WO2006013163A1 - Source d'eclairage pour afficheur a cristaux liquides - Google Patents

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WO2006013163A1
WO2006013163A1 PCT/EP2005/053575 EP2005053575W WO2006013163A1 WO 2006013163 A1 WO2006013163 A1 WO 2006013163A1 EP 2005053575 W EP2005053575 W EP 2005053575W WO 2006013163 A1 WO2006013163 A1 WO 2006013163A1
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WO
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display
diode
ribbons
liquid crystal
source
Prior art date
Application number
PCT/EP2005/053575
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English (en)
Inventor
Brigitte Loiseaux
Giuseppe Bellomonte
Anne Delboulbe
Original Assignee
Thales
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Publication date
Application filed by Thales filed Critical Thales
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/133—Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
    • G02F1/135—Liquid crystal cells structurally associated with a photoconducting or a ferro-electric layer, the properties of which can be optically or electrically varied
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
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    • G02F1/133—Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
    • G02F1/1333—Constructional arrangements; Manufacturing methods
    • G02F1/1335—Structural association of cells with optical devices, e.g. polarisers or reflectors
    • G02F1/1336—Illuminating devices
    • G02F1/133602—Direct backlight
    • G02F1/133603—Direct backlight with LEDs

Definitions

  • the present invention relates to a lighting source for liquid crystal displays LCD (Liquid Crystal Displa ⁇ ').
  • Light sources usually used for backlighting (or backlighting) LCD displays are arc lamps, luminescent tubes, or light-emitting diodes, depending on the applications.
  • FIG. 1 An example of such a diode is diagrammatically shown in FIG. 1.
  • the active or emissive zone of the diode usually has a circular surface (in stripes in the figure), which is not conducive to efficient illumination of a square or rectangular surface. 'LCD display. Diode lighting sources are thus inefficient.
  • the presence of an electrical contact pad of an electrode A (anode) in the emissive zone has the effect of creating a black area in the illuminated surface plane, which causes additional loss of efficiency.
  • arc lamps are usually used as a backlight source for the LCD display.
  • a photoconductive optical addressing valve hereinafter referred to simply as “optical valve” uses the variation of the resistivity of the photoconductive material as a function of the light intensity to which it is exposed, to control the orientation of the photoconductive material. liquid crystal molecules.
  • optical valve uses the variation of the resistivity of the photoconductive material as a function of the light intensity to which it is exposed, to control the orientation of the photoconductive material. liquid crystal molecules.
  • An optical valve more specifically comprises a glass substrate on which are successively deposited a first electrode, a liquid crystal cell, a layer of a photoconductive material, and a second transparent electrode at useful wavelengths.
  • the electrodes are usually made of ITO. They allow the application of an alternating voltage on the elements of the liquid crystal cell, in order to retain their optical properties.
  • the photoconductive material is for example BSO (Bismuth oxide and silicon) or amorphous silicon.
  • such an MFS module is used as corrective wave surface component, for example to correct the deformations of a laser wave, due to the nonlinear effects induced by the optical components provided in the chain or laser cavity, typically the amplification elements (for example the elements of the processing chain of ultra-short pulse laser sources).
  • such an MFS module is used to give the wavefront a coherent light beam, a shape suitable for its use, by controlling the optical valve appropriately to control each point of the wave surface of the beam.
  • laser beam that is to be corrected the spatial distribution of the incident illumination on the photoconductor makes it possible to control the phase shift spatial distribution that is to be induced by means of the optical valve.
  • an optical valve is illuminated locally by a light beam (coherent or not), having a wavelength at which the photoconductive material of the valve is sensitive, the liquid crystal molecules lying on the path of this beam undergoes a rotation, while the other molecules remain in their initial state (parallel to the surface of the layer).
  • the liquid crystal has an optical index different from that it has in the absence of illumination beam.
  • FIG 2 a simplified diagram of an optical addressing device of the valve 10, for correcting a laser beam 9 emitted by a laser source 8 (confers EP 0771009 or EP 0829745).
  • the laser beam 9 is a coherent light beam whose optical wavelength is outside the sensitivity range of the photoconductive material of the optical valve 10, so as not to influence its conductivity.
  • the optical addressing device comprises a light source
  • dichroic blade 13 reflects the laser beam 9 towards the valve 10.
  • dichroic blade filters the light beam from source 1, to let only the "writing" wavelength, to which the photoconductive material of the valve is sensitive (the blade is transparent at this wavelength) .
  • the pixels of the LCD display 10 are electrically controlled by electrical signals Vx and Vy provided by a device 4 for addressing the display, from a video signal 5 applied to the control input. This results in the display of a video image, according to the transparency controlled at each pixel of the display according to the video signal.
  • the liquid crystal layer of the valve 10 is optically addressed by projection of the video image from the display 6.
  • This image generates a spatial distribution of voltage which locally induces an orientation of the liquid crystal molecules of the liquid crystal layer of the cell.
  • the laser beam 9 undergoes a spatial phase modulation during the passage of the valve.
  • the phase modulation law can be programmed to perform any waveform using the video command image on the display 6. This programming can be fixed, or evolve over time, depending on the real-time calculations of the corrections to be made to the laser wavefront.
  • the light beam 11 at the output of the valve 10 has a wavelength area modulated by the valve, this modulation being able to be used as well to correct phase dispersions of the laser beam 9 (so that it is at "plane wave ") To give a well-defined waveform to this beam.
  • the combination of such a system with a wave-surface sensor thus makes it possible to control the shape of the wavefront of the beam 9 emitted by the laser and to apply a suitable correction video signal to the input of the control device. 4 of the LCD display 6.
  • the arc lamps used in these MFS optical valve addressing modules are typically lamps having an electrical power of the order of 20 watts, to meet the power requirements of these applications.
  • arc lamps such as diodes and more generally conventional lighting sources, deliver cylindrical illumination diagrams, poorly adapted to the square or rectangular format of the LCD display surfaces.
  • Arc lamps are used with complex optical devices to obtain the best collection efficiency of the luminous flux emitted by the source, while maintaining a distribution of the transmitted light flux as uniform as possible.
