Générique
Les cristaux liquides

Les cristaux liquides

Les cristaux usuels sont des solides dont les constituants – atomes ou molécules – sont rangés de façon très ordonnés, par exemple selon des cubes ou des hexagones. Au contraire, dans un liquide, les molécules ou les atomes sont complètement désordonnés. Sauf en ce qui concernent les cristaux liquides, qui sont donc liquides, mais dont les molécules peuvent se structurer comme dans un cristal. Et comme dans un cristal, la façon dont se structurent les molécules dépend de paramètres extérieurs, comme par exemple la température : on dit que le cristal liquide peut exister dans différentes phases. Les trois principales phases des cristaux liquides sont la phase isotrope, la phase nématique et la phase smectique. Dans un état isotrope, les molécules allongées du cristal liquide ont une orientation aléatoire. Dans la phase nématique, elles sont préférentiellement orientées dans une même direction. Enfin, la phase smectique ressemble à une succession de couches.

Les trois phases principales des cristaux liquides. Crédits : J.C.Gabriel (IMN, Nantes) et Anaïs Abramian
Les trois phases principales des cristaux liquides. Crédits : J.C.Gabriel (IMN, Nantes) et Anaïs Abramian

Dans la phase nématique, les molécules peuvent aussi toutes s'orienter dans une même direction dans un plan donné, mais tourner d'un petit angle si l'on passe d'un plan à l'autre. L'angle de rotation est toujours le même, si bien qu'au fur et à mesure qu'on parcourt les plans, les molécules dessinent une hélice. On appelle d'ailleurs cette phase la phase nématique hélicoïdale, ou phase nématique torsadée.

La phase nématique torsadée. Crédits : J.C.Gabriel (IMN, Nantes) et Anaïs Abramian
La phase nématique torsadée. Crédits : J.C.Gabriel (IMN, Nantes) et Anaïs Abramian
La polarisation de la lumière

La lumière

La lumière visible est une onde électromagnétique, c'est à dire qu'elle est à la fois une onde et un corpuscule appelé photon. On peut donc la caractériser à la fois par les propriétés de l'onde – la longueur d'onde ou la fréquence – et par celles du corpuscule – son énergie. Longueur d'onde, fréquence et énergie sont reliées par des relations très simples, car elles sont en fait les différentes facettes d'une même propriété, qui est la couleur. Toutes les ondes électromagnétiques ne sont pas visibles par l'œil humain. C'est le cas par exemple de l'infrarouge, des ondes radios ou des rayons X par exemple. La seule différence entre la lumière visible et ces autres ondes électromagnétiques est leur « couleur ». Alors que les ondes radio ont une longueur d'onde de plusieurs millimètres ou centimètres, ou que les rayons X ont des longueurs d'onde au plus de 10 nanomètres, la lumière visible se situe entre 400 et 800 nanomètres, de l'indigo au marron. Ou, si l'on préfère, du violet foncé au rouge très foncé. L'énergie d'un photon est inversement proportionnelle à cette longueur d'onde : chaque photon de la lumière indigo renferme donc deux fois plus d'énergie que chaque photon de la lumière marron.

Pour en savoir plus, voir les kezakos « Quelle est la différence entre phosphorescence et fluorescence », « Comment fonctionnent les radars automobiles », « D'où viennent les couleurs changeantes des ailes de papillons », « Comment fonctionne une IRM » et « Pourquoi le ciel est bleu » et « Comment fonctionne un écran LCD »

lumiere

La polarisation de la lumière

La lumière est une onde électromagnétique, c'est à dire une onde associée à un champ électrique et un champ magnétique oscillants. La polarisation de la lumière, c'est la direction dans lequel le champ électrique oscille. Par exemple, si elle oscille verticalement, comme l'onde bleue ci-dessous, on a une polarisation verticale. La polarisation peut aussi être horizontale (comme l'onde rouge), ou dans n'importe quelle direction.

Onde_electromagnetique

Dans tous les cas précédents, le champ électrique oscille toujours dans le même plan, on dit que la polarisation est linéaire. Mais on peut aussi avoir une polarisation circulaire qui tourne au cours du temps, comme dans le schéma ci-dessous.

Crédit Dave3457 (Own work) [Public domain], via Wikimedia Commons
Crédit Dave3457 (Own work) [Public domain], via Wikimedia Commons

La lumière émise par les sources de lumière habituelles, comme le soleil, une ampoule ou un tube fluorescent, n'est pas polarisée. Ça signifie que la polarisation de la lumière émise est aléatoire, elle varie dans le temps et dans l'espace.

