombrement du dispositif à transmission de lumière variable. Selon un aspect particulier de l'invention, au moins une desdites lames de matériau optiquement transparent est une lame de verre flexible à base de borosilicate non alcalin.
On entend par « flexible » un verre élastiquement déformable. En particulier, les lames de verre sont à base de borosilicate sans composé alcalin. Dans un mode de réalisation particulièrement avantageux, au moins une desdites lames de matériau optiquement transparent est une lame de verre de type CorningR WillowTM (marque déposée) dont l'épaisseur peut être comprise entre 0,1 mm et 1mm. La présence de telles lames de verre permet d'améliorer les propriétés mécaniques des filtres. Il s'agit de lames de verre élastiquement déformable qui présentent notamment une forte résistance à la courbure.
Selon une caractéristique particulièrement avantageuse, deux cellules successives comprennent une lame de matériau optiquement transparent commune. Ceci a pour effet de réduire davantage l'encombrement. Ceci permet également de réduire les effets indésirables des substrats en verre (réflexions parasites, etc.).
Avantageusement, au moins une desdites lames de matériau optiquement transparent comprend, sur au moins une face, une couche de matériau oxyde d'indium-étain. Il s'agit d'un matériau optiquement transparent et conducteur d'électricité. Pour une lame commune à deux cellules optiques successives, celle-ci comprend une couche de matériau oxyde d'indium-étain sur chacune de ses faces, ou tout autre dépôt conducteur transparent organique ou inorganique. De manière avantageuse, ledit au moins un matériau invité dichroïque est un dopant métallo-organique. Cette liste n'est pas exhaustive. Le matériau métallo-organique, en particulier, permet une absorption élevée sur une épaisseur faible. Selon une première mise en oeuvre particulière, le dispositif comprend un premier et un deuxième filtres optiques comprenant respectivement un premier et un deuxième couples de cellules optiques, elles-mêmes comprenant respectivement un premier et un deuxième matériaux invités dichroïques, lesdits premier et deuxième matériaux invités dichroïques absorbant au moins partiellement une lumière incidente respectivement sur des première et deuxième bandes d'absorption spectrale complémentaires de façon à couvrir une bande d'absorption spectrale comprise entre 380 nm et 780 nm. Ceci permet d'obtenir un dispositif à base de deux filtres chromatiques dichroïques couvrant deux bandes spectrales complémentaires couvrant la bande visible 380 nm à 780 nm. Selon une deuxième mise en oeuvre particulière, le dispositif comprend un premier, un deuxième et un troisième filtres optiques comprenant respectivement un premier, un deuxième et un troisième couples de cellules optiques, elles-mêmes comprenant respectivement un premier, un deuxième et un troisième matériaux invités dichroïques, lesdits premier, deuxième et troisième matériaux invités dichroïques absorbant au moins partiellement une lumière incidente respectivement sur des première, deuxième, troisième bandes d'absorption spectrale. Ceci permet d'obtenir un dispositif à base trois filtres chromatiques dichroïques permettant un filtrage sélectif de couleurs primaires de type RVB par exemple. A titre d'exemple, les première, deuxième, troisième bandes d'absorption spectrale peuvent être comprises respectivement entre 380 nm et 492 nm (Rouge), 492 et 590 um (Vert) et 590 et 780 um (Bleu). 5. LISTE DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée à titre d'exemple indicatif et non limitatif, et des dessins annexés, dans lesquels : - les figures 1A et 1B présentent la structure simplifiée d'un dispositif à transmission de lumière variable selon un premier mode de réalisation particulier de l'invention (la figure 1A illustrant un état de haute transmission, et la figure 1B, un état de basse transmission) ; - la figure 2A et 2B présentent la structure simplifiée d'un dispositif à transmission de lumière variable selon un deuxième mode de réalisation particulier de l'invention (la figure 2A illustrant un état de haute transmission, et la figure 2B, un état de basse transmission).30 6. DESCRIPTION DÉTAILLÉE Sur toutes les figures du présent document, les éléments identiques sont désignés par une même référence numérique. L'invention repose sur une superposition de filtres optiques chacun constitué d'un couple de cellules optiques comprenant chacune une couche mince d'un mélange à base de cristal liquide dichroïque. Ainsi, au lieu de disposer d'une unique cellule optique à couche épaisse, cet agencement particulier de cellules optiques à couches minces superposées permet d'offrir une dynamique d'atténuation accrue et un fonctionnement sur une large bande d'absorption spectrale.
