WO2020079169A1 - Dispositif micro-fluidique adapté pour modifier la phase d'un front d'onde et système optique comprenant un tel dispositif - Google Patents

Dispositif micro-fluidique adapté pour modifier la phase d'un front d'onde et système optique comprenant un tel dispositif Download PDF

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WO2020079169A1
WO2020079169A1 PCT/EP2019/078254 EP2019078254W WO2020079169A1 WO 2020079169 A1 WO2020079169 A1 WO 2020079169A1 EP 2019078254 W EP2019078254 W EP 2019078254W WO 2020079169 A1 WO2020079169 A1 WO 2020079169A1
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WO
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chambers
membrane
chamber
fluid
substrate
Prior art date
Application number
PCT/EP2019/078254
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Inventor
Quentin LEVESQUE
Brigitte Loiseaux
Mane-Si Laure Lee-Bouhours
Anne Delboulbe
Original Assignee
Thales
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Publication date
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    • G02—OPTICS
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    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/06—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the phase of light
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/004—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements based on a displacement or a deformation of a fluid
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
    • G02B1/06—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of fluids in transparent cells

Definitions

  • Microfluidic device adapted to modify the phase of a wavefront and optical system comprising such a device
  • the invention relates to the field of microfluidic devices and more particularly those applied to optics.
  • the invention also relates to optical systems based on these devices making it possible to effect an active modification of the phase of a light wave, for example for adaptive optics or active optics applications.
  • optics adaptive There are a number of devices for modifying the phase of a light wave to adapt to changing environmental conditions (compared to an external measurement), this concept being generally designated by the term optics adaptive.
  • Adaptive optics are used in multiple applications such as beam shaping of power lasers, correction of images of astronomical observations crossing the atmosphere or for display systems such as video projectors.
  • the concept of adaptive optics is illustrated in Figure 1.
  • the phase profile is applied for example via a deformable mirror 6 and the beam reflected by it is a corrected wavefront 7.
  • An alternative in adaptive optics is to implement a measurement by phase diversity, which does not require external means of measurement but requires having significant computing power, which can limit the speed of the correction.
  • the wavefront to be corrected is measured once and for all and the corrective phase law is memorized and applied to the mirror 6.
  • a feedback loop 4 determines, from the measurement of the incident wavefront, the phase law to be applied to the mirror 6 to correct the incident wavefront.
  • FIG. 2 illustrates two examples of optimal arrangement of zones 20 to which a predetermined phase will be applied for a correction using Zernicke polynomials.
  • Figure 2a shows an arrangement of 31 areas
  • Figure 2b shows an arrangement of 61 areas.
  • the arrangement of the zones is concentric, and typically the zones have a disc segment or polygon shape.
  • FIG. 3 Another solution for producing an active lens working in transmission is an electrically controlled lens from the company Optotune, the focal length of which is controlled electrically or mechanically, as illustrated in FIG. 3.
  • the lens is composed of a membrane 40 which constitutes an interface between 2 chambers, each of them being filled with a material with a refractive index different from the other (for example one filled with a liquid and the other with air).
  • the pressure 41 between the 2 chambers determines the shape of the membrane and therefore the radius of curvature of the lens.
  • Figure 3a illustrates a position of the membrane and Figure 3b another position.
  • the pressure for varying the shape of the membrane can be applied mechanically, electro-mechanically or pneumatically.
  • This lens is its response time from a few ms to 50 ms. However, it is currently only used on small opening diameters ( ⁇ 16mm), which is limiting in terms of application. In addition, its shape cannot be free, only the curvature of the lens changes. It is not possible with this system to synthesize an active freeform, that is to say a component capable of applying any predetermined phase law (polynomial of order> 3) and reprogrammable.
  • an active lens is the lens from the company Varioptic based on an electrowetting control.
  • the deformation, under the effect of an electrical voltage, of the surface between the two fluids ensures the variation of the optical focal length.
  • An object of the present invention is to remedy the aforementioned drawbacks by proposing an innovative device based on microfluidic technology suitable for producing an active "free-form" optic, and a system of adaptive optics or optics. active using this device.
  • DESCRIPTION OF THE INVENTION The subject of the present invention is a microfluidic device comprising: a substrate on which walls are arranged delimiting a plurality of contiguous chambers,
  • each chamber said channel being connected to only one chamber, a channel being intended to activate the associated chamber by applying a determined pressure to the fluid of said chamber, so as to create locally an elastic deformation of said membrane, a chamber therefore being intended to be activated by the associated channel independently of the other chambers.
  • the chambers and the channels are filled with fluid.
  • the channel associated with a room is unique.
  • the material constituting the walls is identical to the material of the substrate and the channels are arranged in an upper part of said walls.
  • the material constituting the walls is identical to the material of the membrane and the channels are arranged in a lower part of said walls in contact with the substrate.
  • the flexible membrane further comprises a plurality of pillars distributed over an internal wall of the membrane and configured so that they are in abutment on the substrate or very close to it when said membrane is at rest.
  • the substrate further comprises a plurality of pillars configured so that they are in contact with the flexible membrane or very close to it when it is at rest.
  • an additional membrane is arranged above the flexible membrane.
  • the chambers of the device comprise a structure configured to be porous to the fluid capable of being injected.
  • the device according to the invention further comprises an index adaptation structure deposited on the substrate and / or an anti-reflective layer deposited on an outer wall of the membrane.
  • the device according to the invention further comprises a reflective layer deposited on the substrate, so that said device operates in reflection.
  • the invention relates to an optical system intended to operate a modification of a phase of a wavefront of a light wave having at least one wavelength and comprising:
  • At least one microfluidic device according to the invention said fluid being transparent to said wavelength
  • the optical system according to further comprises a processing unit connected to the injection device and configured to determine said pressures to be applied from said predetermined phase shifts.
  • the injection device comprises at least one pump and a plurality of microvalves connected to said pump and to said channels and configured to apply said pressures to said channels.
