Thèse doctorat : Physique : Strasbourg 1 : 2006. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 5 p.

Dans ce travail, une étude approfondie portant sur des matériaux à base de polymères et cristaux liquides de type PDLC (pour Polymer Dispersed Liquid Crystal) et H-PDLC (PDLC holographique) a été effectuée. Les mélanges utilisés comportent le cristal liquide nématique E7 et des monomères de type acrylate de différentes fonctionnalités. Les matériaux PDLCs ont été élaborés par le processus de séparation de phases induite par rayonnement ultraviolet (UV). Ces matériaux révèlent des propriétés électro-optiques intéressantes qui peuvent être utilisés dans les vitrages à transparence contrôlée. L'influence de la nature des matériaux employés et les conditions opératoires sont étudiés à l'aide de plusieurs techniques expérimentales telles que les spectroscopies UV-visible et IR-TF et notamment par 1'analyse des réponses électro-optiques et microscopie électronique à balayage. Les matériaux holographiques ont été élaborés en exposant les mêmes mélanges initiaux à deux rayons laser interférés de type Ar+. La dépendance de l'efficacité de diffraction des réseaux formés en fonction de l'intensité d'éclairement l'épaisseur du film. la composition des mélanges initiaux (concentration du cristal liquide E7 et du photo-amorceur) a été étudiée. Des mesures électro-optiques ont été effectuées et reliés à la structure morphologique des matériaux élaborés. Les résultats expérimentaux montrent l'obtention des réseaux H-PDLCs avec des meilleures efficacités et des bonnes réponses électro-optiques par rapport aux matériaux décrits dans la littérature. / Ln this work a detailled study relating to materials containing polymers and liquid crystals of the type PDLC (for Polymer Dispersed Liquid Crystals) and H-PDLC (holographic PDLC) was carried out. The mixtures used include the nematic liquid Crystal blend E7 and acrylate monomers exhibiting various functionalities. The PDLC materials were elaborated by phase separation processes induced by ultraviolet radiation (UV). These materials reveal interesting electro-optical properties which can be used in smart windows with controlled transparency. The influence of the nature of materials employed and the operating conditions was studied using several experimental techniques such as UV-visible and FTIR spectroscopies. and in particular by analysis of the electro-optical responses and by scanning electron microscopy. The holographic materials were prepared by exposing the same initial mixtures to two interfering laser beams of Ar+ type. The dependence of the diffraction efficiency of the elaborated polymer/LC systems was studied as function of the intensity of illumination. thickness of the films. and composition of the initial mixtures (concentration of liquid crystal E7 and photoinitiator). The electro-optical properties were determined and connected to the morphology of the elaborated materials. The experimental results show that the obtained H-PDLC systems reveal better diffraction efficiencies and electro-optical answers compared to materials described in the literature.

Les lentilles à cristaux liquides (CL) ajustables (TLCL en anglais) de différents diamètres sont activement développées pour différentes applications d'imagerie, telles que les caméras de téléphones intelligents et de surveillance, l'ophtalmologie, la réalité virtuelle et augmentée, etc. Grâce à l'anisotropie diélectrique et optique des matériaux CL, un changement dynamique de distance focale de la lentille est possible sans changer sa forme ou sans utiliser de mouvement mécanique, en appliquant un champ électrique externe. Cette thèse présente le projet de recherche, visant à créer un système de piège photographique pour l'observation des lemmings subnivéenne dans l'Arctique canadien. En particulier, il se concentre sur la partie optique du projet multidisciplinaire : concevoir une lentille à CL avec un foyer ajustable afin de rendre la caméra adaptative et d'obtenir une meilleure qualité d'image ou de vidéo. Les conditions environnementales extrêmes nécessitent une conception de TLCL particulière, qui fournira la puissance optique (PO) nécessaire, mais en même temps aura une faible consommation d'énergie et fonctionnera sans panne pour les températures froides. Dans le chapitre d'Introduction, un bref résumé des études d'observation des lemmings est présenté ainsi que des exemples de piégeage photographique d'animaux du monde entier. La deuxième partie d'Introduction est consacrée aux matériaux CL et aux différentes conceptions de TLCL. Des conceptions alternatives de lentilles adaptatives et des approches pour étendre la profondeur de champ sont également brièvement discutées. Le piégeage photographique dans l'Arctique présente de nombreux défis liés aux conditions météorologiques extrêmes et à son emplacement éloigné. Par conséquent, nous avons commencé le projet avec une conception de système de piège photographique qui peut surmonter ces défis et nous fournir des résultats préliminaires sur le terrain. Les particularités de la conception optique et mécanique de l'appareil sont expliquées dans le Chapitre 1 et les premières images de lemmings en Arctique sous la neige en hiver sont présentées. Les spectres de transmission des fenêtres optiques utilisées dans les pièges photographiques sont ajoutés en Annexe A. Pour rendre la caméra adaptative, nous avons commencé avec la conception bien connue de la lentille CL - lentille à contrôle modal, et avons étudié ses performances aux températures requises pour le projet (d'environ -20 ° à +20 °) - Chapitre 2. Afin d'assurer la bonne performance de la lentille malgré un changement de température considérable, nous avons mesuré expérimentalement les paramètres du matériaux (CL et couche faiblement conductrice ou WCL en anglais). Ensuite, la modélisation théorique de la lentille à contrôle modal a été effectuée pour optimiser la conception de la lentille et des échantillons expérimentaux ont été fabriqués et testés dans la plage de température requise. Nous avons trouvé un moyen d'athermaliser la lentille à contrôle modal, afin de pouvoir maintenir les mêmes POs et la même qualité d'image. Cependant, le WCL reste pas optimal pour les environnements avec des températures variables car sa résistance en dépend fortement. De plus, il est difficile de fabriquer du WCL et de contrôler sa résistance de surface. Par conséquent, dans le Chapitre 3, nous proposons une nouvelle conception d'une lentille à CL, basée sur une structure en spirale de oxyde d'indium-étain (ITO en anglais). Elle présente de nombreux avantages en termes de simplicité de fabrication, de moindre dépendance à la température, de consommation électrique, etc. Cette approche est également prometteuse pour d'autres applications d'imagerie telles que l'ophtalmologie, l'endoscopie et la réalité augmentée. Dans les Annexes B et C des voies possibles d'implémentation des letilles à CL dans les caméras sont démontrées. Outre la dépendance à la température, une limitation majeure de l'imagerie CL est la diffusion de la lumière. Dans le Chapitre 4, nous explorons différentes manières de post-traitement d'image qui aident à réduire la dégradation de la qualité d'image causée par la diffusion de la lumière dans les CL et ouvre les nouvelles possibilités pour l'implémentation des TLCLs dans les appareils d'imagerie. / Tunable liquid crystal (LC) lenses (TLCLs) of different diameters are actively developed for different imaging applications, such as smartphone and surveillance cameras, ophthalmology, virtual and augmented reality, etc. Thanks to the dielectric and optical anisotropy of LC materials a dynamic change of focal distance of the lens is possible without changing its shape or without using any mechanical movement, by applying an external electric field. This thesis presents the research project, aiming at creating a camera trap system for subnivean lemming observation in the Canadian Arctic. In particular, it is focused on the optical design part of the multidisciplinary project: designing a LC lens with tunable focus in order to make the camera adaptive to achieve better image or video quality. Extreme environmental conditions require a particular TLCL design that would provide the necessary optical power (OP), but at the same time would have low power consumption and work without failures at cold temperatures. In the introductory chapter a brief summary of lemming observation studies is presented along with examples of animal camera trapping from around the world. The second part of Introduction is dedicated to the LC materials and different designs of TLCLs. Alternative designs of adaptive lenses and various approaches to extend the depth of field are also briefly discussed. Camera trapping in the Arctic has a lot of challenges related to the extreme weather condition and its remote location. Therefore, we started the project with a design of camera trap system that can overcome these challenges and provide us preliminary field results. The particularities of optical and mechanical design of the device are explained in Chapter 1 and first images of lemmings in the Arctic under snow during winter are presented. The transmission spectrums of the optical windows used in the camera traps are shown in Appendix A. To make the camera adaptive we started with a well known design of LC lens - modal control lens and studied its performance at the temperatures required for the project (from around -20°C to +20°C) - Chapter 2. In order to ensure good performance of the lens despite of considerable temperature change, we experimentally measured the material parameters (LC and weakly conductive layer or WCL) temperature dependence. Then theoretical modelling of modal control lens was performed to optimize the lens design and experimental samples were fabricated and tested in the required temperature range. We found a way to athermalize the modal control lens, so that we could maintain the same OPs and image quality. However, the WCL remains not optimal for environments with varying temperatures since its resistance strongly depends on it. Moreover, it is difficult to fabricate WCL and control its sheet resistance. Therefore, in Chapter 3 we propose a new design of an LC lens, based on a spiral indium tin oxide (ITO) structure. It has numerous advantages such as simple fabrication, smaller temperature dependence, lower power consumption, etc. This approach is also promising for other imaging applications: ophthalmology, endoscopy and augmented reality. In Appendices B and C some possible ways of LC lenses implementation in cameras are demonstrated. Along with the temperature dependence, a major limitation in LC imaging is light scattering. In Chapter 4 we explore different ways of image post-processing that help to reduce image quality degradation caused by LC light scattering and open new possibilities for TLCLs implementation in imaging devices.

