EP3824328A1 - Systeme optique et son procede de fabrication - Google Patents

Systeme optique et son procede de fabrication

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EP3824328A1
EP3824328A1 EP19740011.2A EP19740011A EP3824328A1 EP 3824328 A1 EP3824328 A1 EP 3824328A1 EP 19740011 A EP19740011 A EP 19740011A EP 3824328 A1 EP3824328 A1 EP 3824328A1
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EP
European Patent Office
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optical system
layer
holes
face
optical
Prior art date
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Pending
Application number
EP19740011.2A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Wilfrid Schwartz
Agathe Puszka
Tindara VERDUCI
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Isorg SA
Original Assignee
Isorg SA
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Filing date
Publication date
Application filed by Isorg SA filed Critical Isorg SA
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Pending legal-status Critical Current

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    • H10K39/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one organic radiation-sensitive element covered by group H10K30/00
    • H10K39/30—Devices controlled by radiation
    • H10K39/32—Organic image sensors

Definitions

  • the present description relates generally to optical systems and their manufacturing methods.
  • An optical system is a set of optical elements, such as mirrors, lenses, diffraction gratings, etc. allowing to modify the trajectory of light rays or the properties of light.
  • An example of application of an optical system relates to an image acquisition system in which the optical system is interposed between the sensitive part of an image sensor and the object to be imaged, and makes it possible to form an image. sharp of the object to be imaged on the sensitive part of the image sensor.
  • Another application example corresponds to the coupling of the optical system to a single photodetector, such as a photodiode, in order to control the light collected by the photodetector.
  • Another example of application relates to a display or projection system in which the optical system covers a light source, for example a display screen, and makes it possible to modify the radiation emitted by the light source, for example angularly filter the radiation from each display pixel
  • a conventional optical system it is not possible to use a conventional optical system.
  • a conventional optical system between the sensitive part of the image sensor and the object to be imaged. This is particularly the case when the image sensor occupies a large surface, greater than the square centimeter, and the distance between the object to be imaged and the sensitive part of the image sensor is less than the centimeter.
  • Another object of an embodiment is that the method of manufacturing the optical system can be implemented on an industrial scale.
  • an embodiment provides an optical system comprising a layer comprising a first face intended to receive radiation and a second face opposite to the first face, said layer being opaque to said radiation and comprising through holes or partially through open on the first face, the optical system comprising a matrix of optical elements of micrometric size covering said layer, each optical element being configured to behave like a converging lens with focal length between 1 ym and 100 ym, the distance between the surface equidistant from the first and second faces and the focal points of the optical elements being less than twice the thickness of said layer.
  • the optical system is configured to block the rays of said radiation whose incidence relative to a direction orthogonal to the first face is in at least a first range of incidences and to allow rays to pass of said first radiation whose incidence relative to a direction orthogonal to the first face is in at least a second range of incidences distinct from said at least one first range of incidences.
  • the matrix of optical elements of micrometric size comprises a matrix of lenses of micrometric size, a matrix of Fresnel lenses of micrometric size, a network of microlenses with gradient index of micrometric size, or a matrix of diffraction gratings of micrometric size.
  • the matrix of optical elements of micrometric size comprises a matrix of lenses of micrometric size.
  • the focal planes of the micrometric size lenses are combined.
  • the micrometric size lenses are circular or hexagonal in base and arranged in hexagonal tiling.
  • the micrometric size lenses are square based and arranged in a square tiling.
  • the matrix of optical elements of micrometric size comprises a matrix of aspherical lenses of micrometric size.
  • each aspherical lens comprises a central portion surrounded by a peripheral portion having a radius of curvature greater than the radius of curvature of the central portion.
  • each lens has a conical constant equal to -1 and a radius of curvature in the center between 1/3 and 2/3 of the pitch of the lenses.
  • the lenses are spherical lenses and the radius of curvature of the lenses is greater than half the pitch of the lenses and less than the pitch of the lenses.
  • the system comprises as many optical elements of micrometric size as holes, the pitch between the optical elements of micrometric size being the same as the pitch between the holes.
  • the ratio between the height of the hole, measured perpendicular to the first face, and the width of the hole, measured parallel to the first face varies from 0.1 to 10.
  • the holes are arranged like the optical elements, the pitch between adjacent holes of the same row or of the same column varying from 1 ⁇ m to 500 ⁇ m.
  • the height of each hole measured in a direction orthogonal to the first face, varies from 0.1 ⁇ m to 1 mm.
  • the width of each hole, measured parallel to the first face varies from 0.1 ⁇ m to 100 ⁇ m.
  • the optical system comprises a stack of said layer comprising said through or partially through holes and an additional layer comprising additional holes through or partially through aligned with said holes.
  • the optical system further comprises a coating covering the matrix of optical elements of micrometric size, the matrix of optical elements of micrometric size being interposed between the coating and said layer, the index of coating refraction being different from the refractive index of air.
  • the refractive index of the coating is lower than the refractive index of the matrix of optical elements of micrometric size.
  • the coating is in contact with all of each optical element.
  • the coating is in contact with each optical element only at the top of said optical element, and delimits an air gap with the rest of said optical element.
  • the optical system comprises a support between the matrix of optical elements of micrometric size and said layer.
  • the refractive index of the support is greater than the refractive index of said layer.
  • the refractive index of the support is greater than the refractive index of the matrix of optical elements of micrometric size.
  • the holes are filled with a solid, liquid or gaseous material with a refractive index lower than the refractive index of the support.
  • the tangent arc of the ratio between half the pitch of the optical elements of micrometric size and the thickness of the support is greater than the sine arc of the ratio between the refractive index of the filling material the holes and the refractive index of the support.
  • the holes are frustoconical.
  • the focal points of the optical elements are located in the second face to within 1 ⁇ m.
  • the dimensions of the hole on the first face are equal, or greater, by at most 10%, to the dimensions of the radiation on the first face focused by the optical element in screw - opposite the hole.
  • the dimensions of the hole on the second face are equal, or greater, by at most 10%, to the dimensions on the second face of the radiation focused by the optical element in screw opposite the hole.
  • An embodiment also provides an image acquisition system comprising an image sensor and an optical system as defined above covering the image sensor and forming an angular filter.
  • the image sensor comprises a matrix of photodetectors and the pitch of the optical elements is less than half the pitch of the photodetectors.
  • An embodiment also provides a lighting or display or illumination system comprising a light source and an optical system as defined above covering the light source.
  • the light source comprises a radiation emission zone located, to the nearest 0.1 ⁇ m, in a plane containing the focal points of the optical elements and, for each hole, the ratio between the height of the hole, measured perpendicular to the first face, and the width of the hole, measured parallel to the first face, is greater than 5, from which it follows that the optical system plays the role of a device for collimating radiation .
  • Figure 1 is a sectional view, partial and schematic, of an embodiment of an optical system comprising a layer with apertures and an array of microlenses;
  • Figure 2 is a top view of the apertured layer of the optical system shown in Figure 1
  • FIG. 3 shows a variant of the optical system of Figure 1 in the case where the microlenses are embedded in a medium with a refractive index greater than 1;
  • Figure 4 shows another variant of the optical system of Figure 1
  • Figure 5 shows another variant of the optical system of Figure 1
  • Figure 6 shows another variant of the optical system of Figure 1
  • Figure 7 shows another variant of the optical system of Figure 1
  • Figure 8 shows another variant of the optical system of Figure 1
  • Figure 9 shows another variant of the optical system of Figure 1
  • Figure 10 shows another variant of the optical system of Figure 1
  • Figure 11 shows another variant of the optical system of Figure 1
  • Figure 12 shows an evolution curve of the transmittance of a layer with openings
  • FIG. 13 illustrates the optical properties of angular filters having holes of different shapes
  • Figure 14 illustrates other optical properties of the optical system of Figure 1;
  • Figure 15 is a sectional view, partial and schematic, of an embodiment of an optical system comprising a layer with apertures and an array of microlenses used for simulations;
  • FIG. 16 represents a curve of evolution of the normalized angular transmittance obtained with first dimensions and optical parameters for the optical system of FIG. 15;
  • FIG. 17 represents a curve of evolution of the standardized transmittance obtained with second dimensions and optical parameters for the optical system of FIG. 15;
  • Figure 18 shows an embodiment of an arrangement of microlenses
  • FIG. 19 shows another embodiment of an arrangement of microlenses
  • FIG. 20 shows another embodiment of an arrangement of microlenses
  • Figure 21 includes, in the left part, a sectional view of the optical system of Figure 1 at a spherical microlens and an opening of the layer with openings and includes, in the right part, a view of above the focusing spot obtained with the microlens shown in the left part;
  • Figure 22 is a figure similar to Figure 21 for an aspherical lens
  • Figure 23 shows an embodiment of an image acquisition system
  • Figure 24 shows an embodiment of a lighting or projection system
  • FIG. 25 illustrates a step of an embodiment of a method for manufacturing the optical system shown in FIG. 3;
  • Figure 26 illustrates another step in the process
  • Figure 27 illustrates another step in the process
  • Figure 28 illustrates another step in the process
  • FIG. 29 illustrates another step of the method
  • FIG. 30 illustrates parameters for obtaining a first form of hole
  • FIG. 31 illustrates parameters for obtaining a second form of hole
  • FIG. 32 illustrates a step in another embodiment of a method for manufacturing the optical system shown in FIG. 3;
  • FIG. 33 illustrates another step of the method.
  • the expressions “approximately”, “approximately”, “substantially”, and “of the order of” mean to within 10%, preferably to within 5%.
  • the transmittance corresponds to the ratio between the intensity of the radiation leaving the optical system 5 and the intensity of the radiation entering the optical filter.
  • a layer or film is said to be opaque to radiation when the transmittance of the radiation through the layer or film is less than 10%.
  • a layer or film is said to be transparent to radiation when the transmittance of the radiation through the layer or film is greater than 10%.
  • all the elements of the optical system which are opaque to radiation have a transmittance which is less than half, preferably less than one fifth, more preferably less than one tenth, of the weakest transmittance of the elements of the system optics transparent to said radiation.
  • an "optical element of micrometric size” is an optical element formed on one face of a support whose maximum dimension, measured parallel to said face, is greater than 1 ⁇ m and less than 1 mm.
  • a film or layer is said to be oxygen-tight when the film or oxygen permeability at 40 ° C is less than 1.10 _1 cm 3 / (m 2 * day) .
  • Oxygen permeability can be measured using ASTM D3985 titled "Standard Test Method for Oxygen Gas Transmission Rate Through Plastic Film and Sheeting Using a Coulometric Sensor".
  • a film or layer is said to be waterproof when the permeability of the film or the layer at water at 40 ° C. is less than 1.10 1q / (m 2 * day).
  • Water permeability can be measured using ASTM F1249 titled "Standard Test Method for Water Vapor Transmission Rate Through Plastic Film and Sheeting Using a Modulated Infrared Sensor".
  • the refractive index of a solid, liquid, or gaseous material corresponds to the refractive index of the material for the range of wavelengths of the useful radiation. Unless otherwise indicated, the refractive index is considered to be substantially constant over the wavelength range of the useful radiation, for example equal to the mean of the refractive index over the wavelength range of the useful radiation.
  • one possibility consists in covering the sensor of images of an optical system of simple structure playing the role of an angular filter, comprising an opaque layer crossed by openings, and covered with a matrix of optical elements of micrometric size, for example a matrix of lenses micrometric size, or microlens, an array of microlenses with a gradient index of micrometric size, or a matrix of diffraction gratings of micrometric size or nanometric size, each optical element of micrometric or nanometric size being associated with an opening of the layer with openings.
  • a matrix of optical elements of micrometric size for example a matrix of lenses micrometric size, or microlens, an array of microlenses with a gradient index of micrometric size, or a matrix of diffraction gratings of micrometric size or nanometric size, each optical element of micrometric or nanometric size being associated with an opening of the layer with openings.
  • each optical element of micrometric size corresponds to a lens of micrometric size, or microlens.
  • each optical element of micrometric size can correspond to a Fresnel lens of micrometric size, to a lens with micrometric size index gradient or micrometric size diffraction grating.
  • Figure 1 is a sectional view, partial and schematic, of an embodiment of an optical system 5.
  • the optical system 5, comprises, from bottom to top in Figure
  • a matrix of optical elements 14 of micrometric size for example a matrix of microlenses 14 covering the intermediate layer 12, the intermediate layer 12 then being able to play the role of support for the matrix of microlenses 14, the intermediate layer 12 and the matrix of microlenses 14 which can correspond to a monolithic structure.
  • FIG. 1 shows by way of example two rays R and R ′ passing through the optical system 5.
  • the initial incidence of the radius R is called the angle between the radius R before having passed through the microlens 14, and a direction D perpendicular to the face 11, and the final angle of the ray R is called the angle between the ray R after having passed through the microlens 14, and a direction D perpendicular to the face 11.
  • Figure 2 is a top view of the layer with openings 10 shown in Figure 1.
  • the layer of openings 10 comprises an opaque layer 16 through which holes 18, also called openings.
  • the holes 18 are traversing insofar as they extend over the entire thickness of the layer 16.
  • the holes 18 may extend only over part of the thickness of the opaque layer 16, a residual portion of the opaque layer 16 remaining at the bottom of the holes 18.
  • the thickness of the residual portion of the opaque layer 16 at the bottom of the hole 18 is sufficiently small so that the assembly comprising the hole 18, possibly filled, and the residual portion of the opaque layer 16 at the bottom of the hole 18 can be considered transparent to useful radiation.
  • the distribution of the holes 18 follows the distribution of the microlenses 14.
  • FIG. 2 corresponds to the case where the microlenses are distributed according to a square mesh.
  • the thickness of the layer 16 is called "h", which also corresponds to the height of the holes 18.
  • the layer 16 is opaque to all or part of the spectrum of the incident radiation.
  • the layer 16 can be opaque to the useful radiation used in operation, for example absorbing and / or reflecting with respect to the useful radiation.
  • the layer 16 is absorbent in the visible or part of the visible and / or the near infrared and / or the infrared.
  • the refractive index of the material making up the matrix of optical elements 14 is denoted ni.
  • the refractive index of the material making up the intermediate layer 12 is denoted n2.
  • the material making up layer 16 is denoted n3.
  • the refractive index of the filling material for the holes 18 is denoted n4.
  • the holes 18 are shown with a circular cross section.
  • the cross section of the holes 18 in the top view can be any, for example annular, circular, oval or polygonal, in particular triangular, square or rectangular depending on the manufacturing method used.
  • the holes 18 are shown with a constant cross section over the entire thickness of the opaque layer 16.
  • the cross section of each hole 18 can vary over the thickness of the opaque layer 16
  • the shape of the holes can be adjusted by process parameters such as exposure dose, development time, divergence of the photolithography exposure source as well as the shape of the microlenses.
  • the holes 18 are arranged in rows and columns.
  • the holes 18 can have substantially the same dimensions.
  • the width of a hole 18, measured in the direction of the rows or columns, is called “w".
  • the width w corresponds to the diameter of the hole 18 in the case of a hole of circular cross section.
  • the holes 18 are arranged regularly in the rows and in the columns.
  • the repetition step of the holes 18 is called "p", that is to say the distance in top view of the centers of two successive holes 18 of a row or of a column.
  • the arrangement of the holes reproduces the arrangement of the microlenses 14.
  • the layer with openings 10 only lets through the rays of the incident useful radiation whose final incidence relative to the upper face 11 of the layer with openings 10 is less than a maximum maximum final angle of incidence, which is defined by the following relation (1) in the case where the material making up the layer 16 is perfectly absorbent and in the case where the width w of the hole 18 at the inlet of the hole is identical to the width w of the hole 18 at the outlet of the hole:
  • the angular opening "a" of the layer with openings 10 is equal to twice the maximum maximum final incidence.
  • This angular opening a corresponds to the case of a perfectly absorbent material.
  • the angular opening a can be greater than the value obtained from equation (1).
  • the h / w ratio can vary from 1 to 10, or even be greater than 10.
  • the pitch p can vary from 1 ym to 500 ym, preferably from 1 ym to 100 ym, more preferably from 10 ym to 50 ym , for example equal to about 15 ym.
  • the height h can vary from 0.1 ⁇ m to 1 mm, preferably from 1 y to 130 ⁇ m, more preferably from 10 ⁇ m to 130 ⁇ m or from 1 ⁇ m to 20 ⁇ m.
  • the width w can vary from 0.1 ⁇ m to 100 ⁇ m, preferably from 1 ⁇ m to 10 ⁇ m, for example equal to approximately 2 ⁇ m.
  • the holes 18 can all have the same width w. As a variant, the holes 18 can have different widths w.
