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CA 02568419 2006-11-27
WO 2006/003302 PCT/FR2005/001396
VERRE OPHTALMIQUE A FONCTION ELECTRO-OPTIQUE
La présente invention concerne un verre ophtalmique comprenant des
moyens électro-optiques.
De nombreuses tentatives ont été effectuées pour adapter
dynamiquement certaines caractéristiques optiques de verres ophtalmiques, ou
verres de lunettes, afin de procurer un confort amélioré ou de nouvelles
fonctions au porteur des verres. A titre d'exemple, la transmission lumineuse
des verres peut être réduite en condition de luminosité élevée, et peut être
augmentée de nouveau lorsque la lumière ambiante redevient d'intensité
normale ou faible. Des verres photochromes remplissent cette fonction, mais
les variations de la transmission lumineuse de tels verres sont déterminées
par
l'intensité d'un rayonnement ultraviolet qui éclaire ces verres. Le niveau de
transmission lumineuse adopté par des verres photochromes est alors
inapproprié dans certaines circonstances. En particulier, des verres
photochromes sont dans un état de transparence élevé à l'intérieur d'une
voiture, quelque soit le niveau d'ensoleillement. Un conducteur automobile
n'est donc pas protégé contre l'éblouissement par des lunettes équipées de
verres photochromes.
Les systèmes électro-optiques permettent le contrôle d'une
caractéristique optique au moyen du stimulus électrique. A titre d'exemple, la
transmission lumineuse d'un verre électrochromique varie en réponse à un
courant électrique.
Les systèmes électro-optiques nécessitent donc une source
d'alimentation électrique, pour fournir le stimulus électrique. Des piles de
petites tailles ont été intégrées à des montures de paires de lunettes, de
façon
à alimenter des dispositifs électro-optiques intégrés dans les verres. Ces
piles
ont été placées sur les branches de la paire de lunettes, ou ont été
dissimulées
dans le pont de la monture entre les deux verres. Des connexions électriques
relient alors la ou les piles au système électro-optique.
Ces alimentations à piles ont pour inconvénient d'être d'un poids et
d'un encombrement significatif. En outre, elles sont réservées aux verres
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spécialement produits pour une monture de forme donnée. Or, dans la plupart
des cas, les verres sont produits indépendamment des montures. Ils sont
ensuite taillés, détourés et/ou percés pour être amenés aux dimensions d'une
monture ou d'un calibre, puis ils sont assemblés avec cette monture ou ce
calibre. A cause de la diversité des formes des montures et des calibres, il
est
difficile de concevoir des connexions électriques dont une partie est réalisée
sur le verre avant que celui-ci soit taillé. En outre, de telles connexions
doivent
être raccordées à la monture après l'assemblage des verres dans la monture.
Une telle réalisation des connexions est particulièrement onéreuse, car elle
io nécessite des étapes de reprise.
Un but de la présente invention consiste donc à proposer un verre
ophtalmique équipé d'un système électro-optique qui ne présente pas les
inconvénients cités ci-dessus.
L'invention propose ainsi un verre ophtalmique comprenant un substrat
transparent et des moyens électro-optiques intégrés au substrat pour procurer
une fonction optique en réponse à-un stimulus électrique. Le verre selon
l'invention comprend en outre au moins une cellule photovoltaïque intégrée au
substrat pour alimenter les moyens électro-optiques en réponse à une lumière
incidente, ainsi que, optionnellement, un circuit de contrôle de la tension
électrique produite par la cellule photovoltaïque, ledit circuit de contrôle
étant
intégré au substrat.
Ainsi, selon l'invention, à la fois le système électro-optique et la source
d'alimentation électrique sont intégrés au substrat du verre. Les connexions
électriques entre le système électro-optique et la source d'alimentation
peuvent
donc aussi être intégrées au substrat du verre, si bien que ces connexions
sont
disjointes de la monture. Elles peuvent être réalisées au sein du verre avant
l'assemblage de celui-ci dans la monture. L'assemblage effectué ensuite n'est
pas modifié par la présence du système électro-optique. En particulier, il
peut
être effectué à faible coût.
Par ailleurs, l'intégration des connexions électriques dans le substrat
du verre permet d'utiliser des connexions de dimensions réduites, voire des
connexions miniatures. De telles connexions peuvent être discrètes et même
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invisibles. Elles sont donc compatibles avec les exigences esthétiques propres
au domaine des paires de lunettes.
