WO2001050158A1 - Microsysteme optique solide a face plane et procede de realisation d'un tel microsysteme - Google Patents

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WO2001050158A1
WO2001050158A1 PCT/FR2000/003742 FR0003742W WO0150158A1 WO 2001050158 A1 WO2001050158 A1 WO 2001050158A1 FR 0003742 W FR0003742 W FR 0003742W WO 0150158 A1 WO0150158 A1 WO 0150158A1
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optical
layer
substrate
optical material
microlens
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PCT/FR2000/003742
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English (en)
Inventor
Marc Rabarot
Original Assignee
Commissariat A L'energie Atomique
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/02—Simple or compound lenses with non-spherical faces
    • G02B3/04—Simple or compound lenses with non-spherical faces with continuous faces that are rotationally symmetrical but deviate from a true sphere, e.g. so called "aspheric" lenses
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29D—PRODUCING PARTICULAR ARTICLES FROM PLASTICS OR FROM SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE
    • B29D11/00—Producing optical elements, e.g. lenses or prisms
    • B29D11/00009—Production of simple or compound lenses
    • B29D11/00365—Production of microlenses
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/0006—Arrays
    • G02B3/0012—Arrays characterised by the manufacturing method
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/0087—Simple or compound lenses with index gradient

Definitions

  • the present invention relates to a solid optical microsystem with a flat face and to a method for producing such a microsystem.
  • solid optical microsystem is understood to mean an assembly made up of at least two different optical materials which define one or more diopters suitable for refraction of light rays.
  • the invention finds applications in the manufacture of micro-optical components, such as lenses, lens arrays, micro-objectives or laser cavities, for example.
  • Such components are used in particular in the fields of communications, microtechnologies, or biotechnologies.
  • a first technique illustrated by documents (1) and (2) is designated by technique of replication by stamping.
  • This technique uses a stamping die having a determined shape.
  • the matrix is used to print a complementary shape in an optical material such as a fusible glass, a polymer or a photosensitive resin.
  • the replica of the shape of the matrix has a surface quality comparable to that of the matrix.
  • this technique can only be used for plastic optical materials.
  • a second microlens manufacturing technique, illustrated by document (3) is designated by variable density mask lithography technique.
  • Documents (4), (5) and (6) illustrate a third technique for manufacturing microlenses known as the .beam scanning technique.
  • a sensitive resin is subjected to a laser beam or to an electron beam before developing it.
  • the resin is swept by the beam and the shape of the lens finally obtained is dictated by modulating the beam intensity or the scanning speed.
  • a fourth known technique for manufacturing microlenses is illustrated by document (7). It is a reactive ion etching technique.
  • the optical material selected for producing the lens is directly subjected to etching by means of a reactive plasma through a mask.
  • the dimensions of the mask and the parameters of the etching are adjusted to give the material the desired shape.
  • this process remains limited to a limited range of materials capable of being etched by reactive plasma.
  • Document (8) describes a fifth lens manufacturing technique, called shape transfer.
  • a block of resin, formed on a substrate of optical material is subjected to a thermal creep to give it a convex shape.
  • This shape is then transferred to the underlying optical material by means of simultaneous anisotropic etching of the substrate and the resin.
  • the shape of the relief formed in the substrate is determined by the shape given to the resin and by the selectivity of etching between the resin and the optical material.
  • a first method described in document (9) consists in producing components with an index gradient. These are obtained by an exchange of alkaline ions between a glassy optical material and a bath of silver salts for example. This produces lenses called "GRIN" lenses (Graded Index in English) whose focal lengths can be adjusted. The focal distances can only be adjusted, however, within a compatibility limit between the ion exchange baths and the optical materials used. The lenses obtained generally have a focal length of less than one millimeter.
  • a second method making it possible to adapt and increase the focal length of the lenses, consists in immersing and maintaining the lenses in a liquid medium of determined index. This method is illustrated by document (10) for example.
  • the liquid medium is retained by capillarity between the lens and a glass superstrate located a short distance from the lens.
  • This construction allows the focal length to be adjusted within a wide range of values.
  • the presence of liquid in the final structure does not allow its integration into a compact microsystem.
  • the structure is likely to be destructively affected by variations in temperature or humidity.
  • a third method for adapting the focal length of the lenses is illustrated by document (11). This differs from the method described above in that the adaptation liquid of fixed index is replaced by a liquid crystal whose refractive index can be controlled by an electrostatic field. This field is applied to the liquid crystal by means of electrodes which are transparent for the light having to pass through the lens.
  • Optical structures including a lens and a liquid crystal film however suffer from the same limitations as the structures described above and, in particular, prove to be poorly suited for integration into a compact system.
  • a fourth method also allowing an "active" adaptation of the focal distance is illustrated by document (12). This method consists essentially of deforming a transparent membrane to modify its focal distance.
  • a fluid of known index contained in a chamber locally delimited by the transparent membrane, makes it possible to deform the latter by varying it. his pressure.
  • the glass membrane with a thickness of 50 ⁇ m, defines a lens with a diameter of 10 mm whose focal distance could vary up to values of several meters.
  • the association of a lens with a "microfluidic" system however constitutes a constraint which is not compatible with the integration requirements imposed for certain applications.
  • the object of the present invention is to propose an optical microsystem and its manufacturing method which does not have the limitations of the lens manufacturing techniques or of the focal distance adaptation methods presented above.
  • One goal is in particular to propose such a microsystem which is compact, capable of strong integration, which is durable and insensitive to 'external conditions of use.
  • This type of component can be active or passive.
  • An object is also to propose a manufacturing method making it possible to obtain optical systems with a greater focal distance than that of the lenses obtained by known manufacturing techniques.
  • the invention more specifically relates to a method of manufacturing an optical microsystem comprising the following successive steps: a) shaping an optical substrate into a first optical material to practice at least a microlens having a relief, b) the formation of a cap for covering the microlens, including at least one second optical material, different from the first material optical, and having a surface layer with a thickness greater than the relief of the microlens, c) the planarization of the surface layer.
  • optical material is understood to mean a material which is substantially transparent to light and in particular to the wavelength of the working light provided for the microsystem.
  • Step a) of the method comprises the formation of one or more lenses. It includes, for example, the formation of an array of lenses.
  • the lens or lenses formed in step a) have a relief which is characterized by a height h measured at the apex of the lenses. This height thus corresponds to the "thickness" of the lens along its optical axis.
  • optical substrate designates the material in which the microlens is formed. It should however be specified that step a) of the method can be preceded by the formation of a layer of optical material on a support substrate, distinct from the optical substrate. In this case, the layer of optical material constitutes the optical substrate.
  • the microlens is formed directly in the optical substrate. This operation can take place by implementing, depending on the material of the optical substrate, for example one of the following methods:
  • the shaping of the optical substrate during step a) may include:
  • the flowable material can be, for example, a resin or a fusible material such as a metal alloy with a low melting point.
  • etching preferably anisotropic, of the substrate and the boss
  • parts of the substrate covered with a greater or lesser thickness of the boss material are more or less rapidly started by the etching.
  • the general shape of the boss is transferred into the underlying optical substrate.
  • the shape of the relief inally imparted to the optical substrate, although dictated by that of the boss, is largely influenced by the etching parameters, and in particular by the selectivity of the etching of the optical material with respect to the material of the boss.
  • the initial shaping of the boss can take place by thermal creep.