  • the microlenses 14 are converging lenses each having a focal distance f of between 1 ⁇ m and 100 ⁇ m, preferably between 5 ⁇ m and 50 ⁇ m. According to one embodiment, all the microlenses 14 are substantially identical. According to one embodiment, the maximum thickness of the microlenses 14 is between 1 ⁇ m and 20 ⁇ m.
  • microlenses 14 and holes 18 make it possible to optimize two important parameters. More precisely, this makes it possible to increase the transmittance at normal incidence while reducing the viewing angle. Without the microlenses 14, optimizing these two parameters requires very low width-to-height ratio openings and a large filling factor, which is very difficult to achieve in practice.
  • the addition of microlenses 14 on the holes 18 makes it possible to relax the constraint on the shape factor of the openings and the filling factor.
  • Figure 3 is a sectional view of a variant of the optical system 5 shown in Figure 1 wherein the optical system 5 further comprises a coating 20 covering the matrix of microlenses 14.
  • the coating 20 comprises for example a stack of several layers, for example two layers 22 and 24, and comprising a face upper 26, the coating 20 possibly not being present, the upper face 26 then corresponding to the upper face of the matrix of microlenses 14.
  • the refractive index of the layer 22 is lower than the refractive index or of the matrix of microlenses 14.
  • the coating 20 may comprise only the layer 22.
  • the role of the layer 22 is to protect the microlenses 14 and / or to form a substantially planar face to simplify assembly with an upper layer not represented.
  • the layer 22 preferably has a refractive index lower than that of the microlenses 14 in order to maintain the focusing effect of the microlenses 14.
  • the refractive index of the layer 22 is between 1.2 and 1 , 5 and the refractive index of the microlenses 14 is between 1.4 and 1.6.
  • FIG. 4 is a sectional view of a variant of the optical system 5 represented in FIG. 3 in which the coating 20 comprises only the layer 24 which corresponds to a film applied against the matrix of microlenses 14.
  • the contact zone between the layer 24 and the microlenses 14 can be reduced, for example limited to the tops of the microlenses 14.
  • the layer 24 can serve to protect the microlenses 14 and / or form a substantially flat face to simplify assembly with a upper layer not shown.
  • the layer 24 can also be an adhesive layer for joining the optical system 5 to an upper layer.
  • Figure 5 is a sectional view of another variant of the optical system 5 shown in Figure 1 wherein the apertured layer 10 comprises an additional opaque layer 28 covering the opaque layer 16, on the side of the opaque layer 16 opposite the microlenses 14, and crossed by holes 30 situated in the extension of the holes 18.
  • FIG. 6 is a sectional view of a variant of the optical system 5 shown in FIG. 5 in which the layer with openings 10 comprises an intermediate layer 32, transparent to useful radiation, interposed between the opaque layers 16 and 28.
  • the layer with openings 10 may comprise a stack of more than two opaque layers, each opaque layer being traversed by holes, the opaque layers of each pair of adjacent opaque layers being spaced or not by one or more transparent layers.
  • Figure 7 is a sectional view, partial and schematic, of a variant of the optical system 5 of the embodiment shown in Figure 1 in which the cross section of the holes 18 is not constant.
  • the cross section of each hole 18 decreases as one moves away from the microlenses 14.
  • the holes 18 have a substantially frustoconical shape.
  • the diameter of the holes 18 on the side of the face 11 is between 2 ⁇ m and 10 ⁇ m and the diameter of the holes 18 on the side of the face 13 is between 1 ⁇ m and 5 ⁇ m.
  • Figure 8 is a sectional view, partial and schematic, of a variant of the optical system 5 of the embodiment shown in Figure 1 wherein the layer of openings 10 comprises a base layer 34 of a first material at less partially transparent to useful radiation and covered with a coating 36 opaque to useful radiation, for example absorbent and / or reflective with respect to useful radiation.
  • the first material can be a resin.
  • the second material can be a metal, for example aluminum (Al) or chromium (Cr), a metal alloy or an organic material. This material can cover the walls holes as shown in FIG. 8, or not depending on the characteristics of the layer 16.
  • FIG. 9 is a sectional view, partial and schematic, of another variant of the optical system 5 of the embodiment shown in Figure 1 in which a reflective layer 38 relative to the useful radiation covers the face of the layer with openings 10 opposite to the microlenses 14.
  • the holes 18 have a shape adapted to the microlenses 14, for example substantially cylindrical.
  • the reflective layer 38 can be a metallic layer, for example a layer of aluminum (Al) or of chromium (Cr).
  • FIG. 10 is a figure similar to FIG. 9 for holes 18 of frustoconical shape, the large diameter of each hole 18 being oriented towards the side of the microlenses 14.
  • Figure 11 is a sectional view, partial and schematic, of a variant of the optical system 5 of the embodiment shown in Figure 9 in which the reflective layer 38 covers the face of the layer of apertures 10 opposite to the microlenses 14 and possibly the internal side walls of the holes 18.
  • inventions illustrated in Figures 9, 10 and 11 advantageously allow to increase the obstruction, either by reflection or by absorption, of the angular filter 5 relative to the oblique light rays.
  • the layer 16 is made of a positive photosensitive resin, that is to say a photosensitive resin for which the part of the layer of resin exposed to radiation becomes soluble in a developer and where the part of the photosensitive resin layer which is not exposed to radiation remains insoluble in the developer.
  • the opaque layer 16 can be colored resin, for example a colored or black DNQ-Novolaque resin or a DUV photosensitive resin (English acronym for Deep Ultraviolet).
  • DNQ-Novolaque resins are based on a mixture of diazonaphthoquinone (DNQ) and a novolak resin (phenolformaldehyde resin).
  • DUV resins can include polymers based on polyhydroxystyrenes.
  • the layer 16 is made of a negative photosensitive resin, that is to say a photosensitive resin for which the part of the resin layer exposed to radiation becomes insoluble in a developer and where the part of the photosensitive resin layer which is not exposed to radiation remains soluble in the developer.
  • a negative photosensitive resin examples include epoxy-based polymer resins, for example the resin marketed under the name SU-8, acrylate resins and thiol-ene polymers excluding stoichiometry (OSTE, acronym for Off-Stoichiometry thiol). -enes polymer).
  • the layer 16 is made of a material which can be machined by laser, that is to say a material capable of degrading under the action of laser radiation.
  • materials that can be machined by laser are graphite, a thin metal film (typically from 50 nm to 100 nm), plastic materials such as poly (methyl methacrylate) (PMMA, acronym for poly (methyl methacrylate).
  • PET polyethylene terephthalate acronym
  • PEN polyethylene naphthalate acronym
  • COP cyclic olefin polymers
  • PI polyimides
  • the layer 16 may be made of a black absorbent resin in the visible range and / or the near infrared.
  • the layer 16 can also be made of a colored resin absorbing visible light of a given color, for example blue, green, cyan light or infrared light. This may be the case when the optical system 5 is used with an image sensor which is sensitive only to light of given color. This can also be the case when the optical system 5 is used with an image sensor which is sensitive to visible light and a filter of the given color is interposed between the image sensor and the object to be detected. .
  • each opaque layer may be in one of the materials mentioned above, the opaque layers possibly being in different materials.
  • the holes 18, 30 can be filled with a solid, liquid or gaseous material, in particular air, at least partially transparent to the useful radiation, for example polydimethylsiloxane (PDMS).
  • the holes 18, 30 can be filled with a partially absorbent material in order to filter the wavelength of the rays of the useful radiation.
  • the optical system 5 can then also play the role of a wavelength filter. This makes it possible to reduce the thickness of the system 5 compared to the case where a color filter distinct from the optical system 5 is present.
  • the partially absorbent filler material may be a colored resin or a colored plastic material such as PDMS.
  • the filling material for the holes 18, 30 can be selected in order to have an adaptation of the refractive index with the intermediate layer 12 in contact with the layer with openings 10, and / or to stiffen the structure and improve the mechanical strength of the layer with openings 10, and / or to increase the transmission at normal incidence.
  • the filling material can also be a liquid or solid adhesive material allowing the assembly of the optical system 5 on another device, for example an image sensor.
  • the filling material can also be an epoxy or acrylate adhesive used to encapsulate the device on one side of which the optical system rests, for example an image sensor, considering that the layer 12 is an encapsulating film. In this case, the adhesive fills the holes 18 and is in contact with the face of the image sensor.
  • the glue also makes it possible to laminate the optical system 5 on the image sensor.
  • the intermediate layer 12 which may not be present, is at least partially transparent to the useful radiation.
  • the intermediate layer 12 can be made of a transparent polymer, in particular of PET, PMMA, COP, PEN, polyimide, a layer of dielectric or inorganic polymers (SiN, Si0 2) , or a layer of thin glass.
  • the layer 12 and the microlens array 14 can correspond to a monolithic structure.
  • the layer 12 can correspond to a protective layer of the device, for example an image sensor, on which the optical system 5 is fixed. If the image sensor is made of organic materials, the layer 12 may correspond to a barrier film which is impermeable to water and oxygen protecting the organic materials.
  • this protective layer may correspond to a deposit of SiN of the order of 1 ⁇ m on the face of a film of PET, PEN, COP, and / or PI in contact with the layer with openings 10
  • the thickness of the intermediate layer 12 or the thickness of the air film when the intermediate layer 12 is replaced by an air film is between 1 ⁇ m and 500 ⁇ m, preferably between 5 ⁇ m and 50 ⁇ m.
  • the thickness of the intermediate layer 12 can correspond to the standard thickness of commercially available films, for example 12 ym, 19 ym, 23 ym, 36 ym, 50 ym , 100 ym.
  • one possibility is to form the matrix of microlenses 14 on a base layer common to all the microlenses, the layer of base resting on the intermediate layer and making it possible to adjust the total thickness of the stack comprising the layer 12 and the base layer.
  • the coating 20 is at least partially transparent to the useful radiation.
  • the coating 20 can have a maximum thickness of 0.1 ⁇ m and 10 mm.
  • the upper face 26 may be substantially flat or have a curved shape.
  • the layer 22 is a layer which matches the shape of the microlenses 14.
  • the layer 22 can be obtained from an optically transparent adhesive (OCA, acronym for Optically Clear Adhesive), in particular a liquid optically transparent adhesive (LOCA, acronym for Liquid Optically Clear Adhesive), or a material with a low refractive index, or an epoxy / acrylate adhesive, or to a film of a gas or a gaseous mixture, for example of the air.
  • OCA optically transparent adhesive
  • LOCA liquid optically transparent adhesive
  • the layer 22 is made of a material having a low refractive index, lower than that of the material of the microlenses 14.
  • the layer 22 may be made of a filling material which is a transparent, non-adhesive material.
  • the layer 22 corresponds to a film which is applied against the matrix of microlenses 14, for example an OCA film.
  • the contact zone between the layer 22 and the microlenses 14 can be reduced, for example limited to the tops of the microlenses.
  • the layer 22 can then be made of a material having a higher refractive index than in the case where the layer 22 matches the microlenses 14.
  • the layer 22 corresponds to an OCA film which is applied against the microlens matrix 14, the adhesive having properties which allow the film 22 to completely or substantially completely conform to the surface of the microlenses.
  • the refractive index of layer 22 is lower than the refractive index of microlenses 14.
  • layer 24 can be made of one of the materials indicated above for layer 22 Layer 24 may not be present.
  • the thickness of the layer 24 is between 1 ⁇ m and 100 ⁇ m.
  • microlenses 14 there are as many microlenses 14 as there are holes 18.
  • the arrangement of microlenses 14 follows the arrangement of holes 18.
  • the pitch between the optical centers of adjacent microlenses 14 is the same as the pitch p of the holes 18 described above.
  • the microlenses 14 can be, in top view, with a polygonal base, in particular square, rectangular, pentagonal or hexagonal.
  • the microlenses 14 are, when viewed from above, substantially contiguous. This advantageously makes it possible to increase the transmission of the filter with normal incidence.
  • the microlenses 14 may be, in top view, with a circular or oval base.
  • the focal planes of the microlenses 14 are combined.
  • the focal planes of the microlenses 14 can be located substantially in the thickness of the opaque layer 16 or at a distance from the opaque layer 16.
  • the focal planes of the microlenses are located at a distance from the face 11 of between 0 and 1.5 times the thickness h of the opaque layer 16.
  • the focal planes of the microlenses are located substantially at the level of the lower face 13 of the layer with openings 10, for example on the lower face 13 to 1 ⁇ m, preferably to within 0.5 ⁇ m, more preferably to the nearest 0.1 ⁇ m.
  • the size of the entry of each hole 18 on the side of the face 11 is equal to or slightly greater than the diameter of the light beam refracted by the microlens in the plane of the face 11 and the size of each hole 18 on the side of the face 13 is equal to or slightly greater than the surface of the focused light.
  • the size of the entry of each hole 18 on the side of the face 11 can be reduced compared to what has been described previously to avoid coupling with light coming from neighboring microlenses.
  • the size of each hole 18 on the side of the face 13 can be reduced compared to what has been described above to avoid coupling with light from neighboring microlenses and / or to reduce the angular opening of the filter. .
  • the microlenses 14 all have the same shape. According to another embodiment, the microlenses 14 have different shapes.
  • the microlenses 14 can be made of silica, PMMA, a positive photosensitive resin, PET, PEN, COP, PDMS / silicone, epoxy resin or acrylate.
  • the microlenses 14 can be formed by creeping of blocks of a photosensitive resin.
  • the microlenses 14 can also be formed by molding, in particular by UV molding or thermal molding, of a layer of PET, PEN, COP, PDMS / silicone or epoxy resin or acrylic polymers. To increase the transmittance of the optical system 5, in the case where the diameter of each hole 18 on the side of the face 11 is equal to the diameter of the hole 18 on the side of the face
  • the plane of symmetry of the apertured layer 10 lies in the focal plane of the microlenses
  • the plane of symmetry of the layer with openings 10 is the equidistant plane of the faces 11 and 13.
  • the angle of view "a" of the layer with openings 10 is chosen so that each opening 18 collects the greatest number of rays coming from the associated microlens 14 while minimizing the passage of rays coming from neighboring lenses
  • the opening angle "a" is chosen to be less than 2 * arctan (D / 2f) where D is the diameter of the bases of the microlenses in the case of microlenses with circular base, and, more generally, the largest dimension of the base of the microlens.
  • FIG. 12 represents a curve C1 of the evolution of the transmittance Tr of an optical system 5 in the absence of the microlens array 14 as a function of the angle of incidence of a collimated incident radiation, the incidences initial and final described above then being confused.
  • the transmittance TrO at normal incidence is the transmittance for an incidence equal to 0 °.
  • the transmittance Tr at high angles is the limit towards which the transmittance Tr tends when the incidence tends towards ⁇ 90 °.
  • the transmittance Tr at high angles is representative of the transparency of the material forming the layer 16 taking into account the fact that the surface reflectivity of the layer 16 increases at high angles. In the example illustrated in FIG. 12, the transmittance Tr at high angles is substantially equal to 5%.
  • the refractive index n3 of the layer 16 is strictly lower than the refractive index n2 of the intermediate layer 12. According to another embodiment, the refractive index n3 of the layer 16 is strictly higher than the refractive index n2 of the intermediate layer 12.
  • the transmittance Tr at high angles is substantially equal to 0%.
  • the angle of view (FWHM, acronym for Full Width at Half Maximum) is the width in angular value at mid-height of the curve Cl.
  • the optical coupling (in English crosstalk) for an opening 18 considered of the optical system 5 is equal the ratio between the light intensity at the outlet of an opening 18 adjacent to the opening considered and the light intensity which enters the opening considered.
  • FIG. 13 illustrates the differences in optical properties between the angular filter of FIG. 1, represented in the left part of FIG. 13 and whose holes 18 are cylindrical, and the angular filter of FIG. 7, represented in the left part of Figure 13 and whose holes 18 are frustoconical.
  • the decrease in light transmission as a function of the initial incidence of the R rays is slower for the angular filter with cylindrical holes than for the angular filter with frustoconical holes.
  • the angular selectivity of the angular filter with cylindrical holes is therefore lower than the angular selectivity of the angular filter with frustoconical holes.
  • the shape of the holes 18 can be adapted in particular as a function of the desired angular selectivity.
  • FIG. 14 is a view similar to FIG. 1 illustrating another optical property of the optical system 5.
  • the coupling between neighboring holes 18 is reduced by the selection of the material making up the intermediate layer 12 and the filling material for the holes 18 so as to obtain a total reflection at the interface between the intermediate layer 12 and the holes 18 for the rays whose final incidence is high.
  • the refractive index n4 must be lower than the refractive index n2.
