WO2008135666A1 - Dispositif d'affichage a cristal liquide de type nematique optimisant l'etat passant et procede d'optimisation de ce dispositif - Google Patents

Dispositif d'affichage a cristal liquide de type nematique optimisant l'etat passant et procede d'optimisation de ce dispositif Download PDF

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WO2008135666A1
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polarizer
neutral
colored
display device
substrate
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Cécile Joubert
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Societe Nemoptic
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    • G02F2203/00—Function characteristic
    • G02F2203/05—Function characteristic wavelength dependent

Definitions

  • the present invention relates to the field of liquid crystal display devices and more particularly to the optical configuration of a bistable nematic display operating in an optical mode that optimizes the on state of this display (so-called "white” state), but it generally relates to all types of liquid crystal displays.
  • the present invention applies in particular to reflective displays. However, it is not strictly limited to this application.
  • the invention also relates to displays of transfiective or transmissive type. PURPOSE OF THE INVENTION
  • a general object of the present invention is to improve the white state of a display device, more precisely in reflective or transfective mode to obtain a reflectance (or brightness) of the white state of good quality in terms of luminance and colorimetry over the entire viewing angle.
  • the type of bistable liquid crystal display considered is a display that switches between two textures, stable without applied electric field (hence its bistability), different from each other by an angle of 180 °.
  • the angle ⁇ u between the directors of the liquid crystal molecules on the two surfaces of the cell is of the order of 0 to ⁇ 20 °.
  • the molecules remain almost parallel to each other, and therefore substantially parallel to the substrate, and we will call this texture U.
  • the second texture T has a twist angle ⁇ j ⁇ ⁇ u ⁇ 180 ° (the equality is not strict because of the phenomenon sliding of the molecules on the alignment layer).
  • the molecules effect, in the texture T a rotation of about 180 ° ( ⁇ 20 °) between the two surfaces of the cell, also remaining substantially parallel to the substrate.
  • the torsion of the two textures U and T differs from 150 ° to 180 ° in absolute value.
  • Crystal molecules liquids are aligned on each surface of the cell with an alignment layer, the alignment being carried out conventionally by brushing these layers.
  • the nematic liquid crystal is chiralised so as to present a spontaneous pitch close to four times the thickness d of the cell, to equalize the energies of the two textures.
  • the ratio between the thickness d and the spontaneous pitch po, ie d / po, is therefore approximately equal to 0.25 +/- 0.05.
  • the U and T textures are the states of the minimum energy liquid crystal molecules.
  • the document [1] describes a display that switches between the two U and T textures by applying a precisely shaped electric field pulse.
  • This display is based on a break of the zenith anchorage of the liquid crystal molecule on one of the alignment layers (documents [2] and [3]).
  • the liquid crystal molecule is lifted by the electric field before falling on one side or the other according to the shape of the electric pulse applied, thus obtaining the two textures U and T.
  • the The structure of the electrodes necessary for the application of the field is standard, identical to that used for TN or STN type liquid crystal displays.
  • This display is generally called BiNem ® .
  • the document [4] describes a display which also uses an anchoring break and a particular type of electrodes (called “comb shaped electrodes”), making it possible to obtain a component of the lateral electric field, ie parallel to the substrate.
  • the switching between the two textures is performed in this case by an effect qualified by the author of breakage of the azimuthal anchoring (document [5]).
  • the switching method is not essential for the present invention.
  • the textures of the liquid crystal molecules are the same, the switching taking place between two twisted textures, one slightly crooked of angle ⁇ u, named U, and the other strongly twisted angle ⁇ i ⁇ ⁇ u ⁇ 180 ° named T.
  • the optical behavior of the display depends mainly on the textures of the liquid crystal molecules.
  • the image is revealed using a (polarizer and reflector mode) or two polarizers located on each side of the liquid crystal layer, which, depending on the angle their axis passes from the director liquid crystal molecules on the alignment layers will affect each of the U and T textures either the on state (or white) or the blocking state (or black).
  • the polarizers used and sold in the trade are so-called neutral polarizers, that is to say they transmit or block the polarization of the light in substantially equivalent manner over the entire visible spectrum and whatever the direction of polarization of the incident light.
  • the main optical modes of an LCD display are the reflective mode, which uses a reflector on the opposite side to the observer's side and ambient light as a light source and the transmissive mode that uses backlighting, on the opposite side to the observer's side.
  • the optimization of the white or on state concerns both the colorimetry and the luminance.
  • This luminance is expressed in the form of a high transmission in transmissive mode, and a high reflectance (or brightness) in reflective mode, this reflectance corresponding to a return of the light through the cell.
  • a high transmission in transmissive mode and a high reflectance (or brightness) in reflective mode, this reflectance corresponding to a return of the light through the cell.
  • a high reflectance (or brightness) in reflective mode this reflectance corresponding to a return of the light through the cell.
  • what is sought is to obtain a display that most resembles black ink on white paper.
  • the transflective mode is a mixed mode in which the display is partially reflective and partially transmissive so when operating in the reflective mode, it uses the ambient lighting, and when it operates in the transmissive mode, it is illuminated by the light. 'back.
  • a mode that uses two polarizers and a reflector This reflector is generally diffusing.
  • One of the polarizers is placed on the observer's side and is transmissive.
  • the second polarizer said rear polarizer and the reflector are instead placed on the back of the display, the opposite of the observer with respect to the liquid crystal layer.
  • the rear polarizer and the reflector may be merged into one component, performing both the polarizing function and the reflective function, it is called reflective polarizer.
  • the polarizing function and the reflective function can also be separated, the transmissive rear polarizer and the reflector
  • the polarizer / reflector component is usually outside the cell, which creates an additional parasitic image (also called parallax effect) offset by twice the distance between the mirror and the mirror. cell.
  • the optical optimization of this mode in terms of angles of the polarizers between them is described in document [12].
  • the polarizer / reflector component must be integrated inside the cell. However, this integration is difficult on an industrial scale to date.
  • This mode uses a cell delay (the delay being defined as the product between the thickness of the liquid crystal cell d and the index modulation of the liquid crystal used in the display ⁇ n) of the same order of magnitude as a display operating in a transmissive mode between ⁇ / 3 and ⁇ / 2, ⁇ being a wavelength of the visible spectrum, preferably around 250 nm +/- 70 nm.
  • documents [4], [6] and [7] compute optimal modes for a linear input polarizer.
  • Document [8] studies this reflective mode using a circular type input polarizer.
  • This mode typically uses a cell delay ⁇ n.d of the order of ⁇ / 4, preferably 140 nm +/- 60 nm.
  • the transmissive mode applied to the bistable display using U and T textures previously defined has been studied and optimized in document [13].
  • Two transmissive type polarizers are located on either side of the liquid crystal layer. It typically uses a cell delay ⁇ n.d between ⁇ / 3 and ⁇ / 2, preferably around 250 nm +/- 70 nm.
  • Figure 2 describes the structure of a bistable display using the two textures U and T as described above.
  • the liquid crystal layer (XL) is situated between two transparent substrates SUa and SUb, for example made of glass or made of a flexible material, on which electrodes ELa and ELb are deposited for applying the electric field, conventionally made of ITO, and alignment layers ALa and ALb to align liquid crystal molecules.
  • This set is called liquid crystal cell.
  • the polarizer POa located on the side of the observer (9) is transmissive and neutral type, and in this non-limiting diagram the neutral rear polarizer POb is located outside the rear substrate. It can be reflective, transflective or transmissive.
  • the reference (x, y, z) chosen is such that z is perpendicular to the surface of the substrates and x parallel to the brushing direction of the alignment layer ALb.
  • the rear polarizer does not exist, and only a neutral reflector and preferentially diffusing appears at the rear of the cell (outside or inside the cell, and in this case last case it can be confused with the ELb electrode).
  • the document [10] describes the outline of a reflective mode with two polarizers without specifying the exact configuration and the calculation mode of such a configuration.
  • Document [11] describes an improvement in the colorimetry of white by the use of an absorbent film in the green / yellow region whose spectrum is given in Figure 2 of this document. It can be seen in this figure that it is a purely absorbent film without any other optical function.
  • the cell has a slightly greenish white state.
  • the film absorbs an appropriate amount of light in this wavelength range and a colorimetrically more neutral white state is obtained.
  • the film has a fixed absorption spectrum and thus determines in a determined manner the transmission T ( ⁇ ) of the passing state of the cell (in reflective mode it is the square of this transmission which affects the light coming from the illumination ambient and arriving at the observer after a round trip through the cell).
  • the parameters that significantly influence the spectral transmission T ( ⁇ ) of the cell are mainly but not limitatively the delay ⁇ n.d of the cell, which can be modified by the display manufacturer during a change in the manufacturing process for example, and the values of the twists ⁇ u and ⁇ i of the two textures.
  • the transmission of a bistable liquid crystal cell using the U and T textures, as well as the colorimetry of its passing state, can be calculated for different delay values ⁇ n.d and twist ⁇ u and ⁇ j.
  • the brightness is equal to the transmission of the cell after a round trip through the liquid crystal cell.
  • the angle of this polarizer and optionally the addition of a birefringent film optimizes the optical performance of the display [documents 14 and 15].
  • each cell delay value corresponds to an optimal configuration of the angles ⁇ R and ⁇ obs respectively corresponding to the passing axis of the rear polarizer and the front polarizer on the observer side of the cell, these polarizers being neutral [documents 12 and 13].
  • the optimal compromise is to maximize the brightness of the cell, but the hue of the on state is then green or yellow.
  • Table 1 shows some examples of configurations (dl, d2, d3 and d4) given in document [12].
  • the brightness and the colorimetric coordinates of the on or off state are calculated and FIG. 3 illustrates the position of the corresponding colorimetric points in the chromatic triangle (u ', v') shown schematically in FIG. 4 where the references R, B, V , J and W represent respectively the red, blue, green, yellow and white areas of the color triangle.
  • the present invention aims at the colorimetric optimization of the on state (preferentially white state, but the on state can also be of another shade or grayed according to the application) of a display operating in refective, transflective mode or transmissive, this optimization being carried out using an additional component.
  • the invention is applicable to any type of liquid crystal display device. It is applicable advantageously but not exclusively to devices having two stable states in the absence of application of a control voltage.
  • the invention therefore relates to a nematic liquid crystal display device comprising:
  • liquid crystal layer between a first and a second substrate
  • At least one neutral polarizer having a substantially equivalent transmission for all the wavelengths of the visible spectrum, regardless of the incident polarization of the light, and being associated with one of the substrates, that is to say located on the same side as said substrate with respect to the liquid crystal layer,
  • this display device comprises a colored polarizer having a variable transmission as a function of the wavelengths of the visible spectrum and as a function of the direction of polarization of the light, said colored polarizer being associated with said neutral polarizer it is ie located on the same side as said neutral polarizer with respect to the liquid crystal layer and the direction of its axis passing relative to the direction of the passing axis of the neutral polarizer being oriented to adjust the colorimetry and / or the brightness of the on state of the display device.