Les figures 1A et AB présentent chacune la structure simplifiée d'un dispositif à transmission de lumière variable 100 selon un premier mode de réalisation particulier de l'invention. La figure 1A illustre un état de haute transmission, et la figure 1B, un état de basse transmission. Le dispositif 100 selon l'invention comprend un ensemble de deux filtres optiques 110 et 120 agencés de façon à être superposés l'un sur l'autre, de sorte que la lumière incidente non polarisée (représentée ici par la flèche A) ayant traversée le premier filtre 120 arrive ensuite sur le second filtre 120. Le premier filtre 110 comprend un couple de première 111 et seconde 112 cellules optiques agencées de façon à être superposées l'une sur l'autre, comme illustré sur les figures 1A et 1B. Il est composé plus particulièrement de trois lames de verre transparent de type Corning Willow (marque déposée) : deux lames externes 113 et 117 et une lame intermédiaire 114 commune aux deux cellules 111 et 112. La première cellule optique 111 comprend une couche mince 115 d'un mélange de matériau à base de cristal liquide dichroïque, disposée entre les lames 113 et 114. La seconde cellule optique 112 comprend une couche mince 116 d'un mélange de matériau à base de cristal liquide dichroïque, disposée entre les lames 114 et 117. Le mélange compris dans les première et seconde cellules 111 et 112 est constitué d'un matériau hôte à base de cristal liquide 17, de type E44 (Merck), et un matériau invité dichroïque 18 de type métallo-organique, ce dernier étant destiné à absorber la lumière sur une première bande d'absorption spectrale donnée, notée ci- après X1. Le mélange de la première cellule 111 est identique au mélange compris dans la seconde cellule 112 et est destiné à absorber la lumière sur la même bande d'absorption spectrale X1. Toutefois, le mélange compris dans chaque cellule présente un axe d'orientation moléculaire distinct, les axes d'orientation moléculaire des deux cellules 111 et 112 étant orthogonaux. Ceci a pour effet d'améliorer le contraste d'atténuation. Le deuxième filtre 120 comprend un couple de première 121 et seconde 122 cellules optiques superposées l'une sur l'autre, comme illustré sur les figures lA et 18. Le deuxième filtre 120 est composé plus particulièrement de trois lames de verre transparent de type Corning Willow (marque déposée) : deux lames externes 117 et 127 et une lame intermédiaire 124 commune aux deux cellules 121 et 122. La première cellule optique 121 comprend une couche mince 125 d'un mélange de matériau à base de cristal liquide dichroïque, disposée entre les lames 117 et 124. La seconde cellule optique 122 comprend une couche mince 126 d'un mélange de matériau à base de cristal liquide dichroïque, disposée entre les lames 124 et 127.
Le mélange compris dans les première et seconde cellules 121 et 122 du second filtre 120 est constitué d'un matériau hôte à base de cristal liquide 27, de type E44 (Merck), et un matériau invité dichroïque 28 de type métallo-organique, ce dernier étant destiné à absorber la lumière sur une seconde bande d'absorption spectrale donnée, notée ci-après X2. Les mélanges compris dans les première et seconde cellules 121 et 122 sont indique et destinés à absorber la lumière sur la même bande d'absorption spectrale X2. Toutefois, le mélange compris dans chacune des cellules 121 et 122 présente un axe d'orientation moléculaire distinct, les axes d'orientation moléculaire des deux cellules 121 et 122 étant orthogonaux. Ceci a pour effet d'améliorer le contraste d'atténuation.
