FR3087430A1 - Dispositif micro-fluidique adapte pour modifier la phase d'un front d'onde et systeme optique comprenant un tel dispositif - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un dispositif micro-fluidique (10) comprenant :
-un substrat (Sub) sur lequel sont disposées des parois (W) délimitant une pluralité de chambres (Chi) jointives,
-une membrane flexible (Memb) déposée et fixée sur les parois de manière à former des chambres fermées, les chambres étant destinées à être remplies de fluide,
-au moins un canal (CAi) connecté à chaque chambre, ledit canal n'étant connecté qu'à une seule chambre, un canal étant destiné à activer la chambre associée par application d'une pression déterminée au fluide de ladite chambre, de manière à créer localement une déformation élastique de ladite membrane.
Description
Dispositif micro-fluidique adapté pour modifier la phase d'un front d'onde et système optique comprenant un tel dispositif DOMAINE DE L'INVENTION L'invention concerne le domaine des dispositifs en micro-fluidique et plus particulièrement ceux appliqués à l'optique.
L'invention concerne également des systèmes optiques basés sur ces dispositifs permettant de réaliser une modification active de la phase d'une onde lumineuse, par exemple pour des applications d'optique adaptative ou d'optique active.
ETAT DE LA TECHNIQUE Il existe un certain nombre de dispositifs permettant de modifier la phase d'une onde lumineuse pour s'adapter à une évolution des conditions de 15 l'environnement (par rapport à une mesure externe), ce concept étant généralement désigné par le terme d'optique adaptative.
Il existe également des dispositifs permettant de modifier la phase d'une onde lumineuse selon une loi prédéterminée, et de faire varier les paramètres d'une surface optique par rapport aux conditions d'utilisations 20 (mise au point de loin ou de près, correction d'aberrations connues pour une fonction zoom...).
Ce concept est désigné par le terme d'optique active, le composant actif pouvant être positionné en plan de pupille ou ailleurs dans la combinaison optique et considéré comme une surface optique du système.
Ces dispositifs sont par exemple intégrés à des optiques d'imagerie pour en 25 améliorer les performances ou ajouter des fonctionnalités optiques (fonction zoom par exemple).
Les optiques adaptatives sont utilisées dans de multiples applications telles que la mise en forme de faisceau de lasers de puissance, la correction des 30 images d'observations astronomiques traversant l'atmosphère ou encore pour les systèmes d'affichages type vidéoprojecteur.
Le concept d'optique adaptative est illustré figure 1.
On modifie localement la phase du front 2 d'onde incident 3, en appliquant un profil de phase calculé.
L'application du profil de phase se fait par exemple via un miroir déformable 6 et le faisceau réfléchi par celui-ci est un front d'onde corrigé 7.
Une alternative en optique adaptative est de mettre en oeuvre une mesure 5 par diversité de phase, ce qui ne nécessite pas de moyens externes de mesure mais nécessite de disposer d'une puissance de calcul importante, ce qui peut limiter la rapidité de la correction.
Lorsque la perturbation du front d'onde ne varie pas temporellement, le front B.) d'onde à corriger est mesuré une fois pour toute et la loi de phase corrective est mémorisée et appliquée au miroir 6.
Plus couramment la perturbation varie dans le temps (turbulence de l'atmosphère par exemple), et il convient alors de mesurer le front d'onde en permanence (lame séparatrice 8 et analyseur de front d'onde 5).
Une boucle de rétroaction 4 détermine, à partir de la mesure du front d'onde incident, la loi de phase à appliquer au miroir 6 pour corriger de front d'onde incident.
Le formalisme des polynômes de Zernicke permet de retranscrire des aberrations du front d'onde en modes propres de la phase à implémenter pour leurs corrections.
La majorité des solutions existantes commercialisées actuellement fonctionnent en réflexion à l'aide de matrices de micro-miroirs supportés par des actionneurs électromécaniques.
Dans ce cas l'implémentation des polynômes de Zernicke se traduit par des modes de déformation de l'optique sur toute la dimension de la pupille.
Il a été démontré qu'une optique adaptative efficace en termes de corrections des aberrations peut être obtenue, pour une dimension de pupille centimétrique, avec la juxtaposition d'une dizaine de zones indépendantes seulement.
La figure 2 illustre deux exemples d'agencement optimaux de zones 20 auxquelles on va appliquer une phase prédéterminée pour une correction en utilisant des polynômes de Zernicke.
La figure 2a illustre un agencement de 31 zones, et la figure 2b un agencement de 61 zones.
L'agencement des zones est concentrique, et typiquement les zones présentent une forme de segment de disque ou de polygone.
Ce type de solutions en réflexion permet une précision micrométrique et une 35 forte efficacité (réflexion proche de 1).
Néanmoins, leur limitation intrinsèque 3 à la réflexion limite la compacité du système complet.
De plus les systèmes mécaniques utilisés sont sensibles aux vibrations mécaniques ce qui limite leur intégration dans des systèmes embarqués.
Leur réalisation pratique repose sur les technologies de la micro/nano fabrication qui du fait du grand 5 nombre d'étapes technologiques est couteuse, longue à développer et nécessite des installations lourdes (salles blanches).
De plus, ces méthodes de fabrication limitent les dimensions maximales accessibles à celles des substrats soit 3 à 4 pouces.
Elles sont donc assez peu répandues (ou évitées) lors de la conception de 10 systèmes optiques, hormis pour l'instrumentation spatiale où ce degré de liberté est devenu d'usage courant depuis la mésaventure du lancement d'Hubble mais ne permettent pas de prendre en compte les contraintes d'assemblage mécanique.
15 II existe également quelques solutions en transmission.
Une solution est basée sur l'utilisation de cristaux liquides, ce qui requiert la mise en place d'électrodes de commandes.
