FR2948465A1 - Composant optique transparent a microcuves - Google Patents

Abstract

Un composant optique transparent à microcuves, destiné à être découpé et rapporté sur un verre optique, comprend dans son épaisseur un réseau de microcuves µ1 à µ7 juxtaposées dans le plan d'un support 4. Les microcuves sont espacées les unes des autres et sont chacune délimitée dans le plan par une paroi respective p1 à p7, chaque paroi étant formée en un cylindre fermé. Les microcuves et les espaces entre les microcuves sont remplies d'un matériau optique 5.

Description

COMPOSANT OPTIQUE TRANSPARENT A MICROCUVES Le domaine de l'invention est celui des composants optiques transparents à microcuves. Dans le contexte de l'invention, le qualificatif transparent signifie qu'un observateur voit une image à travers ce composant sans perte 5 significative de contraste, dans aucune direction. Les composants optiques transparents à microcuves sont notamment utilisés pour compléter à moindre coût les propriétés d'éléments optiques transparents tel que, par exemple, des verres ou des lentilles ophtalmiques, ou encore des hublots, des visières de casques .... Si on 10 prend l'exemple d'une monture de lunettes correctrices, les verres de la monture ont la correction optique, et une forme correspondante découpée dans un composant optique à microcuves, reportée sur chacun des verres, apporte une fonction optique supplémentaire, par exemple une fonction photochromique (capacité à s'éclaircir ou s'assombrir en fonction du 15 rayonnement UV reçu). Typiquement, ces composants sont réalisés dans des matériaux plastiques optiques déformables, qui peuvent être facilement découpés et déformés pour obtenir une forme adaptée permettant leur report sur la surface de l'élément optique souhaité, par exemple sur un verre qui a les 20 corrections optiques. Ces matériaux sont par exemple des polyesters, tel que du polyéthylène téréphtalate ou PET, du polycarbonate ou bien encore du polyéthylène naphtalate (PEN), ou du tri acétate de cellulose TAC, ou bien encore polymères oléfiniques tels que le C.O.0 (copolymère cyclo oléfinique), substrats qui peuvent être revêtus de films optiques 25 supplémentaires, tel que des couches anti-reflet.... Selon l'état de l'art, un composant optique à microcuves comprend dans son épaisseur et parallèlement à la surface, un réseau de microcuves qui sont formées par un maillage de parois très fines, et qui contiennent chacune au moins une substance optique sous forme de liquide ou de gel. 30 Chaque microcuve correspond au volume défini par une maille du réseau de parois. Les parois sont très fines, typiquement épaisseur 1 à 3 microns d'épaisseur, avec une hauteur typiquement comprise entre 10 et 30 microns. Le réseau de parois des microcuves sont autant de cales mécaniques permettant de garantir que le chemin optique au travers du composant est le même partout, ce qui permet de réaliser à moindre coût des composants de grande surface avec une épaisseur homogène, sans aucun usinage. Les parois permettent aussi de calibrer la hauteur des microcuves de manière précise, en fonction de la quantité de principe actif recherché dans les microcuves. Enfin la finesse des parois, de l'ordre de 1 à 3 microns d'épaisseur, permet de ne pas altérer la qualité optique du composant. En d'autres termes les parois sont les plus fines possibles pour ne pas être perçues par l'oeil. Typiquement la fabrication de ces composants utilise un support transparent de grande dimension, formé d'un substrat plastique transparent, éventuellement revêtu d'autres couches transparentes additionnelles. Ce support est structuré en microcuves, par la réalisation sur sa surface d'un réseau de parois en forme de maillage, qui définit des microcuves isolées à parois jointives : deux microcuves juxtaposées partagent au moins une paroi.