  • the channel associated with each chamber is unique and the injection device comprises:
  • a source cavity being connected to a channel and closed by said flexible membrane, a chamber, its channel and its associated source cavity forming a system closed filled with said fluid, a plurality of actuators associated respectively with the plurality of source cavities, an actuator being configured to locally deform the flexible membrane closing the associated source cavity, so as to generate pressure to activate the associated chamber.
  • the invention relates to a method for modifying a phase of a wavefront of a light wave having at least one wavelength and comprising the steps consisting in:
  • FIG. 1 already cited illustrates the concept of adaptive optics.
  • FIG. 2 already cited illustrates an arrangement of zones of an adaptive optic to which a predetermined phase shift is applied according to the state of the art, the arrangement of FIG. 2a comprising 31 electrodes, and that of FIG. 2b 61 electrodes.
  • FIG. 3 already cited, describes the operation of an active lens working in electrically controlled transmission according to the state of the art.
  • Figure 3a illustrates a position of the membrane and Figure 3b another position.
  • FIG. 4a describes a device based on microfluidics according to the state of the art producing a matrix of microlens.
  • FIG. 4b illustrates the device at rest, when the membrane is flat and not deformed, and
  • FIG. 4c illustrates the device “activated”, that is to say when sufficient pressure is applied so as to cause deformation of the membrane.
  • FIG. 5 illustrates the operating principle of the microfluidic device according to the invention.
  • FIG. 6 illustrates an embodiment of a microfluidic device according to the invention in top view, with chambers having a concentric arrangement.
  • FIG. 7 illustrates another embodiment of a microfluidic device according to the invention in top view, with chambers having a matrix arrangement.
  • FIG. 8 illustrates a first variant in which the material constituting the walls is identical to the material of the membrane
  • FIG. 9 illustrates a second variant in which the material constituting the walls is identical to the material of the substrate.
  • FIG. 10 illustrates a variant in which the chambers of the device comprise support pillars, and the sub-variant for which the pillars are distributed over the internal wall of the flexible membrane.
  • FIG. 11 illustrates this same variant in which the chambers of the device comprise support pillars, and the sub-variant for which the pillars are distributed on the substrate.
  • FIG. 12 illustrates a chamber of the device according to the sub-variant of FIG. 10 with a membrane at rest (FIG. 12a) and with an activated membrane (FIG. 12b).
  • FIG. 13 illustrates an embodiment of the device according to the invention comprising an additional membrane.
  • Figure 13a illustrates the activated device, Figure 13b the device at rest.
  • FIG. 14 illustrates an embodiment of the device according to the invention in which the chambers comprise a structure porous to the injected fluid.
  • FIG. 15 illustrates the use of an anti-reflective layer as an index adaptation structure between the substrate and the liquid and an anti-reflective index adaptation layer between the membrane and the external medium.
  • FIG. 16 illustrates the use as an index adaptation structure of a layer of structured flexible material deposited / bonded on the support substrate producing an index gradient between the index of the substrate and that of the liquid.
  • FIG. 17 illustrates an optical system intended to operate a modification of a phase of a wavefront of a light wave according to another aspect of the invention.
  • FIG. 18 illustrates another embodiment of the system according to the invention in which the phase shifts are calculated directly by the processing unit.
  • FIG. 19 illustrates another embodiment of the system according to the invention in which the phase shifts are calculated by the processing unit from a real-time measurement of the wavefront to be corrected by a wavefront analyzer.
  • FIG. 20 illustrates an embodiment in which the injection device comprises additional chambers called source cavities CSi arranged on the substrate at the periphery of the adjoining chambers.
  • FIG. 21 illustrates the modification of the height of the source cavity and finally the modification of the volume of the optical cavity by the application of a positive or negative potential across the terminals of the piezoelectric activator.
  • FIG. 22 illustrates an optical system intended to effect a modification of the phase of a wavefront of a light wave according to the invention having an injection device as described in FIGS. 20 and 21.
  • One aspect of the invention consists of a device based on microfluidics specially adapted for the production of an active "free-form" optic, and intended to be integrated into an adaptive optics or active optics system.
  • the device according to the invention is thus adapted to modify the phase of a wavefront.
  • microfluidic-based devices performing optical functions are arrays of microlenses developed in the framework of "labs on a chip", as illustrated in FIG. 4a.
  • These matrices are produced from a PDMS type elastomer deposited on a Sub substrate, typically glass, and structured so as to form chambers 40 hollowed out of the elastomeric material 42 and closed by a membrane 43 also made of elastomer.
  • the lenses of a line are interconnected by channels 41, 41 'hollowed out in the elastomer 42.
  • the lenses and channels are filled with liquid, typically an oil whose index is suitable.
  • a pressure 44 is applied to the inlet of the channels, and is transmitted into the chambers 40. Under the effect of the pressure, the membrane 43 deforms elastically.
  • FIG. 4b illustrates the device at rest, when the membrane is flat and not deformed, and FIG.
  • FIG. 4c illustrates the device “activated”, that is to say when sufficient pressure is applied so as to cause deformation of the membrane.
  • the deformed membrane defines the curved surface of a lens made of liquid, which focuses a light beam passing through it.
  • the results show that the order of magnitude of the deformation obtained on a 200pm diameter lens is of the order of ten micrometers.
  • the microlenses of the matrix have a diameter of 200 ⁇ m for a height of 100 ⁇ m at rest, and occupy a small part of the surface of the substrate.
  • the measured transmission of these oil-filled lenses is 95%.
  • the lens located at the edge of the substrate is supplied by a channel 41 connected to the outside of the device, and the lenses located on a line are interconnected with each other, the liquid flowing from one to the other via connection channels 41 '(see dotted lines 41' illustrating a connecting channel located in another section plane than the channel 41).
  • microlens arrays all having the same dynamic focal length controlled by the internal pressure of the fluid. These devices make it possible, for example, to observe the optical response in the thickness of the volume located under the lens under a microscope, for localized and micrometric imaging.
  • the microfluidic device according to the invention uses this same principle of activation of a membrane and has specific characteristics to be adapted to the realization of a “free-form” optic, in which all the active cells are contiguous, so as to constitute the complete surface of an optic.
  • the microfluidic device according to the invention is intended to operate according to the principle illustrated in FIG. 5.