Celles-ci nécessitent pour la commande l'utilisation d'un matériau conducteur et transparent tel que l'ITO, ou photoconducteur tel que le BSO ou le PZT.
Le fort indice optique de ces 20 matériaux et la périodisation des électrodes font apparaitre des phénomènes de diffraction importants.
De plus, l'électronique de commande à ajouter à chaque pixel occupe une place non négligeable qui tend à diminuer l'ouverture effective de chaque pixel, diminuant la transmission de l'optique.
De plus, l'usage des cristaux liquides rend le système dépendant de la 25 polarisation de l'onde incidente et reste limité en terme d'excursion suffisante en déphasage (< 21-r) pour réaliser pleinement la fonctionnalité voulue.
Enfin la technique du PDLC (Polymer Dispersed Liquid Crystal) basée sur un mode de fonctionnement diffusant/transparent, offre des contrastes trop faibles (typiquement 1/10) pour envisager de les utiliser pour des solutions 30 d'imagerie.
Une autre solution pour la réalisation d'une lentille active travaillant en transmission est une lentille commandée électriquement de la société Optotune, dont la focale est contrôlée électriquement ou mécaniquement, tel 35 qu'illustré figure 3.
La lentille est composée d'une membrane 40 qui constitue 4 une interface entre 2 chambres, chacune d'entre elle étant remplie d'un matériau d'indice de réfraction différent de l'autre (par exemple une remplie d'un liquide et l'autre par de l'air).
La pression 41 entre les 2 chambres détermine la forme de la membrane et donc le rayon de courbure de la 5 lentille.
La figure 3a illustre une position de la membrane et la figure 3b une autre position.
La pression permettant de varier la forme de la membrane peut être appliquée mécaniquement, électro-mécaniquement ou pneumatiquement.
L'avantage de cette lentille est son temps de réponse de quelques ms à 10 50ms.
Cependant, elle n'est mise en oeuvre actuellement que sur des diamètres d'ouverture faibles (<16mm), ce qui est limitant en termes d'application.
De plus, sa forme ne peut pas être libre, seule la courbure de la lentille change.
Il n'est pas possible avec ce système de synthétiser un «freeform » actif c'est-à-dire un composant susceptible d'appliquer une loi de 15 phase prédéterminée quelconque (polynomiale d'ordre >3) et reprogrammable.
Un autre exemple de lentille active est la lentille de la société Varioptic basée sur un contrôle par électro-mouillage.
La déformation, sous l'effet d'une 20 tension électrique, de la surface entre les deux fluides assure la variation de la focale optique.
En modifiant le nombre d'électrodes de pilotage, il est possible de réaliser des lentilles liquides avec des fonctions simples différentes: - 2 Electrodes : Focalisation 25 5 Electrodes : Focalisation et tilt 9 Electrodes : Focalisation, tilt et astigmatisme Mais aucune des solutions en transmission précitées ne permet de réaliser une optique « freeform » et avec un diamètre d'ouverture de plusieurs 30 centimètres.
Un but de la présente invention est de remédier aux inconvénients précités en proposant un dispositif novateur à base de technologie micro-fluidique adapté à la réalisation d'une optique « free-form » active, et un système 35 d'optique adaptative ou d'optique active utilisant ce dispositif.
DESCRIPTION DE L'INVENTION 5 La présente invention a pour objet un dispositif micro-fluidique comprenant: -un substrat sur lequel sont disposées des parois délimitant une pluralité de chambres jointives, -une membrane flexible déposée et fixée sur les parois de manière à former des chambres fermées, les chambres étant destinées à être remplies de 10 fluide, -au moins un canal connecté à chaque chambre, ledit canal n'étant connecté qu'à une seule chambre, un canal étant destiné à activer la chambre associée par application d'une pression déterminée au fluide de ladite chambre, de manière à créer localement une déformation élastique de ladite 15 membrane.
Préférentiellement les chambres et les canaux sont remplis de fluide.
Préférentiellement le canal associé à une chambre est unique.
Selon une variante le matériau constituant les parois est identique au matériau du substrat et les canaux sont disposés dans une partie supérieure 20 desdites parois.
Selon une autre variante le matériau constituant les parois est identique au matériau de la membrane et les canaux sont disposés dans une partie inférieure desdites parois en contact avec le substrat.
Selon un mode de réalisation la membrane flexible comprend en outre une 25 pluralité de piliers répartis sur une paroi interne de la membrane et configurés de sorte qu'ils soient en appui sur le substrat ou très proche de celui-ci lorsque ladite membrane est au repos.
Selon un autre mode de réalisation le substrat comprend en outre une pluralité de piliers configurés de sorte qu'ils soient en appui sur la membrane 30 flexible ou très proche de celle-ci lorsqu'elle est au repos.
Selon un mode de réalisation une membrane additionnelle est disposée au-dessus de la membrane flexible.
Selon un mode de réalisation les chambres du dispositif comprennent une structure configurée pour être poreuse au fluide susceptible d'être injecté.
5 6 Selon un mode de réalisation le dispositif selon l'invention comprend en outre une structure d'adaptation d'indice déposée sur le substrat et/ou une couche antireflet déposée sur une paroi extérieure de la membrane.
Selon une variante le dispositif selon l'invention comprend en outre une 5 couche réfléchissante déposée sur le substrat, de manière à ce que ledit dispositif fonctionne en réflexion.
Selon un autre aspect l'invention concerne un système optique destiné à opérer une modification d'une phase d'un front d'onde d'une onde lumineuse 10 présentant au moins une longueur d'onde et comprenant : -au moins un dispositif micro-fluidique selon l'invention, ledit fluide étant transparent à ladite longueur d'onde, -un dispositif d'injection dudit fluide dans chaque canal connecté à une chambre, configuré pour appliquer lesdites pressions auxdites chambres 15 via lesdits canaux associés, lesdites pressions et donc lesdites déformations locales de la membrane étant déterminées de manière à appliquer des déphasages prédéterminés à la dite onde.