  • the quantity of the boss material and the diameter of the boss as well as on the heat treatment conditions used (temperature, duration), it is possible to obtain a boss with a convex or concave shape, substantially spherical.
  • the relief imparted to the optical substrate is also substantially spherical and homothetic to that of the boss.
  • the etching parameters are modified during this step, it is possible to give the substrate an aspherical relief.
  • the aspects of the etching of the substrate will be described in more detail in the following text with reference to the figures.
  • Step b) of the method of the invention consists in forming a cap for covering the substrate.
  • the function of this cap is to constitute with the optical substrate and in particular with the part of the substrate constituting the microlens a diopter.
  • the cap can be made of a single layer of optical material. This must then be made of an optical material different from that of the optical substrate and must have a thickness greater than the height h of its relief.
  • the single layer in this case constitutes the surface layer within the meaning of the invention.
  • the cap may also have a multilayer structure.
  • it may include a first layer of a second optical material different from the first optical material used for the optical substrate, and one or more additional layers, at least one of which, constituting the surface layer, has a thickness greater than the height of the relief.
  • This surface layer may be made of an optical material identical to the first or second optical material, or else of a material different from these.
  • the method may comprise, before the deposition of a second layer of optical material, the shaping of a first layer, deposited previously.
  • the shaping of the first layer may, as mentioned above, include:
  • Step c) is an essential step of the method of the invention during which the free surface of the so-called surface layer is made plane.
  • the free surface is made plane and parallel to the main faces of the optical substrate.
  • the flattening of the surface layer makes it possible to give the cap its function of adjusting the focal distance of the microlens produced in the optical substrate.
  • the flattening of this layer does not expose an underlying layer and therefore makes it possible to maintain homogeneous optical properties.
  • the method can be implemented iteratively.
  • the series of steps a), b) and c) is successively repeated using, from the first iteration respectively, the surface layer of a previous series as substrate of a following series.
  • the invention also relates to an optical microsystem comprising:
  • At least one substrate made of a first optical material having at least one face with a microlens relief
  • the covering cap may comprise a layer in contact with the microlens, of the second optical material, and a surface layer having a substantially planar free face.
  • FIG. 1 is a schematic section of an optical microsystem according to the invention.
  • FIG. 2A to 6A are schematic sectional representations of successive steps of a process for manufacturing a microsystem including a convex lens, according to the invention.
  • FIGS. 2B to 6B are schematic sectional representations of successive steps of a process for manufacturing a microsystem including a concave lens, according to the invention.
  • FIG. 7 to 10 are schematic sectional representations of the stages of manufacturing a microsystem according to a particular implementation of the method of the invention.
  • FIGS. 11 to 18 are schematic sectional representations of the stages of manufacturing a microsystem according to a particular implementation of the method of the invention, constituting a variant compared to the method illustrated by FIGS. 7 to 10. Detailed description of methods of implementing the invention
  • FIG. 1 shows a microsystem comprising an optical substrate 100 made of a first optical material of index ni which has been shaped to define a plano-convex lens 110.
  • the entire optical substrate constitutes the lens. This has a height denoted h.
  • the plano-convex lens 110 is in contact by a planar face with a support substrate 101 " with which it forms a plane diopter.
  • the support substrate 101 is made of an optical material having a refractive index n 3 .
  • the lens 110 also has a convex spherical face, with a radius of curvature Rc, opposite the planar face.
  • a covering cap 120 is constituted by a single layer 122 of optical material. This one conformally covers the convex face of the lens 110 and the support substrate 101.
  • a layer is considered to cover a relief in accordance with its shape.
  • the layer of optical material 122 of the covering cap has a refractive index n 2 different from the refractive index or from the lens.
  • the layer of optical material 122 constitutes a surface layer of the covering cap and has a flat free surface 124.
  • This surface is parallel to the main faces of the support substrate and therefore to the flat face of the lens 110.
  • the flat free surface 124 forms with the surrounding medium, for example air, another diopter.
  • Arrows indicate, by way of illustration, the possible paths of rays of light entering the system under normal incidence through the support substrate, and passing through the lens.
  • the covering cap can play the role of a focal adaptation means in the microsystem, and in particular a means of increasing the focal distance.
  • the focal distance f 0 of the lens 110 would be, for "thin" lenses (R c "fo):
  • the focal distance f of the microsystem becomes:
  • FIGS. 2A to 6A illustrate steps for producing a microsystem as indicated above.
  • the microsystem whose manufacture is described below does not use a support substrate.
  • the support function is provided directly by the optical substrate.
  • FIG. 2A shows an optical substrate 100 of parallelepiped shape with flat and parallel main faces.
  • a boss of flowable material 102a of convex plane shape has been formed.
  • resin will be used as an example, as a flowable material.
  • the formation of the boss firstly comprises depositing on the substrate 100 a layer of resin (not shown) in a material capable of creeping under the action of an appropriate heat treatment. This layer is etched to leave only a part of it above a region of the substrate in which the lens is to be formed. Finally, a heat treatment is carried out under conditions of temperature and duration sufficient to cause the resin to evolve into a convex shape, of the convex plane type, as shown.
  • the optical substrate provided with the resin boss 102a, is subjected to a reactive anisotropic etching which is preferably continued until complete disappearance of the resin boss.
  • the shape of the resin boss is transferred to the optical substrate, as shown in FIG. 3A.
  • the relief of the substrate thus obtained constitutes a microlens 110a. If the etching is stopped before complete disappearance of the resin boss, a residue of resin can be dissolved, thus revealing an area forming a flat.
  • FIG. 4A shows the deposition, preferably conforming, of a layer of optical material 122 on the optical substrate. This completely covers the lens 110a.
  • the optical layer 122 has a refractive index different from that of the optical material of the substrate 100 and here constitutes a covering cap 120.
  • the deposition of the optical layer 122 can take place according to various techniques known per se. Mention may be made, for example, of plasma-assisted deposits, chemical vapor phase deposits (CVD, PVD), Sol-Gel type deposits, as well as coating with a polymer, coating with an optical adhesive or resin, etc.
  • the covering cap 120 perfectly matches the shape of the substrate 100, so that the relief of the lens 110 is reproduced on the free surface of the cap.
  • the deposition or the formation of the optical layer 122 is continued until its thickness is greater than the height h of the lens 110a.
  • the manufacturing process is completed by flattening the optical layer 122 so as to give it a free surface 124 which is flat and parallel to the main faces of the optical substrate 100.
  • the planarization can be carried out according to a known technique of grinding or polishing. It is preferably a chemical mechanical polishing.
  • FIG. 6A shows a complementary step in the process in which a new layer of optical material ⁇ 200 is formed on the covering cap 120.
  • This layer is not considered to be part of the covering cap insofar as it does not does not match the shape of the lens. It constitutes a new optical substrate, comparable to the first optical substrate 100 and can be used for the manufacture of a new lens whose optical axis can be, for example, aligned with the first lens 110a. It is thus possible to produce an optical microsystem with several lenses.
  • Figures 2B to 6B illustrate a variant of the method described with reference to Figures 2A to 6A.
  • the method relating to FIGS. 2B to 6B relates to the manufacture of an optical microsystem including a concave lens 110b.
  • the resin boss 102b has a plano-concave shape (central part of the boss). This boss is obtained substantially in the same way as the boss 102a in FIG. 2A. Special measures are however taken to obtain the concave shape.
  • a first measure which it is possible to take is to cause a crosslinking of the resin in a state where it has the desired concave relief.