Une lentille à cristaux liquides est un volume fixe de molécules anisotropes dont l'orientation spatiale de celles-ci peut être modifiée radialement afin d'obtenir un effet lentille. La réorientation des molécules de cristaux liquides se fait à partir d'un certain profil de champ électrique. La grandeur de ce profil de champ électrique peut être changée en modifiant les signaux électriques d'alimentation, modifiant ainsi la puissance optique de la lentille. Cette propriété de distance focale variable leur donne de nombreuses applications d'imagerie où les dimensions sont restreintes et ne permettent pas de déplacement relatif entre différentes lentilles classiques. Les travaux de recherche effectués pendant la maîtrise portaient sur le développement d'un nouveau design de lentille à cristaux liquides. Plus spécifiquement, ce nouveau design devait simplifier considérablement le modèle de lentille présentement existant qui utilise une couche mince semi-conductrice afin de générer le profil de champ électrique. Cette couche mince semi-conductrice est difficile à concevoir, car elle requiert d'être isolée par plusieurs autres couches minces, rendant ainsi sa reproduction exacte difficile à accomplir. Le profil de champ dans le nouveau design de lentille est généré à partir de deux électrodes d'oxyde d'indium-étain (ITO) en forme de serpentin ainsi qu'avec quatre signaux alternatifs ayant chacun une phase bien spécifique. Une modification de la phase de ces quatre signaux permet d'obtenir soit une lentille sphérique, un prisme cale, un axicon ou bien une lentille cylindrique. De plus, les limites des dimensions de l'électrode d'ITO en serpentin seront montrées ainsi que leurs effets sur le profil de champ électrique. Des lentilles avec des diamètres de 2 mm, 3 mm, 4 mm et 5 mm ont été conçues pendant la maîtrise. Les propriétés d'imagerie de la lentille de 2 mm ont été caractérisées à partir d'un montage de polarimétrie, d'un capteur Shack-Hartmann et d'un montage de « Point Spread Function » (PSF). / A liquid crystal lens is a fixed volume of anisotropic molecules whose spatial orientation can be radially changed in order to obtain a lens effect. The reorientation of liquid crystal molecules occurs from a certain electric field profile. The magnitude of this electric field profile can be modified by changing the electrical power signals, thereby changing the optical power of the lens. This property of variable focal length gives them many imaging applications where dimensions are restricted and do not allow relative displacement between different conventional lenses. The research work carried out during the master's degree focused on the development of a new liquid crystal lens design. More specifically, this new design greatly simplifies the currently existing lens model which uses a semiconductor thin film to generate the electric field profile. This semiconductor thin film is difficult to design, since it requires isolation by several other thin films, thus making its exact reproduction difficult to accomplish. The field profile in the new lens design is generated from two coil-shaped indium tin oxide (ITO) electrodes as well as four AC signals each with a very specific phase. A modification of the phase of these four signals makes it possible to obtain either a spherical lens, a wedge prism, an axicon or acylindrical lens. In addition, the size limits of the serpentine ITO electrode will be shown as well as their effects on the electric field profile. Lenses with diameters of 2 mm, 3 mm, 4 mm and 5 mm were designed during the master's degree. The imaging properties of the 2 mm lens were characterized from a polarimetry setup, a Shack-Hartmann sensor and a Point Spread Function (PSF) setup.