Le matériau invité dichroïque 18 compris dans le couple de cellules 111, 112 du premier filtre 110 est différent du matériau invité dichroïque 28 compris dans le couple de cellules 121, 122 du second filtre 120 et est choisi de sorte que : - la lumière incidente est absorbée par le premier filtre 110 sur une bande d'absorption X1 (par exemple de 380 à 580 nm), - la lumière incidente est absorbée par le second filtre 120 sur une bande d'absorption X2 (par exemple de 580 à 780nm), celle-ci étant distincte et complémentaire de la bande d'absorption X1. D'une manière générale, on entend par bandes spectrales distinctes et complémentaires : un premier filtre dichroïque absorbant par exemple dans la bande 380-580nm et un deuxième filtre absorbant dans la bande 580-780nm, lorsque ces filtres sont combinés, ils absorbent dans la bande visible 380-780nm, en ce sens ils seront dits complémentaires. La superposition d'un couple de cellules croisées de même dichroïsme (structure dite « en sandwich ») permet d'obtenir un dispositif à transmission de lumière variable offrant un fort contraste d'atténuation. L'association à chaque filtre d'un matériau invité dichroïque différent, permet une modulation de la lumière sur deux bandes d'absorption spectrales distinctes. Le premier filtre 110 comprend en outre un jeu d'électrodes électriques 118 à l'aide desquelles un champ électrique d'une valeur prédéterminée (notée V1 sur la figure) peut être appliqué pour faire commuter le couple de cellules 111 et 112 simultanément depuis un état relâché vers un état commuté. Pour ce faire, la première cellule 111 comprend des première 11 et seconde 12 couches de matériau oxyde d'indium-étain, appelée « couche ITO » par la suite (pour « Indium Tin Oxide »), disposées sur la surface interne des lames de verre 113 et 114 respectivement. Les couches ITO 11 et 12 sont reliées au jeu d'électrodes électriques 118 pour l'application d'un champ électrique à la première cellule 111. De même, la seconde cellule 112 comprend des troisième 13 et quatrième 14 couches ITO, disposées sur la surface interne des lames de verre 114 et 117 respectivement. Les couches ITO 13 et 14 sont reliées au jeu électrodes électriques 118 pour l'application d'un champ électrique à la seconde cellule 112, de manière simultanée avec la première cellule 111. Le deuxième filtre 120 comprend un jeu d'électrodes électriques 128 à l'aide desquelles un champ électrique d'une valeur prédéterminée (notée V2 sur la figure) peut être appliqué pour faire commuter le couple de cellules 121 et 122 de façon simultanée depuis un état relâché vers un état commuté. Pour ce faire, la première cellule 121 comprend des première 21 et seconde 22 couches ITO, disposées sur la surface interne des lames de verre 117 et 124 respectivement. Les couches ITO 21 et 22 sont reliées au jeu d'électrodes électriques 128 pour l'application d'un champ électrique à la première cellule 121. De même, la seconde cellule 122 comprend des troisième 23 et quatrième 24 couches ITO, disposées sur la surface interne des lames de verre 124 et 127 respectivement. Les couches ITO 23 et 24 sont reliées au jeu électrodes électriques 118 pour l'application d'un champ électrique à la seconde cellule 122, de manière simultanée avec la première cellule 121. Les jeux d'électrodes 118 et 128 sont donc configurés pour piloter individuellement les filtres optiques 110 et 120 respectivement. Les filtres optiques 110 et 120 sont donc commutables indépendamment l'un de l'autre depuis un état relâché, dans lequel aucun champ électrique n'est appliqué vers un état commuté, dans lequel un champ électrique est appliqué. Dans le mode de réalisation particulier présenté ici, les cellules 111 et 112 du premier filtre optique 110 et les cellules 121 et 122 du deuxième filtre optique 120 sont en configuration homéotrope. En effet, les matériaux hôtes à base de cristal liquide présentent : dans leur état relâché (c'est-à-dire en l'absence de champ électrique), un axe d'orientation moléculaire qui est parallèle à l'axe de transmission de la lumière incidente, de sorte que les cellules des filtres optiques 110 et 120 laissent passer la lumière incidente, dans leur état commuté (c'est-à-dire en présence d'un champ électrique), un axe d'orientation moléculaire qui est perpendiculaire à l'axe de transmission de la lumière incidente, de sorte que la lumière incidente est absorbée par les cellules des filtres optiques 110 et 120 (effet dichroïque).