Préférentiellement le système optique selon comprend en outre une unité de 20 traitement reliée au dispositif d'injection et configurée pour déterminer lesdites pressions à appliquer à partir desdits déphasages prédéterminés.
Selon un mode de réalisation le dispositif d'injection comprend au moins une pompe et une pluralité de micro-vannes reliées à ladite pompe et auxdits 25 canaux et configurées pour appliquer lesdites pressions aux dits canaux.
Selon un autre aspect l'invention concerne un procédé de modification d'une phase d'un front d'onde d'une onde lumineuse présentant 30 au moins une longueur d'onde et comprenant les étapes consistant à : -déterminer une pluralité de déphasages locaux à appliquer audit front d'onde, -injecter un fluide dans une pluralité de chambres fermées via des canaux connectés auxdites chambres, les chambres étant délimitées par des 7 parois déposées un substrat et une membrane flexible déposée et fixée sur lesdites parois, un canal étant connecté à une seule chambre, ladite injection dans une chambre s'opérant par application d'une pression déterminée au fluide de la chambre, de manière à créer localement 5 une déformation élastique de ladite membrane, les pressions appliquées auxdites chambres via lesdits canaux associés et donc les déformations locales de la membrane étant déterminées de manière appliquer à la dite onde lumineuse les déphasages déterminés à l'étape précédente.
10 La description suivante présente plusieurs exemples de réalisation du dispositif de l'invention : ces exemples sont non limitatifs de la portée de l'invention.
Ces exemples de réalisation présentent à la fois les 15 caractéristiques essentielles de l'invention ainsi que des caractéristiques additionnelles liées aux modes de réalisation considérés.
L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques, buts et avantages de celle-ci apparaîtront au cours de la description détaillée qui va suivre et en regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non 20 limitatifs et sur lesquels : La figure 1 déjà citée illustre le concept d'optique adaptative.
La figure 2 déjà citée illustre un agencement de zones d'une optique 25 adaptative auxquelles est appliqué un déphasage prédéterminé selon l'état de la technique, l'agencement de la figure 2a comprenant 31 électrodes, et celui de la figure 2b 61 électrodes.
La figure 3 déjà citée décrit le fonctionnement d'une lentille active travaillant 30 en transmission commandée électriquement selon l'état de l'art.
La figure 3a illustre une position de la membrane et la figure 3b une autre position.
La figure 4a décrit un dispositif à base de micro-fluidique selon l'état de l'art réalisant une matrice de microlentille.
La figure 4b illustre le dispositif au 35 repos, lorsque la membrane est plane et non déformée, et la figure 4c illustre 8 le dispositif « activé » c'est-à-dire lorsqu'une pression suffisante est appliquée de manière à provoquer une déformation de la membrane.
La figure 5 illustre le principe de fonctionnement du dispositif micro-fluidique 5 selon l'invention.
La figure 6 illustre un mode de réalisation d'un dispositif micro-fluidique selon l'invention en vue de dessus, avec des chambres présentant un agencement concentrique.
10 La figure 7 illustre un autre mode de réalisation d'un dispositif micro-fluidique selon l'invention en vue de dessus, avec des chambres présentant un agencement matriciel.
15 La figure 8 illustre une première variante dans laquelle le matériau constituant les parois est identique au matériau de la membrane La figure 9 illustre une deuxième variante dans laquelle le matériau constituant les parois est identique au matériau du substrat.
20 La figure 10 illustre une variante dans laquelle les chambres du dispositif comprennent des piliers de soutien, et la sous variante pour laquelle les piliers sont répartis sur la paroi interne de la membrane flexible.
25 La figure 11 illustre cette même variante dans laquelle les chambres du dispositif comprennent des piliers de soutien, et la sous variante pour laquelle les piliers sont répartis sur le substrat.
La figure 12 illustre une chambre du dispositif selon la sous variante de la 30 figure 10 avec une membrane au repos (figure 12a) et avec une membrane activée (figure 12b).
La figure 13 illustre un mode de réalisation du dispositif selon l'invention comprenant une membrane additionnelle.
La figure 13a illustre le dispositif 35 activé, la figure 13b le dispositif au repos.
9 La figure 14 illustre un mode de réalisation du dispositif selon l'invention dans lequel les chambres comprennent une structure poreuse au fluide injecté.
5 La figure 15 illustre l'utilisation d'une couche antireflet comme structure d'adaptation d'indice entre le substrat et le liquide et une couche antireflet d'adaptation d'indice entre la membrane et le milieu extérieur.
La figure 16 illustre l'utilisation comme structure d'adaptation d'indice d'une 10 couche de matériau souple structurée déposée/collée sur le substrat de support réalisant un gradient d'indice entre l'indice du substrat et celui du liquide.
La figure 17 illustre un système optique destiné à opérer une modification 15 d'une phase d'un front d'onde d'une onde lumineuse selon un autre aspect de l'invention.
La figure 18 illustre un autre mode de réalisation du système selon l'invention dans lequel les déphasages sont calculés directement par l'unité de 20 traitement.
La figure 19 illustre un autre mode de réalisation du système selon l'invention dans lequel les déphasages sont calculés par l'unité de traitement à partir d'une mesure en temps réel du front d'onde à corriger réalisée par un 25 analyseur de front d'onde.
Par souci de clarté les mêmes éléments porteront les mêmes repères dans les différentes figures.
30 DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION Un aspect de l'invention consiste en un dispositif à base de micro-fluidique spécialement adapté pour la réalisation d'une optique « free-form » active, et 35 destiné à être intégré à un système d'optique adaptative ou d'optique active.
