Soutenance mémoire
Généralités sur les SLM et description des propriétés physiques utilisées
De manière générale, un SLM est un dispositif optique permettant de modifier point par point, dans un plan, les propriétés d’un champ électromagnétique. Ces modifications peuvent porter surl’intensité, la polarisation ou encore la phase de la lumière. Un composant optique classique est modélisé puis fabriqué pour remplir une fonction optique précise, fonction qui ne peut être modifiée à tout moment. À contrario, la fonction optique d’un modulateur spatial de lumière, quant à elle, n’est pas définie précisément lors de sa fabrication. Cette fonction est programmable à l’aide d’un dispositif de contrôle externe associé au modulateur, un ordinateur en l’occurrence. Il est ainsi possible de changer la fonction optique réalisée par un SLM suivant l’application souhaitée. Le modulateur a donc un caractère versatile et dynamique. Les applications sont diverses et les principales solutions technologiques pour les SLM sont les technologies à actions mécaniques et les CL.
Généralités sur les SLM
SLM à actions mécaniques
Les SLM à actions mécaniques les plus rependues dans le domaine grand public sont des SLM pixélisées appelées « Digital Mirror Device » (DMD). Cependant, contrairement aux cellules LCD, certains modèles de SLM à action mécaniques très peu rependus ne sont pas pixélisés. Les SLM à actions mécaniques non pixélisés sont généralement utilisés en modulation de phase alors que les SLM à actions mécaniques pixélisés de type DMD beaucoup plus rependu sont utilisés pour la modulation d’amplitude dans les vidéoprojecteurs grand public [7]. Nous commencerons par expliquer le fonctionnement des SLM à actions mécaniques à modulation d’amplitude. Nous passerons ensuite en revue le fonctionnement des SLM à actions mécaniques utilisé en modulation de phase.
SLM à action mécaniques pour la modulation d’amplitude
En modulation d’amplitude, des SLM à actions mécaniques sont utilisés en microscopie, en spectroscopie et surtout en projection avec la technologie DLP (Digital Light Processing) [8]. La technologie DLP consiste à utiliser une matrice de micro-miroir dans un vidéoprojecteur pour contrôler l’intensité lumineuse. Les SLM à actions mécaniques dédiées à la modulation d’amplitude pour la projection sont beaucoup plus rependues que leur homologue en modulation de phase («other optical MEMS »).
Chaque micro-miroir associé à un piston est appelé miroir segmenté. Cette technologie est appelée DMD (Digital Micro-mirror Devices). Chaque pixel, correspondant à un miroir, peut avoir deux états stables et possède une fréquence de rafraîchissement de l’ordre du kilohertz. Ainsi, plus le nombre de pixels sera élevé, plus la correction sera précise. Cette technologie dite bistable offre cependant moins de positions que les autres types de SLM mais peut être utilisée dans les applications tel que la projection vidéo ou la microscopie [13][14]. Dans la plupart des DMD, les miroirs ont deux positions possibles : -12° et 12° [15]. Les miroirs segmentés ont l’avantage de ne pas présenter d’effet de couplage entre les différents actionneurs. Les pixels sont facilement remplaçables et il est possible de les combiner pour augmenter les dimensions du miroir déformable. Cependant, la présence de zones mortes entre les segments crée un réseau bidimensionnel et donc un phénomène de diffraction parasite .
Chaque miroir est contrôlé indépendamment par un signal électrique. Ce signal permet de faire passer un miroir à l’état Off (entre -10° et -12°) ou On (entre 10° et 12°). Lorsqu’un miroir n’est pas adressé, il se trouve dans un état intermédiaire « plat ». Cet état est appelé ainsi, car l’état de repos des miroirs est autour de 0° [17]. En fonction du signal électrique que reçoit l’actionneur du miroir, nous avons 3 cas possibles :
– Miroir à l’état Off : La lumière arrivant sur la puce DMD est dirigée vers un absorbeur et aucune lumière ne passe par l’optique de projection. Ce cas correspond au cône de lumière « Off State Energy ».