La figure 1A représente le dispositif 100 dans une première configuration de modulation de lumière, dans laquelle aucun des filtres n'est commuté (jeu d'électrodes 118 et 128 déconnectées). Cette configuration permet d'obtenir un état de haute transmission : la lumière incidente (Flèche A) traverse les cellules du premier filtre 110, puis les cellules du deuxième filtre 120 sans y être absorbée (Flèche B). Autrement dit, le taux d'absorption est minimal dans cette configuration (30% par exemple).
La figure 1B représente le dispositif 100 dans une deuxième configuration de modulation de lumière dans laquelle les deux filtres 110 et 120 sont commutés (jeu d'électrodes 118 et 128 connectées). Il s'agit d'un état de basse transmission (taux d'absorption maximal) : la lumière incidente (Flèche A) est d'abord absorbée par le couple de cellules du premier filtre 110 dans la bande d'absorption X1, puis absorbée par le couple de cellules du deuxième filtre 120 dans la bande d'absorption X2. La cellule 111 absorbe la lumière incidente, sur la bande d'absorption X1, qui est polarisée parallèlement à l'axe d'orientation des cristaux liquides et laisse passer la lumière incidente qui est polarisée perpendiculairement à l'axe d'orientation des cristaux liquides, mais qui est ensuite absorbée par la cellule 112. La cellule 112 absorbe en effet la lumière incidente qui est polarisée perpendiculairement à l'axe d'orientation des cristaux liquides. Le filtre est dit à « double cellules croisées ». Le même raisonnement peut s'appliquer aux cellules 121 et 122 du filtre 120 mais pour la bande d'absorption X2.
Le taux d'absorption pour un filtre donné peut varier entre 30% et 100% en fonction de la concentration de dopant dichroïque présent dans chacune des deux cellules et de l'épaisseur des deux cellules. Deux autres configurations non illustrées sur les figures sont également possibles. On peut effectivement prévoir de ne commuter qu'un des deux filtres 110 et 120, si l'on souhaite réaliser un filtrage optique uniquement sur la bande d'absorption X1 ou X2. On note que dans ce mode de réalisation particulier, la lame de verre 117 est commune aux deux filtres 110 et 120, et plus précisément aux deux cellules 112 et 121. On pourrait bien entendu envisager une superposition de deux filtres ne présentant pas de lame de verre commune mais présentant chacun une lame de verre distincte se faisant face l'une à l'autre. Ceci aurait toutefois comme inconvénient d'augmenter l'épaisseur de chaque filtre et ainsi d'accroitre certains effets indésirables connus intrinsèques aux lames de verres (réflexions parasites, etc.). Ce raisonnement s'applique également aux lames de verres 114 et 124 communes aux couples respectifs de cellules 111, 112 et 121, 122. On pourrait envisager une superposition de deux filtres optiques chacun comprenant un couple de deux cellules dont chacune comprend deux lames de verre distinctes. Les figures 2A et 2B représentent la structure simplifiée d'un dispositif à transmission de lumière variable 200 selon un deuxième mode de réalisation particulier de l'invention. Le dispositif 200 selon l'invention comprend un ensemble de trois filtres chromatiques dichroïques 210, 220 et 230 superposés, qui sont commutables individuellement les uns des autres, permettant un filtrage sélectif de couleurs primaires de type RVB (pour « Rouge, Vert, Bleu »).
Le premier filtre 210 comprend plus particulièrement : un couple de première 211 et seconde 212 cellules optiques superposées l'une sur l'autre, trois lames de verre transparent de type Corning Willow (marque déposée) dont deux lames externes 213 et 217 et une lame intermédiaire 214 commune aux deux cellules 211 et 212, un jeu d'électrodes électriques 118 à l'aide desquelles un champ électrique d'une valeur prédéterminée (notée V1 sur la figure) peut être appliqué pour faire commuter simultanément le couple de cellules 211 et 212 depuis un état relâché vers un état commuté, des première 201 et seconde 202 couches ITO, disposées sur la surface interne des lames de verre 213 et 214 respectivement de la cellule 211 et reliant le jeu d'électrodes électriques 218 pour l'application d'un champ électrique à la première cellule 211. des troisième 203 et quatrième 204 couches ITO, disposées sur la surface interne des lames de verre 214 et 217 respectivement de la cellule 212 et reliant le jeu d'électrodes électriques 118 pour l'application d'un champ électrique à la seconde cellule 212. La première cellule optique 211 comprend une couche mince 215 d'un mélange de matériau à base de cristal liquide dichroïque, disposée entre les lames 213 et 214.