10 Le dispositif selon l'invention est ainsi adapté pour modifier la phase d'un front d'onde.
Les dispositifs à base de micro-fluidique connus réalisant des fonctions optiques sont des matrices de microlentilles développées dans le cadre de 5 « laboratoires sur puce », tel qu'illustrés figure 4a.
L'émergence des laboratoires sur puce depuis les années 2000 a permis le développement d'un savoir-faire sur la maitrise des écoulements fluidiques dans des canaux micrométriques d'une part et la réalisation de systèmes de canaux et de réservoirs fluidiques dans des matériaux transparents pour une 10 observation optique compatible avec les microscopes d'autre part.
Un exemple de matrices de ce type est décrit dans la publication « Tunable liquid-filled microlens array integrated with microfluidic network » de Chronis et al, OPTICS EXPRESS Vol 11, N°19, 2003, pages 2370-2378.
Ces matrices sont réalisées à partir d'un élastomère de type PDMS déposé 15 sur un substrat Sub, typiquement du verre, et structuré de manière à former des chambres 40 creusées dans le matériau élastomère 42 et fermées par une membrane 43 également en élastomère.
Les lentilles d'une ligne sont interconnectées par des canaux 41, 41' creusés dans l'élastomère 42.
Les lentilles et les canaux sont remplis de liquide, typiquement une huile dont 20 l'indice est adapté.
Une pression 44 est appliquée à l'entrée des canaux, et est transmise dans les chambres 40.
Sous l'effet de la pression, la membrane 43 se déforme de manière élastique.
La figure 4b illustre le dispositif au repos, lorsque la membrane est plane et non déformée, et la figure 4c illustre le dispositif « activé » c'est-à-dire lorsqu'une pression 25 suffisante est appliquée de manière à provoquer une déformation de la membrane.
La membrane déformée délimite la surface courbe d'une lentille constituée de liquide, qui focalise un faisceau lumineux la traversant.
Les résultats montrent que l'ordre de grandeur de la déformation obtenue sur une lentille de 200pm de diamètre est de l'ordre de la dizaine de micromètres.
30 Les microlentilles de la matrice présentent un diamètre de 200 pm pour une hauteur de 100 pm au repos, et occupent une faible partie de la surface du substrat.
La transmission mesurée de ces lentilles remplies d'huile est de 95%.
La lentille située en bord de substrat est alimentée par un canal 41 relié à 35 l'extérieur du dispositif, et les lentilles situées sur une ligne sont 11 interconnectées entre elles, le liquide circulant de l'une vers l'autre via des canaux de liaison 41' (voir traits pointillés 41' illustrant un canal de liaison situé dans un autre plan de coupe que le canal 41).
On réalise ainsi une matrice de lentilles présentant toutes une même focale que l'on peut modifier 5 en faisant varier la pression appliquée.
Cette publication démontre la faisabilité de réseaux de microlentilles présentant toutes une même focale dynamique contrôlée par la pression interne du fluide.
Ces dispositifs permettent par exemple d'observer au microscope la réponse optique dans l'épaisseur du volume situé sous la 10 lentille, pour la réalisation d'une imagerie localisée et micrométrique.
Le dispositif micro-fluidique selon l'invention utilise ce même principe d'activation d'une membrane et présente des caractéristiques spécifiques pour être adapté à la réalisation d'une optique « free-form », dans laquelle 15 toutes les cellules actives sont jointives, de manière à constituer la surface complète d'une optique.
Le dispositif micro-fluidique selon l'invention est destiné à fonctionner selon le principe illustré figure 5.
Une chambre Ch remplie de liquide Liq est 20 disposée entre un substrat transparent Sub et une membrane flexible Memb et est alimentée par un canal CA.
La chambre présente, lorsque la membrane est au repos, une épaisseur optique e0 tel qu'illustré figure 5a.
Lorsqu'une pression P suffisante est appliquée, la membrane se déforme et la chambre Ch présente alors une 25 épaisseur optique moyenne el tel qu'illustré figure 5b.
La variation de phase Mp induite sur une onde optique traversant l'ensemble est ainsi proportionnelle à la déformation e = et-e0.
La figure 5c illustre l'ensemble substrat/liquide/membrane précité en perspective et traversé par une onde lumineuse OL qui subit ainsi une variation de phase fonction de l'épaisseur 30 ep de liquide traversé.
On modifie ainsi localement la phase de l'onde OL.
Avec une déformation e d'une dizaine de microns d'amplitude on obtient des excursions de déphasage supérieures à plusieurs fois 2-rr dans le visible.
Un mode de réalisation d'un dispositif micro-fluidique 10 selon l'invention en 35 vue de dessus est illustré figure 6.
Le dispositif comprend un substrat Sub 12 sur lequel sont disposées des parois W, préférentiellement de même hauteur, délimitant une pluralité de chambres Chi jointives, et une membrane flexible Memb (non représentée sur cette figure) déposée et fixée sur les parois de manière à former des chambres fermées, les chambres étant 5 destinées à être remplies de liquide.
Le dispositif 10 comprend également au moins un canal CAi connecté à chaque chambre Chi, le canal CAi n'étant connecté qu'à une seule chambre Chi.
Un canal est destiné à activer la chambre associée par application d'une pression déterminée au liquide de la chambre, de manière à créer 10 localement une déformation élastique de la membrane Memb.
On dénomme de manière générique une chambre Ch et un canal CA.
Un indice i est utilisé lorsqu'il est nécessaire de distinguer plusieurs chambres et canaux associés.
L'aspect jointif des chambres est important car le dispositif selon l'invention a 15 vocation à s'insérer dans un système optique pour y constituer une des surfaces, et on cherche donc à minimiser l'espace entre les chambres.
Pour le mode de réalisation de la figure 6 les chambres présentent un agencement concentrique.