  • the inventors have in fact observed that, during its creep, the resin gradually evolves towards a stable final convex shape, passing through concave intermediate shapes.
  • Crosslinking can be caused by the action of heat and allows the resin to freeze in an intermediate form.
  • the form factor of the resin is defined as the ratio of an average height of the resin boss on a contact surface of the boss with the optical substrate.
  • the inventors have observed that, during creep, the resin does not reach the final convex shape but stabilizes in a concave intermediate shape when the form factor is less than a determined value. This value depends on the type of resin and 'may be established experimentally.
  • the resin is crosslinked.
  • the entire optical substrate 100 and the resin boss 102b is then subjected to anisotropic etching.
  • the subsequent steps are illustrated in Figures 3B to 5B. Note in particular in FIG. 3B the indication of the height h of the relief of the lens 110b obtained at the end of the etching.
  • the concave shape is obtained by solidification of said material, also in an intermediate shape.
  • FIGS. 4B and 5B The deposition and flattening of a layer of optical material 122 are illustrated in FIGS. 4B and 5B.
  • FIG. 6B by analogy with FIG. 6A, shows the deposition of a new layer 200 of optical material which can serve as an optical substrate.
  • FIGS. 2A to 5A show another possibility of producing a microsystem according to the invention. Initially, the process steps illustrated in FIGS. 2A to 5A are implemented in order to obtain a structure in accordance with FIG. 5A.
  • This structure is shown in FIG. 7. It comprises an optical substrate 100 shaped to define a (convex) lens 110.
  • the substrate is covered with a covering layer 122, of optical material, designated below by “first layer of optical material ". This has a different refractive index than that of the optical substrate 100.
  • a boss 202 of plane-concave resin is formed according to the techniques described above.
  • the center of concavity of the resin boss is substantially aligned with the optical axis of the lens 110.
  • the structure thus obtained is subjected to an anisotropic etching to "transfer" the shape of the resin boss in the first layer 122 of optical material.
  • the structure of FIG. 8 is obtained. It can be observed in this figure that the first layer of optical material 122 is now presented as a biconcave lens. It can also be noted that the thickness of the first layer of optical material is sufficient so that its etching does not expose the underlying optical substrate 100.
  • FIG. 9 shows the deposition, preferably in conformity, of a second covering layer 126, of optical material, on the surface of the first layer of optical material 122.
  • the thickness of the second layer 126 of optical material is greater than the height of the relief that the surface of the first layer 122 of optical material has.
  • the second layer 126 of optical material also has a refractive index different from that of the first layer 122, so as to form a diopter therewith. This index may be the same or different from that of the optical substrate 100.
  • the second layer of optical material 126 is then planarized as shown in FIG. 10 to give it a flat and parallel free face 128. It thus constitutes, with the first layer 122 of optical material, a covering cap according to the invention.
  • the flat surface obtained can serve as a basis for continuing the manufacture of the optical microsystem. It can also simply form an exit (or entry) face of the microsystem.
  • FIG. 11 to 18 illustrate yet another possibility for implementing the invention.
  • FIG. 11 shows an optical substrate 100 shaped to give it a free face with a concave relief. It thus constitutes a first lens 110 with a concave face.
  • a first layer of optical material 122 with a thickness greater than that of the relief is arranged in a conforming manner on the optical substrate as shown in FIG. 12. This layer has a refractive index different from that of optical substrate 100.
  • FIG. 13 shows the formation on the first layer of optical material 122 of a resin layer 103 which covers it in a conforming manner.
  • the resin is shaped according to usual techniques (exposure, development) so as to leave only a part coinciding with the concave part of the optical substrate 100 and the first layer of optical material 122. This operation corresponds to the figure 14.
  • a subsequent heat treatment makes it possible to cause creep of the resin 103 to obtain, as shown in FIG. 15, a biconvex boss also identified with the reference 103.
  • the biconvex boss 13, as well as the first layer 122 of optical material are then subjected to an anisotropic etching, for example, of the RIE type (reactive ion etching).
  • the etch is continued until complete elimination of the resin layer and to elimination of the portion of the first layer of optical material 122 than the concave portion of the optical substrate (central portion in the figure).
  • RIE reactive ion etching
  • a biconvex lens housed in the hollow of the concave portion of the optical medium 100 This lens also identified with the reference 122, has an optical axis aligned with the optical axis of the lens (concave plane) formed by the optical substrate 100.
  • FIG. 17 shows the conformal deposition of a second layer of optical material 126 having an index different from that of the first layer of optical material 122. The index may possibly be identical to that of the optical substrate 100.
  • the thickness of this layer is the upper inequalities terrain it covers.
  • a final step, illustrated in FIG. 18, shows the flattening of the second layer 126 of optical material. This constitutes with the first layer 122 of optical material a covering cap 120.
  • the thickness of the optical microsystems finally produced can vary, depending on their complexity, from a few micrometers up to a hundred micrometers, for example.
  • ORMOCER's inorganic-organic polymer materials for applications in microsystems technology, M.Popall,
  • Electrode designs for tunable microlenses L.G. Commander et al., Microlens Arrays REOS Topical meeting, May 1997, pp 48-53.
  • variable focusing lens Si-Hong Ahn et al., SPIE conference on microfluidic devices and Systems, Santa Clara, Sept. 1998, vol. 3515, pp 270-277.

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Abstract

Procédé de fabrication d'un microsystème optique comprenant les étapes successives suivantes: a) la mise en forme d'un substrat optique (100) en un premier matériau optique pour y pratiquer au moins une microlentille (110) présentant un relief, b) la formation d'une calotte de recouvrement (120) de la microlentille, incluant au moins un deuxième matériau optique différent du premier matériau optique et présentant une couche superficielle (122) avec une épaisseur supérieure au relief de la microlentille, c) l'aplanissement de la couche superficielle (122, 126). Application à la fabrication de composants de micro-optique.

Description

MICROSYSTEME OPTIQUE SOLIDE A FACE PLANE ET PROCEDE DE REALISATION D'UN TEL MICROSYSTEME
Domaine technique La présente invention se rapporte à un microsystème optique solide à face plane et à un procédé de réalisation d'un tel microsystème.
On entend par microsystème optique solide un ensemble constitué d'au moins deux matériaux optiques différents qui définissent un ou plusieurs dioptres propres à la réfraction de rayons lumineux.
L'invention trouve des applications dans la fabrication de composants de micro-optique, tels que des lentilles, des réseaux de lentilles, des micro- objectifs ou des cavités laser, par exemple.
De tels composants sont utilisés notamment dans les domaines des communications, des microtechnologies, où des biotechnologies.
Etat de la technique antérieure
Le texte qui suit fait référence à un certain nombre de documents (1) à (14) dont les références détaillées sont données à la fin de la description pour des raisons de commodité. On connaît à l'heure actuelle un certain , nombre de techniques permettant la fabrication de microlentilles sphériques, cylindriques ou asphériques.
Une première technique, illustrée par les documents (1) et (2) est désignée par technique de réplication par emboutissage. Cette technique fait appel à une matrice d'emboutissage présentant une forme déterminée. La matrice est utilisée pour imprimer une forme complémentaire dans un matériau optique tel qu'un verre fusible, un polymère ou une résine photosensible. La réplique de la forme de la matrice présente une qualité de surface comparable à celle de la matrice. Cependant, cette technique ne peut être mise en oeuvre que pour des matériaux optiques plastiques. Une deuxième technique de fabrication de microlentilles, illustrée par le document (3) , est désignée par technique de lithographie à masque en densité variable.
