FR2880135A1 - Lentille a focale variable a large plage de variation - Google Patents

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Abstract

La présente invention concerne une lentille à focale variable comprenant une enceinte contenant un liquide conducteur (5) et un liquide isolant (4) d'indices de réfraction différents, la surface de contact entre les deux liquides formant un dioptre déformable (6) dont le pourtour est amené à se déplacer le long des parois d'un logement sous l'effet d'une tension électrique, le logement comportant une partie supérieure (16) inclinée par rapport à un plan normal à l'axe optique de la lentille, caractérisée en ce que le logement comprend une partie inférieure (34) plus inclinée que la partie supérieure.

Description

LENTILLE A FOCALE VARIABLE A LARGE PLAGE DE VARIATION
Domaine de l'invention La présente invention concerne les lentilles à focale variable et plus particulièrement les lentilles mettant en oeuvre la déformation d'une goutte de liquide par des phénomènes d' électromouillage.
Exposé de l'art antérieur Diverses réalisations de lentilles à focale variable sont décrites dans le brevet européen 1166157 de la demanderesse.
La figure 1 représente une coupe d'un exemple de réalisation d'une lentille à focale variable classique selon un plan contenant l'axe optique A de la lentille. Une cellule est définie par deux plaques isolantes et transparentes 1 et 2 et des parois latérales non représentées. La plaque inférieure 2, non plane, comporte un renfoncement ou évidement 3 qui reçoit une goutte d'un liquide isolant 4. Le reste de la cellule est rempli d'un liquide conducteur de l'électricité 5, non miscible avec le liquide isolant, d'indice de réfraction différent et de même densité. Le liquide conducteur est généralement un liquide aqueux et le liquide isolant un liquide huileux. La surface de contact entre le liquide isolant 4 et le liquide conducteur 5 forme un dioptre déformable 6.
L'évidement 3 comprend une surface tronconique 7 d'axe A entourant une base 8. Une électrode 9, par exemple constituée d'une couche d'or, recouvre la surface tronconique 7 et une partie de la base 8 et est ellemême recouverte d'une couche isolante 10. Une autre électrode 12 est en contact avec le liquide conducteur 5. Par des phénomènes d'électromouillage, il est possible, en fonction de la tension V appliquée entre les électrodes 9, 12 de modifier la courbure du dioptre déformable 6. Ainsi, un faisceau lumineux traversant la cellule orthogonalement aux plaques 1 et 2 dans la région de la goutte 4 sera plus ou moins focalisé selon la tension V appliquée.
La figure 2 est une coupe d'un détail de la figure 1. La couche isolante 10 reproduit sensiblement la forme de l'évidement 3 et comprend donc une portion tronconique 16 et une portion annulaire plane 18. Le point extrême haut de la portion tronconique 16 est désigné par la référence A. Le point correspondant au passage entre la portion tronconique 16 et la portion annulaire 18 est désigné par la référence B et le point extrême de la portion annulaire 18 sensiblement à l'aplomb de l'extrémité de l'électrode 9 au niveau de la base 8 est désigné par la référence C. L'angle 0 est, dans le plan de coupe, l'angle entre un plan normal à l'axe optique A et la surface tronconique 7. L'angle 0 est, par exemple, de l'ordre de 45 . Par ailleurs, on note de façon générale a l'angle, dans le plan de coupe, entre la couche isolante 10 et la tangente au dioptre déformable 6 au niveau de la couche isolante 10. Une tension V déterminée impose un angle a déterminé fixant ainsi la convergence de la lentille. A titre d'exemple, les angles al à a4 représentent différentes valeurs d'angle a pour des valeurs croissantes de la tension V. La figure 3 représente l'évolution de la convergence 1/f de la lentille en fonction de la tension V. Pour une tension V nulle, le liquide isolant 4 mouille sensiblement jusqu'à l'extrémité supérieure de la couche isolante 10, c'est-à-dire au niveau du point A en figure 2. L'angle entre le dioptre déformable 6 et la couche isolante 10 correspond alors à l'angle al. Le dioptre déformable 6 ayant une forme concave, on obtient une convergence négative. Lorsque la tension V augmente depuis la valeur nulle, le dioptre déformable 6 reste immobile tant que la tension V est inférieure à un seuil V1. Ceci correspond à une portion de courbe horizontale 20 en figure 3.