Cette configuration radiale du même type que 20 celle de la figure 2a a l'avantage de minimiser le nombre de cellules (chambres).
Selon un mode de réalisation non représenté la forme des cellules s'adapte localement aux aberrations d'un système optique (croissantes avec son ouverture).
Préférentiellement cet agencement comprend une chambre centrale 25 circulaire, et des chambres correspondant à un même cercle présentant une forme de secteur de cercle.
On conserve ici une symétrie axiale.
Selon un autre agencement concentrique, les chambres correspondant à un même cercle ou couronne présentent une forme de polygones (voir figure 2b).
30 Ce type d'agencement concentrique est adapté à la décomposition d'une loi de phase avec les polynômes de Zernicke.
La figure 7 illustre un autre mode de réalisation d'un dispositif micro-fluidique 10 selon l'invention en vue de dessus, avec des chambres présentant un 35 agencement matriciel.
13 Dans le dispositif micro-fluidique 10 selon l'invention chaque chambre est destinée à correspondre à une zone d'une optique adaptative.
On voit qu'ici, contrairement au dispositif de Chronis et al, le canal CAi 5 connecté à la chambre correspondante Chi n'est connecté qu'à une seule chambre Chi et à aucune autre.
Les différentes chambres sont donc susceptibles d'être activées indépendamment.
Le substrat Sub est typiquement du verre ou tout autre matériau transparent 10 à la longueur d'onde d'intérêt (IR, visible ou UV).
Selon un mode de réalisation le substrat est plan, selon un autre mode de réalisation le substrat n'est pas plan, typiquement courbe, ce qui évite d'avoir à gérer les aberrations introduites par les surfaces planes.
15 La membrane est typiquement constituée d'un matériau élastomère, par exemple du COC ou du PDMS.
Ce dernier présente un grand nombre d'avantages: - Il est peu cher, - il est liquide avant sa réticulation et peut donc être déposé par 20 enduction centrifuge ou en couches minces d'épaisseurs maitrisées, - il est possible de répliquer n'importe quel moule rigide dans la couche de PDMS, avantage de coût pour les applications biologiques qui ont tiré son utilisation - la réticulation s'effectue à basse température (70°C), 25 - il est flexible même après réticulation, il est compatible avec des applications dans le visible et dans l'UV (utilisation en imagerie de microscopie par fluorescence), son indice de réfraction est de 1,5 (proche de celui de la plupart des huiles) 30 - il peut être collé sur des substrats de support en verre Préférentiellement les chambres et les canaux sont remplis d'un fluide Liq, le fluide pouvant être un liquide, un gaz ou un gel.
Le fluide est choisi préférentiellement de façon à avoir un indice optique adapté avec celui du 35 substrat pour limiter les phénomènes d'interface (diffusion et pertes de 14 Fresnel).
Typiquement cela est possible en diluant des huiles d'indice optique différent.
Selon un mode de réalisation qui simplifie la réalisation du dispositif 10, le 5 canal CAi associé à une chambre Chi est unique.
Dans ce cas l'entrée et la sortie du fluide lors des variations de pression s'effectue via ce canal, il n'y pas de circulation du fluide qui entrerait par un canal et sortirait par un autre.
Pour la réalisation d'une optique adaptative ou « free form » les chambres 10 présentent préférentiellement une dimension latérale adaptée, et très supérieure à la hauteur e0 (typiquement une centaine de pm).
Pour une pupille de dimension centimétrique (quelques centimètres à une dizaine de centimètres de diamètre), les dimensions typiques des chambres/cellules sont de l'ordre de quelques mm2 à quelques cm2.
Les 15 tailles des canaux CA sont typiquement micrométriques, de même que les parois W.
Typiquement le ratio entre une dimension latérale et une hauteur d'une chambre, ou de toutes les chambres, est supérieur à 5, préférentiellement supérieur à 10.
20 L'épaisseur des couches de matériaux est de quelques millimètres ou inférieure en fonction de l'excursion de la membrane, de sa rigidité ou de la taille de la cellule, cette grandeur ne constituant pas une contrainte pour l'application optique adaptative.
25 Préférentiellement le taux d'occupation des chambres sur la surface substrat est supérieur à 85%, c'est-à-dire que les parois W occupent une faible partie de la surface du substrat.
En effet, contrairement au dispositif de Chronis et al qui réalise une matrice 30 de microlentilles dans lequel les lentilles sont éloignées les unes des autres et de petites dimensions, les chambres du dispositif 10 sont jointives, aussi proches les unes des autres que la technologie de fabrication le permet, de manière à constituer l'une des surfaces d'un système optique.
En outre l'efficacité globale de l'optique est d'autant plus importante que les 35 dimensions des parois sont négligeables par rapport aux zones déformables.
15 Les figures 8 et 9 illustrent une vue de profil du dispositif 10 selon l'invention selon la coupe AA de la figure 6 selon respectivement une première et une deuxième variante.
On voit les trois chambres Ch1 , Ch2 et Ch3 ainsi que les 5 canaux CA2 de Ch2 et CA3 de Ch3, le canal CA1 de Ch1 n'étant pas visible car situé dans un autre plan de coupe.
Dans la première variante illustrée figure 8 le matériau constituant les parois W est identique au matériau de la membrane Memb, et les canaux sont alors préférentiellement disposés dans une partie inférieure des parois en contact 10 avec le substrat Sub, c'est-à-dire entre les parois et le substrat.
La fabrication d'un dispositif selon cette variante s'opère en structurant le matériau destiné à réaliser la membrane et les parois.
Dans la deuxième variante illustrée figure 9 le matériau constituant les parois 15 W est identique au matériau du substrat Sub, et les canaux sont alors préférentiellement disposés dans une partie supérieure des parois, préférentiellement entre les parois et la membrane.