  • the direction of the axis passing from the colored polarizer with respect to the direction of the passing axis of the neutral polarizer is chosen so that its angle with the direction of the axis passing from the neutral polarizer is less than plus or minus 25. degrees.
  • the direction of the axis passing from the color polarizer can be substantially parallel to the direction of the passing axis of the neutral polarizer, that is to say that the direction of the axis passing the colored polarizer relative to the direction of the axis passing the neutral polarizer is chosen so that its angle with the direction of the axis passing from the neutral polarizer is less than plus or minus 5 degrees.
  • said first substrate is intended to be located on the side of an observer and carries a first transmissive neutral polarizer which has a substantially equivalent transmission for all the wavelengths of the visible spectrum and whatever the incident polarization of light.
  • the second substrate is intended to be located on the opposite side to the observer with respect to the liquid crystal layer and bears on one of its faces: either a reflective neutral polarizer, or a second transmissive neutral polarizer and a neutral reflector, or a second transmissive neutral polarizer, said colored polarizer being associated with either the first neutral polarizer, or the reflective neutral polarizer, or the second neutral polarizer.
  • said first substrate is intended to be located on the side of an observer and carries a first transmissive neutral polarizer which has a substantially equivalent transmission for all the wavelengths of the visible spectrum and whatever the polarization incident of light.
  • the second substrate is intended to be located on the opposite side to the observer with respect to the liquid crystal layer and carries a neutral reflector on one of its faces.
  • the color polarizer is associated with the first transmissive neutral polarizer.
  • the colored polarizer is located between a neutral polarizer and the substrate with which this neutral polarizer is associated.
  • a neutral polarizer is located between the colored polarizer and the substrate with which said neutral polarizer is associated.
  • the display device comprises two stable states without an electric field applied to the device.
  • the two stable states without an electric field correspond to two twisted textures of the liquid crystal, whose torsion differs from 150 ° to 180 ° in absolute value.
  • the optical delay of the display device is between 180 and 320 nanometers.
  • the optical delay of the display device may advantageously be between 80 and 200 nanometers.
  • the invention is also applicable to a device comprising a matrix of color filters.
  • the invention also relates to a method for optimizing the colorimetry of the passing state of at least one nematic liquid crystal display device comprising a liquid crystal layer comprised between a first and a second substrate, at least one polarizer neutral having a substantially equivalent transmission for all wavelengths of the visible spectrum and regardless of the incident polarization of the light being associated with one of the substrates.
  • the method according to the invention comprises the following steps: a) associating with said neutral polarizer, a colored polarizer having a variable transmission as a function of the wavelengths of the visible spectrum and as a function of the direction of polarization of the light, b) directing the direction of the axis passing from the color polarizer relative to the direction of the passing axis of the neutral polarizer so as to adjust the colorimetry and / or brightness of the on state of the display device.
  • the color and the brightness of the light are determined for several orientations of the direction of the axis passing from the colored polarizer relative to the direction of the passing axis of the neutral polarizer. resulting from the on state of the display device, then we choose an orientation of the axis passing the colored polarizer relative to the direction of the axis passing of the neutral polarizer which provides a specific brightness and / or a color of light determined.
  • the invention also provides that, in order to optimize the on state of several display devices, the following steps are performed: a) for each display device among a given number of display devices, the different positions of the blank are determined for different orientations of the direction of the axis passing from the colored polarizer relative to the direction of the passing axis of the neutral polarizer, b) from these different measurements, we choose the direction of the direction of the axis passing colored polarizer relative to the direction of the passing axis of the neutral polarizer which provides for these different display devices gloss and / or colorimetry closest to the desired white.
  • the direction of the axis passing from the colored polarizer relative to the direction of the passing axis of the neutral polarizer is chosen so that its angle with the direction of the axis passing from the neutral polarizer is less than plus or minus 25. degrees.
  • the direction of the axis passing from the colored polarizer is substantially parallel to the direction of the axis passing the neutral polarizer.
  • the method of the invention is applicable to a display device which has two stable states without an electric field.
  • these two stable states without an electric field correspond to two twisted textures of the liquid crystal, whose torsion differs from 150 ° to 180 ° in absolute value;
  • the method of the invention is also applicable to a display device in which said first substrate is intended to be located on the side of an observer and carries a first transmissive neutral polarizer, and wherein the second substrate is intended for be located on the opposite side to the observer with respect to the liquid crystal layer and on one of its faces: either a reflective neutral polarizer, a second transmissive neutral polarizer and a neutral reflector, or a second transmissive neutral polarizer said color polarizer can then be associated with either the first neutral polarizer, the reflective neutral polarizer, or the second neutral polarizer.
  • the method of the invention is applicable to a display device in which said first substrate is intended to be located on the side of an observer and carries a first transmissive neutral polarizer, the second substrate is intended for be located on the opposite side to the observer with respect to the liquid crystal layer and carry a neutral reflector: either on its face located on the same side as the liquid crystal layer relative to the second substrate, or on its side located on the side opposed to the liquid crystal layer with respect to the second substrate, said colored polarizer being associated with the first transmissive neutral polarizer.
  • FIG. 1 transmission curves (previously described) of a neutral polarizer for different polarizations of light
  • FIG. 3 the colorimetric positions of the color of the on state of four display devices
  • FIG. 4 a color triangle (u ', v') known in the art
  • FIG. 5 transmission curves of a colored polarizer for different polarizations of the light
  • FIG. 6 shows the brightness curves of four display devices according to the invention as a function of the difference in angle between the direction of the neutral polarizer and the direction of the colored polarizer
  • FIG. 7 curves which illustrate the method according to the invention, showing the evolution of the colorimetric coordinates of four devices according to the invention as a function of the difference in angle between the direction of the neutral polarizer and the direction of the polarizer.
  • FIG. 8 the orientation of the axis passing from a colored polarizer with respect to two neutral polarizers of a display device according to the invention
  • FIG. 9 an exemplary embodiment of a display device according to the invention.
  • FIG. 10 a brightness curve as a function of the difference in angle between the direction of the neutral polarizer and the direction of the colored polarizer of a display device according to the invention
  • FIG. 11 shows the positions of the colorimetry of the passing state of a display device as a function of the difference in angle between the direction of the neutral polarizer and the direction of the colored polarizer.
  • FIGS. 12 to 14 various embodiments of the display device according to the invention.
  • FIG. 15 curves of variation of the colorimetry relating to the device of FIG. 14,
  • FIG. 16 a curve of variation of brightness relative to the device of FIG. 14,
  • FIGS. 17 and 18 alternative embodiments of a device according to the invention operating in reflection and having only one neutral polarizer
  • FIG. 19 a variation curve of the colorimetry of a device such as that of FIG. 17,
  • FIGS. 20 and 21 variant embodiments of a device according to the invention operating in transmission
  • the object of the invention is to provide, in a liquid crystal display device, a polarizer having a light polarization direction for a polarization direction. determined a variable transmission according to the wavelengths of the visible spectrum and according to the direction of the polarization of the incident light.
  • This type of polarizer is commonly called non-neutral polarizer or colored polarizer.
  • the object of the invention is also to orient appropriately to the display device, the orientation of the color polarizer relative to the orientation of a neutral polarizer of the display device.
  • neutral component a component that has substantially the same behavior for all wavelengths of the visible spectrum.
  • a neutral polarizer has a substantially equivalent transmission for all wavelengths (for example less than 10% to 15% of variation on the 450 nm visible spectrum at 650 nm), and whatever the direction of polarization of incident light (Figure 1).
  • neutral reflector denotes a reflector that does not have a polarizing function and that equivalently reflects light regardless of its wavelength (for example less than 10% to 15% of variation on the visible spectrum 450nm at 650 nm).
  • the "off state” corresponding to the on state appears yellow because the red and blue parts of the spectrum are polarized along the absorbing axis of the neutral polarizer and therefore strongly absorbed, while the green / yellow portion of the spectrum is polarized perpendicular to the absorbing axis and is therefore transmitted.
  • the neutral polarizer is replaced by a colored polarizer, there is very little absorption in the red and blue parts of the spectrum and therefore blue, green and red are transmitted, giving a "off state”” White ".
  • the ON state of the STN's yellow mode appears black (blocking state) because all spectral components are absorbed.
  • the use of colored polarizers in STN displays is for example described in documents [16] and [17].
  • the display comprises two polarizers, one on each side of the liquid crystal layer.
  • one of the neutral polarizers is replaced by a colored polarizer.
  • the mode using a colored polarizer is currently used in low-cost STN displays, because for the others, there is another way to get a white background STN display, this time with black characters and no longer purple.
  • This method consists in the addition of a birefringent film between the two neutral polarizers of the STN display, which acts directly on the polarization state of the light without absorbing anything. These displays are called FSTN as "Film Compensated STN".
  • the colored polarizer was abandoned in favor of the use of a birefringent film.
  • FIG. 5 An example of the behavior of one of these "colored" polarizers is given in FIG. 5. This figure shows the spectral transmission of such a polarizer. In dashed lines, the theoretical transmission (calculated by simulation) is shown and in continuous lines the measured transmission is shown in solid lines.
  • Curve a) represents transmission through a colored polarizer for incident light whose polarization axis is parallel to the passing axis of the polarizer.
  • Curve b) represents the transmission for an incident light whose axis of polarization is perpendicular to the axis passing, that is to say parallel to the absorbing axis of the polarizer.
  • Curve c) represents the transmission for a non-polarized light (that is to say, polarized on average half for the axis passing and half for the axis perpendicular to the axis passing called the absorbing axis).
  • the invention provides an optical configuration of the display combining the conventional optical architecture with a "colored" polarizer whose wavelength-dependent absorption property is used and depending on the direction of polarization of the incident light.
  • the colored polarizer is integrated in the optical stack of the display.
  • FIG. 9 represents an exemplary embodiment of the display device according to the invention.
  • This device comprises a liquid crystal layer 1 which is sandwiched between two substrates 3a and 3b.
  • the substrate plates 3a and 3b carry alignment layers 2a and 2b on their face in contact with the liquid crystal.
  • neutral polarizers 4a and 4b On both sides of the substrates are provided neutral polarizers 4a and 4b.
  • the neutral polarizer 4a located on the side of the observer 9 is a transmissive neutral polarizer.
  • the neutral polarizer 4b located on the side opposite to the observer 9 with respect to the liquid crystal is, by way of example in FIG. 9, a neutral polarizer of reflective type.
  • the exemplary embodiment of the display device according to the invention of FIG. 9 has a colored polarizer 5 which is located between the neutral polarizer 4a and the substrate plate 3a.
  • the angle of the passing axis of the colored polariser 5 is varied with respect to the angle of the passing axis of the neutral polarizer 4a, until the best compromise of the torque (brightness, colorimetry) of the passing state.