Le polariseur

Le polariseur

Le polariseur est un élément optique qui permet de sélectionner un type de polarisation. Il existe en gros deux types de polariseurs : ceux qui sélectionnent une polarisation linéaire, et ceux qui sélectionne une polarisation circulaire. Pour les fabriquer, on utilise essentiellement des cristaux dichroïques, c'est à dire des cristaux qui absorbe la lumière différemment selon qu'elle est polarisée dans une direction ou une autre. On peut ainsi construire une feuille qui ne laisse passer qu'une seule polarisation. Prenons l'exemple d'un polariseur linéaire : il ne laisse donc passer qu'une seule polarisation, qu'on peut choisir en tournant simplement le polariseur. Supposons que l'on règle le polariseur pour qu'il ne laisse passer que la polarisation verticale : si la lumière envoyée a une polarisation verticale, tout est transmis. Si elle a une polarisation horizontale, rien ne passe. Dans les situations intermédiaires, il faut projeter la polarisation sur les axes vertical et horizontal, et seule la projection sur l'axe vertical passe, comme le montre la figure ci-dessous.

Crédit Daniel Hennequin. D'après Dave3457 (Own work) [Public domain], via Wikimedia Commons.
Crédit Daniel Hennequin. D'après Dave3457 (Own work) [Public domain], via Wikimedia Commons.

Les photographes utilisent des filtres polariseurs depuis longtemps : ils permettent d'une part d'éliminer, au moins partiellement, les reflets sur les vitres et sur l'eau, et d'autre part de renforcer le bleu du ciel. Pour les reflets, la raison en est que lors de ce type de réflexion, la quantité de lumière réfléchie dépend de sa polarisation. Il existe même un angle, appelée angle de Brewster, pour lequel une seule polarisation est réfléchie : en ajustant correctement l'angle du polariseur, on peut alors supprimer toute réflexion. Dans le cas du ciel, c'est la diffusion de la lumière par l'atmosphère qui change en partie la polarisation de la lumière. Avec un polariseur, on supprime d'autant plus efficacement la lumière qu'elle a été davantage diffusée. En pointant dans une direction opposée au soleil, on peut donc assombrir très fortement le ciel, le rendant d'un bleu plus profond (voir le Kézako Pourquoi le ciel est bleu ?).

Certaines lunettes de soleil utilisent aussi des verres polariseurs : éliminer certaines polarisations revient à diminuer la quantité de lumière totale, ce qui est justement l'objectif des lunettes de soleil. Parmi les autres utilisations, citons les lunettes qui permettent de regarder les films 3D dans les cinémas. Pour plus de détails, voir le Kézako Comment fait-on pour voir en relief ?

Vous trouverez sur le site de l'université du Mans une petite applet vous montrant permettant de jouer avec des polariseurs.

Cristaux liquides et polarisation

Cristaux liquides et polarisation

Dans la phase nématique torsadée, les cristaux liquides agissent sur la polarisations de la lumière : si la polarisation initiale est alignée avec l'orientation des cristaux liquides, elle va suivre la rotation de cette direction (l'hélice) au fur et à mesure de sa propagation. À sa sortie de la cellule contenant les cristaux liquides, la polarisation aura donc tourné. De plus, l'orientation des cristaux liquides peut être modifiée en appliquant un champ électrique. En ajustant le champ électrique appliqué, on peut donc ajuster l'orientation des cristaux liquides, et donc la rotation de la polarisation à la traversée des cristaux. Dans un écran à cristaux liquides, on utilise ces propriétés pour laisser passer ou arrêter la lumière venant d'une source située à l'arrière de la dalle à cristaux liquides.

La technique la plus répandue consiste à insérer chaque cellule contenant des cristaux liquides entre deux polariseurs orientés à 90° l'un de l'autre. Sans champ électrique, les cristaux liquides font tourner la polarisation de 90°, et donc la lumière passe : le pixel est éclairé (voir la figure ci-dessous, à gauche). En appliquant un champ électrique, on fait en sorte que les cristaux quittent le plan de polarisation, et n'affectent donc plus la polarisation de la lumière. Si la tension est faible, seules quelques cristaux se sont ré-orientés, et seulement une partie de la lumière passe. Si la tension appliquée est suffisante pour que les cristaux soient tous ré-orientés, toute la lumière est bloquée (à droite dans la figure ci-dessous). Cette technique est la moins couteuse, mais elle a de gros défauts : le contraste et la luminosité décroissent très vite si l'on ne regarde pas l'écran bien en face, et un pixel mort (à cause d'une usure des électrodes par exemple) apparaît brillant.

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Il existe plusieurs autres techniques, qui jouent simplement avec des orientations différentes des cristaux liquides. Prenons par exemple la technique dite IPS : cette fois, les deux polariseurs sont parallèles entre eux. Sans champ électrique, la lumière ne passe donc pas : le pixel est noir (voir la figure ci-dessous, à gauche). En appliquant un champ électrique, on fait en sorte que les cristaux s'alignent mieux avec le polariseur de sortie, laissant passer un peu de lumière. Si la tension appliquée est suffisante pour que les cristaux soient parfaitement alignés avec les polariseurs, toute la lumière passe (à droite dans la figure ci-dessous).