Lorsque la tension V augmente du seuil VI jusqu'à une valeur légèrement inférieure à un seuil V2, le pourtour du dioptre déformable 6 se déplace sur la portion tronconique 16 du point A au point B. Ceci se traduit par une augmentation de la convergence de la lentille, correspondant à une portion de courbe ascendante 22 en figure 3, et parallèlement à une augmentation de l'angle a. A titre d'exemple, en figure 2, l'angle a2 correspond à une position intermédiaire du pourtour du dioptre déformable 6 entre les points A et B. Le point B correspond à une position instable du dioptre déformable 6. En effet, lorsque la tension V est égale à V2, le pourtour du dioptre déformable 6 étant au point B, l'angle a, défini alors par l'angle entre la portion annulaire 18 et la tangente au dioptre déformable au niveau de la portion annulaire 18, chute brusquement par rapport à la valeur qu'il avait peu avant le point B. En figure 2, les angles a3 et a4 correspondent respectivement à une position du pourtour du dioptre déformable 6 de part et d'autre du point B mettant en évidence la brusque variation de l'angle a au passage du point B. Lorsque le pourtour du dioptre déformable 6 est au point B, l'angle a diminuant brusquement, la tension V appliquée est alors nettement supérieure à la tension nécessaire pour imposer un tel angle a. Le pourtour du dioptre déformable 6 se déplace alors presque instantanément du point B au point C. Ceci se traduit, en figure 3, par une augmentation presque instantanée de la convergence correspondant à une portion de courbe sensiblement verticale 24, la tension conservant sensiblement la valeur V2. Une fois le pourtour du dioptre déformable 6 parvenu au point C, une augmentation supplémentaire de la tension n'entraîne plus de déplacement du dioptre déformable 6 et donc de variation de la convergence, ce qui correspond à une portion de courbe sensiblement horizontale 26.
Une telle instabilité lors du franchissement du point B par le dioptre déformable 6 n'est pas souhaitable puisqu'elle se traduit par une impossibilité de contrôler précisément la convergence de la lentille pour toutes les valeurs de tension V pouvant être appliquées entre les électrodes de la lentille.
Lorsque le pourtour du dioptre déformable 6 a franchi le point B et se trouve au point C, et qu'un utilisateur diminue la tension V, le dioptre déformable 6 reste inanobile tant que la tension est supérieure à une tension de seuil V3, inférieure à V2 et généralement supérieure à V1, correspondant à la tension suffisante pour imposer l'angle a au niveau du point C. La convergence reste alors sensiblement constante ce qui correspond à une portion de courbe sensiblement horizontale 28. Une diminution supplémentaire de la tension V de V3 à une valeur légèrement supérieure à un seuil V4 entraîne un déplacement du pourtour du dioptre déformable 6 du point C au point B. Ceci se traduit par une légère diminution de la convergence de la lentille correspondant à une portion de courbe descendante 30. Le point B correspond alors à nouveau à une position instable du dioptre déformable 6. En effet, lorsque la tension V est égale à V4, le pourtour du dioptre déformable 6 tend à franchir le point B pour venir au niveau de la portion tronconique 16. Au passage du point B, l'angle a croît brusquement. La tension appliquée étant nettement inférieure à la tension nécessaire pour imposer l'angle a, le pourtour du dioptre déformable 6 se déplace presque instantanément sur la portion tronconique 16 pour s'arrêter à une position correspondant à l'angle a associé à la tension V4. Ceci se traduit par une chute brusque de la convergence correspondant à une portion de courbe sensiblement verticale 32. Une diminution de la tension de V4 à V1 ramène le pourtour du dioptre déformable 6 au niveau du point A. L'évolution de la convergence de la lentille est donc différente selon que l'on augmente la tension V ou qu'on la diminue. Ce phénomène d'hystérésis accentue l'absence de contrôle précis de la convergence de la lentille.
De tels inconvénients pourraient être évités si l'électrode 9 recouvrait seulement la surface tronconique 7 de l'évidement 3 et ne s'étendait pas sur la base 8. Toutefois, les procédés de dépôt de couches métalliques habituellement utilisés avec de telles applications n'offrent pas une précision suffisante pour assurer un arrêt précis de l'électrode 9 au niveau de la jonction entre la surface tronconique 7 et la base 8. Une solution serait alors de limiter l'étendue de l'électrode 9 de façon qu'elle s'arrête entre les points A et B. Toutefois, pour une forme d'évidement 3 donnée, il est souhaitable de bénéficier de la plus grande plage de convergence possible, ce qui impose que l'électrode 9 s'étende au moins jusqu'au point B. En pratique, l'électrode 9 s'étend donc systématiquement sur une partie de la base 8.
De tels inconvénients pourraient, par ailleurs, être évités en limitant la plage de variations de la tension V à des valeurs inférieures au seuil V2. Toutefois, en pratique, le fabricant de lentille ne peut généralement pas imposer les tensions appliquées par l'utilisateur aux électrodes de la cellule, et ne peut donc pas assurer qu'une tension supérieure au seuil V2 ne sera jamais appliquée.