La fabrication d'un dispositif selon cette variante s'opère en structurant le substrat.
Dans cette configuration, il suffit alors de déposer et de fixer une membrane 20 plane continue pour obtenir le résultat voulu, ce qui facilite la production de grande série de dispositifs.
De plus, la fiabilité des dispositifs liée au vieillissement des parois est améliorée car le substrat est plus rigide (supporte mieux les cycles de pressions/décompression).
Enfin, il est possible avec cette configuration de diminuer l'épaisseur des parois et donc 25 d'augmenter la surface active de l'optique.
Les chambres à réaliser nécessitent des surfaces relativement importantes en regard des applications micro-fluidique, typiquement présentant des dimensions de quelques millimètres au centimètre alors que leur épaisseur 30 est millimétrique voir submillimétrique.
Compte tenu de la souplesse du matériau constituant la membrane, il est possible qu'avec une structure basée sur des points d'ancrage 82 placés seulement sur les parois aux extrémités de la membrane d'une chambre, la membrane s'affaisse au centre en l'absence de pression suffisante dans le fluide.
Pour éviter 35 l'affaissement de la membrane à faible pression ou de devoir maintenir une 16 pression constante dans la cellule en absence d'activation pour garantir la position de la membrane à faible pression, selon une variante illustrée figures 10 et 11 les chambres du dispositif 10 comprennent des piliers de soutien.
5 Dans une première sous variante illustrée figure 10 correspondant au plan de coupe AA de la figure 8, la membrane flexible Memb comprend en outre une pluralité de piliers 80 répartis sur la paroi interne 81 de la membrane et configurés de sorte qu'ils soient en appui sur le substrat Sub ou très proches de celui-ci lorsque la membrane est au repos.
Préférentiellement leur hauteur 10 est calculée pour affleurer/être très proche du substrat au repos.
Cette solution permet d'avoir un état au repos stable et connu par construction qui permet d'éviter un maintien constant d'une pression active (moins de circuit actif).
15 Dans une deuxième sous variante illustrée figure 11 c'est le substrat Sub qui comprend une pluralité de piliers 90 configurés de sorte qu'ils soient en appui sur la paroi interne de la membrane flexible ou très proches de celle-ci lorsqu'elle est au repos.
Préférentiellement leur hauteur est calculée pour affleurer/être très proche de la membrane au repos.
20 La figure 12 illustre une chambre Ch du dispositif selon la sous variante de la figure 10, avec une membrane au repos (figure 12a) et avec une membrane activée (figure 12b).
Lors de l'activation, les piliers, non fixés, se soulèvent avec la déformation de la membrane.
25 Ces deux sous variantes peuvent être combinées soit à la première soit à la deuxième variante relative à la nature du matériau constituant les parois.
Préférentiellement les piliers et les parois sont réalisés dans le même 30 matériau comme illustré figure 10 et 11.
Pour un bon fonctionnement de la membrane en tant que surface optique du système dans lequel elle est insérée, on cherche à obtenir une déformation aussi continue que possible de la membrane Memb et à éviter/minimiser les 35 hautes fréquences induites aux interfaces des différentes cavités.
17 Pour cela selon un premier mode de réalisation illustré figure 13 le dispositif selon l'invention comprend une membrane additionnelle 13 disposée pardessus la membrane flexible.
La membrane 13 est continue et fixée à la 5 périphérie du dispositif, qu'elle recouvre entièrement.
Son rôle est de lisser les variations de courbure présentes aux interfaces entre les chambres lors de l'application des pressions.
La figure 13a illustre le dispositif activé, la figure 13b le dispositif au repos.
La membrane additionnelle 13 est également flexible mais préférentiellement sa rigidité mécanique est 10 supérieure à celle de la membrane Memb.
Ces deux membranes sont indépendantes l'une de l'autre et séparées par un espace constituant une cavité fine non commandée, préférentiellement remplie du même fluide que celui injecté dans les chambres.
Lorsque le dispositif est au repos une fine couche de fluide 14 est localisée entre les deux membranes, chacune étant 15 au repos.
Lorsque le dispositif est activé, chaque chambre pousse la membrane flexible Memb qui est alors au contact de la membrane additionnelle.
Le fluide chassé de cette zone de contact va aller dans les zones de transitions entre les chambres, typiquement les zones dans lesquelles se situent les parois de support mécanique.
20 Dans un deuxième mode de réalisation illustré figure 14 les chambres du dispositif comprennent une structure 14 configurée pour être poreuse au fluide injecté.
Cette structure est par exemple obtenue par réticulation inhomogène d'un polymère.
L'obtention d'un tel état de matériau est 25 typiquement obtenue en jouant sur les conditions de réticulation du matériau choisi pour réaliser les membranes flexibles des chambres.
La concentration de réticulant détermine la densité du matériau et par conséquent la porosité du matériau réticulé obtenu.
30 Les modes des figures 13 et 14 ne sont pas exclusifs l'un de l'autre et peuvent être combinés.
Un problème de diffusion ou d'image parasite de la lumière dans la chambre se présente dès lors que les indices optiques du fluide et du matériau souple 35 sont différents de celui du substrat de support.
Pour résoudre ce problème, 18 selon un mode de réalisation le dispositif selon l'invention comprend une structure d'adaptation d'indice déposée sur le substrat et/ou une couche antireflet AR2 déposée sur une paroi extérieure de la membrane.
La figure 15 illustre un dispositif selon l'invention comprenant une première 5 couche antireflet AR1 comme structure d'adaptation d'indice entre le substrat et le fluide et une deuxième couche antireflet AR2 sur la membrane.
La figure 16 illustre l'utilisation d'une couche de matériau souple structurée SL comme structure d'adaptation d'indice, déposée/collée sur le substrat de support Sub et réalisant un gradient d'indice entre l'indice du substrat et celui 10 du fluide.