  • the absorption of the colored polarizer being a function of the incident polarization
  • varying the angle of its axis passing relative to the angle of the passing axis of the neutral polarizer 4a will allow to adjust the amount of light absorbed by function of the wavelength by the colored polarizer, and thus to obtain an adjustable on-state colorimetry, which will be made as close as possible to a reference white.
  • do not go too far from each other the two axes passing because then the brightness of the on state decreases too much.
  • Figures 6 and 7 correspond to simulations illustrating this optimization method. These simulations focused on four display devices such as devices d1 to d4 whose characteristics are described in Table 1 above. To carry out these simulations, these visualization devices have been equipped with a colored polarizer 5 as represented in the device of FIG. 9.
  • FIG. 8 represents the orientations of the passing axes of the polarizers 4a, 4b and 5 relative to one another.
  • the arrow X4a represents the orientation of the axis passing from the polarizer 4a.
  • the arrow X4b represents the orientation of the passing axis of the polarizer 4b and the arrow X5 represents the orientation of the passing axis of the colored polarizer 5.
  • the passing axis of the polarizer 4a makes an angle ⁇ obs with the reference axis x.
  • the axis passing from the polarizer 4b makes an angle of ⁇ R with the x axis.
  • the axis passing from the colored polarizer makes an angle ⁇ col with the x axis.
  • the orientation of the axis passing from the polarizer 5 with respect to the passing axis of the polarizer 4a is varied.
  • We thus vary the difference ⁇ ⁇ obs - ⁇ col.
  • the curves b1 to b4 represent the brightness variations respectively for the devices d1 to d4.
  • the best result in terms of gloss is obtained when the two passing axes of the neutral polarizer 4a and the colored polarizer 5 are strictly parallel, and this for the four devices, but then the colorimetry is not optimized.
  • the brightness is therefore very close to its maximum value when the direction of the axis passing from the colored polarizer is substantially parallel to the direction of the passing axis of the neutral polarizer, or for ⁇ ⁇ 5 ° in absolute value.
  • FIG. 7 describes the variation of the color of the passing state in space (u ⁇ v ') as a function of ⁇ for the 4 cases studied, to which a colored polarizer according to the invention has been combined.
  • the points referenced d1 to d4 represent the colorimetric points of the on state of the four display devices d1 to d4 previously described in the absence of a colored polarizer 5.
  • the colored polarizer 5 with respect to the neutral polarizer 4a to further improve the colorimetry of the white of these display devices.
  • ⁇ will not exceed about 25 ° in absolute value so as not to lose too much gloss and advantageously ⁇ will be less than 20 ° in absolute value.
  • the choice of the ⁇ value therefore allows an optimization latitude.
  • Another advantage of the invention is that with the same component as for example that described in FIG. 9, it is possible to adapt the colorimetry of displays having different delays and twist values.
  • Figure 7 With the same colored polarizer, one can obtain for the four cases a colorimetry of the state passing improved with a latitude of choice of the shade while playing on ⁇ .
  • FIG. 11 illustrates the measured color of the various passing states mentioned above.
  • the point el illustrates the colorimetry in the on state of the device in the absence of a colored polarizer.
  • the curve ce illustrates the variation of the colorimetry, in the on state of the same device equipped with a neutral polarizer for different orientations of the colored polarizer relative to the neutral polarizer.
  • the points corresponding to the configurations with colored polarizer are closer to the D65 and a shift of -5 ° allows to further reduce the distance and change the hue of blue / green to get closer to the white.
  • the colored polarizer 5 is situated under the neutral polarizer 4a on the observer side, but it can also be integrated at another place of the optical stack of the display.
  • the colored polarizer 5 is located below the transmissive neutral polarizer 4a on the observer side 9.
  • the polarizer 4b is of the reflective type.
  • the invention also provides that the colored polarizer can be located on the opposite side to the observer with respect to the liquid crystal 1.
  • Figs. 13 and 14 show structures in which the color polarizer 5 is located on the opposite side of the observer from the liquid crystal.
  • FIG. 13 shows a structure in which the color polarizer 5 is located between the reflective neutral polarizer 4b and the substrate 3b for the device using a polarizer on the opposite side to the observer.
  • the device comprises, on the opposite side of the liquid crystal with respect to the observer, a transmissive neutral polarizer 6b and a neutral reflector.
  • the colored polarizer 5 is situated between the neutral polarizer 6b and the substrate 3b, but could be located between the neutral polarizer 6b and the neutral reflector 7.
  • FIG. 15 shows the variation of the colorimetric point of the on state as a function of ⁇ of the device d1 described above and integrating the invention as shown schematically in FIG. 14, with the polarizer opposite to the observer.
  • This variation is described by the curve p'1.
  • the variation described by the curve pi corresponds to the color polarizer on the observer side as provided in the device of FIG. 9.
  • FIG. 16 represents the variation of brightness as a function of ⁇ for the same device of FIG. 14. It is noted that an optimization of the torque (brightness, colorimetry) is also possible as described previously.
  • the optical delay of the cell is preferably 250 nm + / - 70 nm.
  • FIG. 19 illustrates the variation of colorimetry, in the on state, of such a device as a function of the orientation of the colored polarizer relative to the neutral polarizer.
  • the variation of the color point corresponding to the on state is described by the curve c5. It can thus be seen on this curve that optimization of the colorimetry according to the invention is possible.
  • the optical delay of the cell is preferably 140 nm +/- 60 nm.
  • the neutral polarizer located on the opposite side to the observer with respect to the liquid crystal layer can be a reflective polarizer, transflective but it can also be transmissive type.
  • transmissive mode one will start from a configuration as described for example in the document [13] and one will look for the color polarizer of the trade best adapted in term of absorption. The colored polarizer will then be integrated into the optical stack of the display as previously described. Then applying the method described below will look for the best compromise (brightness, colorimetry).
  • Figures 20 and 21 show variants of display devices according to the invention operating in transmission.
  • the colored polarizer 5 is associated with a transmissive neutral polarizer.
  • the polarizer 5 is situated between the transmissive neutral polarizer 6b and the substrate 3b.
  • the colored polarizer 5 is located between the neutral polariser 4a (also transmissive) and the substrate 3a.
  • the intrinsic value of the blocking state ie the contrast, which is an important parameter in the transmissive mode, is determined by the neutral polarizer pair 4a / neutral polarizer 4b.
  • the colored polarizer 5 has essentially an influence on the on-state colorimetry and the intrinsic transmission of the liquid crystal cell.
  • FIG. 22 represents an exemplary embodiment of such a device operating in reflection.
  • a matrix of green and red blue color filters is exemplary on the face of the substrate 3b, it can also be located on the face of the substrate 3a.
  • the colored polarizer 5 is located on the neutral polarizer 4a as in the Figure 9, but could be located in other locations as previously described.
  • the colored polarizer is preferentially but not exclusively limited to the neutral polarizer with which it is associated.
  • One or more birefringent optical compensation films may also be added to the optical stack according to the invention, these films being integrated in the optical stack in the same manner as the other optical components.

Abstract

L'invention concerne un dispositif de visualisation à cristal liquide nématique comprenant au moins un polariseur neutre (4a) possédant une transmission sensiblement équivalente pour toutes les longueurs d'onde du spectre visible et ce quelle que soit la polarisation incidente de la lumière. Selon l'invention, un polariseur coloré (5) possédant une transmission variable en fonction des longueurs d'onde du spectre visible et en fonction de la direction de polarisation de la lumière est associé audit polariseur neutre (4a) et la direction de son axe passant par rapport à la direction de l'axe passant du polariseur neutre (4a) est orientée de façon à ajuster la colorimétrie et/ou la brillance de l'état passant du dispositif d'affichage.

Description

DISPOSITIF D'AFFICHAGE A CRISTAL LIQUIDE
DE TYPE NEMATIQUE OPTIMISANT L'ETAT PASSANT
ET PROCEDE D'OPTIMISATION DE CE DISPOSITIF
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention concerne le domaine des dispositifs d'affichage à cristal liquide et plus particulièrement la configuration optique d'un afficheur nématique bistable fonctionnant selon un mode optique qui optimise l'état passant de cet afficheur (état dit « blanc »), mais elle concerne de façon générale tous les types d'afficheurs à cristaux liquides.
La présente invention s'applique en particulier aux afficheurs de type réflectif. Cependant, elle n'est pas limitée strictement à cette application. L'invention concerne en effet également les afficheurs de type transfiectif ou transmissifs. BUT DE L'INVENTION
Un but général de la présente invention est de perfectionner l'état blanc d'un dispositif d'affichage, soit plus précisément en mode réflectif ou transfiectif d'obtenir une réflectance (ou brillance) de l'état blanc de bonne qualité en termes de luminance et de colorimétrie sur tout l'angle de vue. ETAT DE LA TECHNIQUE
Afficheur à cristal liquide bistable commutant entre deux textures différant par une torsion de 180°
Le type d'afficheur à cristal liquide bistable considéré est un afficheur qui commute entre deux textures, stables sans champ électrique appliqué (d'où sa bistabilité), différent entre elles d'un angle de 180°. Pour l'une des textures, l'angle φu entre les directeurs des molécules de cristal liquide sur les deux surfaces de la cellule est de l'ordre de 0 à ± 20°. Les molécules restent presque parallèles entre elles, et donc sensiblement parallèles au substrat, et nous appellerons cette texture U. La seconde texture T présente un angle de torsion φj ≈ φu ± 180° (l'égalité n'est pas stricte à cause de phénomène de glissement des molécules sur la couche d'alignement). Les molécules effectuent, dans la texture T, une rotation d'environ 180° (à ± 20°) entre les deux surfaces de la cellule, en restant également sensiblement parallèles au substrat. Du fait des forces élastiques et de glissement s'appliquant sur les molécules, la torsion des deux textures U et T diffère de 150° à 180° en valeur absolue. Les molécules de cristal liquides sont alignées sur chaque surface de la cellule à l'aide d'une couche d'alignement, l'alignement étant effectué classiquement par brossage de ces couches.
Le cristal liquide nématique est chiralisé de façon à présenter un pas spontané proche de quatre fois l'épaisseur d de la cellule, pour égaliser les énergies des deux textures. Le rapport entre l'épaisseur d et le pas spontané po, soit d/po, est donc environ égal à 0.25+/- 0.05. Sans champ électrique, les textures U et T sont les états des molécules de cristal liquide d'énergie minimale.
A ce jour deux afficheurs utilisant ce principe ont été décrits.
Le document [1] décrit un afficheur qui réalise une commutation entre les deux textures U et T en appliquant une impulsion de champ électrique de forme précise. Cet afficheur est basé sur une cassure de l'ancrage zénithal de la molécule de cristal liquide sur une des couches d'alignement (documents [2] et [3]). La molécule de cristal liquide est levée par le champ électrique avant de retomber d'un côté ou de l'autre suivant la forme de l'impulsion électrique appliquée, permettant ainsi l'obtention des deux textures U et T. Dans ce cas, la structure des électrodes nécessaires à l'application du champ est standard, identique à celle utilisée pour les afficheurs cristaux liquides de type TN ou STN. Cet afficheur est dénommé généralement BiNem®.