  • a chamber Ch filled with liquid Liq is disposed between a transparent substrate Sub and a flexible membrane Memb and is supplied by a channel CA.
  • the chamber has, when the membrane is at rest, an optical thickness eO as illustrated in FIG. 5a.
  • the membrane deforms and the chamber Ch then has an average optical thickness e1 as illustrated in FIG. 5b.
  • FIG. 5c illustrates the aforementioned substrate / liquid / membrane assembly in perspective and crossed by a light wave OL which thus undergoes a phase variation depending on the thickness ep of the liquid crossed. This modifies the phase of the OL wave locally. With a deformation e of about ten microns in amplitude, phase shift excursions greater than several times 2p in the visible are obtained.
  • FIG. 6 An embodiment of a microfluidic device 10 according to the invention in top view is illustrated in FIG. 6.
  • the device comprises a Sub substrate on which walls W are arranged, preferably of the same height, delimiting a plurality of Chi chambers contiguous, and a flexible membrane Memb (not shown in this figure) deposited over the chambers and fixed to the walls so as to form closed chambers, the chambers being intended to be filled with liquid.
  • the device 10 also includes at least one channel CAi connected to each chamber Chi, the channel CAi being connected to only one chamber Chi.
  • a channel is intended to activate the associated chamber by applying a determined pressure to the liquid in the chamber, so as to locally create an elastic deformation of the Memb membrane.
  • An index i is used when it is necessary to distinguish several chambers and associated channels.
  • the contiguous aspect of the chambers is important because the device according to the invention is intended to be inserted into an optical system to constitute one of the surfaces therein, and we therefore seek to minimize the space between the chambers.
  • the chambers have a concentric arrangement.
  • This radial configuration of the same type as that of FIG. 2a has the advantage of minimizing the number of cells (chambers).
  • the shape of the cells adapts locally to the aberrations of an optical system (increasing with its opening).
  • this arrangement comprises a circular central chamber, and chambers corresponding to the same circle having the shape of a sector of a circle. We keep here an axial symmetry.
  • the chambers corresponding to the same circle or crown have a shape of polygons (see FIG. 2b).
  • This type of concentric arrangement is suitable for the decomposition of a phase law with Zernicke polynomials.
  • FIG. 7 illustrates another embodiment of a microfluidic device 10 according to the invention in top view, with chambers having a matrix arrangement.
  • each chamber is intended to correspond to an area of adaptive optics.
  • the channel CAi connected to the corresponding chamber Chi is connected only to one chamber Chi and to no other.
  • Each of the different chambers is therefore intended to be activated by its associated channel independently of the other chambers.
  • the channel associated with an interior chamber is arranged at least partially in at least one wall delimiting two adjacent chambers. The location of the channel in the wall (s) makes it possible to supply the interior chamber without reducing the useful surface constituted by the chambers. This is the case for example of the channels supplying the 8 interior quarters and the central disk of FIG. 6 and of the four central rectangular pixels of the 4x4 matrix of FIG. 7.
  • the Sub substrate is typically glass or any other material transparent to the wavelength of interest (IR, visible or UV). According to one embodiment the substrate is planar, according to another embodiment the substrate is not planar, typically curved, which avoids having to manage the aberrations introduced by the planar surfaces.
  • the membrane is typically made of an elastomeric material, for example COC or PDMS.
  • COC ethylene glycol dimethacrylate
  • PDMS polymethyl methacrylate
  • crosslinking takes place at low temperature (70 ° C)
  • the chambers and the channels are filled with a Liq fluid, the fluid being able to be a liquid, a gas or a gel.
  • the fluid is chosen preferably so as to have an optical index adapted to that of the substrate to limit the interface phenomena (diffusion and Fresnel losses). Typically this is possible by diluting oils with a different optical index.
  • the channel CAi associated with a chamber Chi is unique.
  • the inlet and outlet of the fluid during pressure variations takes place via this channel, there is no circulation of the fluid which would enter through one channel and exit through another.
  • the chambers preferably have an adapted lateral dimension, and much greater than the height eO (typically a hundred ⁇ m).
  • the typical dimensions of the chambers / cells are of the order of a few mm 2 to a few cm 2 .
  • the sizes of the CA channels are typically micrometric, as are the W walls.
  • the ratio between a lateral dimension and a height of a room, or of all rooms, is greater than 5, preferably greater than 10.
  • the thickness of the layers of materials is a few millimeters or less depending on the excursion of the membrane, its rigidity or the size of the cell, this quantity not constituting a constraint for the adaptive optical application.
  • the occupancy rate of the rooms on the substrate surface is greater than 85%, that is to say that the walls W occupy a small part of the surface of the substrate.
  • the chambers of the device 10 are contiguous, as close to each other as the manufacturing technology. allows it, so as to constitute one of the surfaces of an optical system.
  • the overall efficiency of the optics is all the more important as the dimensions of the walls are negligible compared to the deformable zones.
  • Figures 8 and 9 illustrate a profile view of the device 10 according to the invention according to section AA of Figure 6 according to a first and a second variant respectively.
  • the Mat material constituting the walls W is identical to the material of the Memb membrane, and the channels are then preferably arranged in a lower part of the walls in contact with the substrate Sub, that is to say between the walls and the substrate.
  • the manufacturing of a device according to this variant takes place by structuring the material intended to produce the membrane and the walls.
  • the material constituting the walls W is identical to the material of the substrate Sub, and the channels are then preferably arranged in an upper part of the walls, preferably between the walls and the membrane.
  • the manufacturing of a device according to this variant takes place by structuring the substrate.
  • the chambers to be produced require relatively large surfaces with respect to microfluidic applications, typically having dimensions of a few millimeters to a centimeter while their thickness is millimeter or even submillimeter.
  • the membrane sags at center in the absence of sufficient pressure in the fluid.
  • the chambers of the device 10 include supporting pillars.
  • the flexible membrane Memb further comprises a plurality of pillars 80 distributed over the internal wall 81 of the membrane and configured so that they are in abutment on the Sub substrate or very close to it when the membrane is at rest. Preferably their height is calculated to be flush / very close to the substrate at rest.