Cette technique fait appel à un masque présentant des plages à des densités différentes (différents niveaux de gris), utilisé pour insoler une résine. Les plages de différentes densités permettent d' insoler localement la résine à des profondeurs également différentes . La technique de lithographie s'avère avantageuse car elle permet en un unique cycle d'insolation et de développement de structurer une résine avec un relief souhaité Elle fait cependant appel à des machines de lithographie en projection relativement coûteuses et complexes . Les documents (4), (5) et (6) illustrent une troisième technique de fabrication de microlentilles dite technique d'insolation par balayage de .faisceau. Selon cette technique, on soumet une résine sensible à un faisceau laser ou à un faisceau d'électrons avant de la développer. La résine est balayée par le faisceau et la forme de la lentille finalement obtenue est dictée par une modulation de l'intensité du faisceau ou de la vitesse de balayage.
Une quatrième technique connue de fabrication de microlentilles est illustrée par le document (7) . Il s'agit d'une technique de gravure ionique réactive. Le matériau optique sélectionné pour la réalisation de la lentille est directement soumis à une gravure au moyen d'un plasma réactif à travers un masque. Les dimensions du masque et les paramètres de la gravure sont ajustés pour conférer au matériau la forme souhaitée. Ce procédé reste toutefois limité à une gamme limitée de matériaux susceptibles d'être gravés par plasma réactif.
Le document (8) décrit une cinquième technique de fabrication de lentilles, dite à transfert de forme. Un pavé de résine, formé sur un substrat de matériau optique, est soumis à un fluage thermique pour lui conférer une forme convexe. Cette forme est ensuite transférée dans le matériau optique sous-jacent au moyen d'une gravure anisotrope simultanée du substrat et de la résine. La forme du relief pratiqué dans le substrat est déterminé par la forme donnée à la résine et par la sélectivité de gravure entre la résine et le matériau optique. Les différentes techniques de fabrication de microlentilles indiquées ci-dessus permettent d'obtenir des composants dont les caractéristiques optiques sont limitées à des gammes de valeurs assez restreintes.
En général, il est assez difficile, voire impossible d'obtenir des microlentilles de grande distance focale. On considère, dans le cadre des techniques décrites, qu'une grande distance focale est une distance focale excédant quelques millimètres.
Pour obtenir des composants avec une distance focale plus importante, plusieurs méthodes peuvent également être mentionnées .
Une première méthode décrite dans le document (9) consiste à réaliser des composants à gradient d'indice. Ceux-ci sont obtenus par un échange d'ions alcalins entre un matériau optique vitreux et un bain de sels d'argent par exemple. On obtient ainsi des lentilles appelées lentilles "GRIN" (Graded Index en Anglais) dont les distances focales peuvent être ajustées. Les distances focales ne peuvent être ajustées cependant que dans une limite de compatibilité entre les bains d'échange d'ions et les matériaux optiques utilisés. Les lentilles obtenues présentent, en général, une distance focale inférieure au millimètre.
Une deuxième méthode, permettant d'adapter et d'augmenter la distance focale des lentilles, consiste à immerger et maintenir les lentilles dans un milieu liquide d'indice déterminé. Cette méthode est illustrée par le document (10) par exemple. Le milieu liquide est retenu par capillarité entre la lentille et un superstrat en verre situé à faible distance de la lentille.
Cette construction permet d'ajuster la distance focale dans une large gamme de valeurs . La présence de liquide dans la structure finale ne permet pas d'envisager son intégration dans un microsystème compact. De plus, la structure est susceptible d'être affectée de façon destructive par des variations de température ou d'hygrométrie.
Une troisième méthode permettant d'adapter la distance focale des lentilles est illustrée par le document (11) . Celle-ci se distingue de la méthode décrite ci-dessus par le fait que le liquide d'adaptation d'indice fixe est remplacé par un cristal liquide dont l'indice de réfraction peut être contrôlé par un champ électrostatique. Ce champ est appliqué au cristal liquide au moyen d'électrodes qui sont transparentes pour la lumière devant traverser la lentille.
Les structures optiques incluant une lentille et une pellicule de cristal liquide souffrent cependant des mêmes limitations que les structures précédemment décrites et, en particulier, s'avèrent peu adaptées à une intégration dans un système compact.
Une quatrième méthode permettant également une adaptation "active" de la distance focale est illustrée par le document (12) . Cette méthode consiste pour l'essentiel à déformer une membrane transparente pour en modifier la distance focale.
Un fluide d'indice connu, contenu dans une chambre localement délimitée par la membrane transparente, permet de déformer celle-ci en faisant varier. sa pression.
La membrane en verre, d'une épaisseur de 50μm, définit une lentille d'un diamètre de 10 mm dont la distance focale pourrait varier jusqu'à des valeurs de plusieurs mètres. L'association d'une lentille à un système de "microfluidique" constitue cependant une contrainte qui n'est pas compatible avec les impératifs d'intégration imposés pour certaines applications .
Exposé de l'invention
La présente invention a pour but de proposer un microsystème optique et son procédé de fabrication ne présentant pas les limitations des techniques de fabrication de lentilles ou des méthodes d'adaptation de distance focale présentées ci-dessus.
Un but est en particulier de proposer un tel microsystème qui soit compact, susceptible d'une forte intégration, qui soit durable et insensible aux' conditions extérieures d'utilisation. Ce type de composant pouvant être actif ou passif.
Un but est également de proposer un procédé de fabrication permettant d'obtenir des systèmes optiques avec une distance focale plus importante que celle des lentilles obtenues par les techniques de fabrication connues .
Pour atteindre ces buts, l'invention a "plus précisément pour objet un procédé de fabrication d'un microsystème optique comprenant les étapes successives suivantes : a) la mise en forme d'un substrat optique en un premier matériau optique pour y pratiquer au moins une microlentille présentant un relief, b) la formation d'une calotte de recouvrement de la microlentille, incluant au moins un deuxième matériau optique, différent du premier matériau optique, et présentant une couche superficielle avec une épaisseur supérieure au relief de la microlentille, c) l'aplanissement de la couche superficielle. On entend par matériau optique un matériau sensiblement transparent à la lumière et en particulier à la longueur d'ondes de la lumière de travail prévue pour le microsystème.
On considère, par ailleurs, que deux matériaux optiques sont différents s'ils présentent des indices de réfraction différents, de sorte que leur association permette de former un dioptre .
L'étape a) du procédé comprend la formation d'une ou de plusieurs lentilles. Elle comprend, par exemple, la formation d'un réseau de lentilles.
La lentille ou les lentilles formées à l'étape a) présentent un relief qui est caractérisé par une hauteur h mesurée à l'apex des lentilles. Cette hauteur correspond ainsi à 1 ' "épaisseur" de la lentille selon son axe optique.
Dans la description qui suit, on désigne par substrat optique le matériau dans lequel est formée la microlentille. Il convient cependant de préciser que l'étape a) du procédé peut être précédée par la formation d'une couche de matériau optique sur un substrat de support, distinct du substrat optique. Dans ce cas, la couche de matériau optique constitue le substrat optique.
La microlentille est formée directement dans le substrat optique. Cette opération peut avoir lieu en mettant en oeuvre, selon le matériau du substrat optique, par exemple l'un des procédés suivants :
- ' le procédé de lithographie à masques "en densité variable",
- le procédé d'insolation par balayage de faisceau,
- le procédé de gravure ionique réactive,
- le procédé de réplication par emboutissage, ou tout autre procédé équivalent. Ces procédés, bien connus en soi, sont décrits dans la partie introductive de la description et sont largement illustrés par les documents (1) à (8) déjà évoqués, auxquels on peut se référer.
