FR2813127A1

FR2813127A1 - Compensateur pour dispositif a ecran a cristal liquide

Info

Publication number: FR2813127A1
Application number: FR0010733A
Authority: FR
Inventors: Cecile Joubert; Bertrand Morbieu; Laurent Bignolles
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 2000-08-18
Filing date: 2000-08-18
Publication date: 2002-02-22
Also published as: WO2002014941A1

Abstract

Dispositif d'affichage comportant un élément de cellule à cristal liquide (20, 30) placé entre deux polariseurs (25, 26) comportant au moins une structure optique de compensation des variations de biréfringence dudit cristal liquide en fonction de l'angle d'observation.La structure structure de compensation comporte au moins un film (23, 24) possédant une biréfringence en majorité uniaxe d'axe optique ayant une direction proche ou égale à la perpendiculaire au plan de l'écran de la cellule et au moins une couche holographique (21, 22) possédant une biréfringence négative d'axe optique oblique par rapport au plan de l'écran à cristal liquide. Application à des écrans de micro-ordinateurs.

Description

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COMPENSATEUR POUR DISPOSITIF A ECRAN A CRISTAL LIQUIDE La présente invention concerne les dispositifs de visualisation à cristal liquide à compensation de la biréfringence permettant d'augmenter notablement l'angle de vision du dispositif de visualisation.

Elle s'applique notamment dans les dispositifs d'affichage électrooptiques et plus précisément dans les panneaux à cristaux liquides utilisés en transmission, en réflexion, ou même en projection sur un écran. Généralités Description d'une cellule à cristal liquide TWISTED Nematic Pour élaborer la structure de compensation d'une cellule à cristal liquide dont les effets de biréfringence sont complexes, il faut d'abord essayer de modéliser la cellule, ici une cellule nématique twistée.

Le matériau constituant la cellule à cristal liquide est fondamentalement un milieu biréfringent uniaxe positif du fait de la structure allongée des molécules qui le composent.

Une cellule nématique twistée comprend une couche mince de cristal liquide qui possède un état non activé ( pas de champ électrique) dans lequel les molécules du cristal restent toutes parallèles au plan de la couche mince et un état activé dans lequel un champ électrique perpendiculaire au plan de la couche mince tend à orienter les molécules perpendiculairement au plan de la couche mince.

La figure 1 a représente schématiquement cette structure moléculaire dans un état non activé. Une couche mince de cristal liquide XL est placée entre deux parois transparentes 1 et 2 qui ont été traitées, en général par frottement, pour que les molécules tendent naturellement à s'orienter dans une direction déterminée parallèlement aux parois. La direction pour la paroi 1 est perpendiculaire à la direction pour la paroi 2. L'interaction entre les molécules produit alors au repos une structure stratifiée hélicoïdale dans laquelle les molécules restent parallèles au plan de la couche mince mais tournent progressivement de 90 entre les deux parois.

Un polariseur 3 d'entrée ne laisse entrer dans la cellule qu'une seule direction de polarisation de la lumière. Un polariseur 4 de sortie ne laisse sortir de la cellule qu'une seule direction de polarisation. Les parois de

la cellule sont revêtues d'électrodes transparentes pour permettre l'activation de la cellule, c'est-à-dire l'application d'un champ électrique perpendiculaire à la couche mince.

Dans cet exemple les polariseurs sont parallèles aux directions de frottement pour laisser passer uniquement la polarisation de la lumière parallèle à l'orientation des molécules adjacentes aux parois. Les parois pourraient aussi être frottées perpendiculairement aux directions des polariseurs sans changer le principe. Elles peuvent aussi être également frottées selon d'autres angles, par exemple à 45 des directions des polariseurs.

Dans la description, lorsque l'on parle d'orientation des molécules, il s'agit de l'orientation en termes d'anisotropie optique, c'est-à-dire que l'on considère l'orientation de l'axe optique pour les molécules d'un milieu considéré comme uniaxe, les notions d'orientation des molécules et d'orientation de l'axe optique n'étant pas différenciées.