– Miroir à l’état On : La lumière arrivant sur la puce DMD est dirigée vers l’optique de projection. Cette optique agrandit l’image qui la renvoie vers une surface de projection. Ce cas correspond cône de lumière « On State Energy ».
– Miroir à l’état « flat » : La lumière arrivant sur la puce DMD n’est pas envoyée sur l’optique de projection et elle est considérée comme perdue.
En plus des états On correspondant au « blanc » et Off au « noir », l’obtention d’un niveau de gris est également possible via un basculement rapide des miroirs entre les deux positions. En contrôlant la durée du miroir à l’état On et à l’état Off, le tout couplé à la persistance rétinienne permet d’obtenir les différentes teintes de gris .
SLM à cristaux liquides
Un cristal liquide est un état de la matière combinant les propriétés d’un liquide avec celles d’un solide cristallisé. Cet état est appelé mésophase. Si l’ont se concentre sur un CL nématique, ce type de CL possède notamment des propriétés de biréfringence et par conséquent un effet direct sur l’état de polarisation du champ électromagnétique qui le traverse. On peut convertir cette modification de l’état de polarisation en une variation d’intensité, ou de phase en plaçant des éléments polarisants autour du milieu à cristaux liquides. Dans le cas d’une anisotropie diélectrique positive, lorsqu’un champ électrique est appliqué aux cristaux liquides, les molécules tendent à s’aligner selon la direction du champ électrique. Ceci provoque une modification de la biréfringence. Il devient ainsi possible de modifier de façon contrôlée l’amplitude ou la phase du champ électromagnétique. C’est le principe de fonctionnement d’un SLM à cristaux liquides.
Cristaux liquides et propriétés physiques influençant le fonctionnement d’un SLM
Les SLM à CL peuvent être utilisés avec différents types de cristaux liquides et d’alignement. Cela permet d’augmenter les performances en fonction de l’application visée. Dans le cadre de ma thèse seront étudiés des dispositifs utilisant des molécules organiques ayant des propriétés d’un cristal liquide. C’est-à-dire qu’elles ne possèdent pas de transition unique entre l’état liquide et solide, mais plusieurs transitions faisant apparaître des états intermédiaires (états dits «mésophage »). Ce type de molécules est appelé « mésogène » .
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Table des matières
Introduction générale
1. Contexte
2. Organisation du mémoire
Chapitre 1 : Généralités sur les SLM et description des propriétés physiques utilisées
1. Introduction
2. Généralités sur les SLM
2.1. SLM à actions mécaniques
2.1.1. SLM à action mécaniques pour la modulation d’amplitude
2.1.2. SLM à action mécanique pour la modulation de phase
2.2. SLM à cristaux liquides
2.2.1. Cristaux liquides et propriétés physiques influençant le fonctionnement d’un SLM
2.2.2. Fonctionnement d’un SLM à cristaux liquides
2.3. Comparaison entre SLM à actions mécaniques et SLM à cristaux liquides
2.3.1. Différences intrinsèques entre les deux types de SLM
2.3.2. Influence de la structure et des performances des SLM à cristaux liquides et à actions mécaniques sur le système optique dans lequel il s’intègre
2.3.3. Bilan des différences entre les deux SLM
2.4. Modulation de phase anisotrope et d’amplitude avec les cristaux liquides
2.4.1. Modulation de phase anisotrope
2.4.2. Modulation d’amplitude
3. Déviation d’un faisceau lumineux avec un SLM à cristaux liquides
3.1. Implémentation de la fonction optique permettant de dévier un faisceau lumineux
3.1.1. Méthode diffractive : Dispertion par un réseau
3.1.2. Méthode réfractive : Dispertion par un prisme
4. Conclusion du chapitre
Références
Chapitre 2 : SLM à cristaux liquides utilisant la technologie In-Plane Switching
1. Introduction
2. Description de la technologie In-Plane Switching
2.1. Configuration utilisant des molécules possédant une anisotropie diélectrique positive
2.1.1. Alignement homogène des molécules de cristaux liquides