Ce réseau de parois est typiquement réalisé en résine, par des techniques de photolithographie. Le support structuré peut ensuite être personnalisé, par remplissage des microcuves, de façon individuelle et différenciée, par exemple en utilisant des techniques d'impression à jet d'encre, par lesquelles on vient déposer une ou des gouttes de matériau optique dans chacune des microcuves, ou de façon collective et uniforme. Par exemple, un remplissage collectif uniforme peut être obtenu par immersion du support structuré dans un bain approprié, en particulier, lorsque la substance optique de remplissage se présente sous forme liquide. Ensuite, une couche formant couvercle est laminée par-dessus, l'adhésion se faisant avec le haut des parois. Un autre exemple de technique de remplissage uniforme utilise une étape standard de laminage d'un film polymère avec progression d'un front de solvant contenant une certaine densité des molécules ayant les propriétés optiques voulues, par exemple des molécules photochromiques, suivie d'une étape de polymérisation, c'est-à-dire de cuisson, lors de laquelle le polymère se mélange au solvant et forme le gel optique. Typiquement, et en référence à la figure 1 a, on part d'un film plastique transparent 1 sur une face de laquelle on a badigeonné un polymère 2. Un bourrelet du produit optique 3 de remplissage (solvant + molécules à propriété optique) est déposé sur un bord du support structuré 4, c'est-à-dire avec son réseau de parois p. Le film plastique 1 badigeonné du polymère 2 est laminé sur le support structuré 4, avec le polymère 2 face au support structuré, en faisant progresser le bourrelet de produit 3. A la fin de cette opération, on obtient le composant illustré sur la figure 1. Après cuisson, le polymère s'est dissout dans le solvant et forme un gel 5. On obtient le composant illustré sur la figure 1 b. La cuisson n'entraînant pas ou peu de rétractation de matière, la hauteur de gel dépasse la hauteur des parois p formant les microcuves 6 : cette hauteur de gel correspond sensiblement à la hauteur des parois p plus l'épaisseur du polymère 2 de départ. La consistance du gel est typiquement ~o fonction de l'épaisseur de polymère et de la quantité de solvant qui est calibrée par la hauteur des parois. Des revêtements supplémentaires sur le film plastique 1 peuvent être prévus pour terminer le processus de fabrication du composant optique à microcuves. 15 Le composant optique ainsi réalisé est alors prêt à être découpé. Schématiquement, comme illustré sur la figure 2, une forme F est découpée dans le composant C, et reportée sur la surface d'un élément d'optique E, par exemple un verre correcteur, un hublot, une visière ... Le profil de découpe correspond à l'utilisation. La découpe est 20 effectuée en réalisant simultanément une soudure sur les bords de découpe, pour obtenir la forme désirée. Pour une utilisation optimale du composant optique ainsi produit, avec le minimum de pertes, la découpe doit pouvoir se faire n'importe où. Ceci suppose que le composant optique soit exempt de défauts de fabrication. 25 La fabrication de tels composants nécessite quelques précautions particulières. En particulier et de manière connue, une attention particulière doit être portée au dessin du réseau des parois qui définissent les microcuves. En effet, ce dessin doit être conçu de manière à préserver la transparence des composants optiques ainsi réalisés, quel que soit l'angle 30 sous lequel un observateur regarde une image à travers ce composant. Suivant une définition communément retenue, un composant optique est dit transparent lorsque l'observation d'une image au travers de ce composant est perçue sans perte significative de contraste. Pour ces raisons, le dessin du maillage est l'objet d'une grande 35 attention, pour limiter les effets de diffraction des parois, qui se traduisent à l'échelle du composant par une perte de qualité optique du composant. Notamment, on choisit de préférence un dessin du maillage qui intègre au moins des portions courbes, et/ou des dessins définissant des motifs et/ou des tailles de mailles aléatoires. Un exemple d'un tel dessin est illustré sur la figure 3. On pourra aussi se référer aux dessins donnés en exemples dans la demande de brevet français publiée le 26 janvier 2005 sous le numéro FR2888954, aux figures 4 à 7. Mais ces dessins de réseau de parois posent en pratique d'autres problèmes. Les parois sont typiquement réalisées par dépôt d'une résine ~o photosensible sur le support à pixelliser, résine qui est ensuite gravée pour obtenir le réseau de parois voulu, par un équipement de photolithographie, généralement appelé stepper, qui assure l'insolation de la résine par le biais d'une source de lumière UV, de réticules (ou masques) correspondant au dessin du réseau à réaliser et d'une optique de lentilles. Comme les parois 15 du réseau à réaliser doivent être très fines, l'optique du stepper doit être très résolue. Elle doit aussi être réglée pour ne pas introduire de distorsion des motifs. Comme le composant à réaliser est grand, et les motifs (les parois) très fins, il faut plusieurs insolations pour couvrir toute la surface du composant. II faut qu'au final, les jonctions de champ, entre les insolations 20 successives, ne soient pas visibles. Or l'oeil est sensible aux défauts d'alignement localisés. Il faut donc un positionnement très précis du support par rapport à l'optique, à chaque nouvelle insolation. Ceci impose d'une part de réaliser la photolithographie en enceinte climatique, pour travailler à température et pression stables, sans contraintes sur l'optique, ainsi que 25 d'utiliser un système de positionnement en X et Y très précis, à interféromètre(s) laser, pour positionner très précisément la platine supportant le support à pixelliser, par rapport à l'optique, pour assurer au mieux les jonctions de champ. On sait en outre utiliser une définition floue ("fuzzy") des motifs au niveau des bords entre deux insolations successives, 30 par exemple avec un dessin flou sur les bords du masque, de manière à ce que les défauts de jonction entre deux champs successifs ne soient pas localisés sur une même ligne, mais répartis de manière un peu aléatoire sur 1 ou 2 millimètres de façon à ce que l'oeil ne voit pas cette jonction de manière précise. 35 En pratique la très forte contrainte mécanique de positionnement sur le stepper, de l'ordre du dixième de micron, et la finesse des parois à obtenir nécessite un réglage du stepper qui est un compromis entre résolution et distorsion. Ce compromis à faire entre résolution et distorsion est illustré sur la figure 4, qui montre de façon schématique, un exemple d'un motif obtenu dans deux champs d'insolation successifs A et B. Les traits pointillés représentent ce qui est obtenu avec un réglage de l'optique R1 optimal pour un grandissement optique sans distorsion: dans ce cas, un motif rectangle sera reproduit sans distorsion, mais la résolution ne sera pas homogène sur tout le champ. Par exemple, en partie haute de chaque champ d'insolation, le trait sera fin, et en partie basse il sera plus épais. Il en résulte un défaut d'homogénéité de résolution à la jonction j entre les deux champs A et B. Les traits continus représentent ce qui est obtenu avec le même masque, avec un réglage de l'optique R2 optimal en résolution : dans ce cas, la résolution est fine et homogène sur tout le champ, mais il y a de la distorsion : le motif rectangle du masque est reproduit avec distorsion, comme un trapèze et les parois à la jonction, ne se joignent pas : Il en résulte un défaut de résolution à la jonction j entre les deux champs A et B. Ainsi, outre que l'étape de photolithographie nécessite un équipement de photolithographie très contraint, donc très coûteux, elle ne permet pas d'atteindre de façon satisfaisante la qualité optique recherchée sur toute la surface du composant. Notamment des défauts sont visibles aux jonctions de champ. Un autre problème de qualité de fabrication résulte du dessin dit "aléatoire" utilisé de préférence pour définir les réseaux de parois, tel que le dessin de la figure 3, ou ceux décrits dans la demande française précitée. En effet ces dessins de maillage aléatoire comportent des angles vifs ou aigus aux croisements, comme les angles référencés a sur la figure 3. La présence de ces angles vifs, combinée à la finesse des parois posent un problème pratique de décollement des parois au niveau de ces angles, car la zone d'adhérence des parois sur le support est faible. Or les angles aigus sont par nature des zones de forte contrainte mécanique. Aussi, si à l'endroit d'une zone de contrainte forte (angle aigu), la surface du support sur lequel sont réalisées les parois présente un défaut, le risque de décollement est très important.