Le document [4] décrit un afficheur qui utilise également une cassure d'ancrage et un type particulier d'électrodes (dénommé "comb shaped électrodes"), permettant d'obtenir une composante du champ électrique latérale, c'est à dire parallèle au substrat. La commutation entre les deux textures est effectuée dans ce cas par un effet qualifié par l'auteur de cassure de l'ancrage azimutal (document [5]).
La méthode de commutation n'est pas essentielle pour la présente invention. En effet quelque soit le mode de commutation (cassure d'ancrage zénithal ou azimutal), les textures des molécules de cristal liquide sont les mêmes, la commutation s'opérant entre deux textures tordues, l'une faiblement tordue d'angle φu, nommée U, et l'autre fortement tordue d'angle φi ≈ φu ± 180° nommée T. Et le comportement optique de l'afficheur dépend principalement des textures des molécules de cristal liquide.
L'image est révélée à l'aide d'un (mode un polariseur et un réflecteur) ou de deux polariseurs situés de chaque côté de la couche de cristal liquide, qui, suivant l'angle que fait leur axe passant par rapport au directeur des molécules de cristal liquide sur les couches d'alignement, vont affecter à chacune des textures U et T soit l'état passant (ou blanc) soit l'état bloquant (ou noir). Les polariseurs utilisés et vendus dans le commerce sont des polariseurs dits neutres, c'est-à-dire qu'ils transmettent ou bloquent la polarisation de la lumière de manière sensiblement équivalente sur l'ensemble du spectre visible et ce quelque soit la direction de polarisation de la lumière incidente. La figure 1 donne la transmission spectrale d'un tel polariseur, théorique (calculée par simulation) et mesurée, pour une lumière incidente dont l'axe de polarisation est a) parallèle à l'axe passant du polariseur, b) parallèle à l'axe absorbant du polariseur et c) pour une lumière non polarisée (c'est-à-dire polarisée en moyenne pour moitié selon l'axe passant et pour moitié selon l'axe perpendiculaire à l'axe passant appelé axe absorbant). On constate que la transmission est plate pour la transmission selon l'axe passant, et plate avec une légère fuite dans le bleu pour la transmission (très faible) selon l'axe absorbant.
Modes optiques de tels afficheurs
Les principaux modes optiques d'un afficheur LCD sont le mode réflectif, qui utilise un réflecteur du côté opposé au côté de l'observateur et la lumière ambiante comme source d'éclairage et le mode transmissif qui utilise un éclairage situé à l'arrière, du côté opposé au côté de l'observateur.
L'optimisation de l'état blanc ou passant concerne à la fois la colorimétrie et la luminance. Cette luminance s'exprime sous la forme d'une transmission élevée en mode transmissif, et d'une réflectance (ou brillance) élevée en mode réflectif, cette réflectance correspondant en un aller-retour de la lumière au travers de la cellule. Dans le cas réflectif, ce qui est recherché est l'obtention d'un afficheur qui ressemble le plus à de l'encre noire sur du papier blanc.
Le mode transflectif est un mode mixte dans lequel l'afficheur est partiellement réflectif et partiellement transmissif donc lorsqu'il fonctionne sur le mode réflectif, il utilise l'éclairage ambiant, et lorsqu'il fonctionne sur le mode transmissif, il est éclairé par l'arrière.
Il existe deux types de mode réflectif ayant été appliqué à l'afficheur bistable utilisant les textures U et T définies précédemment : un mode qui utilise deux polariseurs et un réflecteur. Ce réflecteur est généralement diffusant. L'un des polariseurs est placé du côté de l'observateur et est de type transmissif. Le second polariseur dit polariseur arrière ainsi que le réflecteur sont au contraire placés sur l'arrière de l'afficheur, à l'opposé de l'observateur par rapport à la couche de cristal liquide. Le polariseur arrière et le réflecteur peuvent être confondus en un même composant, réalisant à la fois la fonction polarisante et la fonction réflectrice, on parle alors de polariseur réflectif. La fonction polarisante et la fonction réflectrice peuvent également être séparées, le polariseur arrière de type transmissif et le réflecteur étant accolés l'un à l'autre.. Habituellement le composant polariseur/réflecteur est à l'extérieur de la cellule, ce qui crée une image parasite supplémentaire (effet également appelé parallaxe) décalée de deux fois la distance entre le miroir et la cellule. L'optimisation optique de ce mode en termes d'angles des polariseurs entre eux est décrite dans le document [12]. Pour supprimer cette image parasite, il faut intégrer à l'intérieur de la cellule le composant polariseur/réflecteur. Cependant cette intégration est difficile à l'échelle industrielle à ce jour. Ce mode utilise un retard de cellule (le retard étant défini comme étant le produit entre l'épaisseur de la cellule cristal liquide d et la modulation d'indice du cristal liquide utilisé dans l'afficheur Δn) du même ordre de grandeur qu'un afficheur fonctionnant selon un mode transmissif, compris entre λ/3 et λ/2, λ étant une longueur d'onde du spectre visible, préférentiellement autour de 250 nm +/- 70 nm. un mode utilisant un polariseur unique (de type transmissif) côté observateur et un réflecteur placé sur l'arrière de la cellule. L'avantage de ce mode est que l'on peut intégrer le réflecteur à l'intérieur de la cellule. Dans ce cas les deux images coïncident, il n'y a plus d'image parasite. Par exemple les documents [4], [6] et [7] calculent des modes optimaux pour un polariseur d'entrée linéaire. Le document [8] étudie ce mode réflectif en utilisant un polariseur d'entrée de type circulaire. Ce mode utilise typiquement un retard de cellule Δn.d de l'ordre de λ/4 préférentiellement 140nm +/- 60 nm.
Le mode transmissif appliqué à l'afficheur bistable utilisant les textures U et T définies précédemment a été étudié et optimisé dans le document [13]. Deux polariseurs de type transmissifs sont situés de part et d'autre de la couche de cristal liquide. Il utilise typiquement un retard de cellule Δn.d compris entre λ/3 et λ/2, préférentiellement autour de 250 nm +/- 70 nm.
De plus, de récentes technologies de polariseurs (document [9]) permettent de réaliser des polariseurs à l'intérieur de la cellule (de type transmissifs ou réflectifs), ce qui permettrait de supprimer l'effet de parallaxe de du mode réflectif à deux polariseurs, au prix bien entendu d'une modification de la technologie de fabrication de la cellule.
La figure 2 décrit la structure d'un afficheur bistable utilisant les deux textures U et T tel que décrit précédemment. La couche de cristal liquide (XL) est située entre deux substrats transparents SUa et SUb, par exemple en verre ou constitués d'un matériau flexible, sur lesquels sont déposées des électrodes ELa et ELb pour appliquer le champ électrique, classiquement en ITO, et des couches d'alignement ALa et ALb pour aligner les molécules de cristal liquide. Cet ensemble est appelé cellule cristal liquide. Le polariseur POa situé du côté de l'observateur (9) est de type transmissif et neutre, et dans ce schéma non limitatif le polariseur arrière neutre POb est situé à l'extérieur du substrat arrière. Il peut être de type réflectif, transflectif ou transmissif. Le repère (x, y, z) choisi est tel que z est perpendiculaire à la surface des substrats et x parallèle à la direction de brossage de la couche d'alignement ALb. Selon le mode optique avec un polariseur unique, le polariseur arrière n'existe pas, et seul un réflecteur neutre et préférentiellement diffusant figure à l'arrière de la cellule (à l'extérieur ou à l'intérieur de la cellule, et dans ce dernier cas il peut être confondu avec l'électrode ELb).
Le document [10] décrit les grandes lignes d'un mode réflectif à deux polariseurs sans préciser la configuration exacte et le mode de calcul d'une telle configuration.
Le document [11] décrit une amélioration de la colorimétrie du blanc par l'utilisation d'un film absorbant dans la région vert/jaune dont le spectre est donné sur la figure 2 de ce document. On constate sur cette figure qu'il s'agit d'un film purement absorbant sans autre fonction optique. La cellule possède un état blanc légèrement verdâtre. Le film absorbe une quantité appropriée de lumière dans cette gamme de longueur d'onde et un état blanc colorimétriquement plus neutre est obtenu. Le film a un spectre d'absorption fixé et donc affecte de manière déterminée la transmission T(λ) de l'état passant de la cellule (en mode réflectif c'est le carré de cette transmission qui affecte la lumière provenant de l'éclairage ambiant et arrivant vers l'observateur après un aller retour au travers de la cellule). Si la transmission spectrale de l'afficheur T(λ) est modifiée, le film absorbant décrit dans le document [11], dont le spectre d'absorption est optimisé pour une certaine transmission Tl (λ), ne sera pas nécessairement optimisé pour une autre transmission T2(λ) de l'afficheur. Les paramètres qui influent notablement sur la transmission spectrale T(λ) de la cellule sont principalement mais non limitativement le retard Δn.d de la cellule, qui peut être modifié par le fabricant d'afficheur lors d'un changement dans le procédé de fabrication par exemple, et les valeurs des twists φu et φi des deux textures. Mais un changement du type d'ITO de la cellule ou l'utilisation pour la réalisation de l'afficheur de différents polariseurs neutre ayant des caractéristiques optiques légèrement différentes par exemple est également susceptible d'influer sur la transmission de l'afficheur dans l'état passant et donc sur la couleur résultante de cet état. Pour pouvoir garder un état blanc correctement compensé pour T2(λ), il faudra fabriquer un autre film au spectre adapté à cette nouvelle transmission. Il est important de noter que l'oeil est particulièrement sensible à la teinte colorimétrique dans le blanc, et peut percevoir une très légère tendance colorimétrique (ou teinte) au voisinage du blanc neutre parfait.
Couleur de l'afficheur BiNem standard
La transmission d'une cellule cristal liquide bistable utilisant les textures U et T, ainsi que la colorimétrie de son état passant, peut être calculée pour différentes valeurs de retards Δn.d et de twist φu et φj. En mode réflectif, la brillance est égale à la transmission de la cellule après un aller-retour au travers de la cellule cristal liquide.
En mode réflectif à un seul polariseur, l'angle de ce polariseur et éventuellement l'adjonction d'un film biréfringent permet d'optimiser les performances optiques de l'afficheur [documents 14 et 15].
Pour le mode à deux polariseurs, à chaque valeur de retard de cellule correspond une configuration optimale des angles ΘR et Θobs correspondant respectivement à l'axe passant du polariseur arrière et du polariseur avant côté observateur de la cellule, ces polariseurs étant neutres [documents 12 et 13].