  • there is a phenomenon of shadow zone specific to the constitution of the lamp In practice there is a low efficiency of collection of the flow on the optical valve due to the poor adequacy of the surfaces (at least 50% of the flow is lost).
  • arc lamps have the major disadvantage of a significant release of heat, due to the low light output.
  • a cooling system is needed to limit induced aberrations on laser alignment related to temperature variation.
  • the photoconductive material of the valve has the effect of reducing the spatial resolution of the liquid crystal cell. Taken alone, this cell has a resolution given by the thickness of the liquid crystal layer.
  • the photoconductive material has the effect of deforming the electric field lines, so that it is the thickness of the photoconductive material that governs the spatial resolution of the valve.
  • a material such as BSO is a material (crystal) thick, compared to photoconductors (generally non-transparent) thin layer such
  • I 1 AsGa or amorphous silicon, hence a limited spatial resolution.
  • These lamps also generally have a spatial non-uniformity of the emitted flux, at least 30% of the average flux at the nominal power, which is an additional disadvantage requiring the use of optical systems of the integrator type, lens matrix plus system optical-which are bulky and expensive devices, especially for a dedicated application at low volume.
  • a source of illumination by arc lamp therefore requires associated devices of ventilation, filtering, homogenization, which is cumbersome and complex, and which causes noise (ventilation).
  • the optimization of the parameters of compactness, luminous efficiency and contrast is a major need. This is particularly the case for ultra-light imagers used for avionics helmet visual applications or in the civilian field, for virtual reality applications (LCD projection for near-to-eye compact systems).
  • LCD projection for near-to-eye compact systems.
  • the use of an LCD screen presents for these applications a certain advantage on compactness-weight, nevertheless adapted lighting solutions must be found to ensure a compactness and a suitable weight and sufficient luminance to provide the user with a sufficient contrast image (typically greater than 5), especially in a high light environment.
  • LCD screens are known in direct vision provided with a lighting system based on planar waveguide, which couples the source to the waveguide by its edge, forming a very flat lighting system, more advantageous than fluorescent tube systems. But solutions to improve the luminance and the contrast, necessary for the general public applications are sought.
  • Video projectors which generally use 100 watt arc lamps as lighting sources, also suffer from the various disadvantages associated with the use of these lamps, in particular the power consumption, the noise level due to the need for a fan associated and the cost of maintenance, the lack of homogeneity of the luminous flux which requires to provide integrators in the lighting system and increases the size of the devices.
  • the subject of the invention is a lighting source for a liquid crystal display which does not have the various drawbacks of current lighting sources and which has advantageous properties of compactness, low consumption and illumination efficiency. .
  • Another object of the invention is to propose a compact, wavelength-adaptable source of illumination that allows effective tuning to materials of specific sensitivity, such as, for example, photoconductive materials used in applications using optical addressing. valve.
  • This object is achieved in the invention, by the use of a light-emitting diode, whose emissive zone is structured in a plurality of ribbons whose arrangement is adapted to the geometry of the surface of the display to be illuminated.
  • the invention relates to a liquid crystal display and a source of associated lighting, characterized in that said source comprises a light emitting diode at least, whose emitting area is formed of a plurality of ribbons, the geometry all of the ribbons being adapted to the geometry of the surface of the display to be illuminated, so that the surface of the emitting zone of the diode is substantially homothetic to the surface of the display.
  • the invention also relates to an application of such a source to the illumination of an LCD display for the optical addressing of a liquid crystal cell valve.
  • the invention also relates to the application of such an LCD display light source in video projectors, direct vision systems in combination with a waveguide, or helmet visuals or virtual reality systems .
  • FIG. 1 already described is a simplified diagram of a view of a light emitting diode of the state of the art
  • FIG. 2 already described, is a simplified diagram of an optical addressing device for a liquid crystal cell valve, for the correction of the wave surface of a laser beam;
  • FIG. 3 is a simplified diagram of a view of a light-emitting diode used in the invention;
  • FIG. 4 is a diagram representing the incident light power of the lighting source of an LCD display, necessary to obtain the optimum opening ratio of an optical valve in the case of an arc lamp type source and a source according to the invention
  • FIG. 5 is a simplified diagram of an optical addressing device for a liquid crystal cell valve using as light source a light-emitting diode according to that of FIG. 3;
  • FIGS. 6a and 6b schematically represent the principle of a lighting system according to the invention using an anamorphosing waveguide;
  • FIG. 8 is a block diagram of a virtual reality system
  • FIG. 9 is a block diagram of a video projection system.
  • FIG. 3 represents a light-emitting diode used as a lighting source for an LCD display according to the invention.
  • This diode comprises an emissive zone (striped in the figure) formed of a plurality of ribbons n, r 2 , r 3 , r 4 , the arrangement of the ribbons being adapted to the shape of the surface of the LCD display.
  • An LCD display usually having a square or rectangular display surface, the ribbons are arranged so that the shape of the equivalent emission surface of width I and length L is substantially homothetic to that of the display. If the latter has a square shape, the ribbons are arranged so as to obtain an equivalent area emissive area of substantially square shape.
  • the width 1 r of a ribbon and the spacing e between two ribbons will typically depend on the technological constraints of manufacture.
  • the number of ribbons to adapt the shape of the emissive zone to the shape of the LCD display depends on it. For example, there are four ribbons of 500 ⁇ m ⁇ 100 ⁇ m each, with a spacing e between the ribbons less than 100 microns, for a useful area of a LCD display 13.7mm x 13.7mm.
  • the electrical contact on the emitting zone for the connection to a control electrode A (anode) of the diode is arranged at one end of the ribbons, at the edge of the emitting zone (and no longer on the emitting zone), the other contact K being arranged for example on the rear face of the substrate.
  • the diode is a bare chip, whose emitting area is formed of four ribbons arranged horizontally, side by side, with a very small spacing e in front of the width l r of each ribbon.
  • a source according to the invention finds an advantageous application in a device for modulating a coherent light wavefront of the optical valve type.