  • the Sub substrate which comprises a plurality of pillars 90 configured so that they are in abutment on the internal wall of the flexible membrane or very close to it when it is at rest. Preferably their height is calculated to be flush / very close to the membrane at rest.
  • Figure 12 illustrates a chamber Ch of the device according to the sub-variant of Figure 10, with a membrane at rest ( Figure 12a) and with an activated membrane ( Figure 12b). During activation, the pillars, which are not fixed, rise with the deformation of the membrane.
  • the pillars and the walls are made of the same material as illustrated in FIGS. 10 and 11.
  • the membrane For proper functioning of the membrane as an optical surface of the system in which it is inserted, it is sought to obtain a deformation as continuous as possible of the Memb membrane and to avoid / minimize the high frequencies induced at the interfaces of the different cavities.
  • the device according to the invention comprises an additional membrane 13 disposed above the flexible membrane.
  • the membrane 13 is continuous and fixed to the periphery of the device, which it completely covers. Its role is to smooth the variations in curvature present at the interfaces between the chambers during the application of pressures.
  • Figure 13a illustrates the activated device
  • Figure 13b the device at rest.
  • the additional membrane 13 is also flexible but preferably its mechanical rigidity is greater than that of the Memb membrane.
  • These two membranes are independent of each other and separated by a space constituting an uncontrolled fine cavity, preferably filled with the same fluid as that injected into the chambers.
  • a thin layer of fluid 14 is located between the two membranes, each being at rest.
  • each chamber pushes the flexible membrane Memb which is then in contact with the additional membrane. The fluid expelled from this contact zone will go into the transition zones between the chambers, typically the zones in which the mechanical support walls are located.
  • the chambers of the device comprise a structure 14 configured to be porous to the injected fluid.
  • This structure is for example obtained by inhomogeneous crosslinking of a polymer. Obtaining such a state of material is typically obtained by playing on the crosslinking conditions of the material chosen to produce the flexible membranes of the chambers. The concentration of crosslinker determines the density of the material and therefore the porosity of the crosslinked material obtained.
  • the device according to the invention comprises an index adaptation structure deposited on the substrate and / or an AR2 anti-reflective layer deposited on an outer wall of the membrane.
  • FIG. 15 illustrates a device according to the invention comprising a first AR1 anti-reflective layer as an index adaptation structure between the substrate and the fluid and a second AR2 anti-reflective layer on the membrane.
  • FIG. 16 illustrates the use of a layer of flexible structured material SL as an index adaptation structure, deposited / bonded on the substrate of Sub support and producing an index gradient between the index of the substrate and that of the fluid.
  • the device according to the invention is designed to operate in reflection.
  • the substrate is covered with a reflective layer (for example depositing a thin metallic layer).
  • the invention relates to an optical system 15 intended to operate a modification of a phase of a wavefront of a light wave OL having at least one wavelength l, an embodiment of the system 15 being illustrated in FIG. 17.
  • light wave is meant a wave having a wavelength or a spectral band between the far infrared and the ultraviolet.
  • the system 15 comprises at least one microfluidic device 10 filled with fluid according to the invention, the Liq fluid being transparent at the wavelength l.
  • the fluid is incompressible.
  • the system 15 also includes an ID device for injecting the fluid into each channel CAi connected to a chamber Chi.
  • the injection device is configured to apply the pressures Pi to the chambers Chi via the associated channels CAi.
  • the Chi chambers being activated independently of each other, each pressure Pi is specific to the corresponding activated chamber.
  • the pressures Pi and therefore the deformations local ei of the membrane are determined so as to apply predetermined phase shifts Df ⁇ to the wave OL.
  • the modification of the pressure of the fluid within the chambers makes it possible to modify the curvature of the membrane of each chamber and consequently the average thickness of each chamber.
  • the optical phase of the system is checked at the chamber scale. The system 15 therefore makes it possible to apply an arbitrary phase function to the OL wave via the plurality of addressed chambers.
  • the fluidic device as described above is thus used for an adaptive optics or active optics application operating in transmission.
  • the incident wavefront is modified or controlled according to a desired spatial distribution which is calculated from the individual response of each chamber and the pressure applied to it.
  • the optical system also comprises a processing unit UT connected to the injection device ID and configured to determine the pressures Pi to be applied, from predetermined phase shifts Df ⁇ .
  • phase shifts Df ⁇ (l) are calculated independently and loaded into the processing unit.
  • the phase shifts Df ⁇ (l) are calculated directly by the processing unit as illustrated in FIG. 18.
  • the incident wavefront 30 is processed by the system 15 which applies the local phase shifts Df ⁇ (l ), thus transforming it into a wavefront 31.
  • This configuration typically corresponds to an application of the active pupil coding type, to perform a zoom function for example. This type of application is for example described in the document FR1102210.
  • An initial calibration of the mechanical response of the chambers to the pressure is preferably carried out, in order to know the Pi / e relationships of each. It is thus possible to know directly the pressure map to be applied to each chamber by knowing the phase map.
  • the phase shifts Df ⁇ (l) are calculated by the processing unit from a real time measurement of the wavefront to be corrected carried out by a wavefront analyzer 5.
  • the injection device ID comprises at least one Pump pump and a plurality of micro-valves pVi connected to the pump and to the channels CAi and configured to apply the pressures Pi to the channels.
  • the injection device comprises as many micro-pumps as there are channels to be supplied. This mode is compatible with system 15 having a small number of rooms, for example 21 rooms (see arrangement of FIG. 2a).
  • the injection device comprises, as illustrated in FIGS. 20 to 22, additional chambers called source cavities CSi arranged on the substrate at the periphery of the plurality of adjoining chambers . These source cavities are arranged outside the optically active zone formed by the adjoining chambers and called the opening of the optical system.
  • a source cavity CSi is connected to a channel CAi and is closed by the flexible membrane Memb, which is fixed locally on the periphery of each source cavity.
  • another membrane different from the flexible membrane Memb closing the chambers, for example by its thickness, closes the source cavities.
  • the assembly consisting of two cavities (chamber corresponding to the active optical cavity / source cavity) connected by a channel forms a closed system filled with fluid: there is a flow of fluid from the source cavity towards the chamber and vice versa.