La seconde cellule optique 212 comprend une couche mince 216 d'un mélange de matériau à base de cristal liquide dichroïque, disposée entre les lames 214 et 217. Le mélange compris dans les cellules 211 et 212 est constitué d'un matériau hôte à base de cristal liquide 37, de type E44 (Merck), et un matériau invité dichroïque 38 de type métallo-organique. Les mélanges compris dans les cellules 211 et 212 sont indiques et destinés à absorber la lumière sur la bande d'absorption spectrale rouge spectrale, notée XR, comprise typiquement entre 380 nm et 492 nm. Toutefois, les cellules 211 et 212 sont configurées de sorte que les axes d'orientation moléculaire des mélanges soient orthogonaux. Le deuxième filtre 220 comprend plus particulièrement : un couple de première 221 et seconde 222 cellules optiques superposées l'une sur l'autre, trois lames de verre transparent de type Corning Willow (marque déposée) dont deux lames externes 217 et 227 et une lame intermédiaire 224 commune aux deux cellules 221 et 222, un jeu d'électrodes électriques 228 à l'aide desquelles un champ électrique d'une valeur prédéterminée (notée V2 sur la figure) peut être appliqué pour faire commuter simultanément le couple de cellules 211 et 212 depuis un état relâché vers un état commuté, des première 205 et seconde 206 couches ITO, disposées sur la surface interne des lames de verre 217 et 224 respectivement de la cellule 211 et reliant le jeu d'électrodes électriques 228 pour l'application d'un champ électrique à la première cellule 221. des troisième 207 et quatrième 208 couches ITO, disposées sur la surface interne des lames de verre 224 et 227 respectivement de la cellule 222 et reliant le jeu d'électrodes électriques 228 pour l'application d'un champ électrique à la seconde cellule 222. La première cellule optique 221 comprend une couche mince 225 d'un mélange de matériau à base de cristal liquide dichroïque, disposée entre les lames 223 et 224. La seconde cellule optique 222 comprend une couche mince 226 d'un mélange de matériau à base de cristal liquide dichroïque, disposée entre les lames 224 et 227. Le mélange compris dans les cellules 211 et 212 est constitué d'un matériau hôte à base de cristal liquide 39, de type E44 (Merck), et un matériau invité dichroïque 40 de type métallo-organique. Les mélanges compris dans les cellules 221 et 222 sont indiques et destinés à absorber la lumière sur la bande d'absorption spectrale vert, notée XV, comprise typiquement entre 492 et 590 um. Toutefois, les cellules 221 et 222 sont configurées de sorte que les axes d'orientation moléculaire des mélanges soient orthogonaux. Le troisième filtre 230 comprend plus particulièrement : un couple de première 231 et seconde 232 cellules optiques superposées l'une sur l'autre, trois lames de verre transparent de type Corning Willow (marque déposée) dont deux lames externes 227 et 237 et une lame intermédiaire 234 commune aux deux cellules 231 et 232, un jeu d'électrodes électriques 238 à l'aide desquelles un champ électrique d'une valeur prédéterminée (notée V3 sur la figure) peut être appliqué pour faire commuter simultanément le couple de cellules 231 et 232 depuis un état relâché vers un état commuté, des première 233 et seconde 239 couches ITO, disposées sur la surface interne des lames de verre 227 et 234 respectivement de la cellule 231 et reliant le jeu d'électrodes électriques 238 pour l'application d'un champ électrique à la première cellule 231. des troisième 240 et quatrième 241 couches ITO, disposées sur la surface interne des lames de verre 234 et 237 respectivement de la cellule 232 et reliant le jeu d'électrodes électriques 238 pour l'application d'un champ électrique à la seconde cellule 232. La première cellule optique 231 comprend une couche mince 235 d'un mélange de matériau à base de cristal liquide dichroïque, disposée entre les lames 227 et 234. La seconde cellule optique 232 comprend une couche mince 236 d'un mélange de matériau à base de cristal liquide dichroïque, disposée entre les lames 234 et 237. Le mélange compris dans les cellules 231 et 232 est constitué d'un matériau hôte à base de cristal liquide 41, de type E44 (Merck), et un matériau invité dichroïque 42 de type métallo-organique. Les mélanges compris dans les cellules 231 et 232 sont indiques et destinés à absorber la lumière sur la bande d'absorption spectrale vert, notée XB, comprise typiquement entre 590 et 780 um. Toutefois, les cellules 231 et 232 sont configurées de sorte que les axes d'orientation moléculaire des mélanges soient orthogonaux. Les matériaux invités dichroïques 38, 40 et 42 sont différents les uns des autres.