  • FIG. 5 diagrammatically shows the use of a lighting source of an LCD display according to the invention for optical addressing of a liquid crystal cell valve, in such a modulation device.
  • the photoconductive material is a sensitive material in the blue, such as BSO or CdSe for example, and the source is a diode emitting in the blue, allowing the superposition in the photoconductive material, of the two beams: laser beam to be corrected and incident beam of optical addressing of the valve.
  • the lighting source 1 comprises an LED diode having a structure according to the invention of the type shown in FIG. 3. This diode may be in the form of a bare chip.
  • the condenser 2 is an optical element not integrated with the diode, which makes it possible to collect the flux in the imaging optics (7).
  • the display (6) to be illuminated is advantageously positioned between the condenser 2 and the imaging optic 7 so that its surface to be addressed is covered by the beam coming from the diode, so as to take advantage of the existing ratio of homothety between diode and display.
  • the condenser is formed for example of two focal lenses adapted to the size of the LCD display. For some applications, typically for virtual reality applications, the condenser could even be formed of only one lens.
  • the surface of the emitting zone of the ribbon LED diode according to the invention being substantially homothetic of the surface of the display, the condenser indirectly provides the adaptation to the format of the display.
  • an optical valve with a useful diameter of the order of 20 mm for example, using as photoconductive material, BSO, whose sensitive wavelength (wavelength "writing” ) is the blue, and an addressing device with an LCD display of rectangular shape of 13.7mm x 18.3mm, which is used a useful area of display of 13.7mm x 13.7mm.
  • the flow collected on the valve has a very good homogeneity (of the order of 75%), which makes it possible to dispense with an integrator, an expensive and bulky device.
  • a light source according to the invention in an optical valve addressing device is therefore particularly advantageous. More generally, a lighting source according to the invention can be advantageously used in applications requiring a large luminous power and a small footprint and / or no heating (misalignment of laser alignment optics, noise of the fan), low consumption. Indeed, from the moment when it is known to adapt the emission surface of the diode (geometry of all the ribbons) to the geometry of the surface of a screen, it is possible to use such a source in all the products or LCD-based systems requiring backlighting.
  • this light source can be advantageously used in video applications with direct vision in combination with a planar waveguide of substantially homothetic section of the surface of the display.
  • an anamorphosing guide is used, a principle of which is described, for example, in the publication entitled “Compact holography beam expander", by I.Shariv, Y.Amitai and AA Friesem, published in OPTICS LETTERS, Vol.18, N ° 15, August 1993, and in the international application WO 99/52002, published October 14, 1999.
  • FIGs 6a and 6b illustrate a lighting system of an LCD display for such an application. It comprises a diode 13 according to the invention associated with a flux collection means, and a planar waveguide 14 of the anamorphosing type comprising a network R1 for coupling light from the LED and an extraction network R2 guide light from the R1 network.
  • the trace of the beam each time it is reflected in the guide is shown in dashed lines in Figure 6b. This trace illustrates the propagation of the beams that contribute to the homothetic transformation performed in the waveguide.
  • a lighting source according to the invention can still be advantageously used in applications of the visual type of helmet or virtual reality. In these applications, it is a question of producing a very light and very compact display device that can be integrated for example into a helmet, or a pair of glasses (non-exhaustive list).
  • the illumination device may comprise a lighting source according to the invention, very small and very light, with a format of the ribbons adapted to that of the LCD display which allows a gain of a factor of the order of 2.
  • FIG. 8 there is provided an LCD micro-imager 16, a lighting device
  • magnification operation the image is at infinity
  • this operation acts only on the image perceived by the observer but not at all on the illumination of the display.
  • the diode then comprises advantageously three ribbons respectively emitting in the R, G, B and geometry domains close to the pixel structure of the LCD display.
  • Such a ribbon diode R 1 V 1 B is shown schematically in Figure 7.
  • a lighting source according to the invention can also be used as a source of illumination in a video projector, as illustrated schematically in FIG. 9.
  • a lighting device 17 comprising a diode according to the invention and a projection optic 19, making it possible to make the image on a screen 20 by enlarging that displayed on the micro-imager LCD.
  • the diode comprises ribbons emitting in the spectral areas necessary for the application.
  • a white diode, or a diode containing RGB multi-ribbons may be provided: each multi-ribbon comprising a blue-emitting ribbon, a green-emitting ribbon and a red-emitting ribbon, as illustrated in FIG. Figure 7.
  • the ribbons are then chosen with a geometry suitable for obtaining a good colorimetry. In particular, they can be of different surface.
  • the adaptation of the wavelength-dependent diodes according to the applications is obtained by the choice of the semiconductor materials, with dopants and phosphorus compounds for example, ensuring the RGB color conversion from the wavelength d emission of the semiconductor material according to the state of the art.

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Abstract

Une source d'éclairage (1) d'un afficheur à cristaux liquides (6), comporte une diode émissive de lumière (LED), dont la zone émissive est formée d'une pluralité de rubans (r1, r2, r3, r4), la géométrie de l'ensemble des rubans étant adaptée à la géométrie de la surface de l'afficheur à éclairer. Application à la correction de surface d'onde laser, par modulateur à valve optique adressée optiquement, aux systèmes vidéo à vision directe à guide d'onde, à la vidéo-projection, aux systèmes de type visuels de casque ou réalité virtuelle.

Description

SOURCE D'ECLAIRAGE POUR AFFICHEUR A CRISTAUX LIQUIDES
La présente invention concerne une source d'éclairage pour des afficheurs de type écrans à cristaux liquides LCD (Liquid Crystal Displaγ').
Les sources de lumière habituellement utilisées pour l'éclairage arrière (ou rétro-éclairage) des afficheurs LCD sont les lampes à arc, tubes luminescents, ou des diodes électroluminescentes, en fonction des applications.
Pour les applications nécessitant une forte puissance lumineuse, ce sont les lampes à arc qui sont habituellement retenues.