Dans l'état non activé (figure 1 a), la cellule reçoit la lumière avec la polarisation imposée par le polariseur d'entrée 3 ; elle fait progressivement tourner de 90 cette polarisation, et la lumière sortante avec sa polarisation tournée à 90 sort librement à travers le polariseur 4 qui est croisé avec le polariseur 3. Des structures avec polariseurs parallèles et non croisées, existent aussi, elles fonctionnent d'une manière opposée.

Dans l'état activé (figure 1 b), les molécules tendent à s'orienter verticalement, c'est-à-dire perpendiculairement aux parois de la cellule. Elles ne font plus tourner de 90 la polarisation de la lumière incidente. La polarisation d'entrée conférée par le polariseur 3, tend au contraire à subsister à la sortie du milieu optique et rencontre le polariseur croisé 4 qui ne la laisse pas passer.

Le fonctionnement est le plus efficace quand l'incidence de la lumière est normale au plan de la couche mince de cristal liquide.

Mais pour des rayons obliques, les molécules orientées verticalement par le champ électrique exercent un effet de biréfringence important de sorte que la polarisation est quand même modifiée. Une fraction de la lumière passe dans le polariseur de sortie 4, réduisant le contraste entre l'état excité et l'état non excité.

D'autre part dans la réalité la structure hélicoïdale ne disparaît pas complètement au profit de la structure verticale, les molécules adjacentes aux parois tendent à rester orientées dans la direction privilégiée qui leur est conférée naturellement par le frottement des parois. Les molécules s'orientent progressivement de l'horizontale vers la verticale puis reviennent progressivement à l'horizontale tout en tournant progressivement de 90 dans le plan horizontal.

Cette structure présente des propriétés de biréfringence complexes et induit des variations de polarisation qui dépendent également de l'angle d'incidence des rayons lumineux à travers la couche ; un des buts de l'invention est d'en minimiser les effets négatifs.

Caractéristiques d'un milieu biréfringent Les cristaux liquides nématiques twistés sont des milieux optiques biréfringents. Un tel milieu est un milieu optique anisotrope dans lequel les différentes polarisations de la lumière ne se propagent pas toutes à la même vitesse, c'est-à-dire que l'indice optique vu par la lumière est différent en fonction de la polarisation, ce qui induit donc un déphasage différent pour les différentes polarisations. La polarisation de la lumière étant définie par le déphasage entre les composantes du champ électromagnétique selon deux axes orthogonaux, cela signifie que le milieu biréfringent modifie globalement la polarisation de la lumière incidente.

Du fait de la biréfringence liée à la structure moléculaire, un milieu biréfringent possède en général des axes propres qui ne modifient pas la polarisation de la lumière.

Les propriétés optiques d'un milieu biréfringent peuvent être représentées symboliquement par un modèle mathématique qui est l'ellipsoïde des indices :les axes du repère propre de l'ellipsoïde constituent les trois axes propres du milieu. La longueur d'axes de l'ellipsoïde est égale à l'indice de propagation de la lumière polarisée selon l'axe correspondant une lumière polarisée selon un des axes de l'ellipsoïde verra sa polarisation inchangée et subira un indice de propagation correspondant à la longueur de cet axe.

Les milieux biréfringents sont dits

D uniaxe si l'ellipsoïde est de révolution (section circulaire), c'est-à-dire qu'il y a deux axes de polarisation orthogonaux pour lesquels la lumière se propage avec le même indice no dit indice ordinaire et un troisième axe (selon l'axe de révolution) dit axe extraordinaire ou axe optique pour lequel elle se propage avec un indice différent ne dit indice extraordinaire. L'écart entre les indices est très faible, par exemple de 1 %, mais cela suffit pour induire des modifications de polarisation très importantes ; D biaxe si l'ellipsoïde n'est pas de révolution, c'est-à-dire si les trois axes propres orthogonaux ont trois indices différents nl, n2 et n3.

Dans un milieu uniaxe traversé sous une incidence quelconque la lumière peut être divisée selon deux composantes de polarisation orthogonales dont l'une voit toujours un indice no et l'autre voit un indice n qui dépend de l'incidence et qui est compris entre no et ne (n=ne si l'incidence est perpendiculaire à l'axe optique, n=no si elle est parallèle à l'axe optique).

