FR3049727A1 - Dispositif d'obturation electro-optique a double etat de transmission optimise sur l'ensemble de la bande spectrale du visible - Google Patents
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Abstract
Il est proposé un dispositif d'obturation électro-optique comprenant un couple de cellules optiques superposées. Une première cellule comprend un premier matériau comprenant un cristal liquide cholestétrique hôte, un dopant chiral invité de 1 et 2 % en poids du premier matériau pour que le premier matériau ait un pas d'hélice compris dans la plage 450 nm à 460 nm, ainsi qu'un colorant dichroïque neutre invité. Une seconde cellule comprend un second matériau comprenant un second cristal liquide cholestérique hôte, un second colorant dichroïque neutre invité, et un cristal liquide nématique invité ayant une concentration comprise entre 14 et 20 % en poids du second matériau pour que le second matériau ait un pas d'hélice compris dans la plage 550 nm à 580 nm.
Description
Dispositif d'obturation électro-optique à double état de transmission optimisé sur l'ensemble de la bande spectrale du visible
1. DOMAINE DE L'INVENTION
Le domaine de l'invention est celui de la conception et la réalisation de composants optiques mettant en œuvre des matériaux à base de cristal liquide.
Plus précisément, l'invention concerne la réalisation d'un dispositif d'obturation électro-optique (aussi appelés atténuateurs-obturateurs optiques) utilisant des mélanges à base de cristal liquide, et en particulier un dispositif d'obturation électro-optique à deux états de transmission permettant d'atteindre des niveaux de contraste élevés. Il s'agit de dispositifs (atténuateurs/modulateurs de lumière) sans polariseur, utilisant un mélange composé d'un cristal liquide cholestique hôte et d'un colorant dichroïque neutre invité. Un cristal liquide cholestérique peut être obtenu soit à partir d'un cristal liquide nématique constitué de molécules chirales soit d'un cristal liquide nématique pur auquel on a ajouté un dopant chiral. Pour de tels dispositifs, il existe un besoin de disposer de deux états de transmission avec des niveaux de contraste élevés, et en particulier d'un état bloquant optimisé de façon à réaliser une atténuation maximale de la lumière incidente sur une large bande spectrale couvant tout le spectre visible (compris entre 400 et 700 nm). L'invention s'applique notamment, mais non exclusivement, à la réalisation d'obturateur de viseur de nuit, de lunettes anti-éblouissement, lunettes 3D actives et obturateurs programmables rapides, panneaux d'affichages à cristaux liquides ...
Le dispositif selon l'invention est particulièrement bien adapté, mais non exclusivement, aux sources lumineuses blanches de synthèse, comme par exemple les diodes électroluminescentes (LED) blanches, qui présentent une bande spectrale d'émission non-uniforme.
2. ARRIÈRE-PLAN TECHNOLOGIQUE
La plupart des dispositifs d'obturation électro-optiques utilisés de nos jours sont réalisés à base de cristaux liquides, dont les propriétés optiques (comme la biréfringence par exemple) peuvent être modifiées en leur appliquant un champ électrique.
Pour obtenir un double état de transmission sur l'ensemble de la bande spectrale du visible, les dispositifs d'obturation en général comprennent un ensemble de trois filtres chromatiques (RVB) superposés tels que : un premier filtre comprenant un premier matériau à base de cristal liquide cholestétrique choisi de façon à réfléchir la lumière incidente sur une première plage de longueur d'onde donnée (correspondant à la couleur Rouge par exemple), un deuxième filtre comprenant un deuxième matériau à base de cristal liquide cholestétrique choisi de façon à réfléchir la lumière incidente sur une deuxième plage de longueur d'onde donnée (correspondant à la couleur Verte par exemple), et un troisième filtre comprenant un troisième matériau à base de cristal liquide cholestétrique choisi de façon à réfléchir la lumière incidente sur une troisième plage de longueurs d'onde donnée (correspondant à la couleur Bleue par exemple).
Toutefois, l'assemblage de trois filtres de couleurs distinctes implique un dispositif de grande épaisseur, ce qui n'est pas optimal en termes d'encombrement et de poids. De plus, ce type dispositif d'obturation ne semble pas bien adapté pour assurer un fort contraste d'atténuation.