Selon un mode de réalisation, le dispositif selon l'invention est conçu pour fonctionner en réflexion.
Pour cela, on couvre le substrat d'une couche réfléchissante (par exemple dépôt d'une fine couche métallique).
15 Selon un autre aspect l'invention concerne un système optique 15 destiné à opérer une modification d'une phase d'un front d'onde d'une onde lumineuse OL présentant au moins une longueur d'onde X illustré figure 17.
20 On entend par onde lumineuse une onde présentant une longueur d'onde ou une bande spectrale comprise entre l'infrarouge lointain et l'ultraviolet.
Le système 15 comprend au moins un dispositif micro-fluidique 10 rempli de fluide selon l'invention, le fluide Liq étant transparent à la longueur d'onde X.
Le système 15 comprend également un dispositif ID d'injection du fluide dans 25 chaque canal CAi connecté à une chambre Chi.
Le dispositif d'injection est configuré pour appliquer les pressions Pi aux chambres Chi via les canaux associés CAi.
Les chambres Chi étant activées indépendamment les unes des autres, chaque pression Pi est spécifique à la chambre activée correspondante.
Les pressions Pi et donc les déformations locales ei de la 30 membrane sont déterminées de manière à appliquer des déphasages prédéterminés Api à l'onde OL.
On utilise ainsi le dispositif fluidique tel que décrit précédemment pour une application d'optique adaptative ou d'optique active fonctionnant en transmission.
On modifie ou contrôle le front d'onde incident suivant une 19 répartition spatiale souhaitée qui se calcule à partir de la réponse individuelle de chaque chambre et de la pression qu'on lui applique.
Les avantages de ce système sont multiples : 5 - Fonctionnement en transmission, qui permet une augmentation de la compacité et la simplification du système optique global.
Transmission de l'optique totale sur toute son ouverture proche de 1, aucun problème de zones d'ombre ou de diffraction dû à l'implantation de systèmes de commande intégrés. 10 - Excursion en déphasage supérieure à 2rr (déformations de la membrane générant une variation d'épaisseur ei de l'ordre de la dizaine de Pm).
Utilisation des technologies de la micro-fluidique pour la réalisation et l'actionnement des chambres optiquement actives, peu couteuses, 15 versatiles, compatibles grandes surfaces et substrat flexible.
Possibilité de réaliser une optique adaptative d'un diamètre d'ouverture suffisamment large pour permettre son couplage avec une lentille à forte ouverture ou pour placer ce système 15 de façon libre dans une combinaison optique. 20 - Robustesse aux vibrations mécaniques élevées.
Capacité à traiter une lumière non polarisée.
Temps de réponse compatible basse fréquence (Hz-kHz).
Pas de diffusion.
Réponse isotrope et constante dans la bande spectrale du visible.
25 A noter qu'un système fonctionnant en réflexion peut aisément être réalisé avec un dispositif 10 adapté, pour des applications telles que les spectroimageurs ou les télescopes.
30 Selon un mode préféré le système optique comprend également une unité de traitement UT reliée au dispositif d'injection ID et configurée pour déterminer les pressions Pi à appliquer, à partir des déphasages prédéterminés MO.
Selon un mode de réalisation les déphasages Mpi(X) sont calculés 35 indépendamment et chargés dans l'unité de traitement.
20 Selon un autre mode de réalisation les déphasages AOi(X) sont calculés directement par l'unité de traitement tel qu'illustré figure 18.
Le front d'onde incident 30 est traité par le système 15 qui lui applique les déphasages 5 locaux mpi(x), le transformant ainsi en un front d'onde 31.
Cette configuration correspond typiquement à une application de type codage actif de pupille, pour réaliser une fonction zoom par exemple.
Ce type d'application est par exemple décrit dans le document FR1102210.
Une calibration initiale de la réponse mécanique des chambres à la pression 10 est préférentiellement réalisée, afin de connaitre les relations Pile de chacune.
On peut ainsi connaître directement la cartographie de pression à appliquer sur chaque chambre en connaissant la cartographie de phase.
Selon un autre mode de réalisation illustré figure 19 les déphasages tcpi(x) 15 sont calculés par l'unité de traitement à partir d'une mesure en temps réel du front d'onde à corriger réalisée par un analyseur de front d'onde 5.
Selon un mode de réalisation illustré figure 17 le dispositif d'injection ID comprend au moins une pompe Pump et une pluralité de micro-vannes pVi 20 reliées à la pompe et aux canaux CAi et configurées pour appliquer les pressions Pi aux canaux.
Selon un autre mode de réalisation le dispositif d'injection comprend autant de micro-pompes que de canaux à alimenter.
Ce mode est compatible d'un système 15 présentant un nombre de chambres peu élevé, par exemple 21 25 chambres (voir agencement de la figure 2a).
Selon une variante le système 15 est couplé à un système mécanique afin d'augmenter l'amplitude de phase ou afin de combiner une modification de la phase et une rotation du composant (par exemple pour une application de 30 modulation de faisceau optique).
Selon un dernier aspect l'invention concerne un procédé de modification d'une phase d'un front d'onde d'une onde lumineuse présentant au moins une longueur d'onde X et comprenant les étapes consistant à : 21 -déterminer une pluralité de déphasages locaux Api à appliquer au front d'onde, -injecter un fluide Liq dans une pluralité de chambres fermées Chi via des canaux CAi connectés aux chambres CHi, les chambres étant délimitées par 5 des parois W déposées un substrat Sub et une membrane flexible Memb déposée et fixée sur les parois, un canal CAi étant connecté à une seule chambre Chi.
L'injection dans une chambre Chi s'opère par application d'une pression déterminée Pi au fluide de la chambre, de manière à créer localement une 10 déformation élastique ei de la membrane Memb.