  • a total reflection is obtained at the interface between the intermediate layer 12 and the holes 18 for the rays whose final incidence is greater than a minimum angle of incidence min which is defined by the relation (2):
  • Min arcsin (n4 / n2) (2)
  • the arc tangent to the ratio between half the pitch of the microlenses 14 and the thickness of the support 12 is greater than min .
  • the minimum angle of incidence min is equal to approximately 42 ° when the holes 18 are filled with air (refractive index n4 equal to 1) and the intermediate layer 12 is made of PMMA ( refractive index n2 equal to 1.48) and the minimum angle of incidence min is equal to approximately 37 ° when the holes 18 are filled with air and the intermediate layer 12 is made of PET (refractive index n2 equal to 1 , 65). More angle min minimum incidence is low, more numerous are the possible implications that allow total reflection. This allows in particular, for a given thickness of the intermediate layer 12, to reduce the pitch between neighboring microlenses 14 by reducing the coupling of light between neighboring holes 18.
  • the intermediate layer 12 becomes a light-guiding element which makes it possible to evacuate the non-transmitted light through the holes 18 on the lateral edges of the angular filter 5 after guidance and attenuation in the thickness of the intermediate layer 12.
  • the transmittance at normal incidence TrO depends in particular on the filling factor of the microlenses 14, that is to say in top view the ratio between the surface occupied by the microlenses 14 present in a region on the surface of this region. Indeed, the reduction of the interstices separating adjacent microlenses 14 makes it possible to increase the transmittance at normal incidence TrO.
  • Figure 15 is a sectional view of a first optical system 5 according to the configuration shown in Figure 3 shown and used to perform simulations.
  • the pitch of the microlenses 14 was 20 ⁇ m.
  • the microlens array 14 included a common layer 1.5 ⁇ m thick on which the microlenses based, the maximum thickness of which was 6.5 ⁇ m, rested.
  • the radius of curvature of the microlenses 14 was 11.1 ⁇ m.
  • the microlenses 14 are immersed in a medium with a refractive index equal to 1.34 like the medium 22 in FIG. 3.
  • the thickness of the intermediate layer 12 was 36 ⁇ m.
  • the inlet diameter of each hole 18 was 8 ⁇ m and the outlet diameter of each hole 18 was 4 ⁇ m.
  • the thickness of the opaque layer 16 was 15 ⁇ m.
  • the inventors determined by simulation that the transmittance at normal incidence obtained was 60%.
  • FIG. 16 represents a curve C2 of the evolution of the normalized transmittance of the optical system 5 represented in FIG. 15.
  • the angle of view defined as the angle at mid-height of the normalized angular transmittance peak, was
  • a second optical system 5 according to the configuration shown in Figure 15 was produced.
  • the pitch of the microlenses 14 was 12 ⁇ m.
  • the matrix of microlenses 14 comprised a common layer of 1.5 ⁇ m in thickness on which the microlenses whose maximum thickness was 2 ⁇ m rested.
  • the radius of curvature of the microlenses 14 was 9.9 ⁇ m.
  • the thickness of the intermediate layer 12 was 19 ⁇ m.
  • Microlenses 14 are located in a medium with a refractive index equal to 1 as illustrated in FIG. 1.
  • the inlet diameter of each hole 18 was 5 ⁇ m and the outlet diameter of each hole 18 was 2 ⁇ m.
  • the thickness of the opaque layer 16 was 10 ⁇ m.
  • the inventors determined by simulation that the transmittance at normal incidence obtained was 64%.
  • FIG. 17 represents a curve C3 of the evolution of the normalized transmittance of the second optical system 5.
  • the angle of view was 2.4 °.
  • the structure of the first optical system 5 with medium 22 with a low refractive index makes it possible to avoid the presence of an air gap between the microlenses 14 and the part to be assembled on the optical system 5.
  • the structure of the second optical system 5 without medium 22 requires an air gap which can simplify the manufacturing process and assembly of optical system 5.
  • the microlenses 14 were spherical, adjacent and arranged in a hexagonal tiling. However, a transmittance at normal incidence of around 80% can be obtained if a filling factor of the microlenses of 100% is used, in particular as is described in more detail below.
  • FIG. 18 is a top view of an embodiment of an arrangement of the microlenses 14 in which each microlens 14 has a circular base.
  • the microlenses 14 are arranged in rows and columns according to a square tiling in which, with the exception of the periphery of the array of microlenses, the edge 39 of each microlens 14 is, in top view, inscribed in a square represented by dotted lines, each of these squares having a common side with four other squares. A filling factor of around 78% is then obtained.
  • FIG. 19 is a top view of an embodiment of an arrangement of the microlenses 14 in which each microlens 14 has a circular base.
  • the microlenses 14 are arranged in a hexagonal pattern in which, with the exception of the periphery of the array of microlenses, the edge of each microlens 14 is inscribed, in top view, in a hexagon represented by dashed lines, each of these hexagons having one side in common with six other hexagons.
  • the microlenses 14 are therefore substantially contiguous only at isolated points.
  • Such an arrangement makes it possible to achieve a filling factor of 90%, that is to say a filling factor greater than that which can be achieved with an arrangement of microlenses 14 with circular base according to a square paving.
  • the radius of curvature of the microlens is less than the pitch P of the microlenses 14.
  • FIG. 20 is a top view of an embodiment of an arrangement of the microlenses 14 in which each microlens 14 is of circular base.
  • the microlenses 14 are arranged in a hexagonal pattern in which, with the exception of the periphery of the array of microlenses, the theoretical edge 19 of each microlens 14 is circumscribed to a hexagon in top view, each of these hexagons having one side in common with six other hexagons. There is then a partial overlap between adjacent microlenses 14.
  • Such an arrangement makes it possible to achieve a filling factor of 100%, that is to say a filling factor greater than the hexagonal paving illustrated in FIG. 19.
  • each microlens 14 in the case where each microlens 14 is noticeably spherical, the radius of curvature of the microlens is greater than half the pitch P of microlenses 14.
  • each microlens in the case of aspherical microlenses 14, each microlens has a conical constant equal to -1 and a radius of curvature in the center between 1/3 and 2/3 of the pitch of the lenses.
  • each microlens 14 has a circular base.
  • microlenses other than microlenses with a circular base can be used.
  • microlenses 14 with a square base or a hexagonal base can be used. Such an arrangement achieves a filling factor of about 100%. However, it may not be desirable to obtain an overly large filling factor, in particular to reduce the coupling of the light coming from two neighboring microlenses.
  • Figure 21 includes, in the left part, a sectional view of part of the optical system 5 of Figure 1 at a microlens 14 and an opening 18 of the layer of openings 10 in a mode in which the microlens 14 is spherical.
  • FIG. 21 also comprises, in the right part, a top view of the focusing spot 40 obtained with the spherical microlens 14 represented in the left part. Due to the spherical aberration of the microlens 14, the rays with zero initial incidence do not all focus on a single point. The focusing spot 40 can then have a blurred contour.
  • Figure 22 is a figure similar to Figure 21 in an embodiment in which each microlens 14 is aspherical.
  • Each aspherical microlens 14 can comprise a convex central portion 42 surrounded by a concave or convex peripheral portion 44.
  • the aspherical microlens 14 makes it possible to obtain a sharp focusing spot 40.
  • the aspherical microlens 14 makes it possible to increase the transmittance TrO at zero incidence compared to the embodiment in which the microlens is spherical insofar as the aspherical microlens allows to increase the number of rays which are not blocked by the layer with openings 10.
  • the peripheral portion 44 is convex and the radius of curvature of the peripheral portion 44 is less than the radius of curvature of the central convex portion 42 of the microlens 14.
  • the aspherical microlens 14 makes it possible to reduce the dimensions of the focusing spot 40 relative to a spherical microlens 14, which makes it possible to reduce the width w of the holes 18 and therefore to increase the selectivity of the angular filter.
  • a layer of a reflective material can be deposited on the sides of each opening 18.
  • a method of roughening the sides of the openings 18 can be implemented. It may be a process using a plasma.
  • the arithmetic roughness Ra of the sides of the openings 18 is between 10 nm and 1 ⁇ m.
  • FIG. 23 is a sectional, partial and schematic view of an embodiment of an image acquisition system 50 receiving radiation 52.
  • the image acquisition system 50 comprises, from bottom to top in figure 23:
  • the optical system 5 forming an angular filter and covering the face 56.
  • the image sensor 54 comprises, from bottom to top in FIG. 23:
  • an electrically insulating layer 62 covering the array of photodetectors 60 and interposed between the array of photodetectors 60 and the optical system 5, the insulating layer 62 delimiting the face 56;
  • a transparent layer 64 serving as an adhesive between the layer 62 and the layer with openings 10.
  • the image sensor 54 further comprises conductive tracks and switching elements, in particular transistors, not shown, allowing the selection of the photodetectors 60.
  • the image acquisition system 50 further comprises , means not shown for processing the signals supplied by the image sensor 60, comprising for example a microprocessor.
  • the photodetectors are shown spaced apart by a substantially constant pitch.
  • the photodetectors 60 can be made of organic materials.
  • the photodetectors 60 may correspond to organic photodiodes (OPD, from the English Organic Photodiode), to organic photoresistors.
  • OPD organic photodiodes
  • the photodetectors 60 can be made of inorganic materials.
  • the photodetectors 60 may correspond to monocrystalline silicon photodiodes associated with a matrix of CMOS transistors or to amorphous silicon photodiodes associated with a matrix of CMOS transistors.
  • the surface of the image sensor 54 facing the optical system 5 and containing the photodetectors 60 is greater than 1 cm 2 , preferably greater than 5 cm 2 , more preferably greater than 10 cm 2 , in particular greater than 20 cm 2 .
  • the upper face 56 of the image sensor 54 can be substantially flat. As a variant, the upper face 56 of the image sensor 54 can be curved.
  • the layer 62 is transparent to useful radiation.
  • the thickness of the layer 62 is between 10 nm and 50 ⁇ m.
  • the layer 62 can be composed of at least one of the materials described above for the layers 22 and 24, in particular in the case where the layer 24 is an adhesive layer. According to one embodiment, the layer 62 is not present.
  • the layer 62 can also be sealed against oxygen and / or water. According to another embodiment, the layer 62 is not present and the optical system 62 is directly in contact with the array of photodetectors 60.
  • each photodetector 60 is suitable for detecting electromagnetic radiation in a range of wavelengths between 400 nm and 1100 nm. All the photodetectors 60 can be adapted to detect electromagnetic radiation in the same wavelength range. As a variant, the photodetectors 60 can be adapted to detect electromagnetic radiation in ranges of different wavelengths.
  • the angular filter 5, covering the image sensor 54 is adapted to filter the incident radiation 52 as a function of the initial incidence of the radiation 52 relative to the upper face 26, in particular so that each photodetector 60 receives only rays whose initial incidence relative to an axis perpendicular to the upper face 26 is less than a maximum initial angle of incidence less than 45 °, preferably less than 30 °, more preferably less than 20 °, even more preferably less at 10, in particular less than 5 °.
  • the angular filter 5 is adapted to block the rays of the incident radiation whose initial incidence relative to an axis perpendicular to the upper face 26 is greater than the maximum initial angle of incidence.
  • the photodetectors 60 can be distributed in rows and columns.
  • the pitch of the photodetectors 60 is the same as the pitch of the holes 18.
  • the layer with apertures 10 is then preferably aligned with the image sensor 54 so that each hole 18 faces a photodetector 60
  • the ratio between the area of the cross section of an opening 18 and the area in top view of the associated photodetector 18 is between 1/10 and 1/2.
  • the pitch p of the holes 18 is smaller than the pitch of the photodetectors 60 of the image sensor 54, for example less than half the pitch of the photodetectors, preferably less than a quarter of the pitch of the photodetectors, more preferably less than one tenth of the pitch of the photodetectors 60. In this case, several holes 18 may be located opposite the same photodetector 60. According to another embodiment, the pitch p of the holes 18 is larger than the pitch of the photodetectors 60 of the image sensor 54. In this case, several photodetectors 60 may be located opposite the same hole 18. Another example of application of the optical system 5 will now be described for a device for collimating a lighting or display system.
  • Figure 24 is a sectional view, partial and schematic, of an embodiment of a lighting system 70 providing collimated light.
  • the lighting system 70 comprises, from bottom to top in FIG. 24:
  • the optical system 5 as described above, covering the light source 72 and receiving the radiation 74 emitted by the light source 72, the coating 20 not being present in FIG. 24, the layer with openings 10 being interposed between the light source 72 and the microlens array 14.
  • the emission plane of the light source 72 is close to the focal plane of the optical system 5, preferably located in the focal plane of the optical system 5 to the nearest 0.1 ⁇ m.
  • the form factor (height to width ratio) of the holes 18 of the layer 10 is high enough, preferably greater than 5, so that no radius coming out of an opening 18 opposite d 'a given microlens 14 does not pass through a neighboring microlens Indeed, in this case, the outgoing ray would not be collimated.
  • the opening angle of the layer 10 can be adjusted by the aspect ratio of the openings 18.
  • the optical system 5 plays the role of a collimation device which makes it possible to collimate the radiation 74 supplied by the light source 72.
  • the light source 72 is shown with a surface substantially planar emissive. Alternatively, the emitting surface of the light source 72 can be curved. In FIG. 24, the light source 72 is represented as a continuous source extending under the optical system 5. However, it is clear that the source 72 can comprise disjoint light sources, each of these disjoint light sources being able to be aligned with the one of the holes 18.
  • FIGS. 25 to 29 are sectional views, partial and schematic, of structures obtained in successive stages of an embodiment of a method for manufacturing the optical system 5 shown in FIG. 3.
  • FIG. 25 represents the structure obtained after the formation of the microlens matrix 14 on the intermediate layer 12.
  • the microlens matrix 14 can be formed on a support different from the intermediate layer 12, this support being removed before the formation of the intermediate layer 12 when the intermediate layer 12 is present, or before the formation of the layer with openings 10 when the intermediate layer 12 is not present.
  • the manufacture of the microlenses 14 comprises the formation of a layer of the material composing the microlenses 14 on the intermediate layer 12 or another support and the deformation of this layer, for example by means of a matrix to form microlenses.
  • the microlenses 14 are formed by molding.
  • the microlenses 14 are represented in a disjointed or almost disjointed and adjacent manner.
  • the matrix of microlenses 14 may comprise a base layer common to all the microlenses as shown in FIG. 14.
  • FIG. 26 represents the structure obtained after the formation of the coating 20 on the microlens array 14 when this coating 20 is present.
  • the steps described below in relation to FIG. 27 can be carried out directly after the steps described above in relation to FIG. 25.
  • the formation of the coating 20 can comprise the steps following:
  • liquid layer thus follows the shape of the microlenses 14.
  • This layer is preferably self-planarizing, that is to say it forms automatically a substantially flat free face;
  • This may include a step of crosslinking the material making up the layer 22, in particular by thermal crosslinking and / or by irradiation with an ultraviolet beam;
  • the layer 24 on the layer 22, or in contact with the layer of microlenses 14 when the layer 22 is not present, for example by laminating a film on the layer 22.
  • FIG. 27 represents the structure obtained after the formation of the opaque layer 16 on the intermediate layer 12, on the side opposite to the matrix of microlenses 14.
  • the opaque layer 16 can be deposited by liquid means, by sputtering or by evaporation. These may in particular be processes of the spinner deposition type, spray coating, heliography, die coating (in English slot-die coating), blade coating (in English blade-coating), flexography or screen printing. Depending on the deposition process used, a step for drying the deposited material may be provided.
  • FIG. 28 represents the structure obtained during a step of exposure to collimated radiation 76, passing through microlenses 14, from parts 78 of the opaque layer 16 at the desired locations of the holes 18.
  • FIG. 29 represents the structure obtained during a stage of development of the opaque layer 16 which has resulted in the dissolution, in a developer, of the parts 78 of the opaque layer 16 exposed to incident radiation 76, thus forming the holes 18.
  • the layer with openings 10 is thus obtained.
  • the composition of the developer depends on the nature of the positive photosensitive resin that has been used.
  • the method may include subsequent steps comprising filling the holes 18 with a filling material.
  • the radiation used to expose the opaque layer 16 depends on the photosensitive resin used.
  • the radiation 76 is radiation of wavelengths between approximately 300 nm and 450 nm in the case of a DNQ-Novolac resin or ultraviolet radiation for a DUV photosensitive resin.
  • the duration of the exposure of the opaque layer 16 to radiation 76 depends in particular on the type of positive photosensitive resin used and, preferably, is sufficient for the exposed parts 78 of the opaque layer 16 to extend over the entire thickness of the opaque layer 16.
  • the exposure of the opaque layer 16 is carried out through microlenses 14.
  • the shape of the holes 18 obtained depends in particular on the absorption and diffusion properties of the material making up the layer 16 and on the shape of the incident beam.