Dans le mode de réalisation particulier présenté ici, les cellules 211 et 212 du premier filtre optique 210 et les cellules 221 et 222 du deuxième filtre optique 220 sont en configuration homéotrope. En effet, les matériaux hôtes à base de cristal liquide présentent : dans leur état relâché (c'est-à-dire en l'absence de champ électrique), un axe d'orientation moléculaire qui est parallèle à l'axe de transmission de la lumière incidente, de sorte que les cellules des filtres optiques 210, 220 et 230 laissent passer la lumière incidente, dans leur état commuté (c'est-à-dire en présence d'un champ électrique), un axe d'orientation moléculaire qui est perpendiculaire à l'axe de transmission de la lumière incidente, de sorte que la lumière incidente est absorbée par les cellules des filtres optiques 210, 220 et 230 (effet dichroïque). Dans la configuration de la figure 2A, aucun des filtres du dispositif 200 n'est commuté (jeu d'électrodes 218, 228 et 238 déconnectées). Cette configuration permet d'obtenir un état de haute transmission : la lumière incidente (Flèche A) traverse les cellules 211, 212 du premier filtre 210, puis les cellules 221, 222 du deuxième filtre 220 sans y être absorbée (Flèche B). Autrement dit, le taux d'absorption est minimal dans cette configuration (30% par exemple). Dans la configuration de la figure 2A, tous les filtres du dispositif 200 sont commutés (jeu d'électrodes 218, 228 et 238 connectées). Cette configuration permet d'obtenir un état de basse transmission : la lumière incidente (Flèche A) est d'abord absorbée par le couple de cellules du premier filtre 210 dans la bande d'absorption rouge XR, puis absorbée par le couple de cellules du deuxième filtre 220 dans la bande d'absorption verte XV, puis absorbée par le couple de cellules du troisième filtre 230 dans la bande d'absorption bleue XB.
Le taux d'absorption pour un filtre donné peut varier entre 30% et 100% en fonction de la concentration de dopant dichroïque présent dans chacune des deux cellules et des l'épaisseur des deux cellules. La bande d'absorption spectrale obtenue pour un filtre dépend du type de dopant dichroïque présent dans le mélange des cellules composant ce filtre. Deux autres configurations non illustrées sur les figures 2A et 2B sont également possibles. Les filtres optiques 210, 220, 230 étant commutables individuellement, on peut prévoir de ne commuter qu'un des trois filtres du dispositif 200 par exemple pour mettre en oeuvre un filtrage optique de la lumière incidente sur la bande d'absorption spectrale uniquement qui lui est associée.
Claims (11)
- REVENDICATIONS1. Dispositif à transmission de lumière variable (100), caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble d'au moins deux filtres optiques (110, 120) superposés comprenant chacun un couple de cellules optiques (111, 112, 121, 122) superposées, chaque cellule optique comprenant une couche d'un mélange (115, 116, 125, 126) comprenant un matériau hôte à base de cristal liquide et au moins un matériau invité dichroïque, et en ce que : pour chaque filtre optique : * ledit au moins un matériau invité dichroïque compris dans chaque cellule dudit couple est identique et absorbe au moins partiellement une lumière incidente sur une même bande d'absorption spectrale, ledit matériau hôte à base de cristal liquide compris dans l'une des cellules dudit couple présente un axe d'orientation moléculaire orthogonal à l'axe d'orientation moléculaire dudit matériau hôte à base de cristal liquide compris dans l'autre cellule dudit couple, pour au moins deux filtres optiques dudit ensemble, ledit au moins un matériau invité dichroïque compris dans le couple de cellules de l'un des filtres est différent dudit au moins un matériau invité dichroïque compris dans le couple de cellules de l'autre filtre et absorbe au moins partiellement une lumière incidente sur une bande d'absorption spectrale distincte.