En mode réflectif par exemple, le compromis optimal vise à maximiser la brillance de la cellule, mais la teinte de l'état passant est alors vert ou jaune. Le tableau 1 reprend certains exemples de configurations (dl, d2, d3 et d4) données dans le document [12]. La brillance et les coordonnées colorimétriques de l'état passant ou blanc sont calculées et la figure 3 illustre la position des points colorimétriques correspondants dans le triangle chromatique (u',v') schématisé sur la figure 4 où les références R, B, V, J et W représentent respectivement les zones rouge, bleue, verte, jaune et blanche du triangle des couleurs.
Figure imgf000009_0001
Tableau 1
Les calculs ont été effectué à partir d'un éclairage initial correspondant à l'illuminant neutre normalisé D65. On remarque sur la figure 4 qu'un point au nord- ouest correspond à une teinte verdâtre, un point vers le nord à une teinte vert/jaune, un point à l'ouest à une teinte bleu-vert, un point sud-ouest à un point bleuâtre. On montre sur la figure 3 que les cas dl, d2 et d4 ont un état passant verdâtre et le cas d3 un état passant plutôt vert/jaune.
La présente invention a pour objectif l'optimisation colorimétrique de l'état passant (préférentiellement état blanc, mais l'état passant peut être également d'une autre teinte ou grisé selon l'application) d'un afficheur fonctionnant en mode réfiectif, transflectif ou transmissif, cette optimisation s'effectuant à l'aide d'un composant supplémentaire.
L'invention est applicable à tout type de dispositif d'affichage à cristal liquide. Elle est applicable avantageusement mais non exclusivement aux dispositifs présentant deux états stables en l'absence d'application d'une tension de commande. RESUME DE L'INVENTION
L'invention concerne donc un dispositif de visualisation à cristal liquide nématique comprenant:
- une couche de cristal liquide comprise entre un premier et un deuxième substrat,
- au moins un polariseur neutre possédant une transmission sensiblement équivalente pour toutes les longueurs d'onde du spectre visible, et ce quelle que soit la polarisation incidente de la lumière, et étant associé à l'un des substrats c'est-à-dire situé du même côté que ledit substrat par rapport à la couche de cristal liquide,
Selon l'invention, ce dispositif de visualisation comporte un polariseur coloré possédant une transmission variable en fonction des longueurs d'onde du spectre visible et en fonction de la direction de polarisation de la lumière, ledit polariseur coloré étant associé audit polariseur neutre c'est-à-dire situé du même côté que ledit polariseur neutre par rapport à la couche de cristal liquide et la direction de son axe passant par rapport à la direction de l'axe passant du polariseur neutre étant orientée de façon à ajuster la colorimétrie et/ou la brillance de l'état passant du dispositif d'affichage.
Avantageusement, la direction de l'axe passant du polariseur coloré par rapport à la direction de l'axe passant du polariseur neutre est choisie de façon que son angle avec la direction de l'axe passant du polariseur neutre soit inférieur à plus ou moins 25 degrés.
Selon une forme de réalisation, la direction de l'axe passant du polariseur coloré peut être sensiblement parallèle à la direction de l'axe passant du polariseur neutre, c'est- à-dire que la direction de l'axe passant du polariseur coloré par rapport à la direction de l'axe passant du polariseur neutre est choisie de façon que son angle avec la direction de l'axe passant du polariseur neutre soit inférieur à plus ou moins 5 degrés.
Selon une forme de réalisation de l'invention, ledit premier substrat est destiné à être situé du côté d'un observateur et porte un premier polariseur neutre transmissif qui possède une transmission sensiblement équivalente pour toutes les longueurs d'onde du spectre visible et quelle que soit la polarisation incidente de la lumière. Le deuxième substrat est destiné à être situé du côté opposé à l'observateur par rapport à la couche de cristal liquide et porte sur l'une de ses faces: soit un polariseur neutre réflectif, soit un deuxième polariseur neutre transmissif et un réflecteur neutre, soit un deuxième polariseur neutre transmissif, ledit polariseur coloré étant associé: soit au premier polariseur neutre, soit au polariseur neutre réflectif, soit au deuxième polariseur neutre.
Selon une autre forme de réalisation, ledit premier substrat est destiné à être situé du côté d'un observateur et porte un premier polariseur neutre transmissif qui possède une transmission sensiblement équivalente pour toutes les longueurs d'onde du spectre visible et quelle que soit la polarisation incidente de la lumière. Le deuxième substrat est destiné à être situé du côté opposé à l'observateur par rapport à la couche de cristal liquide et porte un réflecteur neutre sur l'une de ses faces. Ledit polariseur coloré est associé au premier polariseur neutre transmissif.
Selon une variante de réalisation de l'invention, le polariseur coloré est situé entre un polariseur neutre et le substrat auquel est associé ce polariseur neutre.
Selon une autre variante de réalisation de l'invention, un polariseur neutre est situé entre le polariseur coloré et le substrat auquel est associé ledit polariseur neutre.
Dans une forme d'application avantageuse de l'invention, le dispositif de visualisation comporte deux états stables sans champ électrique appliqué au dispositif.
Dans une telle forme d'application, les deux états stables sans champ électrique correspondent à deux textures tordues du cristal liquide, dont la torsion diffère de 150° à 180° en valeur absolue.
Avantageusement, dans une telle forme d'application, dans le cas où ledit premier substrat destiné à être situé du côté d'un observateur porte ledit premier polariseur neutre transmissif et en ce que le deuxième substrat porte ledit deuxième polariseur neutre ou ledit polariseur neutre réflectif, le retard optique du dispositif de visualisation est compris entre 180 et 320 nanomètres.
Dans le cas où ledit premier substrat (3a) destiné à être situé du côté d'un observateur (9) porte ledit premier polariseur neutre transmissif (4a) et en ce que le deuxième substrat (3b) porte un réflecteur neutre (7) sur l'une de ses faces, le retard optique du dispositif de visualisation peut être avantageusement compris entre 80 et 200 nanomètres.
L'invention est également applicable à un dispositif comportant une matrice de filtres colorés.
L'invention concerne également un procédé d'optimisation de la colorimétrie de l'état passant d'au moins un dispositif d'affichage à cristal liquide nématique comportant une couche de cristal liquide comprise entre un premier et un deuxième substrat, au moins un polariseur neutre possédant une transmission sensiblement équivalente pour toutes les longueurs d'onde du spectre visible et ce quelle que soit la polarisation incidente de la lumière étant associé à l'un des substrats.
Le procédé selon l'invention comporte les étapes suivantes: a) on associe audit polariseur neutre, un polariseur coloré possédant une transmission variable en fonction des longueurs d'onde du spectre visible et en fonction de la direction de polarisation de la lumière, b) on oriente la direction de l'axe passant du polariseur coloré par rapport à la direction de l'axe passant du polariseur neutre de façon à ajuster la colorimétrie et/ ou la brillance de l'état passant du dispositif d'affichage.
Avantageusement, lors de la deuxième étape (b), on détermine, pour plusieurs orientations de la direction de l'axe passant du polariseur coloré par rapport à la direction de l'axe passant du polariseur neutre, la couleur et la brillance de la lumière issue de l'état passant du dispositif d'affichage, puis on choisit une orientation de l'axe passant du polariseur coloré par rapport à la direction de l'axe passant du polariseur neutre qui permet d'obtenir une brillance déterminée et/ou une couleur de la lumière déterminée.
L'invention prévoit également que pour optimiser l'état passant de plusieurs dispositifs d'affichage, on réalise les étapes suivantes: a) pour chaque dispositif d'affichage parmi un nombre déterminé de dispositifs d'affichage, on détermine les différentes positions du blanc pour différentes orientations de la direction de l'axe passant du polariseur coloré par rapport à la direction de l'axe passant du polariseur neutre, b) à partir de ces différentes mesures, on choisit l'orientation de la direction de l'axe passant du polariseur coloré par rapport à la direction de l'axe passant du polariseur neutre qui fournit pour ces différents dispositifs d'affichage une brillance et/ou une colorimétrie la plus proche du blanc désiré.
Avantageusement, la direction de l'axe passant du polariseur coloré par rapport à la direction de l'axe passant du polariseur neutre est choisie de façon que son angle avec la direction de l'axe passant du polariseur neutre soit inférieure à plus ou moins 25 degrés.
Il est également possible de prévoir que la direction de l'axe passant du polariseur coloré est sensiblement parallèle à la direction de l'axe passant du polariseur neutre.
Le procédé de l'invention est applicable à un dispositif de visualisation qui présente deux états stables sans champ électrique.
Préférentiellement, ces deux états stables sans champ électrique correspondent à deux textures tordues du cristal liquide, dont la torsion diffère de 150° à 180° en valeur absolue;
Le procédé de l'invention est également applicable à un dispositif de visualisation dans lequel ledit premier substrat est destiné à être situé du côté d'un observateur et porte un premier polariseur neutre transmissif, et dans lequel le deuxième substrat est destiné à être situé du côté opposé à l'observateur par rapport à la couche de cristal liquide et porte sur l'une de ses faces: soit un polariseur neutre réflectif, soit un deuxième polariseur neutre transmissif et un réflecteur neutre, soit un deuxième polariseur neutre transmissif, ledit polariseur coloré peut être alors associé: soit au premier polariseur neutre, soit au polariseur neutre réflectif, soit au deuxième polariseur neutre.
Selon une autre forme de réalisation , le procédé de l'invention est applicable à un dispositif de visualisation dans lequel ledit premier substrat est destiné à être situé du côté d'un observateur et porte un premier polariseur neutre transmissif, le deuxième substrat est destiné à être situé du côté opposé à l'observateur par rapport à la couche de cristal liquide et porte un réflecteur neutre: soit sur sa face située du même côté que la couche de cristal liquide par rapport au deuxième substrat, soit sur sa face située du côté opposé à la couche de cristal liquide par rapport au deuxième substrat, ledit polariseur coloré étant associé au premier polariseur neutre transmissif. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, et qui représentent:
- la figure 1, des courbes de transmission (décrites précédemment) d'un polariseur neutre pour différentes polarisations de la lumière,
- la figure 2, une cellule à cristaux liquides bistable selon l'état de l'art décrite précédemment.