  • the opaque layer 16 is preferably located in the focal plane of the microlenses 14 or near the focal plane of the microlenses 14.
  • the incident radiation 76 which reaches the microlenses 14 is a radiation substantially collimated so that it is focused by each microlens 14 substantially at the level of the opaque layer 16 or near the opaque layer 16.
  • the opaque layer 16 can be offset relative to the focal plane of the microlenses 14 so as to obtain spots of desired dimensions on the opaque layer 16 when the layer opaque 16 is exposed to radiation 76 through microlenses 14.
  • the inclination of the radiation 76 relative to the upper face 26 corresponds substantially to the average inclination formed by the radiation intended to be picked up by the photodetectors with the face upper 26 during normal use of the image acquisition system 5.
  • the radiation 76 is substantially perpendicular to the face 26.
  • the radiation 76 is inclined relative to a direction perpendicular to the face 26 thus making it possible to obtain holes 18 offset with respect to the microlenses 14.
  • FIG. 30 illustrates an example of the shapes of the parts 78 exposed when the radiation 76 is strongly diffused by the material making up the layer 16 and is focused substantially in the plane of symmetry of the layer 16. Holes 18 which are substantially cylindrical, such as as shown in Figure 29, can be obtained, that is to say that their cross section is constant.
  • the cross section of the holes 18 may not be constant.
  • the holes 18 can have a frustoconical shape.
  • FIG. 31 illustrates an example of the shapes of the parts 78 exposed when the radiation 76 is little diffused by the material making up the layer 16 and is focused substantially downstream of the layer 16 relative to the microlenses 14. Holes 18 substantially frustoconical, as shown in Figure 7, can be obtained.
  • the development and exposure parameters of the resin make it possible to adjust the profile of the holes.
  • the incident radiation 76 has a divergence, for example with an angle of divergence greater than 1 °, the angle of divergence of the incident radiation 76 which reaches the microlenses 14 then being adjusted to modulate the width of the holes 18 made in layer 16.
  • a layer of a material of suitable refractive index can be temporarily placed on the matrix of microlenses 14 during step d exposure to change the focal length of the microlenses 14 so that the exposed parts 78 have the desired dimensions.
  • the light source emitting the exposure radiation 76 whether or not collimated can be moved relative to the matrix of microlenses 14 during the exposure step as a function of the desired shape of the holes 18, for example by modifying the inclination of the light source relative to a direction orthogonal to the face 26 and / or by approaching or moving the light source away from the matrix of microlenses 14.
  • the light source emitting the exposure radiation 76 can be moved in a loop, which makes it possible to obtain holes 18 of annular cross section.
  • Such a shape of hole allows in particular the production of an angular band-pass filter allowing the passage of rays whose initial incidence relative to a direction orthogonal to the face 26 is in at least a first range of incidences and to be left pass rays whose incidence with respect to a direction orthogonal to the face 26 is in at least one second range of incidences distinct from said at least one first range of incidences.
  • the microlenses 14 may have different focal points depending on the wavelength of the exposure radiation 76.
  • the layer 16 of photosensitive resin can be sensitive to these different wavelengths.
  • each photosensitive layer can be sensitive to radiation at a particular wavelength.
  • the exposure step can then comprise exposing the photosensitive layer or the photosensitive layers to radiation at these different wavelengths to obtain holes 18, 30 of desired shape.
  • FIGS. 32 and 33 are sectional views, partial and schematic, of structures obtained in successive stages of another embodiment of a method for manufacturing the optical system 5 shown in FIG. 3.
  • the initial steps of this embodiment of the manufacturing process include the steps described above in relation to Figures 25 to 29 with the difference that the layer 16 is replaced by a layer of the material intended to fill the holes 18 of the layer with openings 10 and is made of a negative photosensitive resin which is also transparent to useful radiation.
  • FIG. 32 represents the structure obtained during a step of revealing the layer of negative photosensitive resin which resulted in the dissolution, in a developer, of the portions of the layer of negative photosensitive resin which have not been exposed to the radiation 76 used in the exposure step, the parts of the negative photosensitive resin layer exposed in the exposure step thus forming pads 80.
  • the composition of the developer depends on the nature of the negative photosensitive resin which has been used.
  • FIG. 33 represents the structure obtained after the formation of the opaque layer 16 between the studs 80, for example by spinning, spray coating, rotogravure, die coating (in English slot-die coating), coating with the blade (in English blade-coating), flexography or serigraphy.
  • the opaque layer is deposited on the entire structure and in particular on the pads 80, and the parts of the opaque layer covering the pads 80 are removed, for example by photolithography, etching or takeoff (in English lift-off).
  • the studs 80 thus define the holes 18 in the layer 16.
  • the layer with openings 10 is thus obtained.
  • the implementation of the lift-off process may require, for each pad 80, that the dimensions of the base of the pad 80, in contact with the layer 12, are smaller than the dimensions of the top of the pad 80.
  • the manufacture of pads 80 with such a shape can be obtained by providing, during the step of exposing the negative photosensitive resin layer described previously in relation to FIG. 32, that the focal planes of the microlenses 14 are located in layer 12.
  • Another embodiment of a method for manufacturing the optical system 5 shown in Figure 3 comprises the steps described above in relation to Figures 25 to 29 with the difference that the layer 16 is made of a material capable of degrade under the action of radiation 76 especially when the radiation 76 corresponds to laser radiation.
  • the illumination of this laser radiation is low enough not to damage the matrix of optical elements of micrometric size 14 and high enough after collimation by the matrix of optical elements of micrometric size 14 to degrade the layer 16 at the level of the parts 78.
  • the parts 78 exposed to the radiation 76 are therefore destroyed by this radiation then forming the holes 18 directly.
  • the layer with openings 10 is thus obtained.
  • the method of manufacturing the optical system can correspond to a reel-to-reel process (in English roll to roll). According to another embodiment, the method of manufacturing the optical system can correspond to a sheet-by-sheet process.
  • the layer with openings 10 comprises a stack of at least two layers 16, 28 each comprising holes 18, 30, as shown in FIG. 5 or 6, the first layer 16 with the holes 18 is produced in a first step and the second layer 28 with the holes 30 is produced in a second step, taking into account the presence of the first layer 16, according to any one of the embodiments of the manufacturing process described above.
  • the alignment of the holes 18 relative to the microlenses 14 is obtained automatically by the same method of forming the holes 18.
  • the apertured layer 10 comprises a stack of at least first and second opaque layers 16, 28 each comprising holes 18, 30, the alignment of the holes 30 of the second opaque layer 28 relative to the holes 18 of the first opaque layer 16 is obtained automatically by the very process of forming the holes 30 in the second opaque layer 28.
  • an embodiment of a method for manufacturing the layer with apertures 10 comprises depositing a layer of colored resin on a support, printing patterns in the resin layer by photolithography, and developing of the resin layer so as to keep only the layer with openings 10.
  • Another embodiment of a method for manufacturing the layer with openings 10 comprises the formation, by photolithography steps, of a transparent resin mold of shape complementary to the desired shape of the layer with openings 10, filling the mold with the material making up the layer with openings 10, and removing the structure obtained from the mold.
  • Another embodiment of a method for manufacturing the apertured layer 10 comprises the perforation of a colored film, for example a film made of PDMS, PMMA, PEC, COP.
  • the perforation can be carried out using a micro-perforation tool comprising for example micro-needles to obtain the dimensions of the holes 18 and the pitch of the holes 18 desired.
  • An embodiment of a method for manufacturing the layer with openings 10 shown in FIG. 8 comprises the following steps:

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Abstract

La présente description concerne un système optique (5) comprenant une couche (16) comprenant une première face (11) destinée à recevoir un rayonnement et une deuxième face (13) opposée à la première face. La couche est opaque au rayonnement et comprend des trous traversants ou partiellement traversants (18) ouverts sur la première face. Le système optique comprend une matrice d'éléments optiques de taille micrométrique (14) recouvrant la couche. Chaque élément optique est configuré pour se comporter comme une lentille convergente de distance focale comprise entre 1 μm et 100 μm. La distance entre la surface à équidistance des première et deuxième faces et les points focaux des éléments optiques est inférieure à deux fois l'épaisseur de ladite couche.

Description

DESCRIPTION
Système optique et son procédé de fabrication
[0001] La présente demande de brevet revendique la priorité de la demande de brevet français FR18/56709 qui sera considérée comme faisant partie intégrante de la présente description .
Domaine technique
[0002] La présente description concerne de façon générale les systèmes optiques et leurs procédés de fabrication.
Technique antérieure
[0003] Un système optique est un ensemble d'éléments optiques, tels que des miroirs, des lentilles, des réseaux de diffraction, etc. permettant de modifier la trajectoire des rayons lumineux ou les propriétés de la lumière. Un exemple d'application d'un système optique concerne un système d'acquisition d'images dans lequel le système optique est interposé entre la partie sensible d'un capteur d'images et l'objet à imager, et permet de former une image nette de l'objet à imager sur la partie sensible du capteur d'images. Un autre exemple d'application correspond au couplage du système optique à un photodétecteur unique, tel qu'une photodiode, afin de contrôler la lumière collectée par le photodétecteur. Un autre exemple d'application concerne un système d'affichage ou de projection dans lequel le système optique recouvre une source lumineuse, par exemple un écran d'affichage, et permet de modifier le rayonnement émis par la source lumineuse, par exemple filtrer angulairement le rayonnement émis par chaque pixel d'affichage
[0004] Toutefois, dans certains cas, il n'est pas possible d'utiliser un système optique classique. Par exemple, dans le cas d'un système d'acquisition d'images, il peut ne pas être possible de placer un système optique classique entre la partie sensible du capteur d'images et l'objet à imager. C'est le cas notamment lorsque le capteur d'images occupe une surface importante, supérieure au centimètre carré, et que la distance entre l'objet à imager et la partie sensible du capteur d'images est inférieure au centimètre.
[0005] Il faudrait alors placer l'objet à imager au plus près du capteur d'images pour que l'image qui se forme sur la partie sensible du capteur d'images soit suffisamment nette. Toutefois, une distance peut être présente entre l'objet et le capteur d'images de sorte que la netteté de l'image qui se forme sur la partie sensible du capteur d'images peut ne pas être suffisante pour certaines applications, par exemple pour la capture d'empreintes digitales.
Résumé de 1 ' invention
[0006] Il existe donc un besoin d'un système optique ayant une épaisseur réduite.
[0007] Un autre objet d'un mode de réalisation est que le procédé de fabrication du système optique puisse être mis en oeuvre à une échelle industrielle.
[0008] Dans ce but, un mode de réalisation prévoit un système optique comprenant une couche comprenant une première face destinée à recevoir un rayonnement et une deuxième face opposée à la première face, ladite couche étant opaque audit rayonnement et comprenant des trous traversants ou partiellement traversants ouverts sur la première face, le système optique comprenant une matrice d'éléments optiques de taille micrométrique recouvrant ladite couche, chaque élément optique étant configuré pour se comporter comme une lentille convergente de distance focale comprise entre 1 ym et 100 ym, la distance entre la surface à équidistance des première et deuxième faces et les points focaux des éléments optiques étant inférieure à deux fois l'épaisseur de ladite couche. [0009] Selon un mode de réalisation, le système optique est configuré pour bloquer les rayons dudit rayonnement dont 1 ' incidence par rapport à une direction orthogonale à la première face est dans au moins une première plage d'incidences et à laisser passer des rayons dudit premier rayonnement dont 1 ' incidence par rapport à une direction orthogonale à la première face est dans au moins une deuxième plage d'incidences distincte de ladite au moins une première plage d'incidences.
[0010] Selon un mode de réalisation, la matrice d'éléments optiques de taille micrométrique comprend une matrice de lentilles de taille micrométrique, une matrice de lentilles de Fresnel de taille micrométrique, un réseau de microlentilles à gradient d'indice de taille micrométrique, ou une matrice de réseaux de diffraction de taille micrométrique .
[0011] Selon un mode de réalisation, la matrice d'éléments optiques de taille micrométrique comprend une matrice de lentilles de taille micrométrique.
[0012] Selon un mode de réalisation, les plans focaux des lentilles de taille micrométrique sont confondus.
[0013] Selon un mode de réalisation, les lentilles de taille micrométrique sont à base circulaire ou hexagonale et agencées selon un pavage hexagonal.
[0014] Selon un mode de réalisation, les lentilles de taille micrométrique sont à base carrée et agencées selon un pavage carré .
[0015] Selon un mode de réalisation, la matrice d'éléments optiques de taille micrométrique comprend une matrice de lentilles asphériques de taille micrométrique.
[0016] Selon un mode de réalisation, chaque lentille asphérique comprend une portion centrale entourée d'une portion périphérique ayant un rayon de courbure supérieur au rayon de courbure de la portion centrale.
[0017] Selon un mode de réalisation, chaque lentille a une constante conique égale à -1 et un rayon de courbure au centre compris entre 1/3 et 2/3 du pas des lentilles.
[0018] Selon un mode de réalisation, les lentilles sont des lentilles sphériques et le rayon de courbure des lentilles est supérieur à la moitié du pas des lentilles et inférieur au pas des lentilles.
[0019] Selon un mode de réalisation, le système comprend autant d'éléments optiques de taille micrométrique que de trous, le pas entre les éléments optiques de taille micrométrique étant le même que le pas entre les trous.
[0020] Selon un mode de réalisation, pour chaque trou, le rapport entre la hauteur du trou, mesurée perpendiculairement à la première face, et la largeur du trou, mesurée parallèlement à la première face, varie de 0,1 à 10.
[0021] Selon un mode de réalisation, les trous sont agencés comme les éléments optiques, le pas entre des trous adjacents d'une même rangée ou d'une même colonne variant de 1 ym à 500 ym.
[0022] Selon un mode de réalisation, la hauteur de chaque trou, mesurée selon une direction orthogonale à la première face, varie de 0,1 ym à 1 mm.
[0023] Selon un mode de réalisation, la largeur de chaque trou, mesurée parallèlement à la première face, varie de 0, 1 ym à 100 ym.
[0024] Selon un mode de réalisation, le système optique comprend un empilement de ladite couche comprenant lesdits trous traversants ou partiellement traversants et d'une couche supplémentaire comprenant des trous supplémentaires traversants ou partiellement traversants alignés aves lesdits trous .
[0025] Selon un mode de réalisation, le système optique comprend en outre un revêtement recouvrant la matrice d'éléments optiques de taille micrométrique, la matrice d'éléments optiques de taille micrométrique étant interposée entre le revêtement et ladite couche, l'indice de réfraction du revêtement étant différent de l'indice de réfraction de l'air.
[0026] Selon un mode de réalisation, l'indice de réfraction du revêtement est inférieur à l'indice de réfraction de la matrice d'éléments optiques de taille micrométriques.
[0027] Selon un mode de réalisation, le revêtement est au contact de la totalité de chaque élément optique.
[0028] Selon un mode de réalisation, le revêtement est en contact avec chaque élément optique uniquement au sommet dudit élément optique, et délimite un interstice d'air avec le reste dudit élément optique.
[0029] Selon un mode de réalisation, le système optique comprend un support entre la matrice d'éléments optiques de taille micrométrique et ladite couche.
[0030] Selon un mode de réalisation, l'indice de réfraction du support est supérieur à 1 ' indice de réfraction de ladite couche .
[0031] Selon un mode de réalisation, l'indice de réfraction du support est supérieur à l'indice de réfraction de la matrice d'éléments optiques de taille micrométrique.
[0032] Selon un mode de réalisation, les trous sont remplis d'un matériau solide, liquide ou gazeux d'indice de réfraction plus faible que l'indice de réfraction du support. [0033] Selon un mode de réalisation, l'arc tangente du rapport entre la moitié du pas des éléments optiques de taille micrométrique et l'épaisseur du support est supérieur à l'arc sinus du rapport entre l'indice de réfraction du matériau remplissant les trous et l'indice de réfraction du support.
[0034] Selon un mode de réalisation, les trous sont tronconiques .
[0035] Selon un mode de réalisation, les points focaux des éléments optiques sont situés dans la deuxième face à 1 ym près .
[0036] Selon un mode de réalisation, pour chaque trou, les dimensions du trou sur la première face sont égales, ou supérieures, d'au plus 10 %, aux dimensions du rayonnement sur la première face focalisé par l'élément optique en vis- à-vis du trou.
[0037] Selon un mode de réalisation, pour chaque trou, les dimensions du trou sur la deuxième face sont égales, ou supérieures, d'au plus 10 %, aux dimensions sur la deuxième face du rayonnement focalisé par l'élément optique en vis-à- vis du trou.
[0038] Un mode de réalisation prévoit également un système d'acquisition d'images comprenant un capteur d'images et un système optique tel que défini précédemment recouvrant le capteur d'images et formant un filtre angulaire.