- 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel chaque filtre optique comprend un jeu distinct d'électrodes électriques (118, 128), chaque jeu d'électrodes électriques étant configuré pour commuter simultanément le couple de cellules dudit filtre depuis un état relâché vers un état commuté.
- 3. Dispositif l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel, pour chaque filtre optique dudit ensemble, la couche de mélange comprise dans chaque cellule dudit filtre optique est une couche mince ayant une épaisseur comprise entre 1 et 10 um.
- 4. Dispositif l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel ledit matériau hôte à base de cristal liquide des cellules d'au moins un filtre dudit ensemble est un matériau à orientation homéotrope ou un matériau à orientation planaire.
- 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel, pour chaque filtre optique, ladite couche de matériau comprise dans chaque cellule est disposée entre deux lames de matériau optiquement transparent ayant une épaisseur comprise entre 0,1 mm et 1,0 mm.
- 6. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel au moins une desdites lames de matériau optiquement transparent est une lame de verre flexible à base de borosilicate non alcalin. 15
- 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6, dans lequel deux cellules successives comprennent une lame de matériau optiquement transparent commune.
- 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, dans lequel au moins 20 une desdites lames de matériau optiquement transparent comprend, sur au moins une face, une couche de matériau oxyde d'indium-étain.
- 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel ledit au moins un matériau invité dichroïque est un dopant métallo-organique. 25
- 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, comprenant un premier et un deuxième filtres optiques (110, 120) comprenant respectivement un premier et un deuxième couples de cellules optiques, elles-mêmes comprenant respectivement un premier et un deuxième matériaux invités dichroïques, 30 et dans lequel lesdits premier et deuxième matériaux invités dichroïques absorbent au moins partiellement une lumière incidente respectivement sur des première et 10deuxième bandes d'absorption spectrale complémentaires de façon à couvrir une bande d'absorption spectrale comprise entre 380 nm et 780 nm.
- 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, comprenant un premier, un deuxième et un troisième filtres optiques (210, 220, 230) comprenant respectivement un premier, un deuxième et un troisième couples de cellules optiques, elles-mêmes comprenant respectivement un premier, un deuxième et un troisième matériaux invités dichroïques, et dans lequel lesdits premier, deuxième et troisième matériaux invités dichroïques absorbent au moins partiellement une lumière incidente sur des première, deuxième et troisième bandes d'absorption spectrale respectivement.
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Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| EP0336351A2 (fr) * | 1988-04-07 | 1989-10-11 | Honeywell Inc. | Filtre coloré contrôlable pour utilisation dans des dispositifs de visualisation d'informations |
| US5943104A (en) * | 1997-03-25 | 1999-08-24 | University Technology Corporation | Liquid crystal eyewear with two identical guest host subcells and tilted homeotropic alignment |
-
2013
- 2013-05-22 FR FR1354568A patent/FR3006069B1/fr active Active
-
2014
- 2014-05-22 WO PCT/EP2014/060514 patent/WO2014187890A1/fr active Application Filing
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0336351A2 (fr) * | 1988-04-07 | 1989-10-11 | Honeywell Inc. | Filtre coloré contrôlable pour utilisation dans des dispositifs de visualisation d'informations |
| US5943104A (en) * | 1997-03-25 | 1999-08-24 | University Technology Corporation | Liquid crystal eyewear with two identical guest host subcells and tilted homeotropic alignment |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| A. P. KULESHOV AND A. YA. KUZNETSOV: "Thin-film absorption filters", SOVIET JOURNAL OF OPTICAL TECHNOLOGY, vol. 46, no. 1, January 1979 (1979-01-01), pages 51, XP009175985 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| WO2014187890A1 (fr) | 2014-11-27 |
| FR3006069B1 (fr) | 2015-06-19 |
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