Selon une autre possibilité, la mise en forme du substrat optique lors de l'étape a) peut comporter :
- le dépôt et la mise en forme d'un bossage de matériau fluable, c'est-à-dire susceptible de fluage, à la surface du substrat,
- la gravure du substrat et du bossage de résine pour imprimer au substrat un relief.
Le matériau fluable peut être, par exemple, une résine ou un matériau fusible tel qu'un alliage métallique à bas point de fusion.
Lors de la gravure, préférentiellement anisotrope, du substrat et du bossage, des parties du substrat recouvertes d'une épaisseur plus ou moins importante du matériau du bossage sont plus ou moins rapidement entamées par la gravure. Ainsi, la forme générale du bossage est transférée dans le substrat optique sous-jacent. La forme du relief inalement conférée au substrat optique, bien que dictée par celle du bossage, est largement influencée par les paramètres de gravure, et notamment par la sélectivité de la gravure du matériau optique par rapport au matériau du bossage.
La mise en forme initiale du bossage peut avoir lieu par un fluage thermique. Selon la quantité du matériau du bossage et le diamètre du bossage, ainsi qu'en fonction des conditions de traitement thermique mises en oeuvre (température, durée) on peut obtenir un bossage avec une forme convexe ou concave, sensiblement spherique .
En maintenant des paramètres de gravure constants, le relief conféré au substrat optique est également sensiblement spherique et homothetique à celui du bossage.
En revanche, si les paramètres de gravure sont modifiés au cours de cette étape, il est possible de conférer au substrat un relief asphérique. Les aspects de la gravure du substrat seront décrits plus en détail dans la suite du texte en référence aux figures.
L'étape b) du procédé de l'invention consiste à former une calotte de recouvrement du substrat. La fonction de cette calotte est de constituer avec le substrat optique et en particulier avec la partie du substrat constituant la microlentille un dioptre.
La calotte peut être constituée d'une seule couche de matériau optique. Celle-ci doit alors être en un matériau optique différent de celui du substrat optique et doit présenter une épaisseur supérieure à la hauteur h de son relief. La couche unique constitue dans ce cas la couche superficielle au sens de l'invention.
La calotte peut également présenter une structure multicouche . Elle peut comporter dans ce cas une première couche en un deuxième matériau optique différent du premier matériau optique utilisé pour le substrat optique, et une ou plusieurs couches supplémentaires, dont au moins l'une, constituant la couche superficielle, présente une épaisseur supérieure à la hauteur du relief.
Cette couche superficielle peut être en un matériau optique identique au premier ou au deuxième matériau optique, ou encore en un matériau différent de ceux-ci.
Selon une particularité de mise en oeuvre de l'invention, avec une calotte à deux ou à plusieurs couches, le procédé peut comprendre, avant le dépôt d'une deuxième couche de matériau optique, la mise en forme d'une première couche, déposée préalablement.
La mise en forme de la première couche peut, de la façon évoquée précédemment, comporter :
- le dépôt et la mise en forme par fluage d'un bossage de matériau fluable à la surface de la première couche,
- la gravure de la première couche et du bossage pour imprimer à la première couche un relief.
L'étape c) est une étape essentielle du procédé de l'invention lors de laquelle la surface libre de la couche dite superficielle est rendue plane. Dans le cas où le microsystème est réalisé à partir d'un substrat optique parallélépipédique à faces planes parallèles, la surface libre est rendue plane et parallèle aux faces principales du substrat optique. L' aplanissement de la couche superficielle permet de conférer à la calotte sa fonction d'ajustage de la distance focale de la microlentille réalisée dans le substrat optique.
Comme l'épaisseur de la couche superficielle est supérieure à la hauteur du relief, 1 ' aplanissement de cette couche ne met pas à nu une couche sous-jacente et permet donc de conserver des propriétés optiques homogènes .
Pour la fabrication de systèmes optiques incluant plusieurs lentilles le procédé peut être mis en oeuvre de façon itérative. Dans ce cas, la série des étapes a) , b) et c) est successivement répétée en utilisant à partir de la première itération respectivement la couche superficielle d'une série précédente comme substrat d'une série suivante.
L'invention concerne également un microsystème optique comprenant :
- au moins un substrat en un premier matériau optique présentant au moins une face avec un relief de microlentille, et
- au moins une calotte recouvrant la microlentille et incluant au moins un deuxième matériau optique, différent du premier matériau optique, la calotte présentant une première face épousant le relief de la microlentille et une deuxième face, libre, opposée à la première face, sensiblement plane. Dans une réalisation particulière, la calotte de recouvrement peut comporter une couche en contact avec la microlentille, du deuxième matériau optique, et une couche superficielle présentant une face libre sensiblement plane.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, en référence aux figures des dessins annexés.
Cette description est donnée à titre purement illustratif et non limitatif.
Brève description des figures
- La figure 1 est une coupe schématique d'un microsystème optique conforme à l'invention. - Les figures 2A à 6A sont des représentations schématiques en coupe d'étapes successives d'un procédé de fabrication d'un microsystème incluant une lentille convexe, conforme à l'invention.
- Les figures 2B à 6B sont des représentations schématiques en coupe d'étapes successives d'un procédé de fabrication d'un microsystème incluant une lentille concave, conforme à l'invention.
- Les figures 7 à 10 sont des représentations schématiques en coupe des étapes de fabrication d'un microsystème selon une mise en oeuvre particulière du procédé de l'invention.
- Les figures 11 à 18 sont des représentations schématiques en coupe des étapes de fabrication d'un microsystème selon une mise en oeuvre particulière du procédé de l'invention, constituant une variante par rapport au procédé illustré par des figures 7 à 10. Description détaillée de modes de mise en oeuyre de 1 'invention
Dans la description qui suit, des parties identiques ou équivalentes des différentes figures sont repérées avec les mêmes références numériques.
Pour des raisons de simplification, les figures décrites ci-après, se réfèrent à des microsystèmes comportant une lentille unique ou un groupe de lentilles unique. Toutefois, on peut envisager des réalisations incluant une pluralité de lentilles ou de groupes de lentilles juxtaposés réalisées à partir d'un même substrat, par exemple sous forme de réseau de lentilles . La figure 1 montre un microsystème comprenant un substrat optique 100 en un premier matériau optique d'indice ni qui a été mis en forme pour définir une lentille plan-convexe 110. Dans cet exemple, l'ensemble du substrat optique constitue la lentille. Celle-ci présente une hauteur notée h.
La lentille plan-convexe 110 est en contact par une face plane avec un substrat de support 101 "avec lequel elle forme un dioptre plan. Le substrat de support 101 est en un matériau optique présentant un indice de réfraction n3.
La lentille 110 présente par ailleurs une face spherique convexe, avec un rayon de courbure Rc, opposée à la face plane.
Une calotte de recouvrement 120 est constituée par une couche unique 122 de matériau optique. Celle-ci recouvre de façon conforme la face convexe de la lentille 110, et le substrat de support 101.
On considère qu'une couche recouvre de façon conforme un relief lorsqu'elle épouse sa forme. La couche de matériau optique 122 de la calotte de recouvrement présente un indice de réfraction n2 différent de l'indice de réfraction ni de la lentille..