[0039] Selon un mode de réalisation, le capteur d'images comprend une matrice de photodétecteurs et le pas des éléments optiques est inférieur à la moitié du pas des photodétecteurs.
[0040] Un mode de réalisation prévoit également un système d'éclairage ou d'affichage ou d'illumination comprenant une source lumineuse et un système optique tel que défini précédemment recouvrant la source lumineuse. [0041] Selon un mode de réalisation, la source lumineuse comprend une zone d'émission d'un rayonnement située, à 0,1 ym près, dans un plan contenant les points focaux des éléments optiques et, pour chaque trou, le rapport entre la hauteur du trou, mesurée perpendiculairement à la première face, et la largeur du trou, mesurée parallèlement à la première face, est supérieur à 5, d'où il résulte que le système optique joue le rôle d'un dispositif de collimation du rayonnement.
Brève description des dessins
[0042] Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :
[0043] la figure 1 est une vue en coupe, partielle et schématique, d'un mode de réalisation d'un système optique comprenant une couche à ouvertures et un réseau de microlentilles ;
[0044] la figure 2 est une vue de dessus de la couche à ouvertures du système optique représenté en figure 1
[0045] la figure 3 représente une variante du système optique de la figure 1 dans le cas où les microlentilles sont noyées dans un milieu d'indice de réfraction supérieure à 1 ;
[0046] la figure 4 représente une autre variante du système optique de la figure 1 ;
[0047] la figure 5 représente une autre variante du système optique de la figure 1 ;
[0048] la figure 6 représente une autre variante du système optique de la figure 1 ;
[0049] la figure 7 représente une autre variante du système optique de la figure 1 ; [0050] la figure 8 représente une autre variante du système optique de la figure 1 ;
[0051] la figure 9 représente une autre variante du système optique de la figure 1 ;
[0052] la figure 10 représente une autre variante du système optique de la figure 1 ;
[0053] la figure 11 représente une autre variante du système optique de la figure 1 ;
[0054] la figure 12 représente une courbe d'évolution de la transmittance d'une couche à ouvertures ;
[0055] la figure 13 illustre les propriétés optiques de filtres angulaires ayant des trous de formes différentes ;
[0056] la figure 14 illustre d'autres propriétés optiques du système optique de la figure 1 ;
[0057] la figure 15 est une vue en coupe, partielle et schématique, d'un mode de réalisation d'un système optique comprenant une couche à ouvertures et un réseau de microlentilles utilisé pour des simulations ;
[0058] la figure 16 représente une courbe d'évolution de la transmittance angulaire normalisée obtenue avec des premières dimensions et paramètres optiques pour le système optique de la figure 15 ;
[0059] la figure 17 représente une courbe d'évolution de la transmittance normalisé obtenue avec des deuxièmes dimensions et paramètres optiques pour le système optique de la figure 15 ;
[0060] la figure 18 représente un mode de réalisation d'un agencement de microlentilles ;
[0061] la figure 19 représente un autre mode de réalisation d'un agencement de microlentilles ; [0062] la figure 20 représente un autre mode de réalisation d'un agencement de microlentilles ;
[0063] la figure 21 comprend, en partie gauche, une vue en coupe du système optique de la figure 1 au niveau d'une microlentille sphérique et d'une ouverture de la couche à ouvertures et comprend, en partie droite, une vue de dessus de la tache de focalisation obtenue avec la microlentille représentée en partie gauche ;
[0064] la figure 22 est une figure analogue à la figure 21 pour une lentille asphérique ;
[0065] la figure 23 représente un mode de réalisation d'un système d'acquisition d'images ;
[0066] la figure 24 représente un mode de réalisation d'un système d'éclairage ou de projection ;
[0067] la figure 25 illustre une étape d'un mode de réalisation d'un procédé de fabrication du système optique représenté sur la figure 3 ;
[0068] la figure 26 illustre une autre étape du procédé ;
[0069] la figure 27 illustre une autre étape du procédé ;
[0070] la figure 28 illustre une autre étape du procédé ;
[0071] la figure 29 illustre une autre étape du procédé ;
[0072] la figure 30 illustre des paramètres d'obtention d'une première forme de trous ;
[0073] la figure 31 illustre des paramètres d'obtention d'une deuxième forme de trous ;
[0074] la figure 32 illustre une étape d'un autre mode de réalisation d'un procédé de fabrication du système optique représenté sur la figure 3 ; et
[0075] la figure 33 illustre une autre étape du procédé.
Description des modes de réalisation [0076] De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références dans les différentes figures. En particulier, les éléments structurels et/ou fonctionnels communs aux différents modes de réalisation peuvent présenter les mêmes références et peuvent disposer de propriétés structurelles, dimensionnelles et matérielles identiques .
[0077] Par souci de clarté, seuls les étapes et éléments utiles à la compréhension des modes de réalisation décrits ont été représentés et sont détaillés, En particulier, la structure d'un capteur d'images est bien connue de l'homme du métier et n'est pas décrite en détail par la suite.
[0078] Dans la description qui suit, lorsque l'on fait référence à des qualificatifs de position absolue, tels que les termes "avant", "arrière", "haut", "bas", "gauche", "droite", etc., ou relative, tels que les termes "dessus", "dessous", "supérieur", "inférieur", etc., ou à des qualificatifs d'orientation, tels que les termes "horizontal", "vertical", etc., il est fait référence sauf précision contraire à l'orientation des figures ou à un système optique dans une position normale d'utilisation.
[0079] Sauf précision contraire, les expressions "environ", "approximativement", "sensiblement", et "de l'ordre de" signifient à 10 % près, de préférence à 5 % près.
[0080] La transmittance correspond au rapport entre l'intensité du rayonnement sortant du système optique 5 et l'intensité du rayonnement entrant dans le filtre optique. Dans la suite de la description, une couche ou un film est dit opaque à un rayonnement lorsque la transmittance du rayonnement au travers de la couche ou du film est inférieure à 10 %. Dans la suite de la description, une couche ou un film est dit transparent à un rayonnement lorsque la transmittance du rayonnement au travers de la couche ou du film est supérieure à 10 %. Selon un mode de réalisation pour un même système optique, tous les éléments du système optique qui sont opaques à un rayonnement ont une transmittance qui est inférieure à la moitié, de préférence inférieure au cinquième, plus préférentiellement inférieure au dixième, de la transmittance la plus faible des éléments du système optique transparents audit rayonnement.
[0081] De plus, dans la suite de la description, on appelle "rayonnement utile" le rayonnement électromagnétique traversant le système optique en fonctionnement et émis par une source lumineuse associée au système optique ou capté par un détecteur associé au système optique. Dans la suite de la description, on appelle "élément optique de taille micrométrique" un élément optique formé sur une face d'un support dont la dimension maximale, mesurée parallèlement à ladite face, est supérieure à 1 ym et inférieure à 1 mm. Dans la suite de la description, un film ou une couche est dit étanche à l'oxygène lorsque la perméabilité du film ou de la couche à l'oxygène à 40°C est inférieure à 1.10_1cm3/ (m2*jour) . La perméabilité à l'oxygène peut être mesurée selon la méthode ASTM D3985 intitulée "Standard Test Method for Oxygen Gas Transmission Rate Through Plastic Film and Sheeting Using a Coulometric Sensor". Dans la suite de la description, un film ou une couche est dit étanche à l'eau lorsque la perméabilité du film ou de la couche à l'eau à 40°C est inférieure à 1.10 1q/ (m2*jour) . La perméabilité à l'eau peut être mesurée selon la méthode ASTM F1249 intitulée "Standard Test Method for Water Vapor Transmission Rate Through Plastic Film and Sheeting Using a Modulated Infrared Sensor". Dans la suite de la description, l'indice de réfraction d'un matériau solide, liquide, ou gazeux correspond à l'indice de réfraction du matériau pour la plage de longueurs d'onde du rayonnement utile. Sauf indication contraire, l'indice de réfraction est considéré sensiblement constant sur la plage de longueurs d'onde du rayonnement utile, par exemple égal à la moyenne de l'indice de réfraction sur la plage de longueurs d'onde du rayonnement utile.
[0082] Selon un mode de réalisation, pour accroître la netteté de l'image acquise par le capteur d'images d'un système d'acquisition d'images en l'absence de système optique complexe, une possibilité consiste à recouvrir le capteur d'images d'un système optique de structure simple jouant le rôle d'un filtre angulaire, comprenant une couche opaque traversée par des ouvertures, et recouverte d'une matrice d'éléments optiques de taille micrométrique, par exemple une matrice de lentilles de taille micrométrique, ou microlentille, un réseau de microlentilles à gradient d'indice de taille micrométrique, ou une matrice de réseaux de diffraction de taille micrométrique ou de taille nanométrique, chaque élément optique de taille micrométrique ou nanométrique étant associé à une ouverture de la couche à ouvertures .
[0083] Des modes de réalisation de systèmes optiques vont maintenant être décrits pour des systèmes optiques comprenant une matrice d'éléments optiques à taille micrométrique dans le cas où chaque élément optique à taille micrométrique correspond à une lentille de taille micrométrique, ou microlentille. Toutefois, il est clair que ces modes de réalisation peuvent également être mis en oeuvre avec d'autres types d'éléments optiques de taille micrométrique, chaque élément optique de taille micrométrique pouvant correspondre à une lentille de Fresnel de taille micrométrique, à une lentille à gradient d'indice de taille micrométrique ou à un réseau de diffraction de taille micrométrique.
[0084] La figure 1 est une vue en coupe, partielle et schématique, d'un mode de réalisation d'un système optique 5. Le système optique 5, comprend, du bas vers le haut en figure
1 : - une couche à ouvertures 10 ayant des faces supérieure 11 et inférieure 13, par exemple planes et parallèles ;
- une couche intermédiaire 12 recouvrant la couche à ouvertures 10, la couche intermédiaire 12 pouvant être remplacée par un film d'air ; et
- une matrice d'éléments optiques 14 de taille micrométrique, par exemple une matrice de microlentilles 14 recouvrant la couche intermédiaire 12, la couche intermédiaire 12 pouvant alors jouer le rôle de support de la matrice de microlentilles 14, la couche intermédiaire 12 et la matrice de microlentilles 14 pouvant correspondre à une structure monolithique.
[0085] On a représenté en figure 1 à titre d'exemple deux rayons R et R' traversant le système optique 5. On appelle incidence initiale du rayon R, l'angle entre le rayon R avant d'avoir traversé la microlentille 14, et une direction D perpendiculaire à la face 11, et on appelle incidence finale du rayon R, l'angle entre le rayon R après avoir traversé la microlentille 14, et une direction D perpendiculaire à la face 11.
[0086] La figure 2 est une vue de dessus de la couche à ouvertures 10 représentée en figure 1. Dans le présent mode de réalisation, la couche à ouvertures 10 comprend une couche opaque 16 traversée par des trous 18, appelés également ouvertures. De préférence, les trous 18 sont traversants dans la mesure où ils s'étendent sur la totalité de l'épaisseur de la couche 16. Selon un autre mode de réalisation, les trous 18 peuvent ne s'étendre que sur une partie de l'épaisseur de la couche opaque 16, une portion résiduelle de la couche opaque 16 demeurant au fond des trous 18. Toutefois, dans ce cas, l'épaisseur de la portion résiduelle de la couche opaque 16 au fond du trou 18 est suffisamment faible pour que l'ensemble comprenant le trou 18, éventuellement rempli, et la portion résiduelle de la couche opaque 16 au fond du trou 18 puisse être considéré comme transparent au rayonnement utile .
[0087] Selon un mode de réalisation, la répartition des trous 18 suit la répartition des microlentilles 14. A titre d'exemple, la figure 2 correspond au cas où les microlentilles sont réparties selon un maillage carré. Toutefois, d'autres agencements des microlentilles 14 sont possibles, par exemple selon un maillage hexagonal. On appelle "h" l'épaisseur de la couche 16, ce qui correspond également à la hauteur des trous 18. La couche 16 est opaque à la totalité ou à une partie du spectre du rayonnement incident. La couche 16 peut être opaque au rayonnement utile utilisé en fonctionnement, par exemple absorbante et/ou réfléchissante par rapport au rayonnement utile. Selon un mode de réalisation, la couche 16 est absorbante dans le visible ou une partie du visible et/ou le proche infrarouge et/ou l'infrarouge. L'indice de réfraction du matériau composant la matrice d'éléments optiques 14 est noté ni. L'indice de réfraction du matériau composant la couche intermédiaire 12 est noté n2. Le matériau composant la couche 16 est noté n3. L'indice de réfraction du matériau de remplissage des trous 18 est noté n4.
[0088] En figure 2, les trous 18 sont représentés avec une section droite circulaire. De façon générale, la section droite des trous 18 dans la vue de dessus peut être quelconque, par exemple annulaire, circulaire, ovale ou polygonale, notamment triangulaire, carrée ou rectangulaire selon le procédé de fabrication utilisé. En outre, sur la figure 1, les trous 18 sont représentés avec une section droite constante sur toute l'épaisseur de la couche opaque 16. Toutefois, la section de droite de chaque trou 18 peut varier sur l'épaisseur de la couche opaque 16. Dans le cas où les trous 18 sont formés par un procédé comprenant des étapes de photolithographie, la forme des trous peut être ajustée par les paramètres procédés tels que la dose d'exposition, le temps de développement, la divergence de la source d'exposition de photolithographie ainsi que par la forme des microlentilles.
[0089] Selon un mode de réalisation, les trous 18 sont disposés en rangées et en colonnes. Les trous 18 peuvent avoir sensiblement les mêmes dimensions. On appelle "w" la largeur d'un trou 18 mesurée selon la direction des rangées ou des colonnes. La largeur w correspond au diamètre du trou 18 dans le cas d'un trou de section droite circulaire. Selon un mode de réalisation, les trous 18 sont disposés régulièrement selon les rangées et selon les colonnes. On appelle "p" le pas de répétition des trous 18, c'est-à-dire la distance en vue de dessus des centres de deux trous 18 successifs d'une rangée ou d'une colonne. Comme cela est décrit plus en détail par la suite, la disposition des trous reproduit la disposition des microlentilles 14.
[0090] La couche à ouvertures 10 laisse seulement passer les rayons du rayonnement utile incident dont l'incidence finale par rapport à la face supérieure 11 de la couche à ouvertures 10 est inférieure à un angle d'incidence finale maximale max, qui est défini par la relation (1) suivante dans le cas où le matériau composant la couche 16 est parfaitement absorbant et dans le cas où la largeur w du trou 18 en entrée de trou est identique à la largeur w du trou 18 en sortie du trou :
[0091] tan max = w/h (1)
[0092] L'ouverture angulaire "a" de la couche à ouvertures 10 est égale à deux fois l'incidence finale maximale max. Cette ouverture angulaire a correspond au cas d'un matériau parfaitement absorbant. Pour un matériau réel pour lequel l'absorption peut être inférieure à 100 %, l'ouverture angulaire a peut être supérieure à la valeur obtenue à partir de la relation (1) . [0093] Le rapport h/w peut varier de 1 à 10, voire être supérieur à 10. Le pas p peut varier de 1 ym à 500 ym, de préférence de 1 ym à 100 ym, plus préférentiellement de 10 ym à 50 ym, par exemple égal à environ 15 ym. La hauteur h peut varier de 0,1 ym à 1 mm, de préférence de 1 y à 130 ym, plus préférentiellement de 10 ym à 130 ym ou de 1 ym à 20 ym. La largeur w peut varier de 0,1 ym à 100 ym, de préférence de 1 ym à 10 ym, par exemple égale à environ 2 ym. Les trous 18 peuvent avoir tous la même largeur w. A titre de variante, les trous 18 peuvent avoir des largeurs w différentes.
[0094] Les microlentilles 14 sont des lentilles convergentes ayant chacune une distance focale f comprise entre 1 ym et 100 ym, de préférence entre 5 ym et 50 ym Selon un mode de réalisation, toutes les microlentilles 14 sont sensiblement identiques. Selon un mode de réalisation, l'épaisseur maximale des microlentilles 14 est comprise entre 1 ym et 20 ym.
[0095] La combinaison des microlentilles 14 et des trous 18 permet d'optimiser deux paramètres importants. Plus précisément, ceci permet d'augmenter la transmittance à incidence normale tout en diminuant l'angle de vue. Sans les microlentilles 14, optimiser ces deux paramètres exige des ouvertures au rapport largeur sur hauteur très faible et un facteur de remplissage important, ce qui est très difficile à réaliser en pratique. L'ajout des microlentilles 14 sur les trous 18 permet de relâcher la contrainte sur le facteur de forme des ouvertures et le facteur de remplissage.