Résumé de l'invention Un objet de l'invention est donc d'obtenir une lentille à focale variable dont la convergence évolue continûment en fonction de la tension appliquée entre les électrodes de la lentille.
Un autre objet de l'invention est d'obtenir une lentille à focale variable pour laquelle l'évolution de la convergence en fonction de la tension appliquée entre les électrodes de la lentille ne présente pas d'hystérésis.
Pour atteindre ces objets ainsi que d'autres, la présente invention prévoit une lentille à focale variable comprenant une enceinte contenant un liquide conducteur et un liquide isolant d'indices de réfraction différents, la surface de contact entre les deux liquides formant un dioptre déformable dont le pourtour est amené à se déplacer le long des parois d'un logement sous l'effet d'une tension électrique, le logement comportant une partie supérieure inclinée par rapport à un plan normal à l'axe optique de la lentille, le logement comprenant une partie inférieure plus inclinée que la partie supérieure.
Selon un mode de réalisation de l'invention, la partie supérieure est tronconique d'axe parallèle à l'axe optique.
Selon un mode de réalisation de l'invention, la partie inférieure a une forme générale cylindrique d'axe parallèle à l'axe optique.
Selon un mode de réalisation de l'invention, la partie inférieure a une forme générale tronconique d'axe parallèle à l'axe optique dont l'inclinaison par rapport au plan normal à l'axe optique est supérieure à l'inclinaison de la partie supérieure par rapport au plan normal à l'axe optique au niveau de la jonction entre la partie supérieure et la partie inférieure.
Selon un mode de réalisation de l'invention, la partie inférieure a, au moins au niveau de la jonction entre la partie supérieure et la partie inférieure, une courbure continûment variable, l'inclinaison de la surface intermédiaire par rapport au plan normal à l'axe optique augmentant, en s'éloignant de la jonction, par rapport à l'inclinaison de la partie supérieure par rapport au plan normal à l'axe optique au niveau de la jonction.
Selon un mode de réalisation de l'invention, la partie supérieure et la partie inférieure correspondent à des portions de surface d'une couche isolante recouvrant une couche métallique formant électrode, elle- même déposée sur un substrat isolant.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le logement comprend un fond au moins en partie transparent. Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante d'exemples de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: la figure 1, précédeuunent décrite, est une coupe d'un 10 exemple de réalisation classique d'une lentille à focale variable; la figure 2, précédemment décrite, est une coupe d'un détail de la lentille de la figure 1; la figure 3, précédeuunent décrite, illustre, pour la lentille de la figure 1, l'évolution de la convergence en fonction de la tension appliquée entre les électrodes de la lentille; la figure 4 est une coupe d'un détail d'un premier exemple de réalisation d'une lentille à focale variable selon 20 l'invention; la figure 5 illustre, pour la lentille de la figure 4, l'évolution de la convergence en fonction de la tension appliquée entre les électrodes de la lentille; et les figures 6 et 7 sont des coupes de détails de 25 deuxième et troisième exemples de réalisation d'une lentille à focale variable selon l'invention.
Description détaillée
La présente invention consiste à prévoir, entre la surface tronconique 7 et la base 8 de l'évidement 3, une surface intermédiaire pour laquelle, au niveau de la jonction entre la surface tronconique et la surface intermédiaire, dans un plan contenant l'axe optique A de la lentille, l'angle entre un plan normal à l'axe optique et la tangente à la surface intermédiaire est supérieur à l'angle entre un plan normal à l'axe optique et la surface tronconique ou augmente très rapidement par rapport à l'angle entre un plan normal à l'axe optique A et la surface tronconique en s'éloignant de la jonction. L'électrode 9 s'étend alors sur la surface tronconique 7, sur la surface intermédiaire et éventuellement sur une partie de la base 8. La forme de la surface extérieure de la couche isolante 10 recouvrant l'électrode 9 reproduit la forme de l'évidemment 3. De ce fait, l'angle a entre la tangente au dioptre déformable 6 au niveau de la couche isolante 10 et la tangente à la couche isolante 10 augmente brusquement lors du passage de la surface tronconique à la surface intermédiaire. Par conséquent, lorsque le pourtour du dioptre déformable, se déplaçant sur la couche isolante au niveau de la surface tronconique, atteint la zone de jonction entre la surface tronconique et la surface intermédiaire, il est nécessaire d'appliquer une forte augmentation de la tension entre les électrodes de la lentille pour que le dioptre franchisse la jonction. Ainsi, pour de légères augmentations de tension, le dioptre déformable reste bloqué au niveau de la zone de jonction qui joue alors le rôle de butée. On n'observe donc plus le phénomène d'instabilité couune avec la lentille de la figure 1 puisque le pourtour du dioptre déformable 6 n'atteint jamais la zone de jonction entre la surface intermédiaire et le fond de l'évidement où se produisent les phénomènes d'instabilité. La surface intermédiaire peut avoir de multiples formes dès lors que son inclinaison par rapport à l'axe optique permet le fonctionnement décrit ci-avant.