Elle forme ainsi avec la lentille un dioptre.
Par ailleurs, la couche de matériau optique 122 constitue une couche superficielle de la calotte de recouvrement et présente une surface libre 124 plane.
Cette surface est parallèle aux faces principales du substrat de support et donc à la face plane de la lentille 110. La surface libre plane 124 forme avec le milieu environnant, par exemple l'air, un autre dioptre.
Des flèches indiquent .à titre d'illustration des trajets possibles de rayons de lumière pénétrant le système sous incidence normale par le substrat de support, et traversant la lentille.
La calotte de recouvrement peut jouer dans le microsystème le rôle d'un moyen d'adaptation de focale, et en particulier un moyen d'augmentation de la distance focale. En l'absence de la calotte de recouvrement 120 la distance focale f0 de la lentille 110 serait, pour des lentilles "minces" (Rc«fo) :
Figure imgf000016_0001
On considère dans cette formule que la face spherique de la lentille est entourée d'air d'on l'indice de réfraction est égal à 1 (n2=l) .
En présence de la couche de matériau optique 122, d'indice n2≠l, de la calotte de recouvrement, la distance focale f du microsystème devient :
Figure imgf000017_0001
On a donc
Figure imgf000017_0002
Cette formule correspond à l'approximation nι=n3 vérifiée lorsque le matériau optique du substrat optique et du substrat de support sont les mêmes.
Le tableau I, ci-après, donne à titre purement indicatif, les valeurs de quelques matériaux optiques susceptibles d'être retenus . pour la fabrication des microsystèmes optiques.
TABLEAU I
Figure imgf000017_0003
En se référant au tableau I on peut vérifier qu'un microlentille en verre BK7 sur un substrat également en verre BK7, et recouverte d'une couche de silice (Si02) , permet d'obtenir une distance focale f telle que f=10.f0. Dans cet exemple, la couche de matériau optique de la calotte de recouvrement est utilisée pour augmenter la distance focale pour atteindre des valeurs très supérieures au millimètre. Dans un autre exemple, toujours tiré du tableau
I on considère une microlentille et un substrat de support en silice (Si02) recouverts par une couche de rutile (Ti02) (nι=n3=l,45 et n2=2,3). On obtient : f "°,5 fo- Dans ce cas, le rôle de la calotte de recouvrement est un rôle d'adaptation de la distance focale. On observe ici que le système optique est divergent en dépit du caractère convergent de la lentille 110. Différentes techniques, telles que le dopage et la variation graduelle de la composition des couches optiques formées, permettent d'ajuster avec précision la valeur de distance focale recherchée.
Les figures 2A à 6A illustrent des étapes de réalisation d'un microsystème tel qu'indiqué ci-dessus. Le microsystème dont la fabrication est décrite ci-après ne fait pas appel à un substrat de support. La fonction de support est directement assurée par le substrat optique. La figure 2A montre un substrat optique 100 de forme parallélépipédique à faces principales planes et parallèles.
Sur l'une de ses faces principales on a formé un bossage de matériau fluable 102a de forme plan convexe. Dans la suite de la description on prendra à titre d'exemple, comme matériau fluable, de la résine. La formation du bossage comprend d'abord le dépôt sur le substrat 100 d'une couche de résine (non représentée) en un matériau susceptible de fluer sous l'action d'un traitement thermique approprié. Cette couche est gravée pour n'en laisser subsister qu'une partie au-dessus d'une région du substrat dans laquelle la lentille doit être formée. Enfin, un traitement thermique est opéré dans des conditions de température et de durée suffisantes pour faire évoluer la résine vers une forme bombée, de type plan convexe, telle que représentée.
Le substrat optique, pourvu du bossage de résine 102a est soumis à une gravure anisotrope réactive qui est de préférence poursuivie jusqu'à disparition complète du bossage de résine.
Au terme de cette gravure, la forme du bossage de résine se trouve transférée dans le substrat optique, comme le montre la figure 3A. Le relief du substrat ainsi obtenu constitue une microlentille 110a. Si la gravure est arrêtée avant disparition complète du bossage de résine, un reliquat de résine peut être dissous en laissant ainsi apparaître une zone formant un méplat.
La figure 4A montre le dépôt, de préférence conforme, d'une couche de matériau optique 122 sur le substrat optique. Celle-ci recouvre entièrement la lentille 110a. La couche optique 122 présente un indice de réfraction différent de celui du matériau optique du substrat 100 et constitue ici une calotte de recouvrement 120. Le dépôt de la couche optique 122 peut avoir lieu selon diverses techniques connues en soi. On peut citer, par exemple, les dépôts assistés par plasma, les dépôts chimiques en phase vapeur (CVD, PVD) , les dépôts de type Sol-Gel, ainsi que l'enduction par un polymère, l'enduction par une colle optique ou d'une résine, etc.
On peut observer que la calotte de recouvrement 120 épouse parfaitement la forme du substrat 100, de sorte que le relief de la lentille 110 se trouve reproduit à la surface libre de la calotte.
Le dépôt ou la formation de la couche optique 122 est poursuivi jusqu'à ce que son épaisseur soit supérieure à la hauteur h de la lentille 110a.
Le procédé de fabrication est achevé par l' aplanissement de la couche optique 122 de façon à lui conférer une surface libre 124 plane et parallèle aux faces principales du substrat optique 100.
L' aplanissement peut être opéré selon une technique connue de rectification ou de polissage. Il s'agit de préférence d'un polissage mécano-chimique.
La figure 6A montre une étape complémentaire du procédé dans laquelle une nouvelle couche de maté~riau optique 200 est formée sur la calotte de recouvrement 120. Cette couche n'est pas considérée comme faisant partie de la calotte de recouvrement dans la mesure où elle n'épouse pas la forme de la lentille. Elle constitue un nouveau substrat optique, comparable au premier substrat optique 100 et peut être utilisée pour la fabrication d'une nouvelle lentille dont l'axe optique peut être, par exemple, aligné sur la première lentille 110a. On peut ainsi réaliser un microsystème optique à plusieurs lentilles.
Les figures 2B à 6B illustrent une variante du procédé décrit en référence aux figures 2A à 6A. Le procédé relatif aux figures 2B à 6B concerne la fabrication d'un microsystème optique incluant une lentille concave 110b.
Toutes les étapes du procédé sont réalisées de la façon exposée précédemment. Les étapes ne sont donc pas décrites dans leur détail. On pourra se reporter à la description qui précède.
On observe sur la figure 2B que le bossage de résine 102b présente une forme plan-concave (partie centrale du bossage) . Ce bossage est obtenu sensiblement de la même façon que le bossage 102a de la figure 2A. Des mesures particulières sont toutefois prises pour obtenir la forme concave.
Une première mesure qu'il est possible de prendre est de provoquer une reticulation de la résine dans un état où celle-ci présente le relief concave souhaité.
Les inventeurs ont en effet observé que, lors de son fluage, la résine évolue progressivement vers une forme finale convexe stable, en passant par des formes intermédiaires concaves. La reticulation peut être provoquée sous l'action de la chaleur et permet de figer la résine dans une forme intermédiaire.
Selon une autre possibilité, il est possible d'adapter le facteur de forme de la résine. Celui-ci est défini comme le rapport d'une hauteur moyenne du bossage de résine sur une surface de contact du bossage avec le substrat optique. Les inventeurs ont observé que, lors du fluage, la résine n'atteint pas la forme finale convexe mais se stabilise dans une forme intermédiaire concave lorsque le facteur de forme est inférieur à une valeur déterminée. Cette valeur dépend du type de résine utilisé et ' peut- être établie expérimentalement .