On connaît, dans l'état de la technique, comme illustré dans le document Chun-Ta Wang and Tsung-Hsien Lin, "Bistable reflective polarizer-free opticol switch based in dye-doped cholesteric liquid crystal" (Optical Material Express, 2011, Vol.l, N°8 - 2011), une solution consistant à combiner, au sein d'une même cellule optique, un matériau à base de cristal liquide cholestérique avec un dopant dichroïque, afin de combiner les deux effets souhaités. Cet article propose d'exploiter et de commuter entre deux états stables obtenus avec un pas d'hélice de 220 nm : un état planaire, considéré comme l'état opaque {« dark State »), et un état transparent (« brightState »).
Mais cet article ne cherche pas à obtenir un état bloquant optimal dans l'état planaire de façon à réaliser une atténuation maximale sur une large bande spectrale couvant tout le visible.
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 un dispositif d'obturation électro-optique à deux états de transmission (état planaire et homéotrope) contraste d'atténuation élevé, sur toute la bande spectrale visible.
Dans au moins un autre mode de réalisation de l'invention, un objectif est de fournir un dispositif d'obturation électro-optique qui soit simple et peu coûteux à mettre en oeuvre.
4. EXPOSÉ DE L'INVENTION
Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, il est proposé un dispositif d'obturation électro-optique comprenant un couple de cellules optiques superposées telles que : une première cellule dudit couple comprend un premier matériau comprenant un premier cristal liquide cholestétrique hôte, un dopant chiral invité et un premier colorant dichroïque neutre invité, telle que : * la biréfringence du premier cristal liquide cholestétrique est supérieure à 0,20 ; * la concentration du dopant chiral est comprise entre 1 et 2 % en poids du premier matériau pour que le premier matériau ait un pas d'hélice compris dans la plage 450 nm à 460 nm; * le premier colorant dichroïque neutre a une concentration comprise entre 2 et 2,5% en poids du premier matériau et un rapport dichroïque supérieur ou égal à 8; une seconde cellule dudit couple comprend un second matériau comprenant un second cristal liquide cholestétrique hôte, un cristal liquide nématique invité, et un second colorant dichroïque neutre invité, telle que : * la biréfringence du second cristal liquide cholestérique est supérieure à 0,20 ; * la concentration du cristal liquide nématique est comprise entre 14 et 20 % en poids du second matériau pour que le second matériau ait un pas d'hélice compris dans la plage 550 nm à 580 nm ; * le second colorant dichroïque neutre a une concentration comprise entre 2 et 2,5% en poids du second matériau et un rapport dichroïque supérieur ou égal à 8.
Ainsi, il est proposé un dispositif d'obturation électro-optique combinant deux matériaux à cristal liquide de compositions spécifiques, qui, lorsqu'ils sont adressés électriquement de manière appropriée, permet de réaliser une fonction de filtrage d'intensité lumineuse complémentaire surtoute la bande spectrale visible.
Le principe de l'invention consiste à agir sur trois types de paramètres pris en combinaison pour optimiser les performances de l'état bloquant du dispositif, et sur des plages de valeurs distinctes pour chaque cellule pour assurer une atténuation maximale dans des bandes spectrales spécifiques et complémentaires dans le visible. Le choix de ces trois types de paramètres, la spécification de leurs plages de valeurs et la combinaison de deux cellules chromatiques spécifiques et complémentaires, est au cœur du concept inventif.
Ces trois types de paramètres sont (a) la biréfringence du cristal liquide hôte, (b) la valeur du pas de l'hélice, et (c) la concentration et le rapport dichroïque du colorant dichroïque. L'idée est d'optimiser les performances de l'état bloquant de chaque cellule de façon à réaliser une atténuation maximale de la lumière incidente, en combinant simultanément les effets d'absorption et de réflexion grâce une combinaison astucieuse de ces paramètres.
La combinaison d'une biréfringence élevée, d'un pas d'hélice adapté, de l'utilisation d'un colorant dichroïque neutre, a pour effet d'obtenir une optimisation de l'absorption et la réflexion de l'état planaire, de sorte permettre la réalisation de deux miroirs de Bragg semi-réfléchissants dans deux bandes spectrales complémentaires du visible.
Enfin l'utilisation de deux filtres optiques uniquement permet de réduire le poids du dispositif, ainsi que sont coût de fabrication, en réduisant la consommation électrique.