[0096] La figure 3 est une vue en coupe d'une variante du système optique 5 représenté en figure 1 dans laquelle le système optique 5 comprend en outre un revêtement 20 recouvrant la matrice de microlentilles 14. Le revêtement 20 comprend par exemple un empilement de plusieurs couches, par exemple deux couches 22 et 24, et comprenant une face supérieure 26, le revêtement 20 pouvant ne pas être présent, la face supérieure 26 correspondant alors à la face supérieure de la matrice de microlentilles 14. L'indice de réfraction de la couche 22 est inférieur à l'indice de réfraction ni de la matrice de microlentilles 14. A titre de variante, le revêtement 20 peut comprendre seulement la couche 22. Le rôle de la couche 22 est de protéger les microlentilles 14 et/ou de former une face sensiblement plane pour simplifier l'assemblage avec une couche supérieure non représentée. La couche 22 a de préférence un indice de réfraction inférieur à celui des microlentilles 14 afin de maintenir l'effet focalisant des microlentilles 14. Selon un mode de réalisation, l'indice de réfraction de la couche 22 est compris entre 1,2 et 1,5 et l'indice de réfraction des microlentilles 14 est compris entre 1,4 et 1,6.
[0097] La figure 4 est une vue en coupe d'une variante du système optique 5 représenté en figure 3 dans laquelle le revêtement 20 comprend seulement la couche 24 qui correspond à un film appliqué contre la matrice de microlentilles 14. Dans ce cas, la zone de contact entre la couche 24 et les microlentilles 14 peut être réduite, par exemple limitée aux sommets des microlentilles 14. La couche 24 peut servir à protéger les microlentilles 14 et/ou former une face sensiblement plane pour simplifier l'assemblage avec une couche supérieure non représentée. La couche 24 peut aussi être une couche adhésive pour assembler le système optique 5 a une couche supérieure.
[0098] La figure 5 est une vue en coupe d'une autre variante du système optique 5 représenté en figure 1 dans laquelle la couche à ouvertures 10 comprend une couche opaque 28 supplémentaire recouvrant la couche opaque 16, du côté de la couche opaque 16 opposé aux microlentilles 14, et traversée par des trous 30 situés dans le prolongement des trous 18. [0099] La figure 6 est une vue en coupe d'une variante du système optique 5 représenté en figure 5 dans laquelle la couche à ouvertures 10 comprend une couche intermédiaire 32, transparente au rayonnement utile, interposée entre les couches opaques 16 et 28. De façon générale, la couche à ouvertures 10 peut comprendre un empilement de plus de deux couches opaques, chaque couche opaque étant traversée par des trous, les couches opaques de chaque paire de couches opaques adjacentes étant espacées ou non par une ou des couches transparentes .
[0100] La figure 7 est une vue en coupe, partielle et schématique, d'une variante du système optique 5 du mode de réalisation représenté en figure 1 dans laquelle la section droite des trous 18 n'est pas constante. Dans le mode de réalisation illustré en figure 7, la section droite de chaque trou 18 diminue au fur et à mesure que l'on s'éloigne des microlentilles 14. Selon un mode de réalisation, les trous 18 ont une forme sensiblement tronconique. Selon un mode de réalisation, le diamètre des trous 18 du côté de la face 11 est compris entre 2 ym et 10 ym et le diamètre des trous 18 du côté de la face 13 est compris entre 1 ym et 5 ym.
[0101] La figure 8 est une vue en coupe, partielle et schématique, d'une variante du système optique 5 du mode de réalisation représenté en figure 1 dans laquelle la couche à ouvertures 10 comprend une couche de base 34 en un premier matériau au moins en partie transparent au rayonnement utile et recouvert d'un revêtement 36 opaque au rayonnement utile, par exemple absorbante et/ou réfléchissante par rapport au rayonnement utile. Le premier matériau peut être une résine. Le deuxième matériau peut être un métal, par exemple de l'aluminium (Al) ou du chrome (Cr) , un alliage métallique ou un matériau organique. Ce matériau peut recouvrir les parois des trous comme cela est représenté en figure 8, ou non en fonction des caractéristiques de la couche 16.
[0102] La figure 9 est une vue en coupe, partielle et schématique, d'une autre variante du système optique 5 du mode de réalisation représenté en figure 1 dans laquelle une couche réfléchissante 38 par rapport au rayonnement utile recouvre la face de la couche à ouvertures 10 opposée aux microlentilles 14. En figure 9, les trous 18 ont une forme adaptée aux microlentilles 14, par exemple sensiblement cylindriques. La couche réfléchissante 38 peut être une couche métallique, par exemple une couche d'aluminium (Al) ou de chrome (Cr) .
[0103] La figure 10 est une figure analogue à la figure 9 pour des trous 18 de forme tronconique, le grand diamètre de chaque trou 18 étant orienté du côté des microlentilles 14.
[0104] La figure 11 est une vue en coupe, partielle et schématique, d'une variante du système optique 5 du mode de réalisation représenté en figure 9 dans laquelle la couche réfléchissante 38 recouvre la face de la couche à ouvertures 10 opposée aux microlentilles 14 et éventuellement les parois latérales internes des trous 18.
[0105] Les modes de réalisation illustrés sur les figures 9, 10 et 11 permettent de façon avantageuse d'augmenter l'obstruction, soit par réflexion soit par absorption, du filtre angulaire 5 par rapport aux rayons lumineux obliques.
[0106] Selon un mode de réalisation, la couche 16 est en une résine photosensible positive, c'est-à-dire une résine photosensible pour laquelle la partie de la couche de résine exposée à un rayonnement devient soluble à un révélateur et où la partie de la couche de résine photosensible qui n'est pas exposée au rayonnement reste insoluble dans le révélateur. La couche opaque 16 peut être en résine colorée, par exemple une résine DNQ-Novolaque colorée ou noire ou une résine photosensible DUV (sigle anglais pour Deep Ultraviolet) . Les résines DNQ-Novolaque sont basées sur un mélange de diazonaphtoquinone (DNQ) et d'une résine novolaque (résine de phénolformaldéhyde) . Les résines DUV peuvent comprendre des polymères basés sur les polyhydroxystyrènes .
[0107] Selon un autre mode de réalisation, la couche 16 est en une résine photosensible négative, c'est-à-dire une résine photosensible pour laquelle la partie de la couche de résine exposée à un rayonnement devient insoluble à un révélateur et où la partie de la couche de résine photosensible qui n'est pas exposée au rayonnement reste soluble dans le révélateur. Des exemples de résines photosensibles négatives sont des résines polymères à base d'epoxy, par exemple la résine commercialisée sous l'appellation SU-8, des résines acrylates et des polymères thiol-ène hors stoechiométrie (OSTE, sigle anglais pour Off-Stoichiometry thiol-enes polymer) .
[0108] Selon un autre mode de réalisation, la couche 16 est en un matériau usinable au laser, c'est-à-dire un matériau susceptible de se dégrader sous l'action d'un rayonnement laser. Des exemples de matériaux usinables par laser sont le graphite, un film de métal de faible épaisseur (typiquement de 50 nm à 100 nm) , des matériaux plastiques tels que le poly (méthacrylate de méthyle) (PMMA, sigle anglais pour poly(methyl méthacrylate)), l ' acrylonitrile butadiène styrène (ABS) ou des films plastiques teintés comme le poly ( téréphtalate d'éthylène) (PET, sigle anglais polyethylene terephthalate) , le poly (naphtalate d'éthylène) (PEN, sigle anglais pour Polyethylene naphthalate) , les polymères d'oléfine cyclique (COP, sigle anglais pour Cyclo Olefin Polymer) et les polyimides (PI) .
[0109] En outre, à titre d'exemple, la couche 16 peut être en une résine noire absorbante dans le domaine visible et/ou le proche infrarouge. Selon un autre exemple, la couche 16 peut en outre être en une résine colorée absorbant la lumière visible d'une couleur donnée, par exemple la lumière bleue, verte, cyan ou la lumière infrarouge. Ceci peut être le cas lorsque le système optique 5 est utilisé avec un capteur d'images qui est sensible seulement à la lumière de couleur donnée. Ceci peut en outre être le cas lorsque le système optique 5 est utilisé avec un capteur d'images qui est sensible à la lumière visible et qu'un filtre de la couleur donnée est interposé entre le capteur d'image et l'objet à détecter .
[0110] Lorsque la couche à ouvertures 10 est formée d'un empilement d'au moins deux couches opaques 16, 28, chaque couche opaque peut être dans l'un des matériaux cités précédemment, les couches opaques pouvant être dans des matériaux différents.
[0111] Les trous 18, 30 peuvent être remplis d'un matériau solide, liquide ou gazeux, notamment de l'air, au moins partiellement transparent au rayonnement utile, par exemple du polydiméthylsiloxane (PDMS) . A titre de variante, les trous 18, 30 peuvent être remplis par un matériau partiellement absorbant afin de filtrer en longueur d'onde les rayons du rayonnement utile. Le système optique 5 peut alors jouer en outre le rôle d'un filtre en longueur d'onde. Ceci permet de réduire l'épaisseur du système 5 par rapport au cas où un filtre coloré distinct du système optique 5 serait présent. Le matériau de remplissage partiellement absorbant peut être une résine coloré ou un matériau plastique coloré comme le PDMS .
[0112] Le matériau de remplissage des trous 18, 30 peut être sélectionné afin d'avoir une adaptation d'indice de réfraction avec la couche intermédiaire 12 en contact avec la couche à ouvertures 10, et/ou pour rigidifier la structure et améliorer la tenue mécanique de la couche à ouvertures 10, et/ou pour augmenter la transmission à incidence normale. En outre, le matériau de remplissage peut aussi être un matériau adhésif liquide ou solide permettant l'assemblage du système optique 5 sur un autre dispositif, par exemple un capteur d'images. Le matériau de remplissage peut être aussi une colle époxy ou acrylate servant à l'encapsulation du dispositif sur une face duquel repose le système optique, par exemple un capteur d'images, en considérant que la couche 12 est un film d'encapsulation. Dans ce cas, la colle remplit les trous 18 et se trouve au contact de la face du capteur d'images. La colle permet également de laminer le système optique 5 sur le capteur d'images.
[0113] La couche intermédiaire 12, qui peut ne pas être présente, est au moins partiellement transparente au rayonnement utile. La couche intermédiaire 12 peut être en un polymère transparent, notamment en PET, en PMMA, en COP, en PEN, en polyimide, en une couche de polymères diélectriques ou inorganiques (SiN, Si02) , ou en une couche de verre mince. Comme cela a été indiqué précédemment, la couche 12 et la matrice de microlentilles 14 peuvent correspondre à une structure monolithique. En outre, la couche 12 peut correspondre à une couche de protection du dispositif, par exemple un capteur d'images, sur lequel le système optique 5 est fixé. Si le capteur d'images est en matériaux organiques, la couche 12 peut correspondre à un film barrière étanche à l'eau et l'oxygène protégeant les matériaux organiques. A titre d'exemple, cette couche de protection peut correspondre à un dépôt de SiN de l'ordre de 1 ym sur la face d'un film de PET, PEN, COP, et/ou PI en contact de la couche à ouvertures 10. L'épaisseur de la couche intermédiaire 12 ou l'épaisseur du film d'air lorsque la couche intermédiaire 12 est remplacée par un film d'air est comprise entre 1 ym et 500 ym, de préférence entre 5 ym et 50 ym. Dans le cas où la couche intermédiaire 12 correspond à un film d'un matériau solide, l'épaisseur de la couche intermédiaire 12 peut correspondre à l'épaisseur standard de films disponibles dans le commerce, par exemple 12 ym, 19 ym, 23 ym, 36 ym, 50 ym, 100 ym. S'il est souhaitée d'obtenir d'autres valeurs pour la distance séparant les microlentilles 14 de la couche à ouvertures 10, une possibilité consiste à former la matrice de microlentilles 14 sur une couche de base commune à toutes les microlentilles, la couche de base reposant sur la couche intermédiaire et permettant d'ajuster l'épaisseur totale de l'empilement comprenant la couche 12 et la couche de base.
[0114] Le revêtement 20 est au moins partiellement transparent au rayonnement utile. Le revêtement 20 peut avoir une épaisseur maximale comprise en 0,1 ym et 10 mm. La face supérieure 26 peut être sensiblement plane ou avoir une forme courbe .
[0115] Selon un mode de réalisation, la couche 22 est une couche qui épouse la forme des microlentilles 14. La couche 22 peut être obtenue à partir d'un adhésif optiquement transparent (OCA, sigle anglais pour Optically Clear Adhesive) , notamment un adhésif optiquement transparent liquide (LOCA, sigle anglais pour Liquid Optically Clear Adhesive) , ou un matériau à bas indice de réfraction, ou une colle epoxy / acrylate, ou à un film d'un gaz ou d'un mélange gazeux, par exemple de l'air. De préférence, lorsque la couche 22 épouse la forme des microlentilles 14, la couche 22 est en un matériau ayant un bas indice de réfraction, inférieur à celui du matériau des microlentilles 14. La couche 22 peut être en un matériau de remplissage qui est un matériau transparent non adhésif. Selon un autre mode de réalisation, la couche 22 correspond à un film qui est appliqué contre la matrice de microlentilles 14, par exemple un film OCA. Dans ce cas, la zone de contact entre la couche 22 et les microlentilles 14 peut être réduite, par exemple limitée aux sommets des microlentilles. La couche 22 peut être alors composée d'un matériau ayant un indice de réfraction plus élevé que dans le cas où la couche 22 épouse les microlentilles 14. Selon un autre mode de réalisation, la couche 22 correspond à un film OCA qui est appliqué contre la matrice de microlentilles 14, l'adhésif ayant des propriétés qui permettent au film 22 d'épouser complètement ou sensiblement complètement la surface des microlentilles.
Selon un mode de réalisation, l'indice de réfraction de la couche 22 est inférieur à l'indice de réfraction des microlentilles 14. Selon un mode de réalisation, la couche 24 peut être en l'un des matériaux indiqués précédemment pour la couche 22. La couche 24 peut ne pas être présente. L'épaisseur de la couche 24 est comprise entre 1 ym et 100 ym.
[0116] Selon un mode de réalisation, il y a autant de microlentilles 14 que de trous 18. De préférence, la disposition des microlentilles 14 suit la disposition des trous 18. En particulier, le pas entre les centres optiques de microlentilles 14 adjacentes est le même que le pas p des trous 18 décrit précédemment.
[0117] Selon un autre mode de réalisation, les microlentilles 14 peuvent être, en vue de dessus, à base polygonale, notamment carrée, rectangulaire, pentagonale ou hexagonale. De préférence, les microlentilles 14 sont, en vue de dessus, sensiblement jointives. Ceci permet de façon avantageuse d'augmenter la transmission du filtre à incidence normale. Selon un autre mode de réalisation, les microlentilles 14 peuvent être, en vue de dessus, à base circulaire ou ovale.
[0118] De préférence, les plans focaux des microlentilles 14 sont confondus. Les plans focaux des microlentilles 14 peuvent être situés sensiblement dans l'épaisseur de la couche opaque 16 ou à distance de la couche opaque 16. Selon un mode de réalisation, les plans focaux des microlentilles sont situés à une distance de la face 11 comprise entre 0 et 1,5 fois l'épaisseur h de la couche opaque 16. Selon un mode de réalisation, les plans focaux des microlentilles sont situés sensiblement au niveau de la face inférieure 13 de la couche à ouvertures 10, par exemple sur la face inférieure 13 à 1 ym, de préférence à 0,5 ym près, plus préférentiellement à 0,1 ym près. Selon un mode de réalisation, lorsque la section droite des trous 18 n'est pas constante, la taille de l'entrée de chaque trou 18 du côté de la face 11 est égale ou légèrement supérieure au diamètre du faisceau lumineux réfracté par la microlentille dans le plan de la face 11 et la taille de chaque trou 18 du côté de la face 13 est égale ou légèrement supérieure à la surface de la lumière focalisée. Toutefois, la taille de l'entrée de chaque trou 18 du côté de la face 11 peut être réduite par rapport à ce qui a été décrit précédemment pour éviter le couplage avec de la lumière provenant de microlentilles voisines. En outre, la taille de chaque trou 18 du côté de la face 13 peut être réduite par rapport à ce qui a été décrit précédemment pour éviter le couplage avec de la lumière provenant de microlentilles voisines et/ou pour diminuer l'ouverture angulaire du filtre.