Après l'obtention de la forme souhaitée, la résine est réticulée. L'ensemble du substrat optique 100 et du bossage de résine 102b est alors soumis à une gravure anisotrope. Les étapes ultérieures sont illustrées par les figures 3B à 5B. On observe notamment sur la figure 3B l'indication de la hauteur h du relief de la lentille 110b obtenue au terme de la gravure .
Dans le cas de l'utilisation pour le bossage d'un matériau fusible, la forme concave est obtenue par solidification dudit matériau, également dans une forme intermédiaire.
Le dépôt et 1 'aplanissement d'une couche de matériau optique 122 sont illustrés par les figures 4B et 5B.
La figure 6B, par analogie avec la figure 6A, montre le dépôt d'une nouvelle couche 200 de matériau optique pouvant servir de substrat optique.
Les figures 7 à 10, décrites ci-après, montrent une autre possibilité de réalisation d'un microsystème conforme à l'invention. Dans un premier temps, on met en oeuvre les étapes de procédé illustrées par les figures 2A à 5A pour obtenir une structure conforme à la figure 5A.
Cette structure est reprise sur la figure 7. Elle comporte un substrat optique 100 mis en forme pour définir une lentille (convexe) 110. Le substrat est recouvert d'une couche de recouvrement 122, de matériau optique, désignée ci-après par "première couche de matériau optique" . Celle-ci présente un indice de réfraction différent de celui du substrat optique 100.
Sur la surface libre 124 de la couche de matériau optique 122, on forme un bossage 202 de résine de forme plan-concave selon les techniques décrites ci- dessus. Le centre de concavité du bossage de résine est sensiblement aligné avec l'axe optique de la lentille 110.
La structure ainsi obtenue est soumise à une gravure anisotrope pour "transférer" la forme du bossage de résine dans la première couche 122 de matériau optique.
Au terme de la gravure, on obtient la structure de la figure 8. On peut observer sur cette figure que la première couche de matériau optique 122 se présente à présent comme une lentille biconcave. On peut aussi relever que l'épaisseur de la première couche de matériau optique est suffisante pour que sa gravure ne mette pas à nu le substrat optique 100 sous-jacent.
La figure 9 montre le dépôt, de préférence conforme, d'une deuxième couche de recouvrement 126, de matériau optique, à la surface de la première couche de matériau optique 122. L'épaisseur de la deuxième couche 126 de matériau optique est supérieure à la hauteur du relief que présente la surface de la première couche 122 de matériau optique. La deuxième couche 126 de matériau optique présente par ailleurs un indice de réfraction différent de celui de la première couche 122, de façon à former avec celle-ci un dioptre. Cet indice peut être identique ou différent de celui du substrat optique 100.
La deuxième couche de matériau optique 126 est ensuite planarisée comme le montre la figure 10 pour lui conférer une face libre 128 plane et parallèle. Elle constitue ainsi avec la première couche 122 de matériau optique une calotte de recouvrement conforme à 1' invention.
La surface plane obtenue peut servir de base pour poursuivre la fabrication du microsystème optique. Elle peut aussi former simplement une face de sortie (ou d'entrée) du microsystème.
Les figures 11 à 18 illustrent encore une autre possibilité de mise en oeuvre de l'invention.
La figure 11 montre un substrat optique 100 mis en forme pour lui conférer une face libre avec un relief concave. Il constitue ainsi une première lentille 110 à face concave.
Une première couche de matériau optique 122 avec une épaisseur supérieure à celle du relief est disposée de façon conforme sur le substrat optique comme le montre la figure 12. Cette couche présente un indice de réfraction différent de celui du substrat optique 100.
La figure 13 montre la formation sur la première couche de matériau optique 122 d'une couche de résine 103 qui la recouvre de façon conforme.
La résine est mise en forme selon des techniques usuelles (insolation, développement) pour n'en laisser subsister qu'une partie coïncidant avec la partie concave du substrat optique 100 et de la première couche de matériau optique 122. Cette opération correspond à la figure 14.
Un traitement thermique subséquent permet de provoquer un fluage de la résine 103 pour obtenir, comme le montre la figure 15, un bossage biconvexe identifié également avec la référence 103.
Le bossage biconvexe 13, de même que la première couche 122 de matériau optique sont ensuite soumis à une gravure anisotrope, par exemple, de type RIE (gravure ionique réactive) . La ' gravure est poursuivie jusqu'à élimination complète de la couche de résine et jusqu'à élimination de la partie de la première couche de matériau optique 122 dépassant la partie concave du substrat optique (partie centrale sur la figure) . On obtient ainsi, comme le montre la'" figure 16 une lentille biconvexe logée dans le creux de la partie concave du support optique 100. Cette lentille, identifiée également avec la référence 122, présente un axe optique aligné sur l'axe optique de la lentille (plan-concave) constituée par le substrat optique 100. La figure 17 montre le dépôt conforme d'une deuxième couche de matériau optique 126 présentant un indice différent de celui de la première couche de matériau optique 122. L'indice peut être éventuellement identique à celui du substrat optique 100.
L'épaisseur de cette couche est 'supérieure aux inégalités du relief qu'elle recouvre.
Une dernière étape, illustrée par la figure 18, montre 1 ' aplanissement de la deuxième couche 126 de matériau optique. Celle-ci constitue avec la première couche 122 de matériau optique une calotte de recouvrement 120.
Différents aspects de la fabrication des microsystèmes illustrés ci-dessus peuvent être combinés ou se succéder pour réaliser des microsystèmes plus complexes incluant un grand nombre de dioptres .
L'épaisseur des microsystèmes optiques finalement réalisés peut varier, en fonction de leur complexité, de quelques micromètres jusqu'à une centaine de micromètres, par exemple.
DOCUMENTS CITES
[1] Replicated Optics Cover the spectrum, Han . Saft, Photonics Spectra, Février 1994, pp 95-97.
[2]
ORMOCER's, inorganic-organic polymer materials for applications in microsystems technology, M.Popall,
J. Kappel, J. Schulz, H. olter, Microsystem technologies '94, Berlin 19-21 Octobre 1994, pp 271- 280.
[3] Fabrication of relief - Topographie Surfaces with a One-Step Uv-litographic Process, H.J. Quenzer et al., Microsystem technologies' 94, Berlin 19-21, Octobre 1994, pp 163-172.
[4]
Continuous-relief microoptical éléments fabricated laser beam writing, Georges Przyrembel, Microsystem technologies' 94, Berlin 19-21 Octobre 1994, pp 219- 228.
[5]
Génération of relief-type surface topographies for integrated microoptical éléments, Jôrg Wengelin , Microsystem technologies' 94, Berlin 19-21, Octobre 1994, pp 209-217.
[6]
Programmable manufacturing technique of long focal length microlens arrays, F. GEX et al., Congrès SPIE OE/LASE 94, 22-29 Janvier, Los Angeles, USA.
Dry etching - Path to cohérent refractive microlens arrays, M.B. Stern et al., SPIE Vol 1992 Miniature and micro-Optics and Micromechanics 1993, pp 283- 292. Fibre coupling of microchip lasers with silica icrolenses, M. Rabarot et al., Pure and Appl. Opt. Vol 6 1997, pp 699-705.