Dans l'invention, on cherche à résoudre ces différents problèmes de fabrication dus aux caractéristiques des dessins de maillage à réaliser qui ont des répercussions négatives en termes de fabrication. Ce problème technique a été résolu dans l'invention, par l'adoption d'un réseau de microcuves non maillé, en sorte que chaque microcuve est espacée ou disjointe des autres microcuves, combiné à un remplissage de l'ensemble de l'espace, à savoir des microcuves et des espaces entre microcuves. L'invention concerne donc un composant optique comprenant dans son épaisseur un réseau de microcuves juxtaposées dans un plan parallèle à une surface du composant. Le composant optique est caractérisé en ce que lesdites microcuves sont espacées les unes des autres, et délimitées dans le plan par une paroi formée en un cylindre fermé, et en ce que les microcuves et les espaces entre les microcuves sont 15 remplies d'un ou plusieurs matériaux optiques. De préférence le cylindre est à section droite sensiblement circulaire. La section sensiblement circulaire du cylindre est plus favorable car elle ne privilégie aucune direction de diffraction.

20 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention sont présentés dans la description suivante, d'un exemple de réalisation d'un composant optique selon l'invention, et en référence aux dessins annexés dans lesquels : -les figures la et 1 b illustrent le remplissage d'un support structuré 25 en microcuves, par un gel optique; -la figure 2 est une vue schématique du découpage d'une forme d'un composant optique à microcuves et son report sur un élément d'optique; -la figure 3 est un exemple de dessin de maillage aléatoire utilisé pour structurer une surface d'un composant optique; 30 -la figure 4 illustre les problèmes de distorsion ou de perte de résolution suivant le réglage du stepper; -la figure 5 illustre un support structuré suivant l'invention; -la figure 6 est une vue détaillée en perspective d'une microcuve selon l'invention; et -les figures 7 et 8 montrent en coupe transversale deux exemples de composant optique comprenant dans son épaisseur un réseau de microcuves selon l'invention.