Un autre avantage d'un verre de lunettes selon l'invention provient de
la nature de la source d'alimentation électrique utilisée. En effet, à la
différence
d'une pile, une cellule photovoltaïque ne nécessite pas de renouvellement
périodique, puisque l'énergie fournie par une telle cellule est générée à
partir
de la lumière incidente.
Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, la cellule
photovoltaïque est sensible à la lumière visible. Ainsi, la fonction optique
est
1 o activée en fonction des conditions de luminosité auxquelles sont sensibles
les
yeux du porteur des verres. L'activation des moyens optiques concorde alors
avec une fonction optique perçue visuellement.
La cellule photovoltaïque peut être intégrée au substrat du verre de
diverses façons. Selon un premier type de réalisations, la cellule
photovoltaïque est incorporée à un composant opaque intégré au substrat et
qui occupe une surface inférieure à 10% de la surface du verre. Une gêne
visuelle minimale en résulte, voire aucune gêne n'en résulte, du fait de la
très
faible taille du composant opaque qui permet de conserver une transparence
du verre intacte dans la surface du verre utile pour la vision.
Selon un second type de réalisations, la cellule photovoltaïque est
partiellement transparente et possède une surface de collecte de lumière qui
recouvre au moins en partie la surface du verre. Dans ce cas, la surface de
collecte de lumière peut être grande, et un stimulus électrique d'énergie
supérieure peut être ainsi obtenu. En outre, des réalisations de ce type
n'utilisent pas nécessairement de composant opaque, ce qui permet des
configurations de verres particulièrement esthétiques.
Le circuit de contrôle est avantageusement aussi intégré au substrat du
verre. II peut permettre d'adapter le stimulus électrique délivré aux moyens
électro-optiques par rapport à une amplitude désirée de la fonction optique.
Il
permet aussi une adaptation du stimulus électrique par rapport à des
caractéristiques de fonctionnement intrinsèques aux moyens électro-optiques.
En particulier, le circuit de contrôle peut comprendre un circuit élévateur de
la
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tension électrique produite par la cellule photovoltaïque, notamment pour
atteindre un seuil d'activation de la fonction optique.
Eventuellement, le circuit de contrôle peut être partiellement
transparent. Dans ce cas, il peut être situé au moins en partie dans une
portion
du verre utile pour la vision. On entend par portion du verre utile pour la
vision
une portion du verre située entre l'ceil et un objet regardé situé dans le
champ
de vision. Aucun inconvénient esthétique ne résulte alors de la présence du
circuit de contrôle au sein du verre.
Le recours à un circuit de contrôle peut optionnellement être évité par
lo la mise en série de plusieurs éléments photovoltaïques de façon à obtenir
la
tension d'alimentation adéquate.
L'invention concerne aussi un dispositif de vision, notamment une paire
de lunettes, qui comprend au moins un verre ophtalmique tel que décrit
précédemment.
D'autres particularités et avantages de la présente invention
apparaîtront dans la description ci-après de deux exemples de réalisation non
limitatifs, en référence aux dessins annexés, dans lesquels :
- la figure la représente une paire de lunettes dans un premier
mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 1 b est une coupe d'un verre de lunettes dans le mode de
réalisation de la figure 1 a;
- la figure 2a représente un verre de lunettes dans un second mode
de réalisation de l'invention ; et
- la figure 2b est une coupe d'un verre de lunettes dans le mode de
réalisation de la figure 2a.
Dans les figures, pour raison de clarté, les dimensions des différents
éléments représentés ne sont pas en proportion avec des dimensions réelles.
Par ailleurs, sur toutes les figures, des références identiques correspondent
à
des éléments identiques ou ayant des fonctions identiques.
La fonction optique du verre peut être de plusieurs types. Ce peut être
une fonction de renforcement de contraste par adaptation de la teinte du
verre,
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par exemple telle que décrite dans le document US 6,250,759. Ce peut aussi
être une fonction de renforcement de contraste par filtrage de la lumière
selon
une direction de polarisation déterminée.
Dans les modes de réalisation décrits ci-dessous à titre d'exemples, la
fonction optique du verre est une fonction de protection solaire, ou de
protection contre l'éblouissement. Cette fonction est activée électriquement.
A
l'état initial, chaque verre d'une paire de lunettes présente une transmission
lumineuse élevée pour le spectre visible. En réponse à un stimulus électrique,
le verre s'assombrit : il acquiert une transmission lumineuse réduite dans le
1o spectre visible.
Pour cela, les moyens électro-optiques comprennent un système à
transmission lumineuse variable. Un tel système peut être de type
électrochromique, par exemple. De façon préférée, il s'agit d'un système à
faible consommation de courant' électrique, tel qu'un système à base de
cristaux liquides ou un système du type électrophorétique. En effet, pour ces
systèmes, le stimulus électrique qui provoque la variation de la transmission
lumineuse est un champ électrique, qui correspond à une tension électrique
appliquée entre deux bornes d'entrée du système. Le courant électrique
consommé est faible, et est compatible avec une source d'alimentation
électrique de petites dimensions.
Dans un premier mode de réalisation, en relation avec les figures la et
lb, la cellule photovolta'ique est à base de semi-conducteur. Une telle
cellule
photovoltaïque peut être réalisée selon une technologie connue, qui utilise
par
exemple l'un des alliages suivants : tellure de cadmium (CdTe), arséniure de
gallium (GaAs) ou une chalcopyrite contenant du cuivre telle que le
diséléniure
de cuivre et d'indium (CIS). Avantageusement, la cellule photovoltaïque est à
base de silicium cristallin, microcristallin ou amorphe.
Son coût est alors faible, et elle ne contient aucun matériau qui
présente un risque de toxicité en cas de bris ou de dégradation du verre de
lunettes. Les cellules photovoltaïques des technologies énumérées ci-dessus
ont toutes un spectre de réponse qui comprend au moins une partie du spectre
visible de I'oeil humain.
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Conformément à la figure la, une paire de lunettes est constituée
d'une monture 1 ayant deux branches 2, et de deux verres ophtalmiques 3
assemblés dans la monture 1. Par verres ophtalmiques on entend toutes
lentilles comprenant un substrat transparent de matière minérale et/ou
orgânique, de composition et de forme variable pouvant s'adapter à une
monture de lunettes pour protéger et/ou corriger la vue. Il peut s'agir
notamment de verres afocaux, unifocaux, bifocaux, trifocaux ou progressifs. En
particulier, un verre ophtalmique peut présenter une structure multicouche
et/ou feuilletée. Sa réalisation peut alors comprendre des opérations de dépôt
1o de couches sur le substrat, par exemple par évaporation de matériaux
déterminés. Elle peut aussi comprendre des opérations d'assemblage de
plusieurs substrats, dits alors substrats élémentaires, pour former le
substrat
final de chaque verre 3. Les substrats élémentaires sont assemblés les uns
avec les autres par feuilletage ou par collage, par exemple.
Chaque verre 3 incorpore un système à transmission variable 5, par
exemple un système à cristaux liquides. Un tel système à cristaux liquides
peut
être du type à tension de maintien ou du type bistable. Un système à tension
de maintien est commandé par une tension électrique de l'ordre de 3 volts,
alors qu'un système bistable nécessite une impulsion de tension électrique de
l'ordre de 15 volts pour provoquer une commutation optique. Le système 5 peut
être disposé sur une partie de la surface du verre 3 qui est utilisée pour la
vision. II peut aussi être disposé sur la totalité de la surface du verre.
Chaque verre 3 incorpore en outre une cellule photovoltaïque 6, par
exemple du type à silicium cristallin, microcristallin ou amorphe. La cellule
photovoita'ique 6 peut être incorporée à un composant opaque 7 intégré au
substrat du verre et occupant une surface sensiblement inférieure à la surface
du verre. De préférence, le composant opaque 7 occupe une surface inférieure
à 10 % de la surface du verre. Des dimensions du composant opaque 7 sont
par exemple de 2 millimètres par 3 millimètres. Un tel composant opaque 7 est
situé dans une partie de chaque verre 3 qui n'est pas utilisée pour la vision,
par
exemple dans une partie latérale inférieure du verre.
Un circuit de contrôle électronique 8 (figure lb) peut aussi être
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incorporé dans chaque composant opaque 7. Chaque circuit de contrôle 8 peut,
comprendre un adaptateur de la tension électrique délivrée par la cellule
photovolta'ique 6 à laquelle il est associé dans un même composant 7. La
connexion entre le circuit de contrôle 8 et la cellule photovoitaïque 6 est
aussi
incorporée au composant 7. Elle peut être réalisée en utilisant l'une des
techniques connues d'assemblage des circuits électroniques intégrés.