[9]
Index-distributed planar microlenses for three dimentional micro-optics fabricated by silver- sodium ion exchange in BGG 35 substrates, J. Bàrhr et al., Appl. Opt. 33, 1994, pp 5919-5924.
[10]
Extention of the useful focal length range of microlenses by oil immersion, PC Poon et al., Pure
Appl. Opt. 1, 1999, pp 133-141.
[11]
Electrode designs for tunable microlenses, L.G. Commander et al., Microlens Arrays REOS Topical meeting, May 1997, pp 48-53.
[12]
Design and fabrication of variable focusing lens, Si-Hong Ahn et al., SPIE conférence on microfluidic devices and Systems, Santa Clara, Sept. 1998, vol. 3515, pp 270-277.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de fabrication d'un microsystème optique comprenant les étapes successives suivantes : a) la mise en forme d'un substrat optique (100) en un premier matériau optique pour y pratiquer au moins une microlentille (110, 110a, 110b) présentant un relief, b) la formation d'une calotte de recouvrement (120) de la microlentille, incluant au moins un deuxième matériau optique différent du premier matériau optique et présentant une couche superficielle (122, 126) avec une épaisseur supérieure au relief de la microlentille, c) 1 'aplanissement de la couche superficielle (122, 126) .
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'étape a) est précédée par la formation d'une couche de matériau optique (100) sur un substrat de support (101) , et dans lequel ladite couche de matériau optique est utilisée comme substrat optique.
3. Procédé itératif de fabrication d'un microsystème selon la revendication 1, dans lequel- la série des étapes a) , b) et c) est successivement répétée en utilisant à partir de la première itération respectivement la couche superficielle d'une série précédente comme substrat d'une série suivante.
4. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la mise en forme du substrat optique lors de l'étape a) a lieu en mettant en oeuvre un procédé choisi dans le groupe comprenant : - le procédé de lithographie à masques "en densité variable",
- le procédé d'insolation par balayage de faisceau,
- le procédé de gravure ionique réactive, — le procédé de réplication par emboutissage.
5. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la mise en forme du substrat optique lors de l'étape a) comprend :
- le dépôt et la mise en forme d'un bossage de matériau fluable (102a, 102b, 103) à la surface du substrat,
- la gravure du substrat et du bossage pour imprimer au substrat un relief
6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel la mise en forme du bossage (102a, 102b, 103) est réalisée par fluage thermique du matériau.
7. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'étape b) comporte le dépôt d'une couche unique (122) du deuxième matériau optique constituant la couche superficielle.
8. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'étape b) comprend le dépôt d'au moins " une première couche de recouvrement (122) du deuxième matériau optique, puis le dépôt d'au moins une deuxième couche de recouvrement (126) en un matériau optique constituant la couche superficielle.
9. Procédé selon la revendication 8, comprenant, avant le dépôt de la deuxième couche de recouvrement, la mise en forme de ladite première couche de recouvrement.
10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel la mise en forme de la première couche de recouvrement comprend :
- - le dépôt et la mise en forme par fluage d'un bossage de matériau fluable (103) à la surface de la première couche (122) de recouvrement,
- la gravure de la première couche de recouvrement (122) et du bossage (102) pour imprimer à la première couche de recouvrement un relief.
11. Microsystème optique comprenant :
- au moins un substrat (100) en un premier matériau optique présentant au moins une face avec un relief de microlentille, et
- au moins une calotte de recouvrement (120) de la microlentille, incluant au moins un deuxième matériau optique, différent du premier matériau optique, la calotte présentant une première face épousant le relief de la microlentille et une face libre (124, 128) , opposée à la première face, sensiblement plane.
12. Microsystème selon la revendication 11, dans lequel la calotte de recouvrement (120) comprend une couche (122) en contact avec la microlentille (110), du deuxième matériau optique et une couche superficielle (126) présentant la face libre (128) sensiblement plane.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117238941A (zh) * 2023-11-15 2023-12-15 合肥晶合集成电路股份有限公司 背照式图像传感器及其制备方法

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3135330A1 (fr) * 2022-05-05 2023-11-10 Stmicroelectronics (Crolles 2) Sas Procédé de fabrication de microlentilles

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0441594A2 (fr) * 1990-02-05 1991-08-14 Sharp Kabushiki Kaisha Capteur d'image solide avec microlentilles
EP0640850A2 (fr) * 1993-08-30 1995-03-01 Toray Industries, Inc. Arrangement de microlentilles pour un dispositif d'affichage à cristaux liquides, méthode pour sa fixation, et dispositif d'affichage à cristaux liquides l'utilisant
US5593913A (en) * 1993-09-28 1997-01-14 Sharp Kabushiki Kaisha Method of manufacturing solid state imaging device having high sensitivity and exhibiting high degree of light utilization
US5670384A (en) * 1993-09-17 1997-09-23 Polaroid Corporation Process for forming solid state imager with microlenses
JPH10229180A (ja) * 1997-02-14 1998-08-25 Sony Corp 固体撮像素子
JPH10270672A (ja) * 1997-03-25 1998-10-09 Sony Corp 固体撮像素子
EP0965862A2 (fr) * 1998-06-17 1999-12-22 Nippon Sheet Glass Co., Ltd. Arrangement planaire de microlentilles et procédé pour sa fabrication
EP1045449A2 (fr) * 1999-04-12 2000-10-18 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Dispositif d'imagerie à l'état solide

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0441594A2 (fr) * 1990-02-05 1991-08-14 Sharp Kabushiki Kaisha Capteur d'image solide avec microlentilles
EP0640850A2 (fr) * 1993-08-30 1995-03-01 Toray Industries, Inc. Arrangement de microlentilles pour un dispositif d'affichage à cristaux liquides, méthode pour sa fixation, et dispositif d'affichage à cristaux liquides l'utilisant
US5670384A (en) * 1993-09-17 1997-09-23 Polaroid Corporation Process for forming solid state imager with microlenses
US5593913A (en) * 1993-09-28 1997-01-14 Sharp Kabushiki Kaisha Method of manufacturing solid state imaging device having high sensitivity and exhibiting high degree of light utilization
JPH10229180A (ja) * 1997-02-14 1998-08-25 Sony Corp 固体撮像素子
JPH10270672A (ja) * 1997-03-25 1998-10-09 Sony Corp 固体撮像素子
US6040591A (en) * 1997-03-25 2000-03-21 Sony Corporation Solid state imaging device having refractive index adjusting layer and method for making same
EP0965862A2 (fr) * 1998-06-17 1999-12-22 Nippon Sheet Glass Co., Ltd. Arrangement planaire de microlentilles et procédé pour sa fabrication
EP1045449A2 (fr) * 1999-04-12 2000-10-18 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Dispositif d'imagerie à l'état solide

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
DALY D ET AL: "THE MANUFACTURE OF MICROLENSES BY MELTING PHOTORESIST", MEASUREMENT SCIENCE AND TECHNOLOGY,GB,IOP PUBLISHING, BRISTOL, vol. 1, no. 8, 1 August 1990 (1990-08-01), pages 759 - 766, XP000143102, ISSN: 0957-0233 *
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 1998, no. 13 30 November 1998 (1998-11-30) *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117238941A (zh) * 2023-11-15 2023-12-15 合肥晶合集成电路股份有限公司 背照式图像传感器及其制备方法
CN117238941B (zh) * 2023-11-15 2024-02-20 合肥晶合集成电路股份有限公司 背照式图像传感器及其制备方法

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