  • a variation in volume in one cavity results in the same variation in volume in the other cavity.
  • a compressible fluid the variation in volume of the chamber takes into account the compression of the fluid. There is no outward flow of fluid (finite volume of fluid in the system).
  • the injection system also comprises a plurality of ACTi actuators respectively associated with the plurality of source cavities.
  • An actuator ACTi is mechanically linked at the level of the membrane closing the associated source cavity CSi. It is configured to locally deform the flexible membrane closing the source cavity CSi, so as to generate pressure to activate the associated chamber Chi via the channel CAi.
  • a source cavity is thus mechanically coupled to an actuator allowing its volume to be modified by pushing or pulling the membrane which closes it.
  • This system is versatile, it can be used to activate any form of optical cavity (chamber) with sections typically ranging from pm 2 to cm 2 .
  • actuators can be physically integrated as there are necessary optical cavities and is compatible with a relatively large number of cavities.
  • Classic systems have been developed for medical applications and have a precise resolution of pressure (at 0.01 bar) or flow (nL / min). Their price and their size greatly limit the number of cavities that can be controlled simultaneously. From a practical point of view, this number is typically limited to ten. Certain applications of wavefront corrections may require the control of about twenty cavities. From a general point of view, the greater the number of cavities, the better the resolution of the optical system and its versatility.
  • the system is produced in a monolithic manner, that is to say that the same material delimits the two types of cavities.
  • the same flexible membrane closes the two types of cavities.
  • the substrate material which forms the set of cavities and channels, as illustrated in FIG. 9.
  • the material delimiting the cavities and forming the membrane is the same Mat material, as illustrated in FIGS. 8 and 20 to 22.
  • the actuators are of the piezoelectric type, which allows electrical actuation of the cavities.
  • Figures 20 and 21 illustrate the operation of a double cavity Chi / CSi system actuated by a piezoelectric ACTi.
  • the actuator is at rest (0V voltage applied to the piezo), and no pressure is applied to the Chi chamber.
  • the piezoelectric is energized and causes by variation of its thickness a deformation of the membrane closing the source cavity, leading to a reduction in the height of the source cavity by a value of hp.
  • the source cavity CSi (length L C s and width not shown) does not necessarily have the same dimensions as the chamber Chi (length L C o and width not shown), and therefore the increase in the height of the chamber Chi hco result may be different from hp, as illustrated in figure 21.
  • a small variation in the thickness of one cavity results in a large variation in the thickness of the other.
  • This allows in particular to adjust the resolution of the piezoelectric actuator to the desired optical resolution.
  • the application of a positive or negative potential across the terminals of the piezoelectric activator makes it possible to modify the height of the source cavity and finally to modify the volume of the optical cavity as described in FIG. 21.
  • the integration of the actuator requires the installation of a mechanical support 50 on either side of the source cavity in order to guarantee the effectiveness of the compression of the latter.
  • This holder is added so that it is outside the optical aperture of the system.
  • FIG. 22 A complete system 15 presenting an injection device as described above is illustrated in FIG. 22. Each source cavity is thus addressed individually by multiplexing using conventional electronics comprising an electrical driver ED.
  • piezoelectric actuators also has the advantage of a short response time.
  • a mechanical piston is used which is attached and connected to the cavity via a catheter. It is possible to calculate the response time constant t of such a system when pressure is applied in the hydrodynamic actuator (here a mechanical piston). This characteristic time describes the time required for the pressure imposed by the piston to be transmitted up to the exit of the catheter and therefore into the optical cavity.
  • the analytical expression of t as a function of the geometric parameters is:
  • Dp, De, Lp and Le represent the diameters and lengths of the piston and catheter respectively, and m and E are the viscosity and Young's modulus of the fluid considered.
  • the time constant obtained is, for water ( m / E ⁇ 10 -12 s) as fluid, of the order of 40 ms for a displacement of
  • response times of the order of 40-50 ms are not compatible with the needs of display applications where the refresh rates must be at least one decade higher than the eye refresh rate, ie 250Hz, that is to say response times of the order of ms.
  • the typical response time calculated with formula (1) is 100ps corresponding to a hydrodynamic cutoff frequency of 10kHz.
  • the system 15 is coupled to a mechanical system in order to increase the phase amplitude or in order to combine a modification of the phase and a rotation of the component (for example for an optical beam modulation application).
  • the invention relates to a method for modifying a phase of a wavefront of a light wave having at least one wavelength l and comprising the steps consisting in:
  • the injection into a chamber Chi takes place by applying a determined pressure Pi to the fluid of the chamber, so as to locally create an elastic deformation ei of the membrane Memb.
  • the pressures P applied to the chambers Chi via the associated channels CAi and therefore the local deformations ei of the membrane are determined so as to apply to the light wave OL the phase shifts Df ⁇ determined in the previous step.
  • the local phase shifts are determined from a measurement of the wavefront to be corrected, so as to effect a correction of said wavefront.
  • the local phase shifts are determined so as to operate an active pupil coding.
  • the system 15 presents a simplified manufacturing process.
  • a reference mold is created equal to the negative of the cavities and networks of channels to be produced, obtained for example by structuring a silicon substrate (dozens of possible replications) or metal (no replication limit before deterioration of the mold).
  • the manufacturing steps are as follows (for the variant of FIG. 22 in which the same flexible material is used for the walls, the membrane and the spaces between the active chambers and the source cavities and the cavities sources):
  • the total manufacturing time for such a sample represents a few hours knowing that the mold production step is only to be carried out once for the same design.

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, une chambre étant donc destinée à être activée par le canal associé indépendamment des autres chambres.

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 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 (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 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 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 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 œuvre une mesure 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 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 forte efficacité (réflexion proche de 1 ). Néanmoins, leur limitation intrinsèque 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 nombre d’étapes technologiques est coûteuse, 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 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.