Ainsi, ce mode de réalisation particulier de l'invention repose sur une approche tout à fait nouvelle et inventive basée sur une combinaison de deux matériaux ayant chacun un jeu de paramètres spécifique permettant de répondre à la fois à des contraintes de faible tension de commande et de temps de réponse des cellules optiques, tout en optimisant l'état bloquant du dispositif d'obturation électro-optique sur une bande spectrale couvant tout le visible.
Selon un aspect particulier de l'invention, chacune desdites première et seconde cellules comprend, entre deux lames de matériau optiquement transparent, respectivement une couche dudit premier et second matériau d'épaisseur comprise entre 3 et 5 pm.
Ainsi, on optimise l'absorption de chaque cellule optique et donc les performances du dispositif.
Selon un aspect particulier de l'invention, le premier matériau est de chiralité droite et le second matériau est de chiralité gauche, ou inversement.
On entend par chiralité gauche ou chiralité droite, l'état de polarisation circulaire gauche ou droite respectivement du matériau considéré.
Ainsi, en plus de constituer un complément d'atténuation dans l'état bloquant du dispositif, on tire profit de la complémentarité de polarisations offerte par les matériaux pour pouvoir séparer au maximum les deux bandes spectrales de réflexion de façon à couvrir l'ensemble du visible tout en assurant un recouvrement minimal suffisant des deux bandes. La couverture de la bande visible à partir des deux filtres optiques (cellules) suppose effectivement un élargissement de la bande des deux filtres et leur recouvrement partiel.
Selon une variante de mise en oeuvre, les premier et second matériaux sont de même chiralité et une lame demi-onde est disposée entre lesdites première et seconde cellules.
Cette variante permet d'utiliser deux cristaux liquides cholestériques hôte de même chiralité (c'est-à-dire de même polarisation circulaire) et de les rendre complémentaires du point de vue filtrage spectral grâce la lame demi-onde.
Selon une caractéristique particulière, les premier et second cristaux liquide cholestétrique hôtes possèdent chacun : une viscosité inférieure ou égale à 40 mmVs à une température sensiblement égale à 20°C; une permittivité diélectrique différentielle supérieure à 15.
De cette façon, on améliore encore les performances du dispositif. Le fait de disposer permittivité diélectrique différentielle supérieure à permet de réduire les valeurs de tension appliquées pour atteindre l'état homéotrope.
Selon une caractéristique particulière, les deux lames de matériau optiquement transparent de chacune des première et seconde cellules sont recouvertes d'une couche anti-diffusion à base de polymère.
Ceci permet d'éviter toute diffusion parasite de lumière sur les lames de matériaux optiquement transparents. Ces dernières peuvent être à base oxyde d'indium dopé à l'étain (ITO) par exemple (mais d'autres types de matériau réalisation la même fonction peuvent être bien sûr envisagés). La couche anti-diffusion est une couche de polymère qui n'a subi aucun traitement de surface après dépôt, comme un brossage par exemple. Une couche non brossée présente une surface relativement rugueuse qui permet de réduire la diffusion de la lumière incidente.
Selon un aspect particulier de l'invention, le dispositif comprend des moyens d'application d'un signal de tension électrique entre deux électrodes optiquement transparentes disposées chacune sur l'une des deux lames de matériau optiquement transparent de chacune des première et seconde cellules, les moyens d'application étant configurés pour faire atteindre sélectivement un des états suivants à ladite première et seconde cellule, en fonction du signal de tension appliqué : un état homéotrope sensiblement transparent et associé à une première valeur de transmittance, un état planaire sensiblement opaque et associé à une deuxième valeur de transmittance inférieure à la première valeur de transmittance.
Ainsi, ce dispositif, lorsqu'il est adressé électriquement de manière appropriée, permet, pour chaque cellule, la création de deux états : - un état planaire qui correspond selon l'invention à l'état bloquant de la cellule obtenu par combinaison des effets d'absorption et de réflexion (comme discutés plus haut), permettant la réalisation d'un miroir de Bragg semi-réfléchissant dans une bande spectrale donnée dans le visible, chaque cellule du couple de cellules superposées étant configurée pour que l'état passant soit obtenu sur l'ensemble de la bande spectrale du visible ; - un état homéotrope qui correspond selon l'invention à l'état passant de la cellule.