La figure 5 illustre une vue de dessus partielle d'un support structuré d'un composant optique transparent à microcuves suivant l'invention : les microcuves sont espacées les unes des autres, et de forme sensiblement ronde. Une telle structuration est très avantageuse car elle peut être réalisée à moindre coût. Les microcuves étant complètement disjointes, on a une relâche des contraintes sur l'équipement de photolithographie, sans céder à la résistance mécanique et la qualité optique du composant. En particulier on peut bénéficier de la résolution optimale de l'optique de photolithographie. On peut aussi relâcher les contraintes mécaniques, et 15 utiliser un équipement de photolithographie moins coûteux : pas d'enceinte climatique, pas d'interféromètres ... Les dessins des masques peuvent être définis en sorte que chaque microcuve soit formée complètement dans un seul champ d'insolation. Il n'y a plus de problème de raboutement de parois aux jonctions 20 de champ comme dans l'état de l'art. Avantageusement, on peut utiliser la technique de photolithographie dite floue ou "fuzzy" aux jonctions de champ d'insolation, en utilisant un dessin de masque approprié. C'est ce qui est représenté sur la figure 5 : en traits continus sont représentées les microcuves pA formées 25 avec le champ d'insolation A, et en pointillé, les microcuves pB qui ont été formées avec le champ d'insolation B. La technique floue se traduit par une pénétration du champ A dans le champ B et inversement sur une certaine profondeur, en sorte qu'il n'est pas possible trouver la limite entre deux champs. Et chaque microcuve est formée dans un seul champ d'insolation. 30 Sur la figure 5, dans la zone zi de pénétration des champs A et B, on a ainsi des microcuves apportées par le champ A, en trait continu, et des microcuves apportées par le champ B, en traits pointillés. Au final, il n'est pas possible de distinguer sur le support les jonctions de champ. En pratique, les zones d'interpénétration sont prévues chaque fois 35 que l'on a une jonction de champ. Dans l'exemple de la figure 5, on voit que pour chacun des champs A et B, il y a des microcuves qui "débordent" du cadre central sur chacun des côtés, correspondant aux différentes zones d'interpénétration avec un champ voisin. Ces microcuves sont notées respectivement pA', pour celles apportées par le champ A et pB', pour celles apportées par le champ B. En pratique la combinaison de la disposition et/ou les dimensions aléatoires des microcuves dans le plan du support et un dessin de masque avec zones d'interpénétration de champ, permet d'obtenir un support structuré sur lequel les microcuves sont disposées de telle sorte qu'il n'est pas possible de tracer une droite rectiligne sans qu'elle ne coupe une microcuve, et ce sur l'ensemble de la surface structurée, y compris dans les zones de jonction de champ telle que la zone zi. Ainsi dans cette zone zi, il n'est pas possible de tracer une droite rectiligne qui sépare les microcuves pB', apportées par le champ B (en traits pointillés) des microcuves pA', apportées par le champ A (en trait continu). Plus généralement, la disposition et/ou les dimensions des microcuves sur l'ensemble de la surface est aléatoire et telle qu'il n'est pas possible de tracer une droite rectiligne qui ne coupe aucune microcuve. Ainsi la qualité optique du composant qui intègre un tel support structuré selon l'invention, est optimale.

La figure 6 est une vue en perspective d'une microstructure pi formée selon l'invention : elle est formée en une paroi pi formée en un cylindre fermé. Le cylindre est de préférence à section droite sensiblement circulaire, ce qui est une forme favorable optiquement, car elle ne privilégie aucune direction de diffraction, ainsi que mécaniquement : c'est la forme la plus résistante à l'écrasement, ainsi qu'au décollement puisqu'il n'y a par définition aucun angle. La figure 7 montre en coupe transversale un composant optique transparent à microcuves selon l'invention. Le support structuré selon l'invention formant le réseau de microcuves est compris dans son épaisseur.