- la figure 3, les positions colorimétriques de la couleur de l'état passant de quatre dispositifs de visualisation,
- la figure 4, un triangle de couleurs (u',v') connu dans la technique,
- la figure 5, des courbes de transmission d'un polariseur coloré pour différentes polarisations de la lumière, - la figure 6, des courbes de brillances de quatre dispositifs de visualisation selon l'invention en fonction de la différence d'angle entre la direction du polariseur neutre et la direction du polariseur coloré,
- la figure 7, des courbes qui illustrent le procédé selon l'invention, en montrant l'évolution des coordonnées colorimétriques de quatre dispositifs selon l'invention en fonction de la différence d'angle entre la direction du polariseur neutre et la direction du polariseur coloré
- la figure 8, l'orientation de l'axe passant d'un polariseur coloré par rapport à deux polariseurs neutres d'un dispositif de visualisation selon l'invention
- la figure 9, un exemple de réalisation d'un dispositif de visualisation selon l'invention,
- la figure 10, une courbe de brillance en fonction de la différence d'angle entre la direction du polariseur neutre et la direction du polariseur coloré d'un dispositif de visualisation selon l'invention,
- la figure 11, des positions de la colorimétrie de l'état passant d'un dispositif de visualisation en fonction de la différence d'angle entre la direction du polariseur neutre et la direction du polariseur coloré
- les figures 12 à 14, différentes variantes de réalisations du dispositif de visualisation selon l'invention,
- la figure 15, des courbes de variation de la colorimétrie relatives au dispositif de la figure 14,
- la figure 16, une courbe de variation de la brillance relative au dispositif de la figure 14,
- les figures 17 et 18, des variantes de réalisation d'un dispositif selon l'invention fonctionnant en réflexion et ne comportant qu'un seul polariseur neutre
- la figure 19, une courbe de variation de la colorimétrie d'un dispositif tel que celui de la figure 17,
- les figures 20 et 21, des variantes de réalisation d'un dispositif selon l'invention fonctionnant en transmission,
- la figure 22, une application de l'invention à un dispositif de visualisation couleur.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
L'objet de l'invention est de prévoir, dans un dispositif de visualisation à cristal liquide, un polariseur possédant pour une direction de polarisation de la lumière déterminée une transmission variable en fonction des longueurs d'onde du spectre visible et en fonction de la direction de la polarisation de la lumière incidente. Ce type de polariseur est appelé couramment polariseur non neutre ou polariseur coloré.
L'objet de l'invention est également d'orienter de façon adaptée au dispositif de visualisation, l'orientation de ce polariseur coloré par rapport à l'orientation d'un polariseur neutre du dispositif de visualisation.
Dans la description qui va suivre, on appelle composant "neutre", un composant qui a sensiblement le même comportement pour l'ensemble des longueurs d'onde du spectre visible. C'est ainsi qu'un polariseur neutre possède une transmission sensiblement équivalente pour toutes les longueurs d'onde (par exemple moins que 10% à 15 % de variation sur le spectre visible 450nm à 650 nm), et ce quelque soit la direction de polarisation de la lumière incidente (figure 1).
De plus, on désigne par "réflecteur neutre", un réflecteur ne présentant pas de fonction polarisante et réfléchissant de manière équivalente la lumière quelque soit sa longueur d'onde (par exemple moins que 10% à 15% de variation sur le spectre visible 450nm à 650 nm).
Polariseurs colorés (non neutres)
II existe plusieurs types de polariseurs colorés utilisés typiquement en combinaison avec des afficheurs à cristal liquide de type STN (Super Twisted Nematic en terminologie anglo-saxonne), non bistables, qui ont un état sans tension dit au repos (« off ») possédant un twist compris entre 160° et 360° et un état sous tension (« on ») où les molécules de cristal liquides sont alignées avec le champ appliqué perpendiculairement au substrat. Ces polariseurs sont utilisés par exemple pour convertir le mode standard «jaune » (« yellow mode ») de l'afficheur STN dans le mode « argenté » (« silver mode »). Dans le mode « jaune » utilisant des polariseurs neutres, l'état sans tension (« off state ») correspondant à l'état passant apparaît jaune car les parties rouges et bleues du spectre sont polarisées selon l'axe absorbant du polariseur neutre et donc fortement absorbées, alors que la partie vert/jaune du spectre est polarisée perpendiculairement à l'axe absorbant et est donc transmise. Lorsque le polariseur neutre est remplacé par un polariseur coloré, il y a très peu d'absorption dans les parties rouge et bleue du spectre et donc le bleu, le vert et le rouge sont transmis, donnant un état passant (« off state ») « blanc ». L'état sous tension (« On state ») du mode jaune du STN apparaît noir (état bloquant) car toutes les composantes spectrales sont absorbées. Le remplacement du polariseur neutre par le polariseur coloré donne une teinte pourpre à l'état « on » ou état bloquant. Le mode « silver » correspond donc à des caractères pourpres sur fond blanc, tandis que le mode « jaune » correspond à des caractères noirs sur fond jaune
L'utilisation de polariseurs colorés dans des afficheurs STN est par exemple décrite dans les documents [16] et [17]. Dans tous ces exemples, l'afficheur comprend deux polariseurs, un de chaque côté de la couche de cristal liquide. Dans ces dispositifs, un des polariseurs neutres est remplacé par un polariseur coloré.
Le mode utilisant un polariseur coloré est actuellement utilisé dans les afficheurs STN de faible coût, car pour les autres, il existe une autre manière d'obtenir un afficheur STN à fond blanc, avec cette fois ci des caractères noirs et non plus pourpres. Cette méthode consiste en l'adjonction d'un film biréfringent entre les deux polariseurs neutres de l'afficheur STN, qui agit directement sur l'état de polarisation de la lumière sans rien absorber. Ces afficheurs sont prénommés FSTN comme « Film compensated STN ». Le polariseur coloré a été abandonné au profit de l'utilisation d'un film biréfringent.
Un exemple du comportement d'un de ces polariseurs « coloré » est donné figure 5. Sur cette figure est tracée la transmission spectrale d'un tel polariseur. En traits pointillés, on a représenté la transmission théorique (calculée par simulation) et en traits continus on a représenté la transmission mesurée (en trait plein).
La courbe a) représente la transmission à travers un polariseur coloré pour une lumière incidente dont l'axe de polarisation est parallèle à l'axe passant du polariseur.
La courbe b) représente la transmission pour une lumière incidente dont l'axe de polarisation est perpendiculaire à l'axe passant c'est-à-dire parallèle à l'axe absorbant du polariseur.
La courbe c) représente la transmission pour une lumière non polarisée (c'est-à- dire polarisée en moyenne pour moitié selon l'axe passant et pour moitié selon l'axe perpendiculaire à l'axe passant appelé axe absorbant).
On remarque que pour une lumière polarisée parallèlement à l'axe passant (courbe a), le polariseur est presque neutre et possède une très légère absorption dans une partie du spectre visible. Par contre lorsque la polarisation de la lumière est perpendiculaire à l'axe passant, le polariseur absorbe toute la lumière dans la zone vert/jaune et transmet le reste du spectre visible (courbe b). Pour des angles de polarisation de la lumière intermédiaires entre axe passant et axe absorbant (par exemple courbe c), l'absorption est donc variable en fonction de la longueur d'onde et est de plus en plus importante au fur et à mesure que l'angle de la polarisation de la lumière s'éloigne de l'axe passant. Ce type de polariseur peut donc être utilisé comme un absorbant « optiquement actif » dont l'absorption varie à la fois en fonction de la longueur d'onde et en fonction de la polarisation de la lumière incidente.
Utilisation d'un polariseur coloré selon l'invention
L'invention prévoit une configuration optique de l'afficheur combinant l'architecture optique classique avec un polariseur « coloré » dont on utilise la propriété d'absorption variable en fonction de la longueur d'onde et en fonction de la direction de polarisation de la lumière incidente. Le polariseur coloré est intégré dans l'empilement optique de l'afficheur.
Selon l'invention, on prévoit donc, non pas de remplacer un polariseur neutre d'un afficheur à cristal liquide par un polariseur coloré, mais d'associer un polariseur coloré à l'un des polariseurs neutres du dispositif.
La figure 9 représente un exemple de réalisation du dispositif de visualisation selon l'invention. Ce dispositif comporte une couche de cristal liquide 1 qui est enserrée entre deux substrats 3a et 3b. De manière connue dans la technique, les lames de substrats 3a et 3b portent des couches d'alignement 2a et 2b sur leur face en contact avec le cristal liquide. De part et d'autre des substrats sont prévus des polariseurs neutres 4a et 4b. Le polariseur neutre 4a situé du côté de l'observateur 9 est un polariseur neutre transmissif. Le polariseur neutre 4b situé du côté opposé à l'observateur 9 par rapport au cristal liquide est, à titre d'exemple sur la figure 9, un polariseur neutre de type réflectif. Enfin, l'exemple de réalisation du dispositif de visualisation selon l'invention de la figure 9, possède un polariseur coloré 5 qui est situé entre le polariseur neutre 4a et la lame de substrat 3 a.
Selon l'invention, on prévoit également d'orienter le polariseur coloré 5 par rapport au polariseur neutre 4a auquel il est associé.
Selon l'invention, on fait varier l'angle de l'axe passant du polariseur coloré 5 par rapport à l'angle de l'axe passant du polariseur neutre 4a, jusqu'à l'obtention du meilleur compromis du couple (brillance, colorimétrie) de l'état passant. En effet, l'absorption du polariseur coloré étant fonction de la polarisation incidente, faire varier l'angle de son axe passant par rapport à l'angle de l'axe passant du polariseur neutre 4a va permettre de régler la quantité de lumière absorbée en fonction de la longueur d'onde par le polariseur coloré, et ainsi d'obtenir une colorimétrie de l'état passant ajustable, que l'on va rendre aussi proche que possible d'un blanc de référence. Il ne faut cependant pas trop éloigner l'un de l'autre les deux axes passants, car alors la brillance de l'état passant diminue de manière trop importante.
Les figures 6 et 7 correspondent à des simulations illustrant cette méthode d'optimisation. Ces simulations ont porté sur quatre dispositifs de visualisation tels que les dispositifs dl à d4 dont les caractéristiques sont décrites dans le tableau 1 précédent. Pour réaliser ces simulations, ces dispositifs de visualisation ont été équipés d'un polariseur coloré 5 comme cela est représenté dans le dispositif de la figure 9.
La figure 8 représente les orientations des axes passants des polariseurs 4a, 4b et 5 les uns par rapport aux autres. La flèche X4a représente l'orientation de l'axe passant du polariseur 4a. La flèche X4b représente l'orientation de l'axe passant du polariseur 4b et la flèche X5 représente l'orientation de l'axe passant du polariseur coloré 5. L'axe passant du polariseur 4a fait un angle Θobs avec l'axe de référence x. L'axe passant du polariseur 4b fait un angle de ΘR avec l'axe x. L'axe passant du polariseur coloré fait un angle Θcol avec l'axe x.
Selon l'invention, dans le dispositif de la figure 9 on fait varier l'orientation de l'axe passant du polariseur 5 par rapport à l'axe passant du polariseur 4a. On fait donc varier la différence ΔΘ = Θobs - Θcol.
Pour les quatre cas correspondants aux quatre dispositifs de visualisation auxquels on a combiné un polariseur coloré 5 selon l'invention, on détermine l'évolution de la brillance en fonction de la différence d'angle ΔΘ = Θobs - Θcol.