Si l'indice extraordinaire ne est supérieur à l'indice ordinaire no, le milieu est dit uniaxe positif. L'ellipsoïde est allongé en forme de cigare telle que schématisée à la figure 2a. L'axe extraordinaire est un axe lent.

Si au contraire l'indice extraordinaire ne est inférieur à l'indice ordinaire no, le milieu est dit uniaxe négatif. L'ellipsoïde est aplati en forme de coussin tel que représenté à la figure 2b. L'axe extraordinaire est un axe rapide.

On repère l'inclinaison de l'axe optique pour un milieu uniaxe par les angles (0, (p) où # 0 est l'angle de l'axe optique par rapport à une perpendiculaire au plan de l'écran, # (p est la projection de l'axe optique dans le plan de l'écran repéré par rapport à la direction est-ouest.

Le retard Ro d'un film uniaxe est défini de la manière suivante Ro = (ne - no ) * d , où d correspond à l'épaisseur du film.

Si Ro > 0 le film est appelé uniaxe positif, Si Ro < 0 le film est appelé uniaxe négatif.

Les écrans à cristaux liquides ont connu un très grand essor avec le développement des ordinateurs portables utilisant une technologie TFT, abréviation anglo-saxonne de Thin Film Transistor, et une cellule à cristal liquide TN abréviation de Twisted Nematic.

La plupart des panneaux ou écrans à cristaux liquides souffrent d'un inconvénient majeur qui est l'angle de vue limité sous lequel on peut les observer: dès que l'on s'éloigne de la normale à la surface du panneau ou de l'écran, le contraste entre le blanc et le noir diminue considérablement et détériore l'image présentée. En effet, du fait de la biréfringence intrinsèque du cristal liquide, le niveau de contraste chute dès que l'observateur s'éloigne de la normale à l'écran et pour certaines zones d'observation les niveaux de gris s'inversent. _ Ce phénomène tolérable pour certaines applications doit absolument être compensé lorsqu'il s'agit de réaliser des écrans d'ordinateurs ou tous dispositifs de visualisation pouvant être consultés par plusieurs observateurs en même temps.

Les propriétés d'angle de vue d'un écran ou panneau de type LCD (écrans à cristaux liquides) s'évaluent généralement à partir d'un conoscope qui donne les courbes d'isocontraste en fonction de l'angle d'observation caractérisé par les deux angles suivants 0 = angle de l'observateur avec la normale de l'écran, = angle de la projection de la direction d'observation dans le plan de l'écran, repéré par rapport à l'axe Est-ouest (horizontale) La figure 3 représente le conoscope d'une cellule TN non compensée. Ce conoscope montre que la plage d'angles d'observation pour lesquelles le contraste est par exemple supérieur à 50 est faible.

L'art antérieur divulgue différentes méthodes et structures ayant pour objectif de remédier au problème précité.

Multidomaines Une première approche consiste à modifier la structure de la cellule en créant dans chaque cellule élémentaire (pixel) plusieurs domaines dans lesquels l'ancrage du cristal liquide est différent. L'effet de moyennage ainsi obtenu réduit sensiblement le problème, mais conduit à augmenter la complexité dans le processus de fabrication de l'écran.

Nouveaux effets électrooptiaues Une deuxième approche consiste à utiliser d'autres types de cellules cristal liquide où l'alignement, la nature du cristal liquide ou le principe d'adressage sont différents du TN (twisted Nematic). Certains tels que l'IPS (abréviation anglo-saxone de In Plane Switching), ont débouché sur des produits commerciaux présentant des qualités sensiblement équivalentes à celle du TN et possédant un angle de vue important. Toutefois ces cellules sont basées sur des effets complexes qui ne sont pas toujours maitrisés dans la fabrication d'écrans LCD.