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Voici un TP effectué en master et très bien expliqué.

Référence

Technical evolution of liquid crystal displays, Kyeong-Hyeon Kim and Jang-Kun Song, NPG Asia Mat. 1 29–36 (2009)

Images en noir et blanc

L'image numérique

Aujourd'hui, toutes les images qui passent sur des écrans sont numérisées. Mais la plupart du temps, l'image initiale n'est pas numérisée. C'est bien sûr le cas du monde réel (paysage, portrait, scène quelconque), mais aussi de nombreuses représentations utilisant des techniques traditionnelles, comme les tableau, les dessins au crayon ou encore les photographies argentiques, ou encore des techniques informatiques vectorielles. La numérisation de ces images fait appel à trois procédés débouchant sur la pixellisation de l'image, la réduction des couleurs en utilisant la synthèse additive, et l'échantillonnage des niveaux de chaque couleur.

La pixellisation consiste à réduire la résolution spatiale de l'image en la transformant en une juxtaposition de pixels, par exemple 1920 sur 1080 pixels pour une image de 2 millions de pixels en 16/9. Pour reconstituer l'image, il suffit alors de connaître la couleur et la luminosité de chaque pixel.

Chaque couleur est représentée par la somme de seulement 3 couleurs fondamentales, le rouge, le vert et le bleu : c'est le système RVB. Voir l'article sur la synthèse additive pour en savoir plus.

Enfin, la luminosité de chacune des trois couleurs fondamentales est codée sur un nombre limité de niveaux, en général 256. Une luminosité nulle, c'est à dire le noir, correspond au niveau 0, tandis que le niveau 255 correspond à la luminosité maximale, c'est à dire la couleur correspondante (rouge, vert ou bleu). Des valeurs intermédiaires correspondant à des couleurs de plus en plus foncées au fur et à mesure que la valeur diminue. Par exemple, un rouge avec un niveau de 127 correspond à un rouge foncé, c'est à dire un marron, et un bleu à 127 est un bleu nuit.

Les 3 couleurs fondamentales du système RVB, avec leurs niveaux de luminosité. Crédit Daniel Hennequin.
Les 3 couleurs fondamentales du système RVB, avec leurs niveaux de luminosité. Crédit Daniel Hennequin.
Synthèse additive

Synthèse additive

Pour reconstituer une couleur, le cerveau réalise une synthèse additive des trois informations envoyées par les trois types de cônes qui tapisse la rétine, au fond de l'oeil. Par exemple, si les cônes rouges envoient un signal beaucoup plus important que les cônes verts, tandis que les cônes bleus ne voient rien, on peut en déduire que la couleur de la lumière est située aux longueurs d'onde les plus élevées de la fenêtre de sensibilité des cônes rouges, et que c'est donc du rouge. Si au contraire, les signaux des cônes verts et rouges sont à peu près identiques, cela signifie que l'on est sur une longueur d'onde située entre les deux pics de sensibilité de ces cônes, donc dans le vert.

Du coup, il est assez simple de « tromper » le cerveau : si au lieu d'envoyer du jaune, on envoie du vert et du rouge, les cônes vont réagir de la même façon. Et on a donc créé une couleur en mélangeant simplement deux autres couleurs. Physiquement, les deux faisceaux de lumière sont très différents, puisque on n'a pas les mêmes longueurs d'onde. Mais physiologiquement, on a le même résultat. Pour en savoir plus, voir le Kezako Comment l’œil voit-il ?

Le principe de la synthèse additive consiste donc à choisir 3 couleurs dites primaires, et de réaliser toutes les autres couleurs par mélange.

Les couleurs primaires de la synthèse additive RVB.
Les couleurs primaires de la synthèse additive RVB.
Images en couleurs

La structure d'un écran

Au final, un écran LCD est la juxtaposition de millions de pixels, chaque pixel ayant la structure montrée dans la figure ci-dessous. La lumière est fournie par un rétroéclairage constitué, pour les écrans récents, de LED. Entre les deux polariseurs (ici, croisés, car il s'agit d'une technologie TN), on trouve les TFT (transistors en couches minces) qui assurent l'alimentation des électrodes. Les électrodes sont en oxyde d'indium-étain (ITO), un conducteur électrique transparent qui permet d'amener l'électricité tout en laissant passer la lumière. Des films d'orientation au contact des cristaux liquides permettent de les orienter correctement lorsque le champ électrique est nul. Chaque pixel est en fait constitué de trois cellules de cristaux liquides, une pour chacune des trois couleurs fondamentales. Ce sont simplement des filtres de couleur qui permettent de les sélectionner. Dans la figure ci-dessous, les tensions électriques orientent les cristaux liquides de façon à ce que tout le rouge passe, environ la moitié du vert, et pas de bleu du tout. Ce pixel sera donc orange.

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Générique de fin