La figure 6 illustre, pour chacun de ces cas, les variations de brillances pour ΔΘ = +15°, +10°, +5°, 0°, -5°, -10°, -15° . Les courbes bl à b4 représentent les variations de brillance respectivement pour les dispositifs dl à d4. Le meilleur résultat en terme de brillance est obtenu lorsque les deux axes passants du polariseur neutre 4a et du polariseur coloré 5 sont strictement parallèles, et cela pour les quatre dispositifs, mais alors la colorimétrie n'est pas optimisée. La brillance est donc très proche de sa valeur maximum lorsque la direction de l'axe passant du polariseur coloré est sensiblement parallèle à la direction de l'axe passant du polariseur neutre, soit pour ΔΘ < 5° en valeur absolue.
La figure 7 décrit la variation de la couleur de l'état passant dans l'espace (u\ v') en fonction de ΔΘ pour les 4 cas étudiés auxquels on a combiné un polariseur coloré selon l'invention. Sur la figure 7, les points référencés dl à d4 représentent les points colorimétriques de l'état passant des quatre dispositifs de visualisation dl à d4 décrits précédemment en l'absence de polariseur coloré 5.
Lorsqu'on intègre un polariseur coloré dans chacun des quatre dispositifs et qu'on modifie l'orientation de l'axe passant du polariseur coloré 5 par rapport au polariseur neutre 4a, on obtient, à l'état passant, pour chaque dispositif, une variation de la couleur en fonction de l'angle formé par les axes passants du polariseur neutre 4a et du polariseur coloré 5. Les courbes cl à c4 représentent ces variations respectivement pour les quatre dispositifs dl à d4.
On remarque que l'adjonction d'un polariseur coloré dont l'axe passant est parallèle à celui du polariseur neutre 4a permet d'améliorer sensiblement la colorimétrie de l'état passant: sur la figure 7, les points correspondants à ΔΘ = 0°, pour les quatre cas, se rapprochent de l'éclairage blanc situé au point D65 par rapport aux points correspondant à l'afficheur sans polariseur coloré. Les déplacements des points colorimétriques de l'état passant se déplacent comme indiqués par les flèches.
De plus il est possible en orientant le polariseur coloré 5 par rapport au polariseur neutre 4a d'améliorer encore la colorimétrie du blanc de ces dispositifs de visualisation. La colorimétrie du blanc de certains dispositifs peut quasiment atteindre la position du point blanc D65, ce qui est le cas, par exemple pour le dispositif d4 avec une orientation du polariseur coloré de ΔΘ = 15°.
Cependant, il convient de déterminer une orientation acceptable pour un ensemble de dispositifs de visualisation. Sur la figure 7, on voit que pour l'ensemble des quatre dispositifs dl à d4, en décalant l'orientation Θcol de l'axe passant du polariseur coloré par rapport à l'orientation Θobs de l'axe passant du polariseur neutre d'un écart ΔΘ de 5° à 10° en valeur absolue, on obtient une colorimétrie globalement améliorée pour les quatre cas par rapport à la solution ΔΘ = 0°.
Avantageusement, ΔΘ ne dépassera pas environ 25° en valeur absolue pour ne pas perdre trop de brillance et avantageusement ΔΘ sera inférieur à 20° en valeur absolue. Le choix de la valeur ΔΘ permet donc une latitude d'optimisation.
Un autre avantage de l'invention est qu'avec le même composant tel que par exemple celui décrit figure 9, il est possible d'adapter la colorimétrie d'afficheurs possédant des retards et des valeurs de twist différentes. On voit en effet sur la figure 7 qu'avec le même polariseur coloré, on peut obtenir pour les quatre cas une colorimétrie de l'état passant améliorée avec une latitude de choix de la teinte en jouant sur ΔΘ.
Les exemples de configurations donnés précédemment correspondent à une optimisation du mode réflectif, dont un exemple d'empilement non limitatif est donné figure 12.
Une expérimentation a été effectuée, à titre d'exemple, en réalisant un afficheur de type BiNem comportant un empilement tel que décrit figure 9 et possédant un retard de 240 nm, avec φU = - 8° et φT.= - 172°. Les angles de la configuration optique sont Θobs = 35° et ΘR = 50°. Dans cette configuration initiale une brillance de 41 % est mesurée. La figure 10 montre les points correspondants à la brillance obtenue avec l'adjonction du polariseur coloré, avec Θcol = 45°, 50° et 55° soit ΔΘ = 0°, -5° et +5°. On constate que lorsque le polariseur coloré est parallèle au polariseur neutre 4a, on obtient une brillance de 34 %, qui diminue très légèrement à 32 % pour une variation ΔΘ de 5°.
La figure 11 illustre la couleur mesurée des différents états passants précités. Le point el illustre la colorimétrie à l'état passant, du dispositif en l'absence de polariseur coloré. La courbe ce illustre la variation de la colorimétrie, à l'état passant du même dispositif équipé d'un polariseur neutre pour différentes orientations du polariseur coloré par rapport au polariseur neutre. Les points correspondants aux configurations avec polariseur coloré sont plus proches du D65 et un décalage de -5° permet de réduire encore la distance et de changer la teinte de bleu/vert pour se rapprocher du blanc. Ces résultats expérimentaux sont en accord avec les simulations effectuées.
Dans l'exemple non limitatif, représenté en figure 9, le polariseur coloré 5 est situé sous le polariseur neutre 4a côté observateur, mais il peut aussi bien être intégré à un autre endroit de l'empilement optique de l'afficheur.
On notera que, pour simplifier la description, les différents éléments des dispositifs de visualisation des figures 9 et 12 à 16 qui remplissent les mêmes fonctions et de manière identique que les éléments du dispositif de la figure 9 portent autant que possible les mêmes références que dans la figure 9
Sur la figure 12, le polariseur coloré 5 est situé au dessous du polariseur neutre transmissif 4a côté observateur 9. Le polariseur 4b est de type réflectif.
L'invention prévoit également que le polariseur coloré peut être situé du côté opposé à l'observateur par rapport au cristal liquide 1. Les figures 13 et 14 représentent des structures dans lesquelles le polariseur coloré 5 est situé du côté opposé à l'observateur par rapport au cristal liquide.
C'est ainsi que la figure 13 représente une structure dans laquelle le polariseur coloré 5 est situé entre le polariseur neutre réflectif 4b et le substrat 3b pour le dispositif utilisant un polariseur du côté opposé à l'observateur.
Sur la ligure 14 le dispositif comporte du côte opposé au cristal liquide par rapport à l'observateur, un polariseur neutre transmissif 6b et un réflecteur neutre !.. Préférentiellement le polariseur coloré 5 est situé entre le polariseur neutre 6b et le substrat 3b mais il pourrait être situé entre le polariseur neutre 6b et le réflecteur neutre 7.
Sur la figure 15 est représenté la variation du point colorimétrique de l'état passant en fonction de ΔΘ du dispositif dl décrit précédemment et intégrant l'invention telle que schématisée figure 14, avec le polariseur côté opposé à l'observateur. Cette variation est décrite par la courbe p'1. A titre de comparaison la variation décrite par la courbe pi, correspond au polariseur coloré côté observateur tel que cela est prévu dans le dispositif de la figure 9.
La figure 16 représente la variation de brillance en fonction de ΔΘ pour ce même dispositif de la figure 14. On remarque qu'une optimisation du couple (brillance, colorimétrie) est également possible comme décrit précédemment. Pour l'ensemble des dispositifs selon l'invention utilisant les textures U et T stables sans champ appliqué et comportant un polariseur neutre de part et d'autre de la couche de cristal liquide, le retard optique de la cellule est préférentiellement de 250 nm +/- 70 nm.
Il peut également n'y avoir aucun polariseur à l'arrière de la cellule (mode à un polariseur unique), mais seulement un réflecteur neutre 7 qui peut être positionnée soit entre le substrat et la couche de cristal liquide (figure 17), soit du côté opposé au cristal liquide par rapport au substrat (figure 18). Dans ce cas également, on peut utiliser un polariseur coloré associé au polariseur neutre unique du dispositif et orienté selon la méthode de l'invention décrite précédemment pour améliorer la colorimétrie et la brillance de l'état passant.
La figure 19 illustre la variation de la colorimétrie, à l'état passant, d'un tel dispositif en fonction de l'orientation du polariseur coloré par rapport au polariseur neutre. Ce dispositif désigné d5 sur la figure 19 a les caractéristiques suivantes : Δn.d = 160 nm, φu = 0°, φτ= 180°, ΘObs= 45° La variation du point colorimétrique correspondant à l'état passant est décrit par la courbe c5. On constate donc sur cette courbe qu'une optimisation de la colorimétrie selon l'invention est possible.
Pour les dispositifs selon l'invention utilisant les textures U et T stables sans champ appliqué et comportant un unique polariseur neutre du côté de l'observateur et un miroir du côté opposé, le retard optique de la cellule est préférentiellement de 140 nm +/- 60 nm.
Le polariseur neutre situé du côté opposé à l'observateur par rapport à la couche de cristal liquide peut être un polariseur de type réflectif, transflectif mais il peut être également de type transmissif. Pour le mode transmissif, on partira d'une configuration telle que décrite par exemple dans le document [13] et on cherchera le polariseur coloré du commerce le mieux adapté en terme d'absorption. On intégrera ensuite le polariseur coloré dans l'empilement optique de l'afficheur comme décrit précédemment. Puis en appliquant la méthode décrite ci-dessous on cherchera le meilleur compromis (brillance, colorimétrie).
Les figures 20 et 21 représentent des variantes de dispositifs de visualisation selon l'invention fonctionnant en transmission. Dans ces variantes de réalisation, le polariseur coloré 5 est associé à un polariseur neutre transmissif.
A titre d'exemple, sur la figure 20, le polariseur 5 est situé entre le polariseur neutre transmissif 6b et le substrat 3b.
Sur la figure 21, le polariseur coloré 5 est situé entre le polariseur neutre 4a (également transmissif) et le substrat 3a.
La valeur intrinsèque de l'état bloquant, c'est à dire le contraste, qui est un paramètre important en mode transmissif est déterminé par le couple polariseur neutre 4a / polariseur neutre 4b. Le polariseur coloré 5 a essentiellement une influence sur la colorimétrie de l'état passant et la transmission intrinsèque de la cellule cristal liquide.
Bien que l'invention a été particulièrement étudiée dans son application aux dispositifs d'affichage à cristaux liquides de type bistable, elle s'applique à tout type de dispositif d'affichage à cristaux liquides.
L'invention s'applique également à un dispositif de visualisation couleur. La figure 22 représente un exemple de réalisation d'un tel dispositif fonctionnant en réflexion. Une matrice de filtres colorés bleus verts et rouges est située à titre d'exemple sur la face du substrat 3b, elle peut également être située sur la face du substrat 3a. A titre d'exemple, le polariseur coloré 5 est situé sur le polariseur neutre 4a comme dans le dispositif de la figure 9, mais il pourrait être situé en d'autres emplacement comme cela a été décrit précédemment.