La figure 4 est une coupe d'un détail d'un premier exemple de réalisation d'une lentille à focale variable selon la présente invention. On prévoit entre la surface tronconique 7 et la base 8 de l'évidement 3, une surface cylindrique 33 dont l'axe correspond à l'axe optique A de la lentille. L'électrode 9 et la couche isolante 10 s'étendent sur la surface cylindrique et sur une partie de la base 8. La couche isolante 10 reproduit sensiblement la forme de l'évidement 3 et comprend donc une portion cylindrique 34 en vis-à-vis de la surface cylindrique 33. Le point correspondant au passage entre la portion tronconique 16 et la portion cylindrique 34 de la couche isolante 10 est désigné par la référence B'. Les angles a5 et a6 correspondent respectivement à une position du pourtour du dioptre déformable 6 de part et d'autre du point B' mettant en évidence la brusque variation de l'angle a au passage du point B'. On notera que l'angle a6 est nettement supérieur à l'angle a5. La tension V à appliquer pour maintenir le dioptre déformable 6 à la position correspondant à l'angle a6 est donc nettement supérieure à la tension V nécessaire pour maintenir le dioptre déformable 6 à la position correspondant à l'angle a5.
La figure 5 représente l'évolution de la convergence de la lentille de la figure 4 en fonction de la tension V appliquée entre les électrodes de la lentille. De façon analogue à ce qui a été décrit en relation avec la figure 3, pour une tension V nulle, le liquide isolant 4 mouille sensiblement jusqu'à l'extrémité supérieure de la couche isolante 10, c'est-à-dire au niveau du point A en figure 4. Le dioptre déformable 6 ayant alors une forme concave, on obtient une convergence négative. Comme cela a été décrit précédemment, lorsqu'on augmente la tension V depuis la valeur nulle, le dioptre déformable 6 reste immobile tant que la tension V est inférieure au seuil V1. Ceci correspond à une portion de courbe horizontale 40 en figure 3.
Lorsque la tension V augmente depuis le seuil V1 jusqu'à un seuil V'2, le pourtour du dioptre déformable 6 se déplace sur la portion tronconique 16 de la couche isolante 10 du point A au point B'. Ceci se traduit par une augmentation de la convergence de la lentille, correspondant à une portion de courbe ascendante 42 en figure 5, correspondant parallèlement à une augmentation de l'angle a. Pour que le dioptre déformable 6 puisse aller au-delà du point B', il serait nécessaire d'appliquer une tension V supérieure à un seuil (non représenté en figure 5) nettement supérieur à V'2. Une légère augmentation de la tension V au delà de V'2 n'entraîne donc pas de déplacement du dioptre déformable 6 et donc pas d'augmentation de la convergence. Ceci correspond à une portion de courbe horizontale 44.
Inversement, lorsqu'on diminue la tension V depuis une valeur supérieure à V'2 pour laquelle le pourtour du dioptre déformable 6 est au niveau du point B', on ne constate pas de déplacement du dioptre déformable 6 jusqu'à ce que la tension V atteigne V'2. Quand la tension V diminue en deçà de V'2, le dioptre déformable 6 s'éloigne du point B' pour se rapprocher du point A. L'évolution de la convergence suivant la portion de courbe 42, on n'observe donc plus de phénomène d'hystérésis.
La figure 6 est une coupe d'un détail d'un deuxième exemple de réalisation d'une lentille à focale variable selon l'invention. La surface intermédiaire est une surface tronconique 46 pour laquelle, dans le plan de coupe, l'angle 0' entre un plan normal à l'axe optique A et la surface tronconique 46 est supérieur à l'angle O. La couche isolante 10 comprend une portion tronconique 48 en vis-à-vis de la surface tronconique 46. Le point B' désigne alors, dans le plan de coupe, le point correspondant à la jonction entre la portion tronconique 16 et la portion tronconique 48. On observe alors un phénomène similaire à ce qui a été expliqué précédemment en relation avec la figure 4 puisque l'angle a entre la tangente au dioptre déformable au niveau de la couche isolante 10 et la couche isolante 10 augmente brusquement lorsque le pourtour du dioptre déformable 6 dépasse le point B' en provenant du point A. On obtient alors une courbe d'évolution de la convergence correspondant sensiblement à celle représentée en figure 5.