Films biréfringents Une troisième approche ne modifie pas la structure de la cellule et corrige la biréfringence du cristal liquide par l'ajout d'un ou de plusieurs films biréfringents optimisés pour compenser l'effet du cristal liquide. Les problèmes d'angle de vue des cellules cristal liquide proviennent du caractère biréfringent du cristal liquide, qui transforme différemment la polarisation d'une onde lumineuse en fonction de son angle d'incidence. L'extinction entre polariseurs croisés n'étant possible que si la polarisation de sortie est linéaire, le noir n'est obtenu que pour les angles voisins de la normale à l'écran. L'adjonction de films possédant une biréfringence inverse permet de diminuer voire d'annuler cette biréfringence: La compensation d'une cellule de cristal liquide nécessite dans la plupart des cas de disposer de films de compensation d'axe optique dans le. plan ou perpendiculaire (angle d'inclinaison de l'axe optique autour de 0 et 90 désigné sous l'expression films dans le plan ) et de films d'axe optique oblique ou incliné par rapport au plan de l'écran à cristal liquide.

Schématiquement, le ou les films dans le plan permettent de compenser les molécules situées au centre de la cellule (axe optique perpendiculaire au substrat). Le ou les films obliques compensent les molécules de la cellule de cristal liquide inclinées par rapport au substrat.

Généralement les films biréfringents sont positionnés entre les polariseurs et les substrats de la cellule dans des configurations de géométrie diverses.

La figure 4 montre un exemple de disposition de films biréfringents pour compenser en angle de vue une cellule cristal liquide.

La cellule de cristal liquide XL est positionnée entre un premier ensemble formé d'un polariseur 10 et d'un compensateur 11 constitué par exemple d'un film biréfringent et d'un deuxième ensemble formé d'un compensateur 12 et d'un analyseur 13. La référence 14 désigne le substrat de la cellule de cristal liquide.

Méthodes de réalisation de films biréfringents Différentes méthodes existent pour obtenir des films biréfringents dont certaines sont données ci-après à titre illustratif et nullement limitatif. Film plastique étiré L'étirement d'un film plastique (PVA poly vinyl alcool, polycarbonate, TAC tri acétate de cellulose) uni ou bidimensionnel permet d'obtenir toutes les biréfringences dans le plan , c'est-à-dire avec les axes de l'ellipsoïde des indices contenus dans le plan du film ou selon la normale (uniaxe type négatif ou uniaxe de type positif, biaxe). Toutefois, à l'heure actuelle, cette technologie ne permet pas d'obtenir des axes optiques inclinés. Comme il est souvent nécessaire de disposer de films biréfringents d'axe optique incliné par rapport au plan du film pour effectuer une compensation efficace, les performances des compensateurs s'en trouvent limitées.

Les retards obtenus par cette technologie sont de l'ordre de 100 nm et plus. Pour certaines orientations de l'axe optique du film, il est difficile d'obtenir avec cette méthode des valeurs faibles de biréfringence et ceci de manière reproductible. Par exemple pour les valeurs appartenant à l'intervalle [-20, -60 nm].

Films obliques Une technique efficace et connue pour compenser la biréfringence de type positive d'une cellule de cristal liquide nématique consiste à utiliser plusieurs films biréfringents de type négatif.

Film Fuji Par exemple il est connu de coupler de chaque côté de la cellule un continuum de milieu uniaxe négatif obliques et un milieu uniaxe négatif dans le plan généralement obtenue par étirage d'un film plastique. Un tel film de compensation est par exemple divulgué dans le brevet US 5 583 679 ou dans la publication [1] ayant pour titre Application of a negative

biréfringence film to various LCD modes , et pour auteurs N.Mori et al, Proceedings SID 97, pp 11-88.

Le continuum de milieu uniaxe négatif incliné est obtenu à l'aide de molécules de cristal liquide discotiques polymérisées. Ce mode de compensation a donné lieu à un film commercialisé par la société FUJI désigné dans la suite de la description par film Fuji .

La solution de type Fuji comporte donc un continuum de milieu uniaxe négatif constitué d'un splay de molécules cristal liquide discotique polymérisées et d'un milieu uniaxe négatif d'axe optique perpendiculaire au substrat obtenu par étirement d'un film plastique (TAC) qui est également le substrat des polariseurs utilisés en visualisation, tel qu'il est explicité dans la publication [1] précitée. Le conoscope typique obtenu avec une compensation Fuji est donné à la figure 5.