Le polariseur coloré est préférentiellement mais non limitativement accolé au polariseur neutre auquel il est associé.
On peut également ajouté à l'empilement optique selon l'invention un ou plusieurs films biréfringents de compensation optique, ces films étant intégrés à l'empilement optique de la même manière que les autres composants optiques. REFERENCES
Document [1] : brevet US6327017
Document [2] : "Fast bistable nematic display using monostable surface anchoring witching" Proceeding SID 1997, p 41-44
Document [3] : "récents improvements of bistable nematic displays switched by anchoring breaking" SPIE vol.3015 (1997), p61-69 Document [4] : brevet US 2003/0076455
Document [5] : "Dynamic flow, broken surface anchoring, and switching bistability in three-terminal twisted nematic liquid crystal displays" Journal of Applied Physics, vol 90, n° 6, p 3121-3123 (2001) Document [6] : brevet US 6831716
Document [7] : "optical optimisation of surface controlled bistable twisted nematic liquid crystal displays" Proceeding SID 2000, p 241-243 Document [8] : brevet US 6795146
Document [9] : "Thin Crystal film polarizers and retarders", Proc of SPIE vol 4658, p 79-90, 2002
Document [10] : "reflective bistable nematic displays (BiNem®) fabricated by standard manufacturing equipment", Journal of the SID 11/1, 2003, 217-224 Document [11] "Latest Developments in BiNem LCDs" Proc. SID 2005, p 1766-1769 Document [12] WO2005/054940 Document [13] WO2005/054941 Document [14] US 6795146 Document [15] US 6831716 Document [16] US 4759612 Document [17] US 4859037

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de visualisation à cristal liquide nématique comprenant une couche de cristal liquide (1) comprise entre un premier et un deuxième substrat (3a, 3b), comportant un ou deux polariseurs neutres (4a, 4b, 6b) possédant une transmission sensiblement équivalente pour toutes les longueurs d'onde du spectre visible et quelle que soit la polarisation incidente de la lumière, étant associé à l'un des substrats c'est-à- dire situé du même côté que ledit substrat par rapport à la couche de cristal liquide, ledit dispositif de visualisation présentant deux états stables sans champ électrique, caractérisé en ce qu'il comporte un polariseur coloré (5) possédant une transmission variable en fonction des longueurs d'onde du spectre visible et en fonction de la direction de polarisation de la lumière, ledit polariseur coloré (5) étant associé audit polariseur neutre (4a, 4b, 6b) c'est-à-dire situé du même côté que ledit polariseur neutre par rapport à la couche de cristal liquide et la direction de l'axe passant dudit polariseur coloré (5) par rapport à la direction de l'axe passant du polariseur neutre (4a, 4b, 6b) étant choisie de façon que son angle avec la direction de l'axe passant du polariseur neutre soit inférieur à plus ou moins 25 degrés de façon à ajuster la colorimétrie et/ou la brillance de l'état passant du dispositif d'affichage.
2. Dispositif de visualisation selon la revendication 1, caractérisé en ce que la direction de l'axe passant du polariseur coloré (5) est sensiblement parallèle à la direction de l'axe passant du polariseur neutre (4a, 4b, 6b).
3. Dispositif de visualisation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit premier substrat (3 a) étant destiné à être situé du côté d'un observateur (9) et portant un premier polariseur neutre transmissif (4a) qui possède une transmission sensiblement équivalente pour toutes les longueurs d'onde du spectre visible et quelle que soit la polarisation incidente de la lumière, le deuxième substrat (3 b) étant destiné à être situé du côté opposé à l'observateur (9) par rapport à la couche de cristal liquide (1) et portant sur l'une de ses faces:
- soit un polariseur neutre réflectif (4b),
- soit un deuxième polariseur neutre transmissif (6b) et un réflecteur neutre (7),
- soit un deuxième polariseur neutre transmissif (6b), ledit polariseur coloré (5) étant associé:
- soit au premier polariseur neutre (4a),
- soit au polariseur neutre réflectif (4b), - soit au deuxième polariseur neutre (6b).
4. Dispositif de visualisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que ledit premier substrat (3a) étant destiné à être situé du côté d'un observateur (9) et portant un premier polariseur neutre transmissif (4a) qui possède une transmission sensiblement équivalente pour toutes les longueurs d'onde du spectre visible et quelle que soit la polarisation incidente de la lumière, le deuxième substrat (3b) étant destiné à être situé du côté opposé à l'observateur (9) par rapport à la couche de cristal liquide (1) et portant un réflecteur neutre (7) sur l'une de ses faces, ledit polariseur coloré (5) étant associé au premier polariseur neutre transmissif (4a).
5. Dispositif de visualisation selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que le polariseur coloré (5) est situé entre un polariseur neutre et le substrat auquel est associé ce polariseur neutre.
6. Dispositif de visualisation selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que un polariseur neutre est situé entre le polariseur coloré (5) et le substrat auquel est associé ledit polariseur neutre.
7. Dispositif de visualisation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte deux états stables sans champ électrique.
8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les deux états stables sans champ électrique correspondent à deux textures tordues du cristal liquide, dont la torsion diffère de 150° à 180° en valeur absolue.
9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que dans le cas où ledit premier substrat (3 a) destiné à être situé du côté d'un observateur (9) porte ledit premier polariseur neutre transmissif (4a) et en ce que le deuxième substrat (3b) porte ledit deuxième polariseur neutre (6b) ou ledit polariseur neutre réflectif (4b), le retard optique du dispositif de visualisation est compris entre 180 et 320 nanomètres.
10. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que dans le cas où ledit premier substrat (3 a) destiné à être situé du côté d'un observateur (9) porte ledit premier polariseur neutre transmissif (4a) et en ce que le deuxième substrat (3b) porte un réflecteur neutre (7) sur l'une de ses faces, le retard optique du dispositif de visualisation est compris entre 80 et 200 nanomètres.
11. Dispositif de visualisation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une matrice de filtres colorés.
12. Procédé d'optimisation de la colorimétrie de l'état passant d'au moins un dispositif d'affichage à cristal liquide nématique comportant une couche de cristal liquide (1) comprise entre un premier et un deuxième substrat (3a, 3b), au moins un polariseur neutre (4a, 4b, 6b) possédant une transmission sensiblement équivalente pour toutes les longueurs d'onde du spectre visible et quelle que soit la polarisation incidente de la lumière étant associé à l'un des substrats, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: a) on associe audit polariseur neutre (4a, 4b, 6b), un polariseur coloré (5) possédant une transmission variable en fonction des longueurs d'onde du spectre visible et en fonction de la direction de polarisation de la lumière, b) on oriente la direction de l'axe passant (X5) du polariseur coloré (5) par rapport à la direction de l'axe passant (X4a) du polariseur neutre (4a, 4b, 6b) de façon à ajuster la colorimétrie et / ou la brillance de l'état passant du dispositif d'affichage.
13. Procédé d'optimisation selon la revendication 12, caractérisé en ce que lors de la deuxième étape (b), on détermine, pour plusieurs orientations de la direction de l'axe passant (X5) du polariseur coloré (5) par rapport à la direction de l'axe passant (X4a) du polariseur neutre (4a, 4b, 6b), la couleur et la brillance de la lumière issue de l'état passant du dispositif d'affichage, puis on choisit une orientation de l'axe passant du polariseur coloré (5) par rapport à la direction de l'axe passant du polariseur neutre (4a, 4b, 6b) qui permet d'obtenir une brillance déterminée et/ou une couleur de la lumière déterminée.
14. Procédé d'optimisation selon la revendication 13, caractérisé en ce que pour optimiser l'état passant de plusieurs dispositifs d'affichage, on réalise les étapes suivantes: a) pour chaque dispositif d'affichage parmi un nombre déterminé de dispositifs d'affichage, on détermine la couleur et la brillance de l'état passant pour différentes orientations de la direction de l'axe passant du polariseur coloré (5) par rapport à la direction de l'axe passant du polariseur neutre (4a, 4b, 6b), b) à partir de ces différents résultats, on choisit l'orientation de la direction de l'axe passant du polariseur coloré (5) par rapport à la direction de l'axe passant du polariseur neutre (4a, 4b, 6b) qui fournit pour ces différents dispositifs d'affichage une brillance déterminée et/ou une colorimétrie la plus proche du blanc désiré.
15. Procédé d'optimisation selon l'une quelconque des revendications 12 à 14, caractérisé en ce que la direction de l'axe passant du polariseur coloré (5) par rapport à la direction de l'axe passant du polariseur neutre (4a, 4b, 6b) est choisie de façon que son angle avec la direction de l'axe passant du polariseur neutre soit inférieure à plus ou moins 25 degrés.
16. Procédé d'optimisation selon la revendication 15, caractérisé en ce que la direction de l'axe passant du polariseur coloré (5) est sensiblement parallèle à la direction de l'axe passant du polariseur neutre (4a, 4b, 6b).
17. Procédé selon l'une quelconque des revendications 12 à 16, caractérisé en ce que le dispositif de visualisation présente deux états stables sans champ électrique.
18. Procédé selon la revendication 17 caractérisé en ce que les deux états stables sans champ électrique correspondent à deux textures tordues du cristal liquide, dont la torsion diffère de 150° à 180° en valeur absolue;
19. Application du procédé d'optimisation selon l'une quelconque des revendications 12 à 18 à un dispositif de visualisation, caractérisé en ce que ledit premier substrat (3a) étant destiné à être situé du côté d'un observateur et portant un premier polariseur neutre transmissif (4a), le deuxième substrat (3b) étant destiné à être situé du côté opposé à l'observateur par rapport à la couche de cristal liquide (1) et portant sur l'une de ses faces: soit un polariseur neutre réflectif (4b), soit un deuxième polariseur neutre transmissif (6b) et un réflecteur neutre (7), soit un deuxième polariseur neutre transmissif (6b), ledit polariseur coloré (5) étant associé: soit au premier polariseur neutre (4a), soit au polariseur neutre réflectif (4b), soit au deuxième polariseur neutre (6b).
20. Application du procédé d'optimisation selon l'une quelconque des revendications 12 à 18 à un dispositif de visualisation, caractérisé en ce que ledit premier substrat (3 a) étant destiné à être situé du côté d'un observateur et portant un premier polariseur neutre transmissif (4a), le deuxième substrat (3b) étant destiné à être situé du côté opposé à l'observateur par rapport à la couche de cristal liquide (1) et portant un réflecteur neutre
(7): soit sur sa face située du même côté que la couche de cristal liquide (1) par rapport au deuxième substrat (3 b), soit sur sa face située du côté opposé à la couche de cristal liquide (1) par rapport au deuxième substrat (3b), ledit polariseur coloré étant associé au premier polariseur neutre transmissif (4a)
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