Il comprend un support 4, formé d'un substrat plastique transparent, éventuellement revêtu d'une ou plusieurs autres couches transparentes, et des parois, dans l'exemple p1, à p7, chacune formée en un cylindre fermé. Ces parois forment un réseau de microcuves p1 à p7 juxtaposées dans le plan de surface du support 4, et espacées les unes des autres. L'ensemble de l'espace structuré, c'est-à-dire les microcuves et les espaces entre les microcuves, est rempli d'un matériau optique. Dans l'exemple plus particulièrement représenté, le matériau optique est un gel 5, par exemple formé comme expliqué précédemment en relation avec les figures la et 1 b. En reprenant les mêmes notations que dans les figures la, 1 b et 2, au- dessus du gel 5, on trouve le film plastique transparent 1 sur lequel était laminé le polymère 2. Le composant optique peut comprendre éventuellement une ou plusieurs autres couches supplémentaires formées par-dessus le film plastique 1. Si on choisit de remplir l'espace structuré par un matériau optique liquide, par une technique d'immersion par exemple comme expliqué précédemment, un film plastique supérieur est laminé par-dessus le support structuré et rempli de liquide, et qui adhère sur le haut des parois. Une vue en coupe d'un composant optique correspondant est représentée à la figure 8.

On peut encore remplir l'espace structuré avec un ou des matériaux optiques, en utilisant par exemple une technique à jet d'encre, adaptée de manière appropriée au dessin de la structure, pour injecter une ou des gouttes de matériau optique dans chacune des microcuves et dans les espaces entre les microcuves.

Dans tous les cas, la hauteur h et l'épaisseur e des parois est uniforme sur tout le composant. Typiquement l'épaisseur de parois est choisie dans la plage de 1 et 3 microns environ, et la hauteur dans la plage de 10 à 30 microns environ. Avantageusement, comme expliqué précédemment, la disposition 25 des microcuves dans le plan du support est définie suivant une loi de distribution aléatoire. Avantageusement, la dimension des microcuves dans le plan du support, c'est-à-dire la surface délimitée dans le plan du support par chacune des parois, est variable, de préférence définie aléatoirement.

30 L'utilisation d'une loi aléatoire pour définir la position et/ou la dimension des microcuves contribue à la qualité optique, en évitant tout effet de périodicité spatiale. De préférence, les parois sont telles que la surface totale occupée par la base des parois est de l'ordre de 1 à 3 % de la surface totale du plan.

35 On a pu en effet déterminer que l'on obtient alors un bon compromis entre les objectifs d'homogénéité d'épaisseur du composant optique, et de résistance à l'écrasement des parois. De préférence, les parois sont telles que l'espacement entre deux microcuves est au moins de l'ordre d'une dizaine de microns, pour une 5 épaisseur de parois comprise entre 1 et 3 microns. Un composant optique à microcuve selon l'invention qui vient d'être décrite a l'avantage de pouvoir être produit à moindre coût avec une grande fiabilité et est de bonne qualité optique, c'est-à-dire notamment, qu'il offre une bonne transparence quelle que soit la direction d'observation.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Composant optique comprenant dans son épaisseur un réseau de microcuves (p1, p2) juxtaposées dans un plan parallèle à une surface dudit composant, caractérisé en ce que lesdites microcuves sont espacées les unes des autres et chacune délimitée dans le plan par une paroi (p1) formée en un cylindre fermé, et en ce que les microcuves et les espaces entre les microcuves sont remplies d'un ou plusieurs matériaux optiques (5).
2. 2. Composant optique selon la revendication 1, dans lequel la disposition des microcuves dans le réseau est définie suivant une loi de distribution aléatoire.
3. 3. Composant optique selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la 15 surface délimitée dans le plan par chacune des parois a une taille variable, de préférence définie aléatoirement.
4. 4. Composant optique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la surface totale occupée par la base des parois 20 est de l'ordre de 1 à 3 % de la surface totale du plan.
5. 5. Composant optique selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel l'espacement entre deux microcuves est au moins de l'ordre d'une dizaine de microns, et les parois formant les enceintes des 25 microcuves, ont une épaisseur (e) comprise entre 1 et 3 microns.
6. 6. Composant optique selon la revendication 4, dans lequel la hauteur (h) des parois est comprise entre environ 10 et 30 microns. 30
7. 7. Composant optique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chaque enceinte de microcuve est formée complètement en une seule étape de photolithographie.
8. 8. Composant optique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le cylindre est à section droite sensiblement circulaire.
9. 9. Composant optique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la disposition des microcuves dans le plan est telle qu'aucune droite rectiligne ne peut être tracée sans qu'elle ne coupe au moins une microcuve.
10. 10. Elément d'optique (E) comprenant une forme (F) découpée d'un composant optique (C) selon l'une quelconque des revendications précédentes.