La figure 7 est une coupe d'un détail d'un troisième exemple de réalisation d'une lentille selon l'invention qui généralise les exemples de réalisation précédents et dans lequel la surface intermédiaire correspond à une surface courbe 50. La couche isolante 10 comprend une portion courbe 52 en vis-à-vis de la surface courbe 50. Le point B' désigne alors, dans le plan de coupe, le point correspondant à la jonction entre la portion tronconique 16 et la portion courbe 52. Au niveau de la jonction entre la portion tronconique 16 et la portion courbe 52, l'angle, dans le plan de coupe, entre un plan normal à l'axe optique A et la tangente à la portion courbe 52 augmente rapidement par rapport à l'angle 0 en s'éloignant du point B'. A titre d'exemple, la portion courbe 52 a la forme d'un goulot. L'angle a entre la tangente au dioptre déformable au niveau de la couche isolante et la couche isolante augmente rapidement mais de façon continue lorsque le pourtour du dioptre déformable dépasse le point B' en provenant du point A. Par rapport à la courbe d'évolution de la convergence de la figure 5, la portion 42 se prolonge sans "brisure" par une portion arrondie dont la pente diminue rapidement, ce qui correspond à un déplacement de plus en plus faible du dioptre déformable lors d'une augmentation de la tension V. Bien entendu, la présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, la présente invention a été décrite pour une lentille à focale variable dans laquelle le pourtour du dioptre déformable se déplace sur une surface tronconique. Bien sûr, la surface de travail sur laquelle se déplace le pourtour du dioptre déformable peut être différente d'une surface tronconique. L'invention consiste alors à prévoir une surface intermédiaire telle que, au niveau de la jonction entre la surface de travail et la surface intermédiaire, l'angle entre un plan normal à l'axe optique et la tangente à la surface intermédiaire est supérieur à l'angle entre un plan normal à l'axe optique et la tangente à la surface de travail ou augmente rapidement par rapport à l'angle entre un plan normal à l'axe optique et la tangente à la surface de travail en s'éloignant de la surface de travail.

Claims (7)

REVENDICATIONS
1. Lentille à focale variable comprenant une enceinte contenant un liquide conducteur (5) et un liquide isolant (4) d'indices de réfraction différents, la surface de contact entre les deux liquides formant un dioptre déformable (6) dont le pourtour est amené à se déplacer le long des parois d'un logement sous l'effet d'une tension électrique (V), le logement comportant une partie supérieure (16) inclinée par rapport à un plan normal à l'axe optique (A) de la lentille, caractérisée en ce que le logement comprend une partie inférieure (34, 48, 52) plus inclinée que la partie supérieure.
2. Lentille selon la revendication 1, dans laquelle la partie supérieure (16) est tronconique d'axe parallèle à l'axe optique (A).
3. Lentille selon la revendication 1, dans laquelle la 15 partie inférieure (34) a une forme générale cylindrique d'axe parallèle à l'axe optique (A).
4. Lentille selon la revendication 1, dans laquelle la partie inférieure (48) a une forme générale tronconique d'axe parallèle à l'axe optique (A) dont l'inclinaison par rapport au plan normal à l'axe optique (A) est supérieure à l'inclinaison de la partie supérieure (16) par rapport au plan normal à l'axe optique au niveau de la jonction entre la partie supérieure et la partie inférieure.
5. Lentille selon la revendication 1, dans laquelle la partie inférieure (52) a, au moins au niveau de la jonction entre la partie supérieure (16) et la partie inférieure, une courbure continûment variable, l'inclinaison de la surface intermédiaire par rapport au plan normal à l'axe optique (A) augmentant, en s'éloignant de la jonction, par rapport à l'inclinaison de la partie supérieure (16) par rapport au plan normal à l'axe optique (A) au niveau de la jonction.
6. Lentille selon la revendication 1, dans laquelle la partie supérieure (16) et la partie inférieure (34, 48, 52) correspondent à des portions de surface d'une couche isolante (10) recouvrant une couche métallique (9) formant électrode, elle-même déposée sur un substrat isolant (2).
7. Lentille selon la revendication 6, dans laquelle le logement comprend un fond (18) au moins en partie perpendiculaire à l'axe optique (A) et prolongeant ladite partie inférieure (34, 48, 52), le fond du logement correspondant, sur sa périphérie, à une portion de surface de la couche isolante (10) recouvrant la couche métallique (9).
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