Conformément à la figure 1 b, chacun des verres 3 peut être constitué
de deux substrats élémentaires transparents 3a et 3b, assemblés par collage à
proximité de leur périphérie. Le substrat 3a est le substrat postérieur et le
1o substrat 3b est le substrat antérieur. Les substrats 3a et 3b présentent
chacun
une transmission lumineuse élevée dans le spectre visible, par exemple de
97%.
Le système à cristaux liquides 5 est intercalé entre les deux substrats
3a et 3b sous forme d'une pellicule. De préférence, la surface interne au
verre
de l'un des substrats 3a ou 3b présente un logement de forme complémentaire
à celle du système à cristaux liquides 5. Grâce à l'aménagement d'un tel
logement, le fonctionnement du système à cristaux liquides 5 n'est perturbé
par
aucune contrainte qui résulterait de l'assemblage des substrats 3a et 3b.
Le substrat élémentaire 3b présente un logement 10 sur sa face
interne au verre 3. Le logement 10 peut être réalisé lors du moulage du
substrat 3b, ou être réalisé par usinage après le moulage du substrat 3b. Le
composant 7 qui incorpore la cellule photovoltaïque 6 et le circuit de
contrôle 8
peut être collé dans le logement 10. Deux connexions électriques 9a et 9b,
solidaires du composant 7 et issues du circuit de contrôle 8, ont chacune une
forme de pointe de contact. Lors de l'assemblage des deux substrats 3a et 3b
selon leurs surfaces respectives internes au verre, les deux connexions 9a et
9b entrent en contact avec des bornes d'alimentation électrique respectives du
système à cristaux liquides 5, qui sont prévues pour venir en vis-à-vis des
connexions 9a et 9b lors de l'opération d'assemblage.
Bien que les figures la et lb ne représentent qu'une seule cellule
photovoltaïque agencée au sein de chaque verre, plusieurs cellules
photovoltaïques peuvent être réparties sur la surface de chaque verre. Dans ce
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cas, des connexions appropriées relient entre elles les cellules
photovoltaïques
d'un même verre pour obtenir, de façon connue, un courant électrique
d'alimentation qui présente une intensité et une tension adaptées aux
caractéristiques de fonctionnement du système à cristaux liquides 5.
Un plus grand nombre de cellules photovoltaïques de dimensions très
réduites peuvent aussi être intégrées dans chaque verre, chaque cellule
occupant une surface du verre inférieure à 100 micromètres-carrés, par
exemple. Chaque cellule photovoltaïque constitue alors un point invisible
individuellement, et le verre demeure globalement transparent du fait des
1o intervalles libres qui séparent des cellules photovoltaïques voisines à la
surface
du verre.
Dans le second mode de réalisation décrit maintenant, la cellule
photovoltaïque 6 est partiellement transparente. Elle possède une surface de
collecte de la lumière qui recouvre au moins en partie la surface de chaque
verre. Ainsi, conformément aux figures 2a et 2b, la portion de surface du
verre
3 occupée par la cellule photovoltaïque 6 peut être du même ordre que la
portion de surface du verre 3 occupée par le système à cristaux liquides 5.
De préférence, la fraction de lumière absorbée par la cellule
photovoltaïque 6 en un point de celle-ci est inférieure à 30% de la lumière
incidente sur le verre 3 au même point. Ainsi, la présence de la cellule
photovoltaïque 6 dans une portion de la surface du verre 3 utile pour la
vision
est compatible avec une transmission lumineuse élevée du verre 3 lorsque la
fonction de protection solaire n'est pas activée.
La cellule photovoltaïque 6 peut être de type photo-électrochimique.
Elle comprend alors deux électrodes transparentes planes 6a et 6b (figure 2b),
disposées en vis-à-vis parallèlement à la surface du verre 3. Le substrat
final
du verre 3 est alors composé de trois substrats élémentaires 3a, 3b et 3c
assemblés de sorte que le substrat 3c est situé entre les substrats 3a et 3b.
Les électrodes 6a et 6b sont disposées sur les faces internes des substrats 3c
et 3b en regard l'une de l'autre. Les électrodes 6a et 6b sont distantes l'une
de
l'autre d'environ 0,05 millimètre et n'ont pas de contact électrique direct
l'une
avec l'autre. Au moins l'une des électrodes 6a ou 6b peut être à base d'oxyde
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d'indium et d'étain (ITO) ou d'oxyde d'étain dopé au fluor (Sn02,F). Elles
sont
séparées par une cavité 6c remplie d'un électrolyte. L'électrolyte peut être
liquide, mais il est de préférence solide. Cet électrolyte peut aussi être
remplacé par un matériau organique ou minéral ayant la propriété d'un semi-
conducteur du type p, c'est-à-dire un conducteur de trous.