[0119] Selon un mode de réalisation, les microlentilles 14 ont toutes la même forme. Selon un autre mode de réalisation, les microlentilles 14 ont des formes différentes. Les microlentilles 14 peuvent être réalisées en silice, en PMMA, en une résine photosensible positive, en PET, en PEN, en COP, en PDMS/silicone, en résine époxy ou en acrylate. Les microlentilles 14 peuvent être formées par fluage de blocs d'une résine photosensible. Les microlentilles 14 peuvent en outre être formées par moulage, notamment par moulage UV ou moulage thermique, d'une couche de PET, PEN, COP, PDMS/silicone ou résine epoxy ou polymères acryliques. [0120] Pour augmenter la transmittance du système optique 5, dans le cas où le diamètre de chaque trou 18 du côté de la face 11 est égal au diamètre du trou 18 du côté de la face
13, il est préférable que le plan de symétrie de la couche à ouvertures 10 se trouve dans le plan focal des microlentilles
14. Le plan de symétrie de la couche à ouvertures 10 est le plan équidistant des faces 11 et 13. L'angle de vue "a" de la couche à ouvertures 10 est choisi de façon que chaque ouverture 18 collecte le plus grand nombre de rayons provenant de la microlentille 14 associée tout en permettant le moins possible le passage de rayons provenant des lentilles voisines Selon un mode de réalisation, l'angle d'ouverture "a" est choisi inférieur à 2*arctan (D/2f) où D est le diamètre des bases des microlentilles dans le cas de microlentilles à base circulaire, et, de plus façon générale, la plus grande dimension de la base de la microlentille.
[0121] La figure 12 représente une courbe Cl d'évolution de la transmittance Tr d'un système optique 5 en l'absence du réseau de microlentilles 14 en fonction de l'angle d'incidence d'un rayonnement incident collimaté, les incidences initiale et finale décrites précédemment étant alors confondues. La transmittance TrO à incidence normale est la transmittance pour une incidence égale à 0°. La transmittance Tr aux forts angles est la limite vers laquelle tend la transmittance Tr lorsque l'incidence tend vers ±90°. La transmittance Tr aux forts angles est représentative de la transparence du matériau formant la couche 16 en tenant compte du fait que la réflectivité en surface de la couche 16 augmente aux forts angles. Dans l'exemple illustré en figure 12, la transmittance Tr aux forts angles est sensiblement égale à 5 %. Selon un mode de réalisation, l'indice de réfraction n3 de la couche 16 est inférieur strictement à l'indice de réfraction n2 de la couche intermédiaire 12. Selon un autre mode de réalisation, l'indice de réfraction n3 de la couche 16 est supérieur strictement à l'indice de réfraction n2 de la couche intermédiaire 12. Pour un matériau complètement opaque au rayonnement utile, la transmittance Tr aux forts angles est sensiblement égale à 0 % . On appelle angle de vue (FWHM, sigle anglais pour Full Width at Half Maximum) la largeur en valeur angulaire à mi-hauteur de la courbe Cl. Le couplage optique (en anglais crosstalk) pour une ouverture 18 considérée du système optique 5 est égal au rapport entre l'intensité lumineuse à la sortie d'une ouverture 18 adjacente à l'ouverture considérée et l'intensité lumineuse qui entre dans l'ouverture considérée.
[0122] La figure 13 illustre les différences de propriétés optiques entre le filtre angulaire de la figure 1, représenté en partie gauche de la figure 13 et dont les trous 18 sont cylindriques, et le filtre angulaire de la figure 7, représenté en partie gauche de la figure 13 et dont les trous 18 sont tronconiques . Pour des structures identiques par ailleurs, la décroissance de la transmission de lumière en fonction de l'incidence initiale des rayons R est plus lente pour le filtre angulaire à trous cylindriques que pour le filtre angulaire à trous tronconiques. La sélectivité angulaire du filtre angulaire à trous cylindriques est donc inférieure à la sélectivité angulaire du filtre angulaire à trous tronconiques. De façon générale, la forme des trous 18 peut être adaptée notamment en fonction de la sélectivité angulaire recherchée.
[0123] La figure 14 est une vue analogue à la figure 1 illustrant une autre propriété optique du système optique 5. Selon un mode de réalisation, le couplage entre trous 18 voisins est réduit par la sélection du matériau composant la couche intermédiaire 12 et du matériau de remplissage des trous 18 de façon à obtenir une réflexion totale à l'interface entre la couche intermédiaire 12 et les trous 18 pour les rayons dont l'incidence finale est élevée. Pour obtenir une réflexion totale à cette interface, l'indice de réfraction n4 doit être inférieur à l'indice de réfraction n2. Une réflexion totale est obtenue à 1 ' interface entre la couche intermédiaire 12 et les trous 18 pour les rayons dont l'incidence finale est supérieure à un angle d'incidence minimal min qui est défini par la relation (2) :
[0124] min = arcsin (n4 /n2 ) (2)
[0125] En outre, Selon un mode de réalisation, pour limiter le couplage de lumière entre trous 18 voisins, l'arc tangente du rapport entre la moitié du pas des microlentilles 14 et l'épaisseur du support 12 est supérieur à min.
[0126] A titre d'exemple, l'angle d'incidence minimal min est égal à environ 42° lorsque les trous 18 sont remplis d'air (indice de réfraction n4 égal à 1) et la couche intermédiaire 12 est en PMMA (indice de réfraction n2 égal à 1,48) et l'angle d'incidence minimal min est égal à environ 37° lorsque les trous 18 sont remplis d'air et la couche intermédiaire 12 est en PET (indice de réfraction n2 égal à 1,65) . Plus l'angle d'incidence minimal min est faible, plus nombreuses sont les incidences possibles qui permettent une réflexion totale. Ceci permet notamment, pour une épaisseur donnée de la couche intermédiaire 12, de réduire le pas entre microlentilles 14 voisines en réduisant le couplage de lumière entre trous 18 voisins. En outre, si l'indice de réfraction ni est inférieur à l'indice de réfraction n2, la couche intermédiaire 12 devient un élément guidant pour la lumière ce qui permet d'évacuer la lumière non transmise à travers les trous 18 sur les bords latéraux du filtre angulaire 5 après guidage et atténuation dans l'épaisseur de la couche intermédiaire 12.
[0127] La transmittance à incidence normale TrO dépend notamment du facteur de remplissage des microlentilles 14, c'est-à-dire en vue de dessus le rapport entre la surface occupée par les microlentilles 14 présentes dans une région sur la surface de cette région. En effet, la réduction des interstices séparant des microlentilles 14 adjacentes permet d'augmenter la transmittance à incidence normale TrO .
[0128] La figure 15 est une vue en coupe d'un premier système optique 5 selon la configuration représentée en figure 3 représenté et utilisé pour réaliser des simulations. Pour le premier système optique 5, le pas des microlentilles 14 était de 20 ym. La matrice de microlentilles 14 comprenait une couche commune de 1,5 ym d'épaisseur sur laquelle repose les microlentilles dont l'épaisseur maximale était de 6,5 ym. Le rayon de courbure des microlentilles 14 était de 11,1 ym. Les microlentilles 14 sont immergées dans un milieu d'indice de réfraction égal à 1,34 comme le milieu 22 de la figure 3. L'épaisseur de la couche intermédiaire 12 était de 36 ym. Le diamètre d'entrée de chaque trou 18 était de 8 ym et le diamètre de sortie de chaque trou 18 était de 4 ym. L'épaisseur de la couche opaque 16 était de 15 ym. Les inventeurs ont déterminé par simulation que la transmittance à incidence normale obtenue était de 60 %.
[0129] La figure 16 représente une courbe C2 d'évolution de la transmittance normalisée du système optique 5 représenté en figure 15. L'angle de vue, défini comme l'angle à mi- hauteur du pic de transmittance angulaire normalisé, était de
2,2°.
[0130] Un deuxième système optique 5 selon la configuration représentée en figure 15 a été réalisé. Pour le deuxième système optique 5, le pas des microlentilles 14 était de 12 ym La matrice de microlentilles 14 comprenait une couche commune de 1,5 ym d'épaisseur sur laquelle repose les microlentilles dont l'épaisseur maximale était de 2 ym. Le rayon de courbure des microlentilles 14 était de 9,9 ym. L'épaisseur de la couche intermédiaire 12 était de 19 ym. Les microlentilles 14 sont situées dans un milieu d' indice de réfraction égal à 1 comme cela est illustré en figure 1. Le diamètre d'entrée de chaque trou 18 était de 5 ym et le diamètre de sortie de chaque trou 18 était de 2 ym. L'épaisseur de la couche opaque 16 était de 10 ym. Les inventeurs ont déterminé par simulation que la transmittance à incidence normale obtenue était de 64 %.
[0131] La figure 17 représente une courbe C3 d'évolution de la transmittance normalisée du deuxième système optique 5. L'angle de vue était de 2,4°. La structure du premier système optique 5 avec milieu 22 à bas indice de réfraction permet d'éviter la présence d'un interstice d'air entre les microlentilles 14 et la partie à assembler sur le système optique 5. En revanche, la structure du deuxième système optique 5 sans milieu 22 nécessite un interstice d'air pouvant simplifier le procédé de fabrication et l'assemblage du système optique 5.
[0132] Pour les simulations décrites précédemment en relation avec les figures 16 et 17, les microlentilles 14 étaient sphériques, adjacentes et agencées selon un pavage hexagonal. Toutefois, une transmittance à incidence normale d'environ 80 % peut être obtenue si un facteur de remplissage des microlentilles de 100 % est utilisé, notamment comme cela est décrit plus en détail par la suite.
[0133] La figure 18 est une vue de dessus d'un mode de réalisation d'un agencement des microlentilles 14 dans lequel chaque microlentille 14 est à base circulaire. Dans le présent mode de réalisation, les microlentilles 14 sont agencées en rangées et en colonnes selon un pavage carré dans lequel, à l'exception de la périphérie du réseau de microlentilles, le bord 39 de chaque microlentille 14 est, en vue de dessus, inscrit dans un carré représenté en traits pointillés, chacun de ces carrés ayant un côté commun avec quatre autres carrés. Un facteur de remplissage d'environ 78 % est alors obtenu.
[0134] La figure 19 est une vue de dessus d'un mode de réalisation d'un agencement des microlentilles 14 dans lequel chaque microlentille 14 est à base circulaire. Dans le présent mode de réalisation, les microlentilles 14 sont agencées selon un pavage hexagonal dans lequel, à l'exception de la périphérie du réseau de microlentilles, le bord de chaque microlentille 14 est inscrite, en vue de dessus, dans un hexagone représenté en traits pointillés, chacun de ces hexagones ayant un côté commun avec six autres hexagones. Les microlentilles 14 sont donc jointives sensiblement seulement en des points isolés. Un tel agencement permet d'atteindre un facteur de remplissage de 90 %, c'est-à-dire un facteur de remplissage plus important que celui pouvant être atteint avec un agencement de microlentilles 14 à base circulaire selon un pavage carré. Dans le cas où chaque microlentille 14 est sensiblement sphérique, le rayon de courbure de la microlentille est inférieur au pas P des microlentilles 14.
[0135] La figure 20 est une vue de dessus d'un mode de réalisation d'un agencement des microlentilles 14 dans lequel chaque microlentille 14 est à base circulaire. Dans le présent mode de réalisation, les microlentilles 14 sont agencées selon un pavage hexagonal dans lequel, à l'exception de la périphérie du réseau de microlentilles, le bord théorique 19 de chaque microlentille 14 est circonscrit à un hexagone en vue de dessus, chacun de ces hexagones ayant un côté commun avec six autres hexagones. Il y a alors chevauchement partiel entre microlentilles 14 adjacentes. Un tel agencement permet d'atteindre un facteur de remplissage de 100 %, c'est-à-dire un facteur de remplissage plus important que le pavage hexagonal illustré en figure 19. Selon un mode de réalisation, dans le cas où chaque microlentille 14 est sensiblement sphérique, le rayon de courbure de la microlentille est supérieur à la moitié du pas P des microlentilles 14. Selon un mode de réalisation, dans le cas de microlentilles 14 asphériques, chaque microlentille a une constante conique égale à -1 et un rayon de courbure au centre compris entre 1/3 et 2/3 du pas des lentilles.
[0136] Dans les modes de réalisation décrits précédemment, chaque microlentille 14 est à base circulaire. Toutefois, des microlentilles autres que des microlentilles à base circulaire peuvent être utilisées. Selon un mode de réalisation, des microlentilles 14 à base carrée ou à base hexagonale peuvent être utilisées. Un tel agencement permet d'atteindre un facteur de remplissage d'environ 100 %. Il peut toutefois ne pas être souhaitable d'obtenir un facteur de remplissage trop important, notamment pour réduire le couplage de la lumière issue de deux microlentilles voisines.
[0137] La figure 21 comprend, en partie gauche, une vue en coupe d'une partie du système optique 5 de la figure 1 au niveau d'une microlentille 14 et d'une ouverture 18 de la couche à ouvertures 10 dans un mode de réalisation dans lequel la microlentille 14 est sphérique. La figure 21 comprend en outre, en partie droite, une vue de dessus de la tache de focalisation 40 obtenue avec la microlentille sphérique 14 représentée en partie gauche. En raison de l'aberration sphérique de la microlentille 14, les rayons à incidence initiale nulle ne se focalisent pas tous en un point unique. La tache de focalisation 40 peut alors présenter un contour flou. En outre, ceci peut entraîner une diminution de la transmittance TrO à incidence nulle réellement obtenue par rapport à la transmittance TrO à incidence nulle théorique dans la mesure où certains rayons, notamment ceux qui atteignent la microlentille 14 à sa périphérie, sont bloqués par la couche à ouvertures 10. La sélectivité angulaire est en outre augmentée.
[0138] La figure 22 est une figure analogue à la figure 21 dans un mode de réalisation dans lequel chaque microlentille 14 est asphérique. Chaque microlentille 14 asphérique peut comprendre une portion centrale convexe 42 entourée par une portion périphérique concave ou convexe 44. La microlentille 14 asphérique permet d'obtenir une tache de focalisation 40 nette. En outre, la microlentille 14 asphérique permet d'augmenter la transmittance TrO à incidence nulle par rapport au mode de réalisation dans lequel la microlentille est sphérique dans la mesure où la microlentille 14 asphérique permet d'augmenter le nombre de rayons qui ne sont pas bloqués par la couche à ouvertures 10. Selon un mode de réalisation, la portion périphérique 44 est convexe et le rayon de courbure de la portion périphérique 44 est inférieur au rayon de courbure de la portion centrale convexe 42 de la microlentille 14. En outre, la microlentille 14 asphérique permet de réduire les dimensions de la tache de focalisation 40 par rapport à une microlentille 14 sphérique, ce qui permet de réduire la largeur w des trous 18 et donc d'augmenter la sélectivité du filtre angulaire.
[0139] Selon un mode de réalisation, une couche d'un matériau réfléchissant peut être déposée sur les flancs de chaque ouverture 18. Selon un autre mode de réalisation, un procédé de rugosification des flancs des ouvertures 18 peut être mis en oeuvre. Il peut s'agir d'un procédé mettant en oeuvre un plasma. Selon un mode de réalisation, la rugosité arithmétique Ra des flancs des ouvertures 18 est comprise entre 10 nm et 1 ym.
[0140] Un exemple d'application du système optique 5 va maintenant être décrit pour un filtre angulaire d'un système d'acquisition d'images. [0141] La figure 23 est une vue en coupe, partielle et schématique, d'un mode de réalisation d'un système d'acquisition d'images 50 recevant un rayonnement 52. Le système d'acquisition d'images 50, comprend, du bas vers le haut en figure 23 :
- un capteur d'images 54 ayant une face supérieure 56 ; et
- le système optique 5 formant un filtre angulaire et recouvrant la face 56.
[0142] Selon un mode de réalisation, le capteur d'images 54 comprend, de bas en haut en figure 23 :
- un support 58 ;
- une matrice de capteurs de photons 60, également appelés photodétecteurs, recouvrant le support 58 ;
- une couche isolante électriquement 62 recouvrant la matrice de photodétecteurs 60 et interposée entre la matrice de photodétecteurs 60 et le système optique 5, la couche isolante 62 délimitant la face 56 ; et
- une couche transparente 64 servant d'adhésif entre la couche 62 et la couche à ouvertures 10.
[0143] Le capteur d'images 54 comprend, en outre, des pistes conductrices et des éléments de commutation, notamment des transistors, non représentés, permettant la sélection des photodétecteurs 60. Le système d'acquisition d'images 50 comprend, en outre, des moyens non représentés de traitement des signaux fournis par le capteur d'images 60, comprenant par exemple un microprocesseur.