Les premiers écrans à cristaux liquides sont apparus dans les années 70 avec l'avènement de la montre Seiko. Par la suite, cette technologie s'est développée et aujourd'hui elle est couramment utilisée dans le commerce pour des ordinateurs autant que des téléviseurs. Une majorité des afficheurs à cristaux liquides est basée sur un principe de polariseurs croisés. Il a un faible angle de vue mais est peu coûteux. Par la suite, une technologie d'écrans basée sur la dispersion de microparticules de dioxyde de silice dans un cristal liquide a été développée et s'est révélée beaucoup plus simple et moins chère que les premiers écrans. Le but du projet est de déterminer si un écran mis au point à partir d'un mélange de cristaux liquides et d'un autre type de microparticules, avec différents paramètres, serait une alternative à l'utilisation des polariseurs qui diminuent fortement l'intensité de la lumière. La première étape est le choix des matériaux : le cristal liquide E7, de Merck Frosst, pour sa caractérisation connue dans la littérature, et des billes de polystyrène car leur indice de réfraction est proche de celui du cristal liquide, ceci évitant une séparation des phases à l'état naturel. A partir de ces matériaux, un protocole de mise au point d'une cellule est développé, pour que le mélange soit isotrope. Ensuite viennent les expériences électro-optiques : la morphologie des mélanges, leur dépendance selon divers paramètres comme la longueur d'onde de la lumière incidente ou sa polarisation, le régime de diffusion ainsi que le patron de diffusion permettent de caractériser le mélange choisi. De ce fait, il en résulte des résultats linéaires et reproductibles, sauf pour une des longueurs d'onde étudiée, pour laquelle des défauts sont à régler. En fin de compte, ce type d'écran offre un très faible contraste ; il n'est pas utilisable en l'état. Il serait donc intéressant d'approfondir les recherches, en étudiant par exemple d'autres concentrations de microbilles et/ou d'autres diamètres.

Cette thèse présente les étapes de fabrication et les résultats de la caractérisation des modèles de tissu biologique fabriqués en utilisant des cristaux liquides et des polymères qui permettent de contrôler la diffusion et la transmission de la lumière par un champ électrique. Ce champ électrique entraîne un changement d'orientation des molécules de cristaux liquides, ce qui induit des variations locales de l’indice de réfraction dans ces matériaux. Nous avons utilisé ce contrôle de l’indice de réfraction pour contrôler le niveau de diffusion et de transmission dans différents types d’échantillons. Les échantillons utilisés sont faits a) de cristaux liquides purs, b) de sphères de polymère dans un environnement de cristaux liquides, c) de cristaux liquides ou de gouttelettes de cristaux liquides dans un environnement de polymère. Les travaux réalisés nous ont permis de proposer une méthode électro-optique pour simuler, à l’aide de cristaux liquides, des milieux diffusants tels que les tissus biologiques. Dans la recherche de modèles, nous avons montré qu’il est possible de contrôler, par la fréquence du champ électrique, des gouttelettes de cristaux liquides dispersées dans une matrice de polymère contenant des ions lithium. Une sensibilité sélective à la fréquence de la tension électrique appliquée en fonction de la taille des gouttelettes est observée. Par la suite, nous avons démontré l’effet de « quenching » interférentiel de la diffusion pour une sonde optique cohérente en étudiant des modèles non alignés (clustérisés) de cristaux liquides. Nous avons aussi démontré des applications potentielles de ce phénomène tel le filtrage en longueur d’onde par l’ajustement d’un champ électrique. Nous avons ensuite démontré que l’utilisation des cristaux liquides - dits « dual-frequency » - permet une modulation rapide des états ou des structures du matériau ainsi que de la transmission et de la diffusion de lumière de ce dernier. Enfin, nous avons aussi découvert que ces modèles peuvent être contrôlés pour retrouver le degré de polarisation de la lumière diffusée. / This thesis describes fabrication steps and characterization results of biological tissue models prepared by using liquid crystals and polymers that control the diffusion and transmission of light by an electric field. This electric field creates a change of the orientation of liquid crystal molecules, which induces local variations of the refractive index in these materials. We used this control of the refractive index to control the level of dissemination and transmission in different types of samples. The samples used are made of a) pure liquid crystals, b) polymer spheres in a liquid crystal environment, c) liquid crystals or liquid crystal droplets in a polymer environment. The work carried out allowed us to propose an electro-optic method for simulating, using liquid crystals, scattering media such as biological tissues. In the research models, we showed that it is possible to control the frequency of the electric field of the liquid crystal droplets dispersed in a polymer matrix containing lithium ions. Selective sensitivity to the frequency of the applied voltage depending on the size of the droplets is observed. Subsequently, we demonstrated the effect of interferential "quenching" of scattering for a coherent optical probe by studying nonaligned liquid crystal matrix models (clustered) of liquid crystals. We have also demonstrated potential applications of this phenomenon such as wavelength filtering by adjusting an electric field. We then demonstrated that the use of liquid crystals - called "dual-frequency" - allows rapid modulation of states or structures of the material and the transmission and scattering of light thereof. Finally, we also found that these models can be checked to find the degree of polarization of scattered light.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