La cellule photo-électrochimique incorpore des éléments capables
d'absorber une partie de la lumière qui traverse le verre 3. Ces éléments
peuvent être, par exemple, des nanocristaux ou des fullerènes. Lorsque la
cellule photo-électrochimique contient des nanocristaux d'oxydes métalliques,
1o elle peut être du type décrit dans l'article "A low-cost, high-efficiency
solar ceil
based on dye-sensitized colloidal Ti02 films" de Brian O'Regan et Michael
Graetzel, Nature 353 (1991) 737-740. Dans ce cas, les nanocristaux sont à
base d'oxyde de titane (Ti02) et comprennent des molécules d'un colorant
greffées sur leur surface. On se reportera à l'article mentionné ci-dessus
pour
plus de détails sur une telle cellule photovoltaïque et ses modes de
réalisation.
Le système à cristaux liquides 5 est disposé entre les substrats 3a et
3c. Deux connexions 9a et 9b relient la cellule photovoltaïque 6 au système à
cristaux liquides 5. La connexion 9a relie l'électrode 6a à l'une des bornes
d'alimentation du système à cristaux liquides 5, et la connexion 9b relie
l'électrode 6b à l'autre borne d'alimentation du système 5. Les connexions 9a
et 9b peuvent chacune avoir une configuration et un mode d'assemblage tels
que décrits en relation avec la figure 1 b.
Les figures 2a et 2b ne représentent pas de circuit de contrôle de la
tension délivrée par la cellule photovoltaïque 6 au système à cristaux
liquides
5. Un tel circuit de contrôle peut être incorporé au verre 3 des figures 2a et
2b
au sein d'un composant opaque analogue à celui décrit en référence aux
figures la et 1 b. De préférence, pour le second mode de réalisation décrit,
le
circuit de contrôle est réalisé sous une forme directement intégrée à l'un des
substrats élémentaires du verre 3. De façon connue en soi, le circuit de
contrôle peut alors aussi être transparent. Il peut être situé dans une partie
quelconque de la surface du verre 3, sans qu'il en résulte de réduction du
champ de vision ni de gêne pour le porteur.
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Pour tous les modes de réalisation de l'invention, chaque verre peut
comprendre en outre des moyens de commande d'une interruption de
l'alimentation des moyens électro-optiques par la cellule photovoltaïque. De
tels moyens de commande peuvent comprendre un interrupteur connecté de
façon appropriée. En particulier, un tel interrupteur peut être disposé sur
l'une
des connexions qui relie la cellule photovoltaïque aux moyens électro-
optiques.
II permet alors d'ouvrir le circuit électrique d'alimentation des moyens
électro-
optiques de façon à interrompre leur alimentation en énergie. L'interrupteur
peut aussi être connecté entre les entrées d'alimentation des moyens électro-
lo optiques. Une mise en court-circuit des bornes d'alimentation des moyens
électro-optiques provoque alors une suppression de la fonction optique. Un tel
interrupteur est à commande manuelle. Ce peut être un interrupteur miniaturisé
disposé de façon affleurante à la surface antérieure du verre. En particulier,
ce
peut être un interrupteur incorporé dans un composant opaque tel qu'introduit
plus haut.
Chaque verre peut en outre comprendre une photodiode, ou un
phototransistor, agencé de façon adéquate pour fixer des seuils d'intensité de
la lumière incidente et des modes particuliers d'activation ou de
désactivation
de la fonction optique. Un tel composant électronique photosensible peut
encore être incorporé dans le composant opaque. En variante, il peut être
partiellement transparent et intégré directement dans l'un des substrats
élémentaires du verre.
Enfin, il est entendu que l'invention présentée ci-dessus dans le cadre
d'une application à des verres de lunettes peut aussi être appliquée à tout
autre dispositif de vision. De tels dispositifs de vision peuvent être,
notamment,
un casque de pilote ou de motocycliste, ou encore un masque de montagne ou
de ski. La cellule photovoltaïque et le système électro-optique sont alors
intégrés à la visière du casque ou au verre de masque.