2.1.2. Alignement homéotrope (vertical) des molécules de cristaux liquides
2.1.3. Alignement twisté des molécules de cristaux liquides
2.2. Configurations utilisant des molécules possédant une anisotropie diélectrique négative
2.2.1. Alignement homogène des molécules de cristaux liquides
2.2.2. Alignement vertical (homéotrope) des molécules de cristaux liquides
2.2.3. Alignement twisté des molécules de cristaux liquides
2.3. Avantages, limites et évolutions de la technologie IPS
2.3.1. Comparaison du comportement des cristaux liquides à anisotropie diélectrique positive et négative
2.3.2 Étude de la technologie FFS “Fringe Field Switching”
3. Micro-SLM transmissif à base de technologie IPS
4. Conclusion du chapitre
Références
Chapitre 3 : Modulation de phase et déviation de faisceau avec un SLM à base de technologie IPS52
1. Introduction
2. Description du logiciel et des protocoles de test
3. Caractérisation des performances des 3 variantes de l’IPS
3.1. Choix des paramètres
3.1.1. Paramétrage géométrique de la cellule
3.1.2. Choix des matériaux, des cristaux liquides et des paramètres associés
3.2. Protocole d’analyse mathématiques des configurations
3.3. Configuration IPS-HA
3.3.1. Configuration avec des molécules possédant un Δε > 0
3.3.2. Configuration avec des molécules possédant un Δε < 0
3.4. Configuration IPS-VA
3.4.1. Origine des lignes de disclinaison et solutions pour les masquer ou les faire disparaitre
3.4.2. Optimisation du design de la cellule dans le but d’obtenir le meilleur déphasage possible
3.5. Configuration IPS-TN
3.5.1. Configuration avec des molécules possédant un Δε > 0
3.5.2. Configuration avec des molécules possédant un Δε < 0
4. Performances d’une cellule IPS appliquée à la déviation de faisceaux
4.1. Rappel des performances obtenues et contraintes liées à l’application voulue
4.2. Performances d’une matrice de pixel pour la déviation de faisceaux
5. Intégration du prototype dans un système optique bio-inspiré
5.1. Fovéa et réalité augmentée
5.2. Performances d’un système optique fovéaté intégrant un SLM de type IPS-VA
5.2.1. Design du système, but et protocole de simulation
5.2.2. Performances d’un système optique à base de lentilles sans SLM
5.2.3. Performances d’un système optique à base de lentilles avec un SLM reproduisant la fovéation
5.2.3.1. Implémentation du SLM sous Zemax
5.2.3.2. Comparaison des résultats
5.2.3.3. Résumé et limites de l’étude
6. Conclusion du chapitre
Références
Chapitre 4 : Modulation d’amplitude et retour électrique des molécules avec la technologie IPS
1. Introduction
2. Etat de l’art sur l’optimisation du temps de réponse des SLM à base de technologie IPS
3. Étude de plusieurs configurations de micro-SLM IPS permettant un temps de réponse rapide
3.1. Description de LCDMaster 3D et du protocole de test
3.2. Paramétrage et design de la cellule
3.2.1. Recherche de l’épaisseur de cristal liquide permettant d’obtenir en sortie la transmittance optimale
3.3. Étude des performances de la configuration 1 (deux niveaux électrodes séparées par une couche d’isolant)
3.3.1. Influence des électrodes d’adressages sur les électrodes de retour lors de leur activation
3.4. Étude des performances de la configuration 2 (Électrodes d’adressages et d’effacement au même niveau)
3.5. Étude des performances de la configuration 3 (Électrodes d’adressages et d’effacements face à face)
3.5.1. Performances de la configuration 3 avec le MLC-2139
3.5.2. Diminution de l’espace interélectrodes des électrodes de retour
3.6. Bilan de l’étude
4. Validation expérimentale des différentes configurations
4.1. Création et calibration d’un banc de caractérisation électro-optique
4.2. Validation expérimentale de la configuration possédant une paire d’électrodes enterrées (configuration 1)
4.3. Validation expérimentale de la configuration possédant deux paires d’électrodes face à face (configuration 3)
5. Conclusion du chapitre
Références
Conclusion générale