Holographie Une autre méthode pour obtenir un uniaxe négatif est basée sur l'utilisation d'un réseau holographique. Lorsque le pas des franges est suffisamment faible par rapport à la longueur d'onde d'éclairement, l'hologramme fonctionne en form biréfringence et est équivalent à un milieu uniaxe de type négatif dont l'axe optique est confondu avec la normale au plan des strates d'indice. Une telle méthode de correction est par exemple décrite dans les brevets FR 2.754.609 et FR 2.778.000 ou encore dans le document ayant pour titre TN-LCD viewing angle compensation with holographic volume gratings et pour auteurs C.Joubert et al., Photonic West'99, Proceeding SPIE n 3635, 137-142 (1999).

L'invention concerne un dispositif de visualisation à cristal liquide comprenant un écran à cristal liquide muni sur au moins une de ses faces de moyens de correction de la biréfringence du cristal liquide.

II est caractérisé en ce que la structure de compensation comporte au moins un film possédant une biréfringence en majorité uniaxe (négative) d'axe optique ayant une direction proche ou égale à la perpendiculaire au plan d'une face telle que l'écran de la cellule et au moins une couche holographique possédant une biréfringence négative d'axe optique oblique par rapport au plan de l'écran à cristal liquide.

Le film possédant une biréféringence en majorité uniaxe d'axe optique ayant une direction proche ou égale à la perpendiculaire au plan de l'écran de la cellule est par exemple un film de type plastique étiré uniaxe ou un film de type holographique.

Le film à majorité uniaxe correspond par exemple au substrat du polariseur de la cellule de cristal liquide.

Selon un mode de réalisation, la couche holographique peut être est orientée de façon que la normale au plan des strates du film holographique fait un angle compris entre 20 et 70 avec la normale au plan de l'écran à cristal liquide.

La couche holographique est par exemple constituée d'au moins deux films holographiques comportant chacun un réseau de strates ayant leur orientation propre.

Selon une variante de réalisation le dispositif comporte par exemple deux structures optiques de compensation disposées de part et d'autre de la cellule et chacune des structures peut comporter un film dans le plan et un film holographique ayant une biréfringence d'axe optique incliné par rapport à la normale à l'écran.

Le film dans le plan en majorité uniaxe peut présenter un retard compris entre -20 et -250 nm.

La couche holographique présente par exemple une valeur de retard inférieure à -150 nm, de préférence comprise entre -10 et -100 nm.

Le dispositif présentant une des caractéristiques mentionnées précédemment est par exemple utilisé pour compenser les effets de biréfringence dans des écrans de micro-ordinateurs.

La structure de compensation selon l'invention permet avantageusement et de manière simple d'améliorer la compensation de la biréfringence des dispositifs de visualisation à cristal liquide pour augmenter l'angle de vision du dispositif de visualisation de façon simple.

Une couche holographique unique permet en comparaison d'un splay de molécules de cristal liquide polymérisées une meilleure compensation que celle obtenue avec le film Fuji.

Brève description des figures D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels # les figures 1 a et 1 b représentent schématiquement une cellule à cristal liquide dans un état non activé et dans un état activé, # les figures 2a et 2b, respectivement les ellipsoïdes d'un milieu uniaxe positif et uniaxe négatif, # la figure 3 montre le conoscope d'une cellule de cristal liquide n_on compensée, # la figure 4 décrit un exemple de cellule cristal liquide compensée en utilisant un film de l'art antérieur, # la figure 5 présente le conoscope obtenu avec l'amélioration du film Fuji, # la figure 6 représente schématiquement une structure selon l'invention, # la figure 7 est une vue éclatée d'un exemple de structure de compensation selon l'invention, # la figure 8 un conoscope obtenu avec la structure de la figure 7, # la figure 9 un conoscope obtenu avec une variante de réalisation de la structure de la figure 7.

L'invention concerne une structure de compensation destinée à être disposée dans un dispositif de visualisation à cristal liquide sur au moins une de ses faces. L'idée de l'invention consiste à associer de manière judicieuse un film dans le plan ayant une biréfringence en majorité uniaxe et négative avec un ensemble holographique ou film oblique composé d'un ou de plusieurs hologrammes de volume possédant un axe optique oblique par rapport au plan de l'écran à cristal liquide.

La figure 6 représente de façon simplifiée un exemple d'agencement d'une structure de compensation pour une cellule à cristal liquide.

Le dispositif comporte par exemple un premier polariseur 25 accolé à

une première structure de compensation comportant un film dans le plan tel qu'un film plastique étiré 23 ayant une face 23a en contact avec le polariseur 25 et une deuxième face 23b accolée à une couche holographique 21 formée par exemple de deux films holographiques, FI et F2, une des faces 21b de la couche holographique étant en contact avec une face 20a de la cellule de cristal liquide 20, la cellule de cristal liquide 20, une deuxième structure de compensation comportant une couche holographique 22 formée de deux films holographiques sensiblement identiques aux deux films Fi et F2 mais orientés différemment accolée à une face 20b de la cellule de cristal liquide 20, et un film dans le plan tel qu'un film plastique étiré 24 dont une face 24a est en contact avec-la couche holographique et l'autre face 24b est en contact avec T un deuxième polariseur 26.

Film dans le plan Le film dans le plan 24 est par exemple un film plastique étiré tel que décrit précédemment,- en majorité uniaxe, ou encore uniaxe en totalité. Il a notamment pour fonction de compenser au moins les molécules situées au centre de la cellule (axe perpendiculaire. au substrat et/ou, les molécules parallèles au substrat).

La valeur du retard Rf du film dans le plan , exprimée en valeur absolue, appartient par exemple dans l'intervalle [-20 nm, -250nm].

Selon une variante de réalisation, le film étiré uniaxe est par exemple formé du substrat du polariseur ou encore du substrat du film holographique.

Le film dans le plan peut aussi être un film holographique tel que décrit précédemment comportant un réseau de franges ou de strates enregistrées. La direction des franges est globalement parallèle ou perpendiculaire au substrat et déterminée par les conditions d'enregistrement de l'hologramme.

Ensemble holographique ou film oblique Le film oblique comporte par exemple une ou plusieurs couches d'hologramme de volume. Une telle couche a notamment pour fonction de compenser une partie des molécules inclinées de la cellule de cristal liquide.

L'hologramme de volume est par exemple un film holographique dans lequel un réseau de strates d'indices a été enregistré en volume. Dans un tel film l'axe optique se confond avec la normale au plan des strates.

Le film holographique est équivalent à un milieu uniaxe négatif et fonctionne en form biréfringence . II possède des propriétés de biréfringence artificielle pour des longueurs d'onde largement supérieures au pas des strates formant le réseau. Les strates d'indice modulées sinusoïdalement sont espacées d'un pas plus petit que la longueur d'onde qui les traverse. Ces strates constituent des hologrammes non diffractants pour la lumière d'utilisation du cristal liquide.

Les franges peuvent être créées par des interférences en lumière ultraviolette dans un matériau photosensible. Le procédé d'enregistrement utilisé est par exemple décrit dans le brevet du demandeur FR 2.778.000. _ Retard du film Le retard Rh équivalent du réseau holographique en fonction de la modulation de son indice de réfraction An est obtenu par exemple à partir de la formule simple suivante

avec d : épaisseur du film no :indice moyen An : modulation de l'indice de réfraction Par exemple une valeur typique de On pour la réalisation d'un réseau holographique d'un photopolymère fabriqué par DuPont est égale à 0.045. Ce qui en prenant une épaisseur du film typique du film de 25 gm et un indice moyen no > 1,5 conduit à une valeur de retard Rh égal à -40 nm. Le calcul du retard est réalisé par exemple selon la méthode décrite par exemple dans la publication ayant pour titre TN-LCD viewing angle compensation with holographic volume gratings, C.Joubert et al., Photonic West'99, Proceeding SPIE n 3635, 137-142 (1999).

Une couche holographique peut avoir un retard de valeur inférieure à -150 nm.

Chaque film peut avoir un retard appartenant à l'intervalle de valeurs [-10 nm ; -100 nm] par exemple.

Anales L'angle d'inclinaison de l'axe optique d'un film holographique de type oblique Fi peut faire un angle 0 compris entre 20 et 70 avec la normale au plan de ce film.

La projection de l'axe optique des films holographique sur le plan du film fait un angle (p compris par exemple entre 0 et 360 .

Les angles 0 et cp associés à chaque film seront optimisés par simulation pour réaliser un compensateur efficace.

Les paramètres que l'on cherche à optimiser sont notamment # le retard Rp du film uniaxe négatif dans le plan pour un angle 0 sensiblement égal à 0 (axe optique perpendiculaire au plan de l'écran), # les trois valeurs (R F, 0 F, cpF) correspondant respectivement au retard R F du film uniaxe négatif oblique réalisé par holographie, à l'angle 0 F de son axe optique par rapport à la normale à l'écran, à l'angle cpF de la projection de l'axe optique dans le plan de l'écran.

Si le compensateur comporte plusieurs films holographiques, chaque trio associé (R F, 0 F, (pF) sera optimisé en tenant compte de l'ensemble de l'application.

L'optimisation du compensateur s'effectue par exemple à l'aide d'un programme du nom DINOS commercialisé par 1a société AUTRONIC- Melchers-GmbH capable de modéliser la transmission optique d'un empilement comportant une cellule de cristal liquide, un film de type Fuji comportant un TAC, ainsi qu'un film holographique.

L'optimisation s'effectue par exemple en visualisant le conoscope de contraste obtenu pour une configuration donnée et en cherchant quelle variation sur les films de compensation va induire une amélioration de l'angle de vue. La solution finale, meilleure structure de compensation est obtenue par approximations et itérations successives.

Au minimum la structure du compensateur doit comporter au moins une demi-structure de compensation constituée d'un film dans le

plan ayant une biréfringence en majorité uniaxe et négative et une ou plusieurs couches holographiques à axe optique incliné.

Dans les différentes configurations envisagées, l'ensemble formé du film uniaxe négatif dans le plan et du ou des films holographiques associés présente une valeur de retard déterminée notamment pour compenser les effets de biréfringence de la cellule de cristal liquide. La disposition des structures de compensation n'est pas forcément symétrique par rapport à la cellule de cristal liquide.

Les deux côtés de la cellule peuvent être pourvues de structure de compensation sensiblement identiques ou différentes.

Le film dans le plan peut être accolé à une paroi de la cellule de cristal liquide, ou encore disposé entre le polariseur et la couche holographique accolée dans ce cas à une face de la cellule de cristal liquide. Exemples de différentes structures de compensation selon l'invention Exemple d'une structure comportant un TAC et un film holographique La figure 7 représente une vue éclatée d'un tel exemple de réalisation. L'orientation du dispositif se fait par rapport aux directions Est- Ouest et Nord-Sud indiquées en bas de la figure.

L'écran à cristal liquide 20 comporte par exemple un cristal liquide nématique en hélice. Ce cristal liquide est enserré entre deux lames de verre 31 et 32 dont les faces en contact avec le cristal liquide ont été traitées par frottement de façon à déterminer l'orientation des molécules en contact avec ces faces et leur inclinaison par rapport au plan des faces. Le sens de frottement de la face 31 est dirigé à -45 de la direction Ouest-Est. Le sens de frottement de la face 32 est dirigé à +45 de la même direction. Selon une configuration le polariseur 33 associé à la face 31 est orienté à 90 du sens de frottement de cette face. Le polariseur et l'analyseur sont donc orientés de 90 l'un de l'autre à quelques degrés près éventuellement.

L'analyseur 33 associé à la face 31 est orienté à 90 du sens de frottement de la face.

La structure de compensation accolée à la face 31 comporte par exemple un film dans le plan (0 = 0 ) 37 ou TAC ayant une valeur de retard de -140nm et un premier film holographique 35 dont l'axe optique fait

un angle 0 égal à 56 , un angle (p égal à 225 , ayant une valeur de retard de -80 nm.

La structure de compensation accolée à la face 32 de la cellule de cristal liquide est sensiblement identique et comporte un film holographique 38 ayant un axe optique dont l'angle 0 est égal à 56 `et un film 39 dans le plan constitué par un TAC ayant une valeur de retard de -140 nm.

La figure 8 présente les courbes d'isocontraste d'une cellule à cristal liquide TN compensée avec une structure telle que décrite à la figure 7, en fonction de la position d'observation exprimée en ( 0, (p ). On constate que l'angle de vue horizontal est très bon de l'ordre de +/- 70" pour l'isocontraste 160, l'angle vertical étant aussi bon +/- 50" isocontraste 160.

Ces résultats améliorent notablement la compensation habituellement obtenue par les dispositifs de l'art antérieur (figure 5) résultent de l'association judicieuse d'un film "dans le plan" ayant une biréfringence en majorité uniaxe, c'est-à-dire principalement uniaxe ou tout uniaxe et à biréfringence négative et d'un film holographique, ce de chaque côté de la cellule.

Exemple de structure avec deux films holographique La figure 9 représente les courbes d'isocontraste d'une cellule à cristal liquide TN compensée par une structure comportant un film étiré uniaxe négatif d'axe perpendiculaire au substrat de biréfringence 150 nm avec deux couches de film holographique F, et F2 ayant chacun un retard de 45 nm et un axe optique incliné de 15 "pour Fi et de 70" pour F2, la valeur de l'angle cp restant identique au cas précédent cette structure de compensation est symétrique de chaque côté de la cellule de cristal liquide.

Les exemples précédents concernant une cellule à cristal liquide TN compensée sont donnés à titre illustratif et nullement limitatif.

Sans sortir du cadre de l'invention, la structure de compensation décrite précédemment peut être utilisée pour d'autres types de cellules de cristal liquide, par exemple dans des cellules de type STN (super twisted nematic).

Claims

REVENDICATIONS 1 - Dispositif d'affichage comportant un élément de cellule à cristal liquide (20, 30) placé entre deux polariseurs (25, 26) comportant au moins une structure optique de compensation des variations de biréfringence dudit cristal liquide en fonction de l'angle d'observation, caractérisé en ce que ladite structure de compensation comporte au moins un film (23, 24) possédant une biréfringence en majorité uniaxe (négative) d'axe optique ayant une direction proche ou égale à la perpendiculaire au plan d'une face de la cellule et au moins une couche holographique (21, 22) possédant une biréfringence négative d'axe optique oblique par rapport au plan de l'écran à cristal liquide.
2 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le film possédant une biréféringence en majorité uniaxe d'axe optique ayant une direction proche ou égale à la perpendiculaire au plan de l'écran de la cellule est un film de type plastique étiré uniaxe.
3 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le film possédant une biréfringence en majorité uniaxe d'axe optique ayant une direction proche ou égale à la perpendiculaire de l'écran de la cellule est un film holographique.
4 - Dispositif selon l'une des revendications 2 ou 3 caractérisé en ce que le film à majorité uniaxe correspond au substrat du polariseur de la cellule de cristal liquide.
5 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que la couche holographique est constituée d'au moins un film comportant un réseau de strates d'indices en volume.

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6 - Dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce qu'un film holographique est orienté de façon que la normale au plan des strates du film holographique fait un angle compris entre 20 et 70 avec la normale au plan de l'écran à cristal liquide.
7 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que la couche holographique est constituée d'au moins deux films holographiques comportant chacun un réseau de strates ayant leur orientation propre.
8 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte deux structures optiques de compensation disposées de part et d'autre de -la cellule et en ce que chacune des structures comporte un film dans le plan et un film holographique ayant une biréfringence d'axe optique incliné par rapport à la normale à l'écran.
9 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le film dans le plan en majorité uniaxe présente un retard compris entre -20 et -250 nm.
10 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la couche holographique présente une valeur de retard inférieure à -150 nm, de préférence comprise entre -10 et -100 nm.
11 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes utilisé pour compenser les effets de biréfringence dans des écrans de micro-ordinateurs.