Il 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 IΊTO, ou photoconducteur tel que le BSO ou le PZT. Le fort indice optique de ces matériaux et la périodisation des électrodes font apparaître 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 polarisation de l’onde incidente et reste limité en terme d’excursion suffisante en déphasage (< 2TT) 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 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 qu’illustré figure 3. La lentille est composée d’une membrane 40 qui constitue 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 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 50ms. Cependant, elle n’est mise en œuvre 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 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 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
· 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 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 d’optique adaptative ou d’optique active utilisant ce dispositif. DESCRIPTION DE L’INVENTION 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 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 membrane, une chambre étant donc destinée à être activée par le canal associé indépendamment des autres chambres.
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 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 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 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. 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 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 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 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 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 canaux et configurées pour appliquer lesdites pressions aux dits canaux.
Selon un autre mode de réalisation le canal associé à chaque chambre est unique et le dispositif d’injection comprend :
-une pluralité de chambres additionnelles dites cavités sources disposées sur ledit substrat en périphérie de ladite pluralité de chambres jointives, une cavité source étant connectée à un canal et fermée par ladite membrane flexible, une chambre, son canal et sa cavité source associés formant un système fermé rempli dudit fluide, -une pluralité d’actionneurs associés respectivement à la pluralité de cavités sources, un actionneur étant configuré pour déformer localement la membrane flexible fermant la cavité source associée, de manière à générer la pression pour activer la chambre associée.
Selon un autre 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 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 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 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.
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 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 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 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 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 repos, lorsque la membrane est plane et non déformée, et la figure 4c illustre 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 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.
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.
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.
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. 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 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 activé, la figure 13b le dispositif au repos.
La figure 14 illustre un mode de réalisation du dispositif selon l’invention dans lequel les chambres comprennent une structure poreuse au fluide injecté.
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 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 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 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 analyseur de front d’onde.
La figure 20 illustre un mode de réalisation dans lequel le dispositif d’injection comprend des chambres additionnelles dites cavités sources CSi disposées sur le substrat en périphérie des chambres jointives.
La figure 21 illustre la modification de la hauteur de la cavité source et finalement la modification du volume de la cavité optique par l’application d’un potentiel positif ou négatif aux bornes de l’activateur piézoélectrique.
La figure 22 illustre un système optique destiné à opérer une modification de la phase d’un front d’onde d’une onde lumineuse selon l’invention présentant un dispositif d’injection tel que décrit figures 20 et 21.
Par souci de clarté les mêmes éléments porteront les mêmes repères dans les différentes figures.
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 destiné à être intégré à un système d’optique adaptative ou d’optique active. 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 « 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 maîtrise 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 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 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 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 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. 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 l’extérieur du dispositif, et les lentilles situées sur une ligne sont 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 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 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 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 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 eO tel qu’illustré figure 5a. Lorsqu’une pression P suffisante est appliquée, la membrane se déforme et la chambre Ch présente alors une épaisseur optique moyenne e1 tel qu’illustré figure 5b. La variation de phase Df induite sur une onde optique traversant l’ensemble est ainsi proportionnelle à la déformation e = e1 -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 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 2p dans le visible.
Un mode de réalisation d’un dispositif micro-fluidique 10 selon l’invention en vue de dessus est illustré figure 6. Le dispositif comprend un substrat Sub 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 par-dessus les chambres et fixée sur les parois de manière à former des chambres fermées, les chambres étant 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 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 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 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 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).
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 agencement matriciel.
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 connecté à la chambre correspondante Chi n’est connecté qu’à une seule chambre Chi et à aucune autre. Chacune des différentes chambres est donc destinée à être activée par son canal associé indépendamment des autres chambres. Pour le cas dans lequel la pluralité de chambres du dispositif est agencée de sorte qu’il existe des chambres intérieures, c’est-à-dire des chambres non directement accessibles depuis la périphérie du dispositif, le canal associé à une chambre intérieure est disposé au moins partiellement dans au moins une paroi délimitant deux chambres adjacentes. La localisation du canal dans la/les paroi(s) permet d’alimenter la chambre intérieure sans diminuer la surface utile constituée par les chambres. C’est le cas par exemple des canaux alimentant les 8 quartiers intérieurs et le disque central de la figure 6 et des quatre pixels rectangulaires centraux de la matrice 4x4 de la figure 7.
Le substrat Sub est typiquement du verre ou tout autre matériau transparent 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.
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 enduction centrifuge ou en couches minces d’épaisseurs maîtrisées,
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),
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)
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 substrat pour limiter les phénomènes d’interface (diffusion et pertes de 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 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 présentent préférentiellement une dimension latérale adaptée, et très supérieure à la hauteur eO (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 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.
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.
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 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 dimensions des parois sont négligeables par rapport aux zones déformables.
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 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 Mat 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 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 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 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 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 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 l’affaissement de la membrane à faible pression ou de devoir maintenir une 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.
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 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).
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.
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.
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 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 hautes fréquences induites aux interfaces des différentes cavités.
Pour cela selon un premier mode de réalisation illustré figure 13 le dispositif selon l’invention comprend une membrane additionnelle 13 disposée par dessus la membrane flexible. La membrane 13 est continue et fixée à la 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 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 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.
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 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.
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 sont différents de celui du substrat de support. Pour résoudre ce problème, 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 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 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).
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 l, un mode de réalisation du système 15 étantillustré figure 17.
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 l. Préférentiellement le fluide est incompressible. Le système 15 comprend également un dispositif ID d’injection du fluide dans 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 membrane sont déterminées de manière à appliquer des déphasages prédéterminés Dfί à l’onde OL.
Ainsi la modification de la pression du fluide au sein des chambres permet de modifier la courbure de la membrane de chaque chambre et par voie de conséquence l’épaisseur moyenne de chaque chambre. Compte tenu du fait que la variation de phase de l’onde transmise est proportionnelle à l’épaisseur, on contrôle à l’échelle de la chambre la phase optique du système. Le système 15 permet donc d’appliquer une fonction de phase arbitraire à l’onde OL via la pluralité de chambres adressées.
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 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 :
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.
Excursion en déphasage supérieure à 2p (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 coûteuses, 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.
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.
A noter qu’un système fonctionnant en réflexion peut aisément être réalisé avec un dispositif 10 adapté, pour des applications telles que les spectro- imageurs ou les télescopes.
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 Dfί.
Selon un mode de réalisation les déphasages Dfϊ(l) sont calculés indépendamment et chargés dans l’unité de traitement.
Selon un autre mode de réalisation les déphasages Dfί(l) 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 locaux Dfί(l), 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 est préférentiellement réalisée, afin de connaître les relations Pi/e 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 Dfί(l) 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 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 chambres (voir agencement de la figure 2a).
Selon un autre mode de réalisation dans lequel le canal associé à chaque chambre est unique, le dispositif d’injection comprend, comme illustré figures 20 à 22, des chambres additionnelles dites cavités sources CSi disposées sur le substrat en périphérie de la pluralité de chambres jointives. Ces cavités sources sont disposées en dehors de la zone optiquement active constituée par les chambres jointives et dénommée ouverture du système optique.
Une cavité source CSi est connectée à un canal CAi et est fermée par la membrane flexible Memb, qui est fixée localement sur la périphérie de chaque cavité source.
Selon un mode de réalisation non préféré une autre membrane, différente de la membrane flexible Memb fermant les chambres, par exemple par son épaisseur, ferme les cavités sources.
L’ensemble constitué des deux cavités (chambre correspondant à la cavité optique active / cavité source) reliées par un canal forme un système fermé rempli de fluide: on a un écoulement de fluide de la cavité source vers la chambre et réciproquement. Pour un fluide incompressible une variation de volume dans une cavité se traduit par la même variation de volume dans l’autre cavité. Pour un fluide compressible la variation de volume de la chambre tient compte de la compression du fluide. Il n’y a pas écoulement de fluide vers l’extérieur (volume fini de liquide dans le système).
Le système d’injection comprend également une pluralité d’actionneurs ACTi associés respectivement à la pluralité de cavités sources. Un actionneur ACTi est lié mécaniquement au niveau de la membrane fermant la cavité source associée CSi. Il est configuré pour déformer localement la membrane flexible fermant la cavité source CSi, de manière à générer la pression pour activer la chambre associée Chi via le canal CAi. Une cavité source est ainsi couplée mécaniquement à un actionneur permettant de modifier son volume en poussant ou en tirant la membrane qui la ferme. Un avantage de ce système est qu’il n’y a plus de connecteurs vers l’extérieur et que l’on diminue significativement les longueurs entre l’actionneur et la cavité optique active (chambre Chi). Typiquement cette longueur est de l’ordre de quelques centimètres.
En outre il fonctionne en circuit fermé d’un point de vue hydraulique. Cela permet d’être compatible d’une intégration dans un système optique et/ou électrique plus important. De plus, une fois le système rempli, il n’y a plus de nécessité d’intervenir sur le fluide.
De manière classique il faut mettre en place des connecteurs entre générateur de pression et cavité active. Ces connecteurs constituent des sources de fuites potentielles du liquide vers l’extérieur mais aussi des entrées d’air vers le système. Les technologies de connecteurs actuels ne permettent pas d’assurer une parfaite étanchéité et ont été développés pour fonctionner en surpression plutôt qu’en dépression.
Ce système est versatile, il peut être utilisé pour activer n’importe quelle forme de cavité optique (chambre) avec des sections allant typiquement du pm2 au cm2. On peut intégrer physiquement autant d’actionneurs que de cavités optiques nécessaires et est compatible avec un nombre relativement élevé de cavités. Les systèmes classiques ont été développés pour des applications médicales et ont une résolution précise de la pression (à 0.01 bar) ou de l’écoulement (nL/min). Leur prix et leur encombrement limitent fortement le nombre de cavités pouvant être contrôlés de façon simultanée. D’un point de vue pratique, ce nombre est limité typiquement à la dizaine. Certaines applications de corrections du front d’onde peuvent nécessiter le contrôle d’une vingtaine de cavités. D’un point vue général, plus le nombre de cavités est important, plus la résolution du système optique sera bonne ainsi que sa versatilité. Le système est réalisé de manière monolithique, c’est-à-dire qu’un même matériau délimite les deux types de cavités.
Préférentiellement la même membrane flexible ferme les deux types de cavités.
Dans une variante c’est le matériau du substrat qui forme l’ensemble des cavités et des canaux, comme illustré figure 9. Selon une autre variante préférée le matériau délimitant les cavités et formant la membrane est le même matériau Mat, comme illustré figures 8 et 20 à 22.
Selon un mode préféré les actionneurs sont de type piézoélectrique, ce qui permet un actionnement électrique des cavités. Les figures 20 et 21 illustrent le fonctionnement d’un système à double cavité Chi/CSi actionné par un piézoélectrique ACTi. Sur la figure 20 l’actuateur est au repos (tension 0V appliquée au piezo), et aucune pression n’est appliquée à la chambre Chi. Sur la figure 21 le piézoélectrique est sous tension et provoque par variation de son épaisseur une déformation de la membrane fermant la cavité source, conduisant à une diminution de la hauteur de la cavité source d’une valeur hp.
La cavité source CSi (longueur LCs et largeur non représentée) n’a pas nécessairement les mêmes dimensions que la chambre Chi (longueur LCo et largeur non représentée), et donc l’augmentation de la hauteur de la chambre Chi hco résultante peut être différente de hp, comme illustré figure 21. Par exemple une faible variation de l’épaisseur d’une cavité entraîne une forte variation de l’épaisseur de l’autre. Cela permet notamment d’ajuster la résolution de l’actionneur piézoélectrique à la résolution optique désirée. Ainsi l’application d’un potentiel positif ou négatif aux bornes de l’activateur piézoélectrique permet de modifier la hauteur de la cavité source et finalement de modifier le volume de la cavité optique telle que décrit dans la figure 21.
L’intégration de l’actionneur requiert la mise en place d’un support mécanique 50 de part et d’autre de la cavité source afin de garantir l’efficacité de la compression de cette dernière. Ce support est ajouté de sorte à ce qu’il soit à l’extérieur de l’ouverture optique du système.
Un système 15 complet présentant un dispositif d’injection tel que décrit précédemment est illustré figure 22. Chaque cavité source est ainsi adressée individuellement par multiplexage à l’aide d’une électronique classique comprenant un driver électrique ED.