Les caractéristiques du dispositif permettent ainsi d'atteindre un niveau de contraste entre l'état bloquant et l'état passant relativement élevé. Ces états sont maintenus par l'application d'un champ électrique ou bien sont des états stables intrinsèques au matériau.
Selon un aspect particulier de l'invention, les moyens d'application sont configurés pour que le signal de tension possède : un premier niveau (VI) d'amplitude égale à 0 V, pour faire atteindre l'état planaire à auxdites première et second cellules ; un deuxième niveau (V2) d'amplitude comprise entre 35 et 50 V, pour faire atteindre l'état homéotrope auxdites première et second cellules.
Ainsi, pour une longueur d'onde comprise entre 400 et 700 nm, la première valeur de transmittance peut être supérieure ou égale à 70% et la deuxième valeur de transmittance peut être égale ou inférieure à 1%. Le contraste obtenu dans cette bande spectrale est donc optimal.
Diverses utilisations du dispositif précité sont possibles, et notamment (mais non exclusivement) : pour la réalisation d'un obturateur de viseur de nuit, pour la réalisation d'une paire de lunettes anti-éblouissement, pour la réalisation d'une paire de lunettes 3D actives, pour la réalisation d'un panneau d'affichage.
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 : la figure 1 présente la structure simplifiée d'un dispositif d'obturation électro-optique selon un mode de réalisation particulier de l'invention ; la figure 2 illustre la structure connue d'un cristal liquide cholestérique ; la figure 3 représente un spectrogramme de réflexion pour l'état planaire de deux cellules optiques (filtres) complémentaires, selon un mode de réalisation particulier de l'invention ; la figure 4 représente un spectrogramme de réflexion pour l'état planaire du dispositif selon l'invention, résultant de la superposition des deux cellules optiques (filtres) illustrées à la figure 3.
6. DESCRIPTION DÉTAILLÉE
Sur toutes les figures du présent document, les éléments et étapes identiques sont désignés par une même référence numérique.
On présente, en relation avec la figure 1, la structure simplifiée d'un dispositif d'obturation électro-optique 100 selon un mode de réalisation particulier de l'invention.
On considère, par exemple, que la lumière incidente (représentée par la flèche A), qui arrive sur le dispositif d'obturation 100, est non polarisée et présente une bande spectrale large dans le visible, sensiblement comprise entre 400 nm et 700 nm. On considère, par exemple, qu'il s'agit d'une lumière blanche de synthèse issue d'une diode électroluminescente (LED) blanche : elle présente une bande spectrale d'émission caractéristique non-uniforme, comprenant un premier pic d'émission significatif aux alentours de 410-480 nm et un deuxième pic d'émission significatif aux alentours de 540-560 nm.
Le dispositif d'obturation électro-optique 100 comprend un couple de cellules optiques 10, 20 superposées l'une sur l'autre.
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La première cellule optique 10 comprend, entre deux lames de matériau optiquement transparent 12, 13 (par exemple des lames de verre optique), une couche de matériau 14 (dont la composition est discutée en détail ci-après) commutable entre deux états caractéristiques (homéotrope (El) et planaire (E2)). La couche du matériau 14 est d'épaisseur comprise entre 3 et 5 pm. Le dispositif d'obturation électro-optique 100 comprend également des moyens 15 d'application d'un signal de tension V entre deux électrodes disposées chacune sur l'une des deux lames 12, 13. Par exemple, chaque lame 12, 13 comprend, sur sa surface interne, une couche d'oxyde d'indium-étain (matériau optiquement transparent et conducteur d'électricité, aussi appelé « ITO ») formant électrode conductrice (non représentée). Les moyens 15 d'application du signal de tension V sont configurés pour faire atteindre sélectivement un des états El et E2 à la première cellule 10, en fonction du signal de tension appliqué. Ils comprennent par exemple une source de tension 16 générant un signal de tension d'amplitude variable, par exemple entre OV et 35V) et un interrupteur 17 permettant d'appliquer ou non le signal de tension V sur les électrodes en fonction de sa position (position ouverte ou position fermée). La fréquence du signal de tension appliqué est comprise en 0,5 Hz et 100 Hz.