En effet, les diodes électroluminescentes classiques ne permettent pas de fournir la puissance requise. Un exemple d'une telle diode est schématiquement représenté sur la figure 1. La zone active ou émissive de la diode a habituellement une surface circulaire (en rayé sur la figure), peu favorable à un éclairement efficace d'une surface carrée ou rectangulaire d'afficheur LCD. Les sources d'éclairage à diode sont ainsi peu efficaces. En outre, la présence d'un plot de contact électrique d'une électrode A (anode) dans la zone émissive a pour effet de créer une zone noire dans le plan de surface éclairée, qui entraîne une perte d'efficacité supplémentaire.
Pour ces raisons les diodes électroluminescentes ne sont pas ou peu utilisées comme source de rétro-éclairage des afficheurs à cristaux liquides LCD.
Notamment pour des applications plus spécifiques, dans des modules MFS de mise en forme spatiale du faisceau utilisant une valve optique commandée optiquement par un afficheur LCD, on utilise habituellement des lampes à arc comme source de rétro-éclairage de l'afficheur LCD.
On rappelle qu'une valve à adressage optique par photoconducteur, notée dans la suite plus simplement "valve optique" utilise la variation de la résistivité du matériau photoconducteur en fonction de l'intensité lumineuse à laquelle il est exposé, pour commander l'orientation des molécules à cristaux liquides. Par une commande appropriée du matériau photoconducteur de la valve optique, on peut ainsi piloter spatialement chaque point de la valve. De manière plus détaillée une valve optique est une large cellule à cristaux liquides, avec une électrode de commande uniforme, au contraire d'un afficheur LCD classique, qui comprend un réseau d'électrodes de commande disposées matriciellement, chacune commandant un point image ou pixel de la cellule à cristaux liquide. Une valve optique comporte plus précisément un substrat en verre sur lequel sont successivement déposées une première électrode, une cellule à cristaux liquides, une couche d'un matériau photoconducteur, et une deuxième électrode transparente aux longueurs d'onde utiles. Les électrodes sont généralement en ITO. Elles permettent l'application d'une tension alternative sur les éléments de la cellule à cristaux liquides, afin de conserver leurs propriétés optiques. Le matériau photoconducteur est par exemple du BSO (oxyde de Bismuth et de silicium) ou du silicium amorphe.
Dans le contexte du contrôle de la surface d'onde d'un faisceau laser, un tel module MFS est utilisé comme composant correcteur de surface d'onde, par exemple pour corriger les déformations d'une onde laser, dues aux effets non linéaires induits par les composants optiques prévus dans la chaîne ou cavité laser, typiquement les éléments d'amplification (par exemple les éléments de la chaîne de traitement des sources lasers à impulsions ultra-courtes).
Plus généralement, un tel module MFS est utilisé pour donner au front d'onde d'un faisceau de lumière cohérente, une forme adaptée à son utilisation, en commandant la valve optique de manière appropriée pour contrôler chaque point de la surface d'onde du faisceau laser que l'on veut corriger : la répartition spatiale de l'illumination incidente sur le photoconducteur permet de piloter la répartition spatiale de déphasage que l'on veut induire au moyen de la valve optique. En effet, lorsque l'on éclaire localement une valve optique par un faisceau lumineux (cohérent ou non), ayant une longueur d'onde à laquelle est sensible le matériau photoconducteur de la valve, les molécules de cristal liquide se trouvant sur le trajet de ce faisceau subissent une rotation, alors que les autres molécules restent à leur état initial (parallèles à la surface de la couche). Ainsi, sur le trajet de ce faisceau d'éclairage, le cristal liquide présente un indice optique différent de celui qu'il a en l'absence de faisceau d'éclairage. On crée ainsi une « lame de phase » optique programmable qui permet de moduler la surface d'onde d'un faisceau laser.
On a représenté en figure 2 un schéma simplifié d'un dispositif d'adressage optique de la valve 10, pour corriger un faisceau laser 9 émis par une source laser 8 (confère les demandes EP 0771009 ou EP 0829745). Le faisceau laser 9 est un faisceau de lumière cohérente, dont la longueur d'onde optique est hors du domaine de sensibilité du matériau photoconducteur de la valve optique 10, pour ne pas influencer sa conductivité. Le dispositif d'adressage optique comprend une source lumineuse
1 éclairant via un dispositif optique 10 condenseur et collimateur (combinaison optique comprenant une ou des lentilles, définie en fonction des caractéristiques d'émission de la source et des caractéristiques de la surface de focalisation), un afficheur LCD 6 (modulateur spatial de lumière) suivi d'un dispositif optique imageur (objectif) et d'une lame dichroïque 13 disposée à 45° sur le trajet du faisceau 8, en amont de la valve 10. La lame dichroïque 13 réfléchit le faisceau laser 9 vers la valve 10. La lame dichroïque filtre le faisceau lumineux issu de la source 1 , pour ne laisser passer que la longueur d'onde "d'écriture", à laquelle le matériau photoconducteur de la valve est sensible (la lame est transparente à cette longueur d'onde).
Les pixels de l'afficheur LCD 10 sont commandés électriquement par des signaux électriques Vx et Vy fournis par un dispositif 4 d'adressage de l'afficheur, à partir d'un signal vidéo 5 appliqué en entrée de commande. Il en résulte l'affichage d'une image vidéo, en fonction de la transparence commandée en chaque pixel de l'afficheur en fonction du signal vidéo.
La couche de cristaux liquides de la valve 10 est adressée optiquement par projection de l'image vidéo issue de l'afficheur 6. Cette image génère une répartition spatiale de tension qui induit localement une orientation des molécules de cristal liquide de la couche de cristaux liquides de la cellule. Il en résulte que le faisceau laser 9 subit une modulation spatiale de phase lors de la traversée de la valve. La loi de modulation de phase peut être programmée pour réaliser une forme d'onde quelconque à l'aide de l'image vidéo commande sur l'afficheur 6. Cette programmation peut être figée, ou bien évoluer dans le temps, en fonction des calculs temps réels des corrections à apporter au front d'onde laser.
