Dispositif de réalité augmentée basé sur des concepts de couplage guide d’onde/hologramme

Le CEA-LETI a récemment développé un nouveau concept de projection rétinienne pour la réalité augmentée. Ce système de projection est embarqué sur un verre de lunette transparent et doit permettre de projeter des images sur la rétine de son utilisateur. Il est composé de deux parties principales : un circuit photonique intégré et des hologrammes analogiques. Cette thèse se concentre sur le développement du circuit photonique. Ce dernier doit permettre de distribuer des signaux de lumière à la surface du verre de lunette. Le circuit extrait ensuite ces signaux en vue de leur projection sur la rétine de l’observateur. D’autres membres de l’équipe se sont consacrés à la seconde partie du concept – l’hologramme – en parallèle des travaux de thèse. L’hologramme se superpose au circuit photonique et doit contrôler les propriétés d’émission des faisceaux extraits par celui-ci (angle, phase). Le fonctionnement du projecteur permet de focaliser des images directement sur la rétine de l’observateur sans avoir recours à des éléments d’optique qui peuvent s’avérer complexes et volumineux (ex : combineurs optiques, lentilles etc.).

Introduction à la Réalité Augmentée

Les appareils de télécommunication ont traditionnellement effectué une transition à partir d’appareils fixes et à faible débit vers des appareils mobiles et à grande capacité de transfert de données. Avec l’avènement d’internet et des appareils portatifs intelligents (ex : téléphones et montres intelligents), nous pouvons désormais conserver notre outil de communication sur nous tout en ayant une grande mobilité physique. Ces appareils nous permettent d’avoir accès rapidement à l’information en tout temps. La mobilité de ces appareils et leurs nombreux capteurs (GPS, accéléromètre, caméra, capteur de fréquence cardiaque…) permettent également de nous livrer des informations contextuelles. Toutefois, l’information délivrée est déportée : il faut tourner le regard ou sortir l’appareil de sa poche pour observer l’écran nous fournissant la majorité de l’information. Au-delà de la mobilité et de la capacité de transfert de données, une nouvelle transition s’est entamée dans les appareils de télécommunications : leur intégration avec l’individu. Ainsi, afin que l’information soit délivrée plus directement et avec une meilleure contextualisation, des solutions ont été développées pour l’incorporer naturellement dans notre champ de vision : les lunettes de réalité augmentée (RA) et les lunettes de réalité mixte (RM) [1][2] . Ces lunettes peuvent contextualiser l’information qu’elles nous fournissent en « voyant ce que l’on voit » grâce à des capteurs appropriés. Le principe de ces lunettes est d’afficher une information virtuelle dans notre champ de vision tout en nous permettant de continuer à observer notre environnement extérieur. L’ajout d’un affichage virtuel superposé à la vue du monde réel permet d’expliquer le terme « réalité augmentée ». Les premiers exemples connus de systèmes de réalité augmentée sont apparus sur des supports fixes, dont les affichages tête haute des cockpits d’avions [3] (Head-Up Display, HUD, en anglais). Les concepts de RA et RM portatifs se sont récemment popularisés notamment avec les lunettes Google Glass [4] et le jeu mobile Pokémon Go.  Dans le cas des lunettes de réalité augmentée, l’information est affichée indistinctement de la spatialité de l’environnement, i.e. sans tenir compte du positionnement et de la forme des objets environnants. Par exemple, une bulle textuelle pourrait apparaître dans les lunettes RA pour nous indiquer que l’on doit tourner à droite à la prochaine intersection lorsqu’on est au volant d’un véhicule. Les lunettes RA visent une longue durée d’utilisation quotidienne. Elles ont un rôle davantage informatif. Leur rôle requiert une conception compacte avec une forte luminosité [5] . Elles doivent également être compatibles avec des lunettes de vue.

La réalité mixte, au contraire, modélise en 3D l’environnement que l’on observe afin que les informations virtuelles affichées s’adaptent à sa spatialité. Par exemple, la flèche virtuelle nous indiquant que l’on doit tourner à droite en conduisant pourrait suivre la route, donnant l’impression qu’il s’agit d’une réelle peinture au sol qui nous guide. Ce mélange de la réalité et de l’information virtuelle permet d’expliquer le terme « réalité mixte », où les deux deviennent indistinguables. Les lunettes RM visent une expérience plutôt interactive, à l’opposé des lunettes RA. La complexité de la génération d’images 3D exerce une forte pression sur la capacité de calcul du dispositif, et donc sur la latence d’affichage. Cette complexité se retrouve aussi dans les grandes dimensions et le poids élevé des dispositifs MR actuels. Cela limite leur utilisation pour une durée moyenne (quelques heures) de façon périodique. Les lunettes RM doivent aussi généralement obscurcir la scène réelle observée afin d’afficher clairement des éléments virtuels sombres.