Dans une implémentation particulière, le premier matériau 14 comprend un cristal liquide cholestétrique hôte, un dopant chiral invité et un colorant dichroïque neutre invité, avec les caractéristiques suivantes : pour le cristal liquide cholestétrique hôte : * la biréfringence est typiquement supérieure à 0,20 ; * la viscosité est typiquement inférieure ou égale à 40 mmVs à une température sensiblement égale à 20°C; * une permittivité diélectrique différentielle Δε supérieure à 15 (plus la valeur est élevée plus les tensions appliquées sont faibles; la permittivité diélectrique différentielle Δε (sans unité) est définie comme la différence entre les permittivités ε1 et ε// correspondant aux ondes extraordinaire et ordinaire respectivement) ; pour le dopant chiral invité: * la concentration est typiquement comprise entre 1 et 2 % en poids du matériau 14 pour que le premier matériau ait un pas d'hélice compris dans la plage 450 à 460 nm (aussi appelée « longueur d'onde de Bragg »); * le type du dopant chiral utilisé : 5811 (chiralité gauche) ou R811 (chiralité droite) ; pour le colorant dichroïque neutre invité : * la concentration est typiquement comprise entre 2 et 2,5% en poids du premier matériau ; * le rapport dichroïque est typiquement supérieur ou égal à 8.
Le matériau 14 se présente sous la forme de plusieurs couches, caractérisées chacune par une orientation particulière des molécules selon un « directeur » (le directeur désigne l'orientation moyenne des molécules dans chaque couche). Comme illustré sur la figure 2, le directeur des différentes couches évolue de manière à former une hélice. Par définition, le pas de cette hélice (en anglais « pitch », noté P) correspond à la longueur (nm) entre deux couches Cl, C2 de même directeur (Le. même direction et même sens DI = D2). Le pas de l'hélice peut être modifié selon la concentration de dopant chiral dans le mélange 14.
Le choix du colorant dichroïque neutre est conditionné par sa caractéristique d'absorption (la plus neutre possible), sa miscibilité et son rapport dichroïque. On définit le rapport dichroïque ou rendement dichroïque par Al / A// pour une épaisseur de matériau donnée, où : : coefficient d'absorption pour l'axe extraordinaire ; ajj = coefficient d'absorption pour l'axe ordinaire ; avec d l'épaisseur du matériau traversé et C la concentration du colorant.
Ainsi, il est possible d'ajuster le taux de transmission de la cellule 10 en sélectionnant la concentration du colorant (C), l'épaisseur de matériau 14 et le rendement dichroïque (Al / A//). L'adressage de l'état planaire (El) et de l'état homéotrope (E2) pour la cellule 10 est réalisé en fonction du signal de tension V appliqué à la cellule 10 via les moyens d'application 15. Dans une implémentation particulière, les moyens d'application 15 sont configurés pour que le signal de tension V possède : un premier niveau (VI) d'amplitude égale à 0 V, pour faire atteindre l'état planaire (El) à la première cellule 10 (par exemple lorsque l'interrupteur 17 est ouvert) ; un deuxième niveau (V2) d'amplitude typiquement comprise entre 35 et 50 V, pour faire atteindre l'état homéotrope (E2) à la première cellule 10 (par exemple lorsque l'interrupteur 17 est fermé). L'état homéotrope (E2) est sensiblement transparent et associé à une première valeur de transmittance, et l'état planaire (El) est sensiblement opaque et associé à une deuxième valeur de transmittance inférieure à la première valeur de transmittance.
Pour une longueur d'onde comprise entre 400 et 700 nm de la lumière incidente, la première valeur de transmittance peut être supérieure ou égale à 70% et la deuxième valeur de transmittance peut être égale ou inférieure à 1%. Le contraste obtenu dans cette bande spectrale est donc optimal.
La première cellule 10 du dispositif d'obturation électro-optique 100 présente donc une fonction de filtrage d'intensité lumineuse assurant une atténuation maximale dans une première bande spectrale spécifique. C'est le dopant chiral contenu dans le matériau de la cellule 10 notamment qui permet ici de définir la position du filtre dans la bande spectrale (comme expliqué plus loin en relation avec les figures 3 et 4).
Deux|ème^ceNu]e^oEtigue
La deuxième cellule optique 20 comprend, entre deux lames de matériau optiquement transparent 22, 23 (par exemple des lames de verre optique), une couche de matériau 24 (dont la composition est discutée en détail ci-après) commutable entre deux états caractéristiques (homéotrope (El) et planaire (E2)). La couche du matériau 24 est d'épaisseur comprise entre 3 et 5 pm. Le dispositif d'obturation électro-optique 100 comprend également des moyens 25 d'application d'un signal de tension V entre deux électrodes disposées chacune sur l'une des deux lames 22, 23. Par exemple, chaque lame 22, 23 comprend, sur sa surface interne, une couche d'oxyde d'indium-étain (matériau optiquement transparent et conducteur d'électricité) formant électrode conductrice (non représentée). Les moyens 25 d'application du signal de tension V sont configurés pour faire atteindre sélectivement un des états El et E2 à la deuxième cellule 20, en fonction du signal de tension appliqué. Ils comprennent par exemple une source de tension 26 générant un signal de tension d'amplitude variable, par exemple entre OV et 35V) et un interrupteur 27 permettant d'appliquer ou non le signal de tension V sur les électrodes en fonction de sa position (position ouverte ou position fermée). La fréquence du signal de tension appliqué est comprise en 0,5 Hz et 100 Hz.
Dans une implémentation particulière, le premier matériau 24 comprend un cristal liquide cholestétrique hôte, un cristal liquide nématique invité, un colorant dichroïque neutre invité, avec les caractéristiques suivantes : pour le cristal liquide cholestétrique hôte : * la biréfringence est typiquement supérieure à 0,20 ; * la viscosité est typiquement inférieure ou égale à 40 mmVs à une température sensiblement égale à 20°C; * une permittivité diélectrique différentielle Δε supérieure à 15 (plus la valeur est élevée plus les tensions appliquées sont faibles; la permittivité diélectrique différentielle Δε (sans unité) est définie comme la différence entre les permittivités ε1 et ε// correspondant aux ondes extraordinaire et ordinaire respectivement) ; pour le cristal liquide nématique invité : * la concentration est comprise entre 14 et 20 % en poids du matériau 24 pour que le matériau 24 ait un pas d'hélice compris dans la plage 550 à 580 nm (longueur d'onde de Bragg) ; pour le colorant dichroïque neutre invité : * la concentration est typiquement comprise entre 2 et 2,5% en poids du premier matériau * le rapport dichroïque est typiquement supérieur ou égal à 8. L'adressage de l'état planaire (El) et de l'état homéotrope (E2) pour la cellule 20 est réalisé en fonction du signal de tension V appliqué à la cellule 20 via les moyens d'application 25. Dans une implémentation particulière, les moyens d'application 25 sont configurés pour que le signal de tension V possède : un premier niveau (VI) d'amplitude égale à 0 V, pour faire atteindre l'état planaire (El) à la première cellule 20 (par exemple lorsque l'interrupteur 27 est ouvert) ; un deuxième niveau (V2) d'amplitude typiquement comprise entre 35 et 50 V, pour faire atteindre l'état homéotrope (E2) à la première cellule 20 (par exemple lorsque l'interrupteur 27 est fermé). L'état homéotrope (E2) est sensiblement transparent et associé à une première valeur de transmittance, et l'état planaire (El) est sensiblement opaque et associé à une deuxième valeur de transmittance inférieure à la première valeur de transmittance.
Pour une longueur d'onde comprise entre 400 et 700 nm de la lumière incidente, la première valeur de transmittance peut être supérieure ou égale à 70% et la deuxième valeur de transmittance peut être égale ou inférieure à 1%. Le contraste obtenu dans cette bande spectrale est donc optimal.
La seconde cellule 20 du dispositif d'obturation électro-optique 100 présente donc également une fonction de filtrage d'intensité lumineuse assurant une atténuation maximale dans une deuxième bande spectrale spécifique, mais complémentaire de la première bande. C'est la quantité de cristal liquide nématique contenu dans la cellule 20 notamment qui va permettre ici de définir la position du filtre dans la bande spectrale en jouant sur le pas de l'hélice du matériau (comme expliqué plus loin en relation avec les figures 3 et 4). L'idée consiste à obtenir un état bloquant (atténuation) optimal dans l'état planaire (El), en combinant deux effets : l'absorption et la réflexion. Ceci est possible en optimisant notamment la taille du pas de l'hélice (longueur de Bragg), la biréfringence et la concentration de colorant dichroïque neutre de chaque cellule, visant à optimiser l'absorption de l'état planaire (El) et l'achromatisation de ladite cellule en tant que miroir.