ilieu, dans le but de déterminer ses propriétés de dichroïsme, de biréfringence et de dépolarisation. Jusqu'à présent, ces instruments utilisaient une génération séquentielle des multiples états de polarisation nécessaires au calcul d'une matrice de Mueller, leur temps d'acquisition étant donc limité à la milliseconde. Nous proposons dans cette thèse de développer le premier polarimètre de Mueller dont le codage de la polarisation est effectué dans le domaine spectral, ce qui permet une génération parallèle des états de polarisation. Le temps d'acquisition d'une matrice de Mueller est alors limité par le temps d'intégration du détecteur, qui peut être potentiellement très court. L'objet de la thèse a été dans un premier temps de valider expérimentalement un polarimètre de Mueller par codage en longueur d'onde, que nous avons dénommé "le polarimètre de Mueller instantané". Il s'agit d'utiliser une source large bande (10nm), des lames de phases d'ordre élevé et un spectromètre couplé à une caméra CCD pour disperser tous les états de polarisation. L'étalonnage de l'instrument a été effectué, et s'appuie sur une modélisation détaillée des composants optiques utilisés dans le montage. La précision du polarimètre a été évaluée à 3%, grâce à des mesures sur des milieux connus. La stabilisation du polarimètre a également été envisagée, pour prendre en compte les dérives dues à la température et aux contraintes appliquées à la fibre optique. Enfin, deux pistes théoriques d'optimisation ont été proposées, à savoir le choix idéal de la configuration d'épaisseur des lames de phase et l'utilisation d'un polarimètre à deux voies de détection. L'instrument a ensuite été utilisé pour caractériser de manière statique et dynamique des cellules à cristaux liquides ferroélectriques (pure et stabilisée par polymère) en dispositif SSFLC. Cela a permis d'une part, de prouver que l'exploitation de la matrice de Mueller est avantageuse pour évaluer des organisations moléculaires dans ces échantillons, grâce à la variété d'information qu'elle propose. Puis, ces études ont également prouvé la faisabilité d'acquérir simplement et avec une bonne résolution temporelle des dynamiques de réorientations rapides ( ∼ 100μs ) avec le polarimètre instantané. Nous avons ainsi été capables en particulier de mettre en évidence le mouvement des couches smectiques lors d'une transition "up"/"down" dans une cellule SSFLC.

Étude de la propagation lumineuse dans un cristal liquide en phase nématique. / Doctorat en sciences, Spécialisation physique / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Il est actuellement bien connu que les molécules non sphériques peuvent former des mésophases (ou cristaux liquides), c'est-à-dire des phases dont les propriétés sont intermédiaires entre celles des liquides et celles des cristaux. La mésophase la plus connue est la phase nématique. Il s'agit d'une phase caractérisée par une distribution aléatoire des centres de masse des molécules, mais dans laquelle l'orientation des molécules présente une direction préférentielle, désignée par un vecteur unité appelé le directeur du nématique. Une telle phase possède donc la fluidité d'un liquide tout en présentant, tel un cristal, une biréfringence. C'est cette dernière propriété qui est exploitée dans les applications technologiques, principalement dans les dispositifs d'affichage.<p>Dans un tel dispositif, le liquide nématique est contenu dans une cellule (il y a une cellule par pixel), et son directeur est manipulé à l'aide d'un champ extérieur, électrique ou magnétique. Pour une bonne compréhension du fonctionnement de ce dispositif, il est essentiel de connaître le profil du directeur à travers la cellule en l'absence de champ extérieur. Dans le cadre de ce travail, nous avons étudié un nématique torsadé, c'est-à-dire dont le directeur décrit une hélice à travers la cellule. <p>Ce profil est déterminé principalement par les propriétés d'ancrage du liquide nématique sur les parois solides de la cellule. En effet, celles-ci peuvent posséder une direction d'ancrage privilégiée, qui favorise l'alignement du directeur dans une direction particulière. Nous avons considéré ici le cas de directions d'ancrage planaires, c'est-à-dire que le directeur est dans le plan des parois. Alors que l'ajout de parois identiques dans le système induit toujours une non-uniformité spatiale dans la densité du nématique (en comparaison avec un nématique en coeur de phase), l'utilisation de directions d'ancrage différentes induit une non-uniformité orientationnelle dans le directeur du nématique; dans notre cas une torsion. C'est principalement ce profil de directeur torsadé qui nous intéresse ici. <p>L'objectif général de ce travail consiste donc à étudier les propriétés d'ancrage d'une phase nématique confinée et torsadée, d'une part par une théorie microscopique (théorie de la fonctionnelle de la densité), et d'autre part sur le plan de simulations de Monte Carlo, en particulier dans le cas où les molécules ont la forme de disques (discotiques).<p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished