FR2871586A1 - Verre ophtalmique a fonction electro-optique - Google Patents

Abstract

Un verre ophtalmique comprend un substrat transparent (3) et des moyens électro-optiques (5) intégrés au substrat pour procurer une fonction optique en réponse à un stimulus électrique. Le verre ophtalmique comprend en outre au moins une cellule photovoltaïque (6) intégrée au substrat pour alimenter les moyens électro-optiques en réponse à une lumière incidente. La cellule photovoltaïque (6) peut être incorporée à un élément opaque occupant une petite partie de la surface du verre. Alternativement, la cellule photovoltaïque (6) peut être transparente et peut recouvrir au moins en partie la surface du verre.

Description

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 électrooptique.

Ces alimentations à piles ont pour inconvénient d'être d'un poids et d'un encombrement significatif. En outre, elles sont réservées aux verres 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 1 o 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 électrooptiques en réponse à une lumière incidente.

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 invisibles. Elles sont donc compatibles avec les exigences esthétiques propres au domaine des paires de lunettes.

2871586 -3- 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 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.

Avantageusement, le verre peut comprendre en outre un circuit de contrôle de la tension électrique produite par la cellule photovoltaïque, le circuit de contrôle étant aussi intégré au substrat du verre. Un tel circuit 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 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'oeil 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 aussi être évité par la mise en série de plusieurs éléments photovoltaïques de façon a 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 lb est une coupe d'un verre de lunettes dans le mode de réalisation de la figure la; 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, 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 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 1 b, la cellule photovoltaïque 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 cidessus ont toutes un spectre de réponse qui comprend au moins une partie du spectre visible de l'oeil humain.

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 organique, de composition et de forme variable pouvant s'adapter à une monture de lunettes pour protéger et/ou corriger la vue. II 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 o 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. Il 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 photovoltaïque 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 incorporé dans chaque composant opaque 7. Chaque circuit de contrôle 8 peut comprendre un adaptateur de la tension électrique délivrée par la cellule photovoltaïque 6 à laquelle il est associé dans un même composant 7. La connexion entre le circuit de contrôle 8 et la cellule photovoltaïque 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 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 2871586 -8- 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 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 d'indium et d'étain (ITO) ou d'oxyde d'étain dopé au fluor (SnO2,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, elle peut être du type décrit dans l'article "A low-cost, high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 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 (TiO2) 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 lb. 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.

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. Il permet alors d'ouvrir le circuit électrique d'alimentation des moyens électrooptiques de façon à interrompre leur alimentation en énergie. L'interrupteur peut aussi être connecté entre les entrées d'alimentation des moyens électro- 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.

Claims (20)

REVENDICATIONS

1. Verre ophtalmique, comprenant un substrat transparent (3) et des moyens électro-optiques (5) intégrés au substrat pour procurer une fonction optique en réponse à un stimulus électrique, caractérisé en ce qu'il comprend en outre au moins une cellule photovoltaïque (6) intégrée au substrat pour alimenter les moyens électro-optiques en réponse à une lumière incidente.

2. Verre selon la revendication 1, dans lequel la cellule photovoltaïque (6) est sensible à la lumière visible.

3. Verre selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la cellule photovoltaïque (6) est à base de semi-conducteur.

4. Verre selon la revendication 3, dans lequel la cellule photovoltaïque (6) est à base de silicium cristallin, microcristallin ou amorphe.

5. Verre selon la revendication 3, dans lequel la cellule photovoltaïque (6) est à base de tellure de cadmium, ou à base d'une chalcopyrite contenant du cuivre.

6. Verre selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, dans lequel la cellule photovoltaïque (6) est incorporée à un composant opaque (7) intégré au substrat (3) et occupant une surface inférieure à 10% de la surface du verre.

7. Verre selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, dans lequel plusieurs cellules photovoltaïques sont réparties sur la surface du verre.

8. Verre selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la cellule photovoltaïque (6) est partiellement transparente et possède une surface de collecte de lumière recouvrant au moins en partie la surface du verre.

9. Verre selon la revendication 8, dans lequel la cellule photovoltaïque (6) est de type photo-électrochimique.

10. Verre selon la revendication 9, dans lequel la cellule photovoltaïque (6) comprend au moins une électrode (6a, 6b) à base d'oxyde d'indium et d'étain ou d'oxyde d'étain dopé au fluor.

11. Verre selon la revendication 9 ou 10, dans lequel la cellule photovoltaïque (6) incorpore des nanocristaux ou des fullerènes.

12. Verre selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les moyens électro-optiques (5) comprennent un système à transmission lumineuse variable.

13. Verre selon la revendication 12, dans lequel le système à transmission lumineuse variable est à base de cristaux liquides.

14. Verre selon la revendication 12, dans lequel le système à transmission lumineuse variable est du type électrophorétique.

15. Verre selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre un circuit (8) de contrôle de la tension électrique produite par la cellule photovoltaïque (6), le circuit de contrôle étant intégré au substrat (3).

16. Verre selon la revendication 15, dans lequel le circuit de contrôle (8) est partiellement transparent.

17. Verre selon la revendication 15 ou 16, dans lequel le circuit de contrôle (8) comprend un circuit élévateur de la tension électrique produite par la cellule photovoltaïque (6).

18. Verre selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre des moyens de commande d'une interruption de l'alimentation des moyens électro-optiques (5) par la cellule photovoltaïque (6).

19. Dispositif de vision comprenant au moins un verre selon l'une quelconque des revendications précédentes.

20. Dispositif de vision selon la revendication 19, comprenant une paire de lunettes.