Ainsi, en combinant deux cellules optiques avec de tels paramètres, le dispositif d'obturation électro-optique 100 selon l'invention présente une fonction de filtrage d'intensité lumineuse complémentaire sur toute la bande spectrale visible, comme illustré sur les figures 3 et 4.
La figure 3 représente un spectrogramme de réflexion pour l'état planaire (El) des cellules 10 et 20 prises séparément : la courbe 310 correspond à la réponse spectrale de la première cellule 10 et la courbe 320 correspond à la réponse spectrale de la deuxième cellule 20 du dispositif d'obturation électro-optique 100. Quant à la figure 4, elle représente le spectrogramme de réflexion résultant de la superposition de ces deux cellules optiques 10, 20 (courbe 400).
Les réponses spectrales montrent l'impact des paramètres choisis sur l'état bloquant obtenu pour chacune des deux cellules optiques 10, 20 en régime planaire (El).
On rappelle que le caractère innovant de l'invention repose sur le fait qu'on agit sur trois types de paramètres pris en combinaison pour optimiser les performances de l'état bloquant du dispositif 100, et sur des plages de valeurs distinctes pour chaque cellule 10, 20 pour assurer une atténuation maximale dans des bandes spectrales spécifiques et complémentaires dans le visible. Le choix de ces trois types de paramètres, la spécification de leurs plages de valeurs et la combinaison de deux cellules chromatiques spécifiques et complémentaires, est au cœur du concept inventif. Ces trois types de paramètres sont (a) la biréfringence du cristal liquide hôte, (b) la valeur du pas de l'hélice, et (c) la concentration et le rapport dichroïque du colorant dichroïque.
Les paramètres choisis pour la cellule 10 permettent d'obtenir une réflexion de la lumière incidente sur une bande spectrale relativement large comprise entre 400 et 520 nm environ (courbe 310). Ceux choisis pour la cellule 20 permettent d'obtenir une réflexion de la lumière incidente sur une bande spectrale relativement large comprise entre 500 et 600 nm environ (courbe 320). C'est le pas de l'hélice notamment qui détermine la position du filtre dans la bande spectrale. La largeur de bande est conditionnée notamment par le niveau de biréfringence de la cellule.
Le chevauchement des deux réponses spectrales est primordial pour couvrir toute la bande visible sans avoir recours à l'utilisation d'un filtre supplémentaire. Par superposition des deux cellules 10, 20, on réalise ainsi une superposition de deux miroirs de Bragg semi-réfléchissants dans deux bandes spectrales complémentaires du visible et qui se chevauchent. L'idée ici est d'optimiser les performances de l'état bloquant de chaque cellule de façon à réaliser une atténuation maximale de la lumière incidente, en combinant simultanément les effets d'absorption et de réflexion grâce une combinaison astucieuse des paramètres discutés ci-dessus.
Le niveau d'absorption de la cellule est notamment fonction de l'épaisseur de la cellule optique et la concentration de dopant.
En général, une couverture de toute la bande visible nécessite trois filtres. Pour certaines applications pour des raisons de poids, de coût et de qualité optique (on doit obtenir le moins de pertes de transmission optique possible), il faut réduire le nombre de filtres. Une couverture de la bande visible à partir de deux filtres suppose donc l'élargissement de la bande passante des deux filtres sélectionné et leur recouvrement optimal comme cela est montré sur la figure 4. L'épaisseur des couches de matériau 14 et 24 (typiquement comprise entre 3 et 5 pm) est choisie en fonction du temps de réponse d'obturation et du niveau de tension désirés (entre 35 et 50V par exemple pour basculer de l'état planaire à l'état homéotrope).
Selon une particularité de l'invention, pour éviter les diffusions parasites au niveau de la couche d'oxyde d'indium-étain formant électrode conductrice, une couche de polymère (non représentée sur les figures) n'ayant subi aucun traitement de surface (tel qu'un brossage par exemple) peut être déposée sur celle-ci. Une telle couche présente une surface relativement rugueuse qui permet de réduire la diffusion de la lumière incidente, d'où sa fonction anti-diffusante.
Selon une implémentation particulièrement avantageuse, on prévoit que le dopant chiral contenu dans la cellule 10 est de chiralité droite et que le cristal liquide cholestérique du matériau contenu dans la cellule 20 est de chiralité gauche (ou inversement). Ceci permet de tirer profit de la complémentarité des polarisations dans la zone où se chevauchent spectralement les deux filtres optiques, afin de pourvoir les écarter l'un de l'autre au maximum.