Systèmes de Réalité Augmentée

Systèmes de projection classiques

Les systèmes de projection d’image « classiques » en réalité augmentée ont généralement recours à une combinaison d’un micro-écran [16] , d’une optique de mise en forme, d’un ou plusieurs guides d’onde plans et d’un combineur optique souvent fait à partir d’un réseau de diffraction.

Dans un premier temps, le micro-écran émet l’image à projeter en bordure du dispositif (i.e. souvent sur les bords de la monture des lunettes RA). L’image est collimatée par un système optique généralement composé de lentilles macroscopiques. L’image collimatée est couplée à un guide d’onde plan à l’aide d’un composant d’insertion. Ce composant peut être conçu de plusieurs façons, dont à l’aide d’un ou plusieurs hologrammes. Le guide d’onde plan guide l’image à la surface du verre de lunette par réflexion totale interne (RTI) jusqu’à ce qu’elle arrive devant les yeux de l’observateur. L’image est alors extraite du guide par un combineur optique. Ce composant peut également être conçu à l’aide d’un hologramme. Un combineur holographique a l’avantage d’être compact (couche mince déposée sur le verre de lunette) et très sélectif en longueur d’onde. L’hologramme est donc transparent à la majorité du spectre visible, hormis à la longueur d’onde à laquelle il réagit.

Les propriétés et fonctions optiques pouvant être générées par des hologrammes sont variées [23] : réflexion, diffraction, focalisation et collimation, mise en phase de plusieurs faisceaux etc. Ils sont regroupés sous le terme « éléments optiques holographiques », ou holographic optical element (HOE) en anglais.

Ces propriétés doivent d’abord être enregistrées dans le volume de la couche holographique en faisant interférer 2 ondes électromagnétiques (une onde référence et une onde objet). L’interférence destructive ou constructive de ces 2 ondes mène à des pics ou des creux locaux d’intensité lumineuse dans le volume de la couche holographique. Les variations d’intensité sont enregistrées par une variation locale de l’indice de réfraction dans le matériau holographique. Cela permet à l’hologramme d’enregistrer de façon permanente le motif d’interférence entre les 2 ondes. Durant la lecture de l’hologramme, seule l’onde référence est envoyée dans la couche holographique. Cette couche modifie alors l’onde référence afin qu’elle réplique les propriétés optiques de l’onde objet initiale.

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Table des matières

Introduction
Lexique
Chapitre 1 Contexte et objectifs
1.1 Contexte
1.1.1 Introduction à la Réalité Augmentée
1.1.2 Systèmes de Réalité Augmentée
1.1.3 Projection rétinienne au CEA-LETI
1.1.4 Photonique intégrée visible
1.2 Objectifs de thèse
1.2.1 Objectifs généraux
1.2.2 Objectifs des masques de photolithographie
Chapitre 2 Moyens
2.1 Outils numériques
2.1.1 Méthodes de simulation
2.1.2 Evaluation de RSoft
2.1.3 Outils de dessin des masques de photolithographie
2.2 Instruments de caractérisation
2.2.1 Goniomètre
2.2.2 Prober
2.2.3 Autres outils de caractérisation
2.3 Conception des circuits
2.3.1 Fabrication du lot 1
2.3.2 Fabrication du lot 2
2.3.3 Autres moyens de conception
2.4 Fonctionnement de l’hologramme
Chapitre 3 Résultats
3.3 Etude des briques de base (lot 1*)
3.3.1 Guide d’onde monomode
3.3.2 Guide courbe
3.3.3 Couplage entre guides
3.3.4 Coupleur MMI
3.3.5 Coupleur directionnel 3dB
3.3.6 Réseaux de diffraction
3.3.7 Interféromètre de Mach-Zehnder
3.3.8 Réseaux de guides d’onde
3.3.9 Croisements
3.3.10 Edge-coupler (coupleur par la tranche)
3.4 Etude de l’interaction « guide d’onde – hologramme » (lot 2)
Chapitre 4 Conclusion et perspectives
4.1 Bilan
4.1.1 Réalisation des objectifs initiaux
4.1.2 Conclusion
4.2 Perspectives
4.2.1 Points d’amélioration des travaux effectués
4.2.2 Interaction « guide d’onde – hologramme »
4.2.3 Proposition d’architecture pour le circuit d’adressage
Conclusion
Annexe

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