Le faisceau lumineux 11 en sortie de la valve 10 a une surface d'onde modulée en phase par la valve, cette modulation pouvant aussi bien être utilisée pour corriger des dispersions de phase du faisceau laser 9 (pour qu'il soit à « onde plane ») que pour conférer une forme d'onde bien déterminée à ce faisceau. La combinaison d'un tel système avec un senseur de surface d'onde permet ainsi de contrôler la forme du front d'onde du faisceau 9 émis par le laser et d'appliquer un signal vidéo 5 de correction approprié en entrée du dispositif de commande 4 de l'afficheur LCD 6.
Les lampes à arc utilisées dans ces modules MFS d'adressage optique de valve, sont typiquement des lampes ayant une puissance électrique de l'ordre de 20 watts, pour répondre aux besoins de puissance de ces applications.
Cependant, les lampes à arc, comme les diodes et plus généralement les sources d'éclairage classiques, délivrent des diagrammes d'éclairement de forme cylindrique, peu adaptés au format carré ou rectangle des surfaces des afficheurs LCD. Les lampes à arc sont utilisées avec des dispositifs optiques complexes pour obtenir la meilleure efficacité de collection du flux lumineux émis par la source, tout en conservant une répartition du flux lumineux transmis la plus uniforme possible. On retrouve cependant un phénomène de zone d'ombre propre à la constitution de la lampe. En pratique on a une faible efficacité de collection du flux sur la valve optique du fait de la mauvaise adéquation des surfaces (au moins 50% du flux est perdu).
En outre, les lampes à arc ont comme inconvénient majeur un dégagement de chaleur important, dû au faible rendement lumineux. Un système de refroidissement est nécessaire, pour limiter les aberrations induites sur l'alignement du laser liées à la variation de température.
Ces lampes émettent dans tout le spectre visible, ce qui en plus de nécessiter un filtrage des longueurs d'onde inutiles (typiquement réalisé par la lampe dichroïque 13 - figure 2), entraîne que la puissance utile rayonnée est inférieure à la puissance nominale de la lampe. On a donc un rendement puissance lumineuse utile sur puissance électrique consommée assez médiocre.
Par ailleurs, le matériau photoconducteur de la valve a pour effet de réduire la résolution spatiale de la cellule à cristaux liquides. Prise seule, cette cellule a une résolution donnée par l'épaisseur de la couche de cristal liquide. Le matériau photoconducteur a pour effet de déformer les lignes de champ électrique, ce qui fait que c'est l'épaisseur du matériau photoconducteur qui gouverne la résolution spatiale de la valve. Or un matériau tel que le BSO est un matériau (cristal) épais, comparé à des photoconducteurs (généralement non transparents) en couche mince tels
I1AsGa, ou le silicium amorphe, d'où une résolution spatiale limitée.
Ces lampes présentent en outre généralement une non uniformité spatiale du flux émis, d'au moins 30% du flux moyen à la puissance nominale, ce qui est un inconvénient supplémentaire obligeant à utiliser des systèmes optiques de type intégrateur ,-matrice de lentilles plus système optique- qui sont des dispositifs encombrants et coûteux, en particulier pour une application dédiée à faible volume.
Une source d'éclairage par lampe à arc nécessite donc des dispositifs associés de ventilation, filtrage, homogénéisation, ce qui est encombrant et complexe, et qui entraîne du bruit (ventilation).
Enfin, la durée de vie de ces lampes est limitée, de l'ordre de 1000 heures, ce qui entraîne des coûts de maintenance non négligeables.
Or de nombreuses applications en visualisation directe nécessitent de disposer de sources d'éclairage compactes et légères, permettant d'éclairer des écrans de toutes dimensions (typiquement jusqu'à 7 ou 8 pouces de diagonales).
Pour certaines applications, l'optimisation des paramètres de compacité, efficacité lumineuse et contraste est un besoin majeur. C'est notamment le cas pour les imageurs ultra-légers utilisés pour les applications de visuel de casque en avionique ou dans le domaine civil, pour les applications de réalité virtuelle (Projection LCD pour des systèmes compacts du type near to eye). L'utilisation d'un écran LCD présente pour ces applications un avantage certain sur le plan compacité-poids, néanmoins des solutions d'éclairage adaptées doivent être trouvées pour assurer une compacité et un poids adaptés et une luminance suffisante permettant de présenter à l'utilisateur une image de contraste suffisant (typiquement supérieur à 5), en particulier en ambiance lumineuse élevée.
Des besoins comparables se retrouvent pour les applications de type LCD vision directe. On connaît des écrans LCD en vision directe muni d'un système d'éclairage à base de guide d'onde planaire, qui couple la source au guide d'onde par sa tranche, formant un système d'éclairage très plat, plus avantageux que les systèmes à tubes fluorescents. Mais des solutions pour améliorer la luminance et le contraste, nécessaires aux applications grands publics sont recherchées.
Les vidéo-projecteurs, qui utilisent généralement des lampes à arc 100 watts comme source d'éclairage souffrent aussi des différents inconvénients associés à l'utilisation de ces lampes, notamment la consommation électrique, le niveau de bruit dû à la nécessité d'un ventilateur associé et le coût de la maintenance, le défaut d'homogénéité du flux lumineux qui oblige à prévoir des intégrateurs dans le système d'éclairage et augmente l'encombrement des dispositifs.
L'invention a pour objet une source d'éclairage pour afficheur à cristaux liquides qui n'a pas les différents inconvénients des sources d'éclairage actuelles, et qui présente des propriétés de compacité, de faible consommation et d'efficacité d'éclairement avantageuses.
Un autre objet de l'invention est de proposer une source d'éclairage compacte, adaptable en longueur d'onde permettant un accord efficace à des matériaux de sensibilité spécifique, tel que par exemple les matériaux photoconducteurs utilisés dans les applications utilisant un adressage optique de valve.
Ce but est atteint dans l'invention, par l'utilisation d'une diode électroluminescente, dont la zone émissive est structurée en une pluralité de rubans dont l'arrangement est adapté à la géométrie de la surface de l'afficheur à éclairer.
L'adaptation des diodes en longueur d'onde en fonction des applications est obtenue par le choix des matériaux semi-conducteur, des dopants et des composés phosphores selon l'état de l'art. Ainsi, l'invention concerne un afficheur à cristaux liquides et une source d'éclairage associée, caractérisée en ce que la dite source comporte une diode émissive de lumière au moins, dont la zone émissive est formée d'une pluralité de rubans, la géométrie de l'ensemble des rubans étant adaptée à la géométrie de la surface de l'afficheur à éclairer, en sorte que la surface de la zone émissive de la diode soit sensiblement homothétique de la surface de l'afficheur.
L'invention concerne aussi une application d'une telle source à l'éclairage d'un afficheur LCD pour l'adressage optique d'une valve à cellule à cristaux liquides.
L'invention concerne aussi l'application d'une telle source d'éclairage d'afficheur LCD dans des vidéo projecteurs, les systèmes à vision directe en combinaison avec un guide d'onde, ou les visuels de casque ou de systèmes de réalité virtuelle.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite à titre indicatif et non limitatif de l'invention et en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 déjà décrite est un schéma simplifié d'une vue d'une diode électroluminescente de l'état de la technique ;
- la figure 2 déjà décrite est un schéma simplifié d'un dispositif d'adressage optique d'une valve à cellule à cristaux liquide, pour la correction de la surface d'onde d'un faisceau laser ; - la figure 3 est un schéma simplifié d'une vue d'une diode électroluminescente utilisée dans l'invention ;
- la figure 4 est un diagramme représentant la puissance lumineuse incidente de la source d'éclairage d'un afficheur LCD, nécessaire pour obtenir le taux d'ouverture optimum d'une valve optique dans le cas d'une source type lampe à arc et d'une source selon l'invention ;
- la figure 5 est un schéma simplifié d'un dispositif d'adressage optique d'une valve à cellule à cristaux liquide utilisant comme source d'éclairage une diode électroluminescente conforme à celle de la figure 3. ; - les figures 6a et 6b représentent schématiquement le principe d'un système d'éclairage selon l'invention utilisant un guide d'onde anamorphosant ;
- la figure 7 illustre de façon schématique une diode à rubans R1V1B ;
- la figure 8 est un schéma-bloc d'un système de réalité virtuelle ; et
- la figure 9 est un schéma-bloc d'un système de vidéo-projection.
La figure 3 représente une diode électroluminescente utilisée comme source d'éclairage d'un afficheur LCD selon l'invention.
Cette diode comprend une zone émissive (en rayé sur la figure) formée d'une pluralité de rubans n, r2, r3, r4, l'arrangement des rubans étant adapté à la forme de la surface de l'afficheur LCD. Un afficheur LCD ayant habituellement une surface d'affichage carrée ou rectangulaire, les rubans sont arrangés pour que la forme de la surface équivalente d'émission de largeur I et de longueur L soit sensiblement homothétique de celle de l'afficheur. Si ce dernier a une forme carrée, on dispose les rubans de façon à obtenir une surface équivalente de zone émissive de forme sensiblement carrée.
La largeur lr d'un ruban et l'espacement e entre deux rubans vont typiquement dépendre des contraintes technologiques de fabrication. Le nombre de rubans pour adapter la forme de la zone émissive à la forme de l'afficheur LCD en dépend. Par exemple on dispose quatre rubans de 500μmχ 100μm chacun, avec un espacement e entre les rubans inférieur à 100 microns, pour une zone utile d'un afficheur LCD de 13,7mm x 13,7mm.
Le contact électrique sur la zone émissive pour la connexion à une électrode de commande A (anode) de la diode est disposé à une extrémité des rubans, en bord de zone émissive (et non plus sur la zone émissive), l'autre contact K étant disposé par exemple sur la face arrière du substrat.
Dans l'exemple, la diode est une puce nue, dont la zone émissive est formée de quatre rubans disposés horizontalement, côte côte, avec un espacement e très faible devant la largeur lr de chaque ruban. Une source selon l'invention trouve une application avantageuse dans un dispositif de modulation d'un front d'onde de lumière cohérente du type à valve optique.
La figure 5 représente schématiquement l'utilisation d'une source d'éclairage d'un afficheur LCD selon l'invention pour un adressage optique d'une valve à cellule à cristaux liquides, dans un tel dispositif de modulation.
On retrouve l'afficheur LCD 6, le condenseur 2 entre la source et l'afficheur, l'optique d'imagerie 7 (objectif) entre l'afficheur et la valve 10.
Avantageusement, pour l'application de correction de surface d'onde laser, typiquement laser infrarouge ou infrarouge lointain, le matériau photoconducteur est un matériau sensible dans le bleu, tel que du BSO ou du CdSe par exemple, et la source est une diode émettant dans le bleu, permettant la superposition dans le matériau photoconducteur, des deux faisceaux : faisceau laser à corriger et faisceau incident d'adressage optique de la valve.
La source d'éclairage 1 comprend une diode LED ayant une structure selon l'invention du type représenté sur la figure 3. Cette diode peut se présenter sous la forme d'une puce nue .
Le condenseur 2 est un élément optique non intégré à la diode, qui permet de collecter le flux dans l'optique d'imagerie (7). L'afficheur (6) à éclairer est avantageusement positionné entre le condenseur 2 et l'optique d'imagerie 7 de sorte que sa surface à adresser soit couverte par le faisceau issu de la diode, de manière à profiter du rapport d'homothétie existant entre diode et afficheur. Le condenseur est formé par exemple de deux lentilles de focales adaptées à la taille de l'afficheur LCD. Pour certaines applications, typiquement pour les applications de réalité virtuelle, le condenseur pourrait même n'être formé que d'une seule lentille.
La surface de la zone émissive de la diode LED à ruban selon l'invention étant sensiblement homothétique de la surface de l'afficheur, le condenseur assure indirectement l'adaptation au format de l'afficheur.
Dans un exemple pratique, on considère une valve optique, avec un diamètre utile de l'ordre de 20 mm par exemple, utilisant comme matériau photoconducteur, du BSO, dont la longueur d'onde sensible (longueur d'onde "d'écriture") est le bleu, et un dispositif d'adressage avec un afficheur LCD de forme rectangulaire de 13,7mm x 18,3mm, dont on utilise une zone utile d'affichage de 13,7mm x 13,7mm.
On considère un dispositif d'adressage de cette valve utilisant une source d'éclairage selon l'invention (figure 5) d'autre part, avec une diode de 1 Watt électrique émettant dans le bleu, avec un spectre étroit (λ=455nm, Δλ=20nm) dont la zone émissive a par exemple les caractéristiques suivantes : elle comprend quatre rubans de 500μmχ 100μm avec un espacement e inférieur à 100 microns. Elle a un courant nominal de 350 mA. Sa consommation de 1W électrique permet de disposer de 0,5mW optiques par cm2 sur une surface de valve équivalente au format de l'afficheur LCD, en tenant compte des pertes induites par le système optique et l'afficheur LCD.
La comparaison avec un dispositif d'adressage de la valve selon l'état de la technique avec une lampe à arc de l'ordre de 20 watts montre : - une meilleure adaptation du spectre d'émission : seulement un tiers du flux lumineux incident émis par la diode LED 1 est nécessaire, soit 150 μwatts optiques/cm2 pour commander un taux d'ouverture de la valve (taux basculement des molécules de cristaux liquides) de 90%. Pour obtenir un tel taux d'ouverture avec une lampe à arc à 21 watts (électriques), c'est 1500μwatts optiques/cm2 qui sont nécessaires, soit 10 fois plus. C'est ce qui est représenté sur le diagramme de la figure 4. Ceci est notamment dû au très faible dispersement spectral de la diode (Δλ=20nm dans l'exemple), alors que la lampe à arc émet dans tout le spectre visible, et à la conformation de la zone émissive de la diode à celle de l'afficheur LCD, par la structure multi-rubans.
- une meilleure efficacité d'éclairement du photoconducteur du fait de la faible largeur spectrale d'émission de la diode.
- une meilleure efficacité de collection du flux sur la valve optique, dans un rapport deux, c'est à dire qu'avec une diode selon l'invention, on récupère deux fois plus de flux lumineux sur la valve qu'avec une lampe à arc, du fait de l'adéquation des surfaces.
- une meilleure adaptation du spectre d'émission au domaine de sensibilité du matériau photoconducteur, ce qui a pour effet de nécessiter moins de puissance optique (mw.cm"2) pour commander l'ensemble de la fonction de déphasage sur la valve, et d'offrir une meilleure résolution spatiale une meilleure résolution spatiale, inférieure à 100 μmètres, car la courbe d'absorption étant une fonction de la longueur d'onde, à une longueur d'onde proche du gap du matériau, le matériau se comporte comme une couche mince, c'est à dire que la longueur d'onde qui produit l'effet photo- électrique est absorbée sur une épaisseur beaucoup plus faible que l'épaisseur réelle du matériau. On obtient donc une bien meilleure résolution spatiale qu'avec une lampe à arc (résolution avec une lampe à arc liée à l'épaisseur totale de la couche de matériau photoconducteur, soit typiquement 1 mm), ce qui est un avantage certain pour la correction de la surface d'onde d'un faisceau laser.
- le flux collecté sur la valve présente une très bonne homogénéité (de l'ordre de 75%), ce qui permet de s'affranchir d'un intégrateur, dispositif coûteux et encombrant.
- une meilleure durée de vie : 30 000 heures avec une chute de luminance de 20%, contre 1000 heures seulement pour une lampe à arc.
- une consommation réduite : 1 watt contre 25 watts, et donc pas d'impact thermique sur les optiques d'alignement du faisceau laser.
- un design particulièrement compact de 250X120 mm2 et une architecture optique très simplifiée, comprenant la diode, un système de collection, un système d'imagerie de l'écran LCD sur la valve (pas d'intégrateur d'homogénéisation du flux ).
L'utilisation d'une source d'éclairage selon l'invention dans un dispositif d'adressage de valve optique se révèle donc particulièrement avantageuse. Plus généralement, une source d'éclairage selon l'invention peut être avantageusement utilisée dans les applications nécessitant une puissance lumineuse importante et un faible encombrement et/ou pas d'échauffement (déréglage des optiques d'alignement du laser, bruit du ventilateur), une faible consommation. En effet, à partir du moment où on sait adapter la surface d'émission de la diode (géométrie de l'ensemble des rubans) à la géométrie de la surface d'un écran, on peut utiliser une telle source dans tous les produits ou systèmes à base d'afficheur LCD nécessitant un rétro-éclairage.
Notamment, cette source d'éclairage peut être avantageusement utilisée dans les applications vidéo à vision directe en combinaison avec un guide d'onde planaire de section sensiblement homothétique de la surface de l'afficheur. Plus particulièrement, on utilise un guide anamorphosant, dont un principe est par exemple décrit dans la publication intitulée "Compact holographie beam expander", des auteurs I.Shariv, Y.Amitai et A.A. Friesem, publiée dans OPTICS LETTERS, Vol.18, N°15, Août 1993, et dans la demande internationale WO 99/52002, publiée le 14 octobre 1999.
Les figures 6a et 6b illustrent un système d'éclairage d'un afficheur LCD pour une telle application. Il comprend une diode 13 selon l'invention associée à un moyen de collection de flux, et un guide d'onde planaire 14, de type anamorphosant comprenant un réseau R1 de couplage de la lumière issue de la LED et un réseau R2 d'extraction de la lumière du guide depuis le réseau R1. La trace du faisceau à chaque fois qu'il se réfléchit dans le guide est représentée en pointillé sur la figure 6b. Cette trace illustre la propagation des faisceaux qui contribuent à la transformation homothétique opérée dans le guide d'onde.
Une source d'éclairage selon l'invention peut encore être avantageusement utilisée dans les applications de type visuel de casque ou réalité virtuelle. Dans ces applications, il s'agit de réaliser un dispositif de visualisation très léger et très compact pouvant être intégré par exemple dans un casque, ou à une paire de lunettes (liste non exhaustive). Pour cela, le dispositif d'illumination peut comprendre une source d'éclairage selon l'invention, très petite et très légère, avec un format des rubans adapté à celui de l'afficheur LCD qui permet un gain d'un facteur de l'ordre de 2. Pour une telle application de réalité virtuelle et comme illustré schématiquement sur la figure 8, on prévoit un micro-imageur LCD 16, un dispositif d'éclairage
17 comprenant une diode selon l'invention et une optique 18, telle que son foyer est au voisinage du micro-imageur 16, en sorte que l'image soit rejetée à l'infini pour que l'œil voit l'image sans accommoder. Dans ce cas l'optique
18 assure une opération de grossissement (l'image est à l'infini) mais cette opération n'agit que sur l'image perçue par l'observateur mais pas du tout sur l'éclairement de l'afficheur.
On peut en outre prévoir d'adapter la géométrie des rubans de la diode à la géométrie du pixel de l'afficheur LCD, de manière à utiliser les concepts d'éclairage spatiaux chromatiques décrits dans la demande de brevet EP publiée sous le numéro 0937273. La diode comprend alors avantageusement trois rubans émettant respectivement dans les domaines R, V, B, et de géométrie voisine de la structure du pixel de l'afficheur LCD. Une telle diode à rubans R1V1B est représentée schématiquement sur la figure 7. Ces conditions d'utilisation permettent de réaliser des afficheurs à très haute résolution, avec une source d'éclairage nécessitant très peu de puissance électrique.
Une source d'éclairage selon l'invention peut encore être utilisée comme source d'éclairage dans un vidéo-projecteur, comme illustré schématiquement sur la figure 9. Dans une telle application, on prévoit comme dans l'application précédente (figure 8), un micro-imageur LCD 16, un dispositif d'éclairage 17 comprenant une diode selon l'invention et une optique de projection 19, permettant de faire l'image sur un écran 20 en agrandissant celle affichée sur le micro-imageur LCD. On prévoit alors que la diode comprend des rubans émettant dans les domaines spectraux nécessaires à l'application. Par exemple, on peut prévoir une diode blanche, ou une diode contenant des multi-rubans RVB : chaque multi-ruban comprenant un ruban émettant dans le bleu, un ruban émettant dans le vert et un ruban émettant dans le rouge, comme illustré sur la figure 7. Les rubans sont alors choisis avec une géométrie adaptée à l'obtention d'une bonne colorimétrie. Notamment, ils peuvent être de surface différente.
L'adaptation des diodes en longueur d'onde en fonction des applications est obtenue par le choix des matériaux semi-conducteur, avec des dopants et des composés phosphores par exemple, assurant la conversion de couleur RVB à partir de la longueur d'onde d'émission du matériau semi-conducteur selon l'état de l'art.

Claims

REVENDICATIONS
1. Afficheur à cristaux liquides (6) et source d'éclairage (1 ) associée comprenant une source de lumière, caractérisé en ce que la dite source comporte au moins une diode émissive de lumière (LED), dont la zone émissive est formée d'une pluralité de rubans (n, r2, r3, r4), connectés à une électrode (A) par un contact électrique prévu en bord de zone émissive, la géométrie de l'ensemble des rubans étant adaptée à la géométrie de la surface de l'afficheur à éclairer en sorte que la surface de la zone émissive de la diode soit sensiblement homothétique de la surface de l'afficheur .
2. Afficheur à cristaux liquides (6) et source d'éclairage (1 ) associée selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la source d'éclairage comprend un élément optique externe apte à générer par homothétie une surface éclairée de taille relativement proche de la surface de l'afficheur.
3. Afficheur à cristaux liquides (6) et source d'éclairage (1 ) associée selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la pluralité de rubans émet dans un même domaine spectral.
4. Afficheur à cristaux liquides (6) et source d'éclairage (1 ) associée selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la pluralité de rubans émet dans des domaines spectraux différents.
5. Dispositif d'adressage optique d'une valve à cellule à cristaux liquides, caractérisé en ce que ledit dispositif d'adressage comprend un afficheur à cristaux liquide (6) et une source d'éclairage (1 ) associée selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, et en ce que ledit élément optique externe est un condenseur 2, qui permet de collecter le flux dans une optique d'imagerie (7) et en ce que l'afficheur (6) est positionné entre ledit condenseur et ladite optique d'imagerie de sorte que sa surface à adresser soit couverte par le faisceau issu de la diode, de manière à profiter du rapport d'homothétie existant entre diode et afficheur.
6. Dispositif de modulation d'un front d'onde de lumière cohérente du type à valve optique (10), caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif d'adressage optique de la valve (10) selon la revendication 5.
7. Dispositif de modulation selon la revendication 6, caractérisé en ce que la longueur d'onde d'émission de la diode est déterminée en fonction de la sensibilité du matériau photoconducteur de la valve (10).
8. Dispositif de modulation selon la revendication 7, caractérisé en ce que la diode émet dans le bleu, et en ce que le matériau photoconducteur est un matériau sensible dans le bleu.
9. Système de vidéo-projection comprenant un afficheur LCD (15) associé à une source d'éclairage (13) selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que ladite source d'éclairage est couplée à un guide d'onde planaire (14) de type anamorphosant, de section homothétique de la surface dudit afficheur (15), ledit guide assurant un transport homothétique du faisceau de lumière.
10. Système de réalité virtuelle comprenant un afficheur LCD (16) associé à une source d'éclairage (17) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4.
11. Système de réalité virtuelle selon la revendication 10 prise en combinaison avec la revendication 4, caractérisé en ce que la diode comprend trois rubans émettant respectivement dans les domaines R, V, B, et de géométrie voisine de la structure du pixel de l'afficheur LCD.
12. Système à vidéo-projecteur (20), comprenant un afficheur LCD (16) micro-imageur associé à une source d'éclairage (17) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4.
13. Système de vidéo-projection selon la revendication 12, prise en combinaison avec la revendication 4, caractérisé en ce que la zone émissive de la diode comprend des multi-rubans, chaque multi-ruban comprenant un ruban émettant dans le bleu, un ruban émettant dans le vert et un ruban émettant dans le rouge, la géométrie des rubans étant adaptée à l'obtention d'une colorimétrie prédéterminée.
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