L’utilisation d’actuateurs piézoélectriques présente également l’avantage d’un temps de réponse faible. Dans un système classique d’actionnement hydrodynamique d’une cavité optique en micro fluidique, on utilise un piston mécanique reporté et connecté à la cavité via un cathéter. Il est possible de calculer la constante de temps t de réponse d’un tel système lorsqu’une pression est appliquée dans l’actionneur hydrodynamique (ici un piston mécanique). Ce temps caractéristique décrit le délai nécessaire pour que la pression imposée par le piston se transmette jusqu’à la sortie du cathéter et donc dans la cavité optique. L’expression analytique de t en fonction des paramètres géométriques est :
Figure imgf000027_0001
Dp, De, Lp et Le représentent respectivement les diamètres et les longueurs du piston et du cathéter, et m et E sont la viscosité et le module d’Young du fluide considéré.
En considérant que les dimensions d’une seringue (piston) sont classiquement de 20mm pour le diamètre et 10cm pour la longueur, que les dimensions d’un cathéter sont classiquement de 100pm pour le diamètre et de 10cm pour la longueur, la constante de temps obtenue est, pour de l’eau {m/E ~10 -12s) comme fluide, de l’ordre de 40ms pour un déplacement de
1 mm de la seringue.
II est à noter que ce temps de réponse ne prend pas en compte le délai dû à la viscosité du fluide dans le cathéter et à la perte de charge inhérente aux frottements de ce dernier sur les parois du cathéter.
Ces temps de réponses de l’ordre de 40-50 ms ne sont pas compatibles avec les besoins des applications en affichage où les fréquences de rafraîchissement doivent être supérieures d’au moins une décade à la fréquence de rafraîchissement de l’œil soit 250Hz, c’est-à-dire des temps de réponse de l’ordre de la ms.
En utilisant des actionneurs piézoélectriques selon le dispositif d’injection selon l’invention on a :
- une distance de cathéter plus courte, par exemple Le = 5cm et De = 100pm comme précédemment
- et pour l’actuateur Dp = 5mm (taille du piezo) Lp = hp =10pm (amplitude maximale de déformation de la membrane fermant la cavité source avec l’actuateur piezo). Le temps de réponse typique calculé avec la formule (1 ) est de 100ps correspondant à une fréquence de coupure hydrodynamique de 10kHz.
Concernant les actionneurs piézoélectriques, leur capacité typique est de l’ordre de 20nF à 300nF. Pour une tension, maximale de 100V et une intensité crête de 100mA on obtient des temps de réponses minimaux de 20ps à 300ps. Ces actuateurs présentent donc un temps de réponse compatible du temps de réponse du système fluidique de l’ordre de la ms. Ainsi la dynamique du système d’activation intégré selon l’invention est supérieure à 10kHz et donc au-delà des spécifications requises pour les applications optiques visées.
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 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 l et comprenant les étapes consistant à :
-déterminer une pluralité de déphasages locaux Dfί 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 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 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 Dfί déterminés à l’étape précédente. 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.
Selon un autre mode de réalisation les déphasages locaux sont déterminés de manière à opérer un codage actif de pupille.
Le système 15 selon l’invention présente un procédé de fabrication simplifié. On réalise d’abord un moule de référence égal au négatif des cavités et réseaux de canaux à réaliser, obtenu par exemple par structuration d’un substrat en silicium (dizaines de réplications possibles) ou en métal (pas de limite de réplication avant détérioration du moule).
Puis une fois le moule réalisé, les étapes de fabrication sont les suivantes (pour la variante de la figure 22 dans laquelle le même matériau flexible est utilisé pour les parois, la membrane et les espaces entre les chambres actives et les cavités sources et les cavités sources entre elles) :
1. Enduction centrifuge de la couche de polymère à l’épaisseur désirée,
2. Réticulation thermique du polymère (par exemple)
3. Démoulage et collage sur un substrat de support mécanique (par exemple lame de verre),
4. Remplissage des cavités via des canaux microfluidiques à mono utilisation,
5. Collage des piézoélectriques sur les membranes des cavités sources (via une réticulation thermique du polymère par exemple),
6. Mise en place du support mécanique et des connectiques électriques.
La durée totale de fabrication d’un tel échantillon représente quelques heures sachant que l’étape de production du moule n’est à réaliser qu’une seule fois pour un même design.

Claims

REVENDICATIONS
1. 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, une chambre étant donc destinée à être activée par le canal associé indépendamment des autres chambres.
2. Dispositif selon la revendication précédente dans lequel les chambres et les canaux sont remplis de fluide (Liq).
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 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 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 appui sur le substrat ou très proches de celui-ci lorsque ladite membrane est au repos.
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 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 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 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 front d’onde d’une onde lumineuse (OL) présentant au moins une longueur d’onde (l) 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 chambre, configuré 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 (Dfί) à la dite onde.
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 (Dfί).
14. Système optique selon l’une des revendications précédentes 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.
15. Système optique selon l’une des revendications 12 ou 13 dans lequel le canal associé à chaque chambre est unique et dans lequel le dispositif d’injection (ID) comprend :
-une pluralité de chambres additionnelles dites cavités sources (CSi) disposées sur ledit substrat en périphérie de ladite pluralité de chambres jointives, une cavité source étant connectée à un canal et fermée par ladite membrane flexible, une chambre, son canal et sa cavité source associés formant un système fermé rempli dudit fluide,
-une pluralité d’actionneurs (ACTi) associés respectivement à la pluralité de cavités sources, un actionneur étant configuré pour déformer localement la membrane flexible fermant la cavité source associée, de manière à générer la pression pour activer la chambre associée.
16. Procédé de modification d’une phase d’un front d’onde d’une onde lumineuse présentant au moins une longueur d’onde (l) et comprenant les étapes consistant à :
-déterminer une pluralité de déphasages locaux (Dfϊ) à appliquer audit front 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 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, une chambre étant donc activée par son canal associé indépendamment des autres chambres, les pressions (Pi) appliquées auxdites chambres (Chi) via lesdits canaux 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 (Dfί) à l’étape précédente.
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