Les pressions P appliquées aux chambres Chi via les canaux associés CAi et donc les déformations locales ei de la membrane sont déterminées de manière appliquer à l'onde lumineuse OL les déphasages Api déterminés à l'étape précédente.
15 Selon un mode de réalisation les déphasages locaux sont déterminés à partir d'une mesure du front d'onde à corriger, de manière à opérer une correction dudit front d'onde.
Claims (15)
- REVENDICATIONS1. Dispositif micro-fluidique (10) comprenant : -un substrat (Sub) sur lequel sont disposées des parois (W) délimitant une pluralité de chambres (Chi) jointives, -une membrane flexible (Memb) déposée et fixée sur les parois de manière à former des chambres fermées, les chambres étant destinées à être remplies to de fluide, -au moins un canal (CAi) connecté à chaque chambre, ledit canal n'étant connecté qu'à une seule chambre, un canal étant destiné à activer la chambre associée par application d'une pression déterminée au fluide de ladite chambre, de manière à créer localement une déformation élastique de 15 ladite membrane.
- 2. Dispositif selon la revendication précédente dans lequel les chambres et les canaux sont remplis de fluide (Liq). 20
- 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2 dans lequel ledit canal associé à une chambre est unique.
- 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes dans lequel un matériau constituant les parois est identique au matériau du substrat et les 25 canaux sont disposés dans une partie supérieure desdites parois.
- 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel un matériau constituant les parois est identique au matériau de la membrane et les canaux sont disposés dans une partie inférieure desdites parois en contact 30 avec le substrat.
- 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes dans lequel la membrane flexible comprend en outre une pluralité de piliers (80) répartis sur une paroi interne de la membrane et configurés de sorte qu'ils soient en 35 appui sur le substrat ou très proches de celui-ci lorsque ladite membrane est au repos. 23
- 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5 dans lequel le substrat comprend en outre une pluralité de piliers (90) configurés de sorte qu'ils soient en appui sur la membrane flexible ou très proches de celle-ci 5 lorsqu'elle est au repos.
- 8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes comprenant une membrane additionnelle (13) disposée au-dessus de la membrane flexible.
- 9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes dans lequel les chambres du dispositif comprennent une structure (14) configurée pour être poreuse au fluide susceptible d'être injecté.
- 10. Dispositif selon l'une des revendications précédentes comprenant en 15 outre une structure d'adaptation d'indice (AR1, SL) déposée sur le substrat et/ou une couche antireflet (AR2) déposée sur une paroi extérieure de la membrane.
- 11. Dispositif selon l'une des revendications précédentes comprenant en 20 outre une couche réfléchissante déposée sur le substrat, de manière à ce que ledit dispositif fonctionne en réflexion.
- 12. Système optique (15) destiné à opérer une modification d'une phase d'un 25 front d'onde d'une onde lumineuse (OL) présentant au moins une longueur d'onde (X) et comprenant : -au moins un dispositif micro-fluidique (10) selon l'une des revendications 2 à 11, ledit fluide (Liq) étant transparent à ladite longueur d'onde, -un dispositif d'injection (ID) dudit fluide dans chaque canal connecté à une 30 chambre, configure pour appliquer lesdites pressions (Pi) auxdites chambres (Chi) via lesdits canaux associés (CAi), lesdites pressions et donc lesdites déformations locales (ei) de la membrane étant déterminées de manière à appliquer des déphasages prédéterminés (Mpi) à la dite onde. 24
- 13. Système optique selon la revendication précédente comprenant en outre une unité de traitement (UT) reliée au dispositif d'injection (ID) et configurée pour déterminer lesdites pressions (Pi) à appliquer à partir desdits déphasages prédéterminés (A(pi). 5
- 14. Système optique selon l'une des revendications 12 ou 13 dans lequel le dispositif d'injection (ID) comprend au moins une pompe (Pump) et une pluralité de micro-vannes (pVi) reliées à ladite pompe et auxdits canaux et configurées pour appliquer lesdites pressions aux dits canaux. 10
- 15. Procédé de modification d'une phase d'un front d'onde d'une onde lumineuse présentant au moins une longueur d'onde (I) et comprenant les étapes consistant à : -déterminer une pluralité de déphasages locaux (Api) à appliquer audit front 15 d'onde, -injecter un fluide (Liq) dans une pluralité de chambres fermées (Chi) via des canaux (CAi) connectés auxdites chambres, les chambres étant délimitées par des parois (W) déposées sur un substrat (Sub) et une membrane flexible (Memb) déposée et fixée sur lesdites parois, un canal étant connecté à une 20 seule chambre, ladite injection dans une chambre s'opérant par application d'une pression déterminée (Pi) au fluide de la chambre, de manière à créer localement une déformation élastique (ei) de ladite membrane, les pressions (Pi) appliquées auxdites chambres (Chi) via lesdits canaux 25 associés (CAi) et donc les déformations locales (ei) de la membrane étant déterminées de manière à appliquer à la dite onde lumineuse (OL) les déphasages déterminés (Api) à l'étape précédente. 30
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- 2019-10-17 EP EP19786983.7A patent/EP3867688A1/fr active Pending
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| ALIREZA OUSATI ASHTIANI ET AL: "A Liquid Optical Phase Shifter With an Embedded Electrowetting Actuator", JOURNAL OF MICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS., vol. 26, no. 2, 23 January 2017 (2017-01-23), US, pages 305 - 307, XP055472476, ISSN: 1057-7157, DOI: 10.1109/JMEMS.2017.2650406 * |
| CHRONIS ET AL.: "Tunable liquid-filled microlens array integrated with microfluidic network", OPTICS EXPRESS, vol. 11, no. 19, 2003, pages 2370 - 2378, XP007918422 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| WO2020079169A1 (fr) | 2020-04-23 |
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