Selon une implémentation en variante, les matériaux contenus dans les cellules 10 et 20 sont de même chiralité. Dans ce cas, le dispositif d'obturation électro-optique 100 comprend en outre une lame demi-onde disposée entre les cellules 10 et 20 afin d'obtenir le même effet.
Dans l'exemple illustré ici, la combinaison de compositions permet d'envisager une solution particulièrement intéressante d'obturateur pour viseur de nuit, particulièrement bien adapté pour les lumières émises par les LED blanches. De nombreuses autres utilisations de l'invention peuvent être envisagées sans sortir du cadre de l'invention, comme par exemple pour la réalisation d'une paire de lunettes anti-éblouissement, d'un obturateur (ou une cellule) à cristaux liquides à taux de transmission variable, une paire de lunettes 3D actives, etc.
Claims (8)
- REVENDICATIONS1. Dispositif d'obturation électro-optique caractérisé en ce qu'il comprend un couple de cellules optiques superposées telles que : une première cellule (10) dudit couple comprend un premier matériau comprenant un premier cristal liquide cholestétrique hôte, un dopant chiral invité et un premier colorant dichroïque neutre invité, telle que : * la biréfringence du premier cristal liquide cholestétrique est supérieure à 0,20 ; * la concentration du dopant chiral est comprise entre 1 et 2 % en poids du premier matériau pour que le premier matériau ait un pas d'hélice compris dans la plage 450 nm à 460 nm; * le premier colorant dichroïque neutre a une concentration comprise entre 2 et 2,5% en poids du premier matériau et un rapport dichroïque supérieur ou égal à 8; une seconde cellule (20) dudit couple comprend un second matériau comprenant un second cristal liquide cholestétrique hôte, un cristal liquide nématique invité, et un second colorant dichroïque neutre invité, telle que : * la biréfringence du second cristal liquide cholestérique est supérieure à 0,20 ; * la concentration du cristal liquide nématique est comprise entre 14 et 20 % en poids du second matériau pour que le second matériau ait un pas d'hélice compris dans la plage 550 nm à 580 nm ; * le second colorant dichroïque neutre a une concentration comprise entre 2 et 2,5% en poids du second matériau et un rapport dichroïque supérieur ou égal à 8.
- 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel chacune desdites première et seconde cellules comprend, entre deux lames de matériau optiquement transparent, respectivement une couche dudit premier et second matériau d'épaisseur comprise entre 3 et 5 pm.
- 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel le premier matériau est de chiralité droite et le second matériau est de chiralité gauche, ou inversement.
- 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel les premier et second matériaux sont de même chiralité et une lame demi-onde est disposée entre lesdites première et seconde cellules.
- 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel les premier et second cristaux liquides cholestétriques hôtes hôte possèdent chacun : une viscosité inférieure ou égale à 40 mmVs à une température sensiblement égale à 20°C; une permittivité diélectrique différentielle supérieure à 15.
- 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, dans lequel les deux lames de matériau optiquement transparent de chacune des première et seconde cellules sont recouvertes d'une couche anti-diffusion à base de polymère.
- 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, comprenant des moyens (15 ; 25) d'application d'un signal de tension électrique entre deux électrodes optiquement transparentes disposées chacune sur l'une des deux lames de matériau optiquement transparent de chacune des première et seconde cellules, les moyens d'application étant configurés pour faire atteindre sélectivement un des états suivants à ladite première et seconde cellule, en fonction du signal de tension appliqué : un état homéotrope sensiblement transparent et associé à une première valeur de transmittance, un état planaire sensiblement opaque et associé à une deuxième valeur de transmittance inférieure à la première valeur de transmittance.
- 8. Dispositif selon la revendication 7, dans lequel les moyens d'application sont configurés pour que le signal de tension possède : un premier niveau (VI) d'amplitude égale à 0 V, pour faire atteindre l'état planaire à auxdites première et second cellules ; un deuxième niveau (V2) d'amplitude comprise entre 35 et 50 V, pour faire atteindre l'état homéotrope auxdites première et second cellules.
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2016
- 2016-04-01 FR FR1652857A patent/FR3049727B1/fr active Active
-
2017
- 2017-03-30 WO PCT/EP2017/057613 patent/WO2017167922A1/fr active Application Filing
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