[0144] En figure 23, les photodétecteurs sont représentés espacés d'un pas sensiblement constant. Les photodétecteurs 60 peuvent être réalisés en matériaux organiques. Les photodétecteurs 60 peuvent correspondre à des photodiodes organiques (OPD, de l'anglais Organic Photodiode), à des photorésistances organiques. Les photodétecteurs 60 peuvent être réalisés en matériaux inorganiques. Les photodétecteurs 60 peuvent correspondre à des photodiodes en silicium monocristallin associées à une matrice de transistors CMOS ou à des photodiodes en silicium amorphe associées à une matrice de transistors CMOS. Selon un mode de réalisation, la surface du capteur d'images 54 en regard du système optique 5 et contenant les photodétecteurs 60 est supérieure à 1 cm2, de préférence supérieure à 5 cm2, plus préférentiellement supérieure à 10 cm2, en particulier supérieure à 20 cm2. La face supérieure 56 du capteur d'images 54 peut être sensiblement plane. A titre de variante, la face supérieure 56 du capteur d'images 54 peut être courbe.
[0145] La couche 62 est transparente au rayonnement utile.
L'épaisseur de la couche 62 est comprise entre 10 nm et 50 ym. La couche 62 peut être composée d'au moins l'un des matériaux décrits précédemment pour les couches 22 et 24, en particulier dans le cas où la couche 24 est une couche adhésive. Selon un mode de réalisation, la couche 62 n'est pas présente. La couche 62 peut, en outre, être étanche à l'oxygène et/ou à l'eau. Selon un autre mode de réalisation, la couche 62 n'est pas présente et le système optique 62 est directement en contact avec la matrice de photodétecteurs 60.
[0146] Selon un mode de réalisation, chaque photodétecteur 60 est adapté à détecter un rayonnement électromagnétique dans une plage de longueurs d'ondes comprises entre 400 nm et 1100 nm. Tous les photodétecteurs 60 peuvent être adaptés à détecter un rayonnement électromagnétique dans la même plage de longueurs d'ondes. A titre de variante, les photodétecteurs 60 peuvent être adaptés à détecter un rayonnement électromagnétique dans des plages de longueurs d'ondes différentes . [0147] Le filtre angulaire 5, recouvrant le capteur d'images 54, est adapté à filtrer le rayonnement incident 52 en fonction de l'incidence initiale du rayonnement 52 par rapport à la face supérieure 26, notamment pour que chaque photodétecteur 60 reçoive seulement les rayons dont 1 ' incidence initiale par rapport à un axe perpendiculaire à la face supérieure 26 est inférieure un angle d'incidence initiale maximale inférieur à 45°, de préférence inférieur à 30°, plus préférentiellement inférieur à 20°, encore plus préférentiellement inférieur à 10, en particulier inférieur à 5°. Le filtre angulaire 5 est adapté à bloquer les rayons du rayonnement incident dont 1 ' incidence initiale par rapport à un axe perpendiculaire à la face supérieure 26 est supérieure à l'angle d'incidence initiale maximale.
[0148] Selon un mode de réalisation, les photodétecteurs 60 peuvent être répartis en rangées et en colonnes. En figure 23, le pas des photodétecteurs 60 est le même que le pas des trous 18. La couche à ouvertures 10 est alors de préférence alignée avec le capteur d'images 54 de façon que chaque trou 18 soit en regard d'un photodétecteur 60. Selon un mode de réalisation, le rapport entre l'aire de la section droite d'une ouverture 18 et l'aire en vue de dessus du photodétecteur 18 associé est compris entre 1/10 et 1/2. Selon un autre mode de réalisation, le pas p des trous 18 est plus petit que le pas des photodétecteurs 60 du capteur d'image 54, par exemple inférieur à la moitié du pas des photodétecteurs, de préférence inférieur au quart du pas des photodétecteurs, plus préférentiellement inférieur au dixième du pas des photodétecteurs 60. Dans ce cas, plusieurs trous 18 peuvent se trouver en regard d'un même photodétecteur 60. Selon un autre mode de réalisation, le pas p des trous 18 est plus grand que le pas des photodétecteurs 60 du capteur d'image 54. Dans ce cas, plusieurs photodétecteurs 60 peuvent se trouver en regard d'un même trou 18. [0149] Un autre exemple d'application du système optique 5 va maintenant être décrit pour un dispositif de collimation d'un système d'éclairage ou d'affichage.
[0150] La figure 24 est une vue en coupe, partielle et schématique, d'un mode de réalisation d'un système d'éclairage 70 fournissant une lumière collimatée. Le système d'éclairage 70 comprend, du bas vers le haut en figure 24 :
- une source lumineuse 72 émettant un rayonnement 74 non collimaté ; et
- le système optique 5 tel que décrit précédemment, recouvrant la source lumineuse 72 et recevant le rayonnement 74 émis par la source lumineuse 72, le revêtement 20 n'étant pas présent en figure 24, la couche à ouvertures 10 étant interposée entre la source lumineuse 72 et la matrice de microlentilles 14.
[0151] De préférence, le plan d'émission de la source lumineuse 72 est proche du plan focal du système optique 5, de préférence situé dans le plan focal du système optique 5 à 0,1 ym près. De plus, selon l'application envisagée, le facteur de forme (rapport hauteur sur largeur) des trous 18 de la couche 10 est assez élevé, de préférence supérieur à 5, pour qu'aucun rayon sortant d'une ouverture 18 en regard d'une microlentille 14 donnée ne traverse une microlentille voisine En effet, dans ce cas, le rayon sortant ne serait pas collimaté. Comme mentionné précédemment, l'angle d'ouverture de la couche 10 peut être ajusté par le rapport de forme des ouvertures 18.
[0152] Dans le présent mode de réalisation, le système optique 5 joue le rôle d'un dispositif de collimation qui permet de collimater le rayonnement 74 fourni par la source lumineuse 72. En figure 24, la source lumineuse 72 est représentée avec une surface émissive sensiblement plane. A titre de variante, la surface émissive de la source lumineuse 72 peut être courbe. En figure 24, la source lumineuse 72 est représentée comme une source continue s'étendant sous le système optique 5. Toutefois, il est clair que la source 72 peut comprendre des sources lumineuses disjointes, chacune de ces sources lumineuses disjointes pouvant être alignée avec l'un des trous 18.
[0153] Les figures 25 à 29 sont des vues en coupe, partielles et schématiques, de structures obtenues à des étapes successives d'un mode de réalisation d'un procédé de fabrication du système optique 5 représenté sur la figure 3.
[0154] La figure 25 représente la structure obtenue après la formation de la matrice de microlentilles 14 sur la couche intermédiaire 12. A titre de variante, la matrice de microlentilles 14 peut être formée sur un support différent de la couche intermédiaire 12, ce support étant retiré avant la formation de la couche intermédiaire 12 lorsque la couche intermédiaire 12 est présente, ou avant la formation de la couche à ouvertures 10 lorsque la couche intermédiaire 12 n'est pas présente. Selon un mode de réalisation, la fabrication des microlentilles 14 comprend la formation d'une couche du matériau composant les microlentilles 14 sur la couche intermédiaire 12 ou un autre support et la déformation de cette couche, par exemple au moyen d'une matrice pour former les microlentilles. Selon un autre mode de réalisation, les microlentilles 14 sont formées par moulage. En figure 25, les microlentilles 14 sont représentées de façon disjointes ou quasiment disjointes et adjacentes. A titre de variante, la matrice de microlentilles 14 peut comprendre une couche de base commune à toutes les microlentilles comme cela est représenté en figure 14.
[0155] La figure 26 représente la structure obtenue après la formation du revêtement 20 sur la matrice de microlentilles 14 lorsque ce revêtement 20 est présent. Lorsque le revêtement 20 n'est pas présent, les étapes décrites par la suite en relation avec la figure 27 peuvent être réalisées directement après les étapes décrites précédemment en relation avec la figure 25. Selon un mode de réalisation, la formation du revêtement 20 peut comprendre les étapes suivantes :
- déposer une couche liquide ou visqueuse du matériau composant la couche 22 sur la matrice de microlentilles 14. La couche liquide épouse ainsi la forme des microlentilles 14. Cette couche est de préférence autoplanarisante, c'est- à-dire qu'elle forme de façon automatique une face libre sensiblement plane ;
- faire durcir la couche liquide pour former la couche 22. Ceci peut comprendre une étape de réticulation du matériau composant la couche 22, notamment par réticulation thermique et/ou par irradiation par un faisceau ultraviolet ; et
- former la couche 24 sur la couche 22, ou au contact de la couche de microlentilles 14 lorsque la couche 22 n'est pas présente, par exemple par laminage d'un film sur la couche 22.
[0156] La figure 27 représente la structure obtenue après la formation de la couche opaque 16 sur la couche intermédiaire 12, du côté opposé à la matrice de microlentilles 14. La couche opaque 16 peut être déposée par voie liquide, par pulvérisation cathodique ou par évaporation. Il peut s'agir notamment de procédés du type dépôt à la tournette, revêtement par pulvérisation, héliographie, revêtement par filière (en anglais slot-die coating) , revêtement à la lame (en anglais blade-coating) , flexographie ou sérigraphie. Selon le procédé de dépôt mis en oeuvre, une étape de séchage du matériau déposé peut être prévue.
[0157] La figure 28 représente la structure obtenue au cours d'une étape d'exposition à un rayonnement 76 collimaté, passant au travers des microlentilles 14, de parties 78 de la couche opaque 16 aux emplacements souhaités des trous 18.
[0158] La figure 29 représente la structure obtenue au cours d'une étape de révélation de la couche opaque 16 qui a entraîné la dissolution, dans un révélateur, des parties 78 de la couche opaque 16 exposées au rayonnement 76 incident, formant ainsi les trous 18. La couche à ouvertures 10 est ainsi obtenue. La composition du révélateur dépend de la nature de la résine photosensible positive qui a été utilisée.
[0159] Le procédé peut comprendre des étapes ultérieures comprenant le remplissage des trous 18 par un matériau de remplissage .
[0160] Le rayonnement utilisé pour exposer la couche opaque 16 dépend de la résine photosensible utilisée. A titre d'exemple, le rayonnement 76 est un rayonnement de longueurs d'ondes comprises approximativement entre 300 nm et 450 nm dans le cas d'une résine DNQ-Novolaque ou un rayonnement ultraviolet pour une résine photosensible DUV. La durée de l'exposition de la couche opaque 16 au rayonnement 76 dépend notamment du type de résine photosensible positive utilisée et, de préférence, est suffisante pour que les parties 78 exposées de la couche opaque 16 s'étendent sur toute l'épaisseur de la couche opaque 16.
[0161] L'exposition de la couche opaque 16 est réalisée au travers des microlentilles 14. La forme des trous 18 obtenus dépend notamment des propriétés d'absorption et de diffusion du matériau composant la couche 16 et de la forme du faisceau incident. Selon un mode de réalisation, la couche opaque 16 est de préférence située dans le plan focal des microlentilles 14 ou à proximité du plan focal des microlentilles 14. Selon un mode de réalisation, le rayonnement incident 76 qui atteint les microlentilles 14 est un rayonnement sensiblement collimaté de sorte qu'il est focalisé par chaque microlentille 14 sensiblement au niveau de la couche opaque 16 ou à proximité de la couche opaque 16. La couche opaque 16 peut être décalée par rapport au plan focal des microlentilles 14 de façon à obtenir des taches de dimensions souhaitées sur la couche opaque 16 lorsque la couche opaque 16 est exposée au rayonnement 76 au travers des microlentilles 14. De préférence, l'inclinaison du rayonnement 76 par rapport à la face supérieure 26 correspond sensiblement à l'inclinaison moyenne que forme le rayonnement destiné à être capté par les photodétecteurs avec la face supérieure 26 lors d'une utilisation normale du système d'acquisition d'image 5. Selon un mode de réalisation, le rayonnement 76 est sensiblement perpendiculaire à la face 26. Selon un autre mode de réalisation, le rayonnement 76 est incliné par rapport à une direction perpendiculaire à la face 26 permettant ainsi d'obtenir des trous 18 décalés par rapport aux microlentilles 14.
[0162] La figure 30 illustre un exemple de formes des parties 78 exposées lorsque le rayonnement 76 est fortement diffusé par le matériau composant la couche 16 et est focalisé sensiblement dans le plan de symétrie de la couche 16. Des trous 18 sensiblement cylindriques, tels que représentés en figure 29, peuvent être obtenus, c'est-à-dire que leur section droite est constante.
[0163] Toutefois, comme cela a été décrit précédemment, la section droite des trous 18 peut ne pas être constante. A titre d'exemple, les trous 18 peuvent avoir une forme tronconique .
[0164] La figure 31 illustre un exemple de formes des parties 78 exposées lorsque le rayonnement 76 est peu diffusé par le matériau composant la couche 16 et est focalisé sensiblement en aval de la couche 16 par rapport aux microlentilles 14. Des trous 18 sensiblement tronconiques , tels que représentés en figure 7, peuvent être obtenus.
[0165] De façon générale, les paramètres de développement et d'exposition de la résine permettent d'ajuster le profil des trous. Selon un autre mode de réalisation, le rayonnement incident 76 présente une divergence, par exemple avec un angle de divergence supérieur à 1°, l'angle de divergence du rayonnement incident 76 qui atteint les microlentilles 14 étant alors ajusté pour moduler la largeur des trous 18 réalisés dans la couche 16.
[0166] Selon un autre mode de réalisation, notamment lorsque le revêtement 20 n'est pas présent, une couche d'un matériau d'indice de réfraction adapté peut être disposée de façon temporaire sur la matrice de microlentilles 14 pendant l'étape d'exposition pour modifier la distance focale des microlentilles 14 afin que les parties exposées 78 aient les dimensions souhaitées.
[0167] Selon un mode de réalisation, la source lumineuse émettant le rayonnement d'exposition 76 collimaté ou non peut être déplacée par rapport à la matrice de microlentilles 14 au cours de l'étape d'exposition en fonction de la forme souhaitée des trous 18, par exemple en modifiant l'inclinaison de la source lumineuse par rapport à une direction orthogonale à la face 26 et/ou en approchant ou éloignant la source lumineuse de la matrice de microlentilles 14. A titre d'exemple, la source lumineuse émettant le rayonnement d'exposition 76 peut être déplacée selon une boucle, ce qui permet d'obtenir des trous 18 de section droite annulaire. De telle forme de trous permet notamment la réalisation d'un filtre angulaire passe-bande autorisant le passage de rayons dont 1 ' incidence initiale par rapport à une direction orthogonale à la face 26 est dans au moins une première plage d'incidences et à laisser passer des rayons dont l'incidence par rapport à une direction orthogonale à la face 26 est dans au moins une deuxième plage d'incidences distincte de ladite au moins une première plage d'incidences.
[0168] Selon un mode de réalisation, les microlentilles 14 peuvent présenter des points de focalisation différents selon la longueur d'onde du rayonnement d'exposition 76. La couche 16 en résine photosensible peut être sensible à ces différentes longueurs d'onde. A titre de variante, lorsque la couche à ouvertures 10 comprend un empilement de plusieurs couches photosensibles 16, 28, chaque couche photosensible peut être sensible à un rayonnement à une longueur d'onde particulière. L'étape d'exposition peut alors comprendre l'exposition de la couche photosensible ou des couches photosensibles aux rayonnements à ces différentes longueurs d'onde pour obtenir des trous 18, 30 de forme souhaitée.
[0169] Les figures 32 et 33 sont des vues en coupe, partielles et schématiques, de structures obtenues à des étapes successives d'un autre mode de réalisation d'un procédé de fabrication du système optique 5 représenté sur la figure 3.
[0170] Les étapes initiales du présent mode de réalisation du procédé de fabrication comprennent les étapes décrites précédemment en relation avec les figures 25 à 29 à la différence que la couche 16 est remplacée par une couche du matériau destiné à remplir les trous 18 de la couche à ouvertures 10 et est réalisée en une résine photosensible négative qui est, en outre, transparente au rayonnement utile.
[0171] La figure 32 représente la structure obtenue au cours d'une étape de révélation de la couche de résine photosensible négative qui a entraîné la dissolution, dans un révélateur, des parties de la couche en résine photosensible négative qui n'ont pas été exposées au rayonnement 76 utilisé à l'étape d'exposition, les parties de la couche en résine photosensible négative exposées à l'étape d'exposition formant ainsi des plots 80. La composition du révélateur dépend de la nature de la résine photosensible négative qui a été utilisée.
[0172] La figure 33 représente la structure obtenue après la formation de la couche opaque 16 entre les plots 80, par exemple par dépôt à la tournette, revêtement par pulvérisation, héliographie, revêtement par filière (en anglais slot-die coating) , revêtement à la lame (en anglais blade-coating) , flexographie ou sérigraphie. Selon un mode de réalisation, la couche opaque est déposée sur la totalité de la structure et notamment sur les plots 80, et les parties de la couche opaque recouvrant les plots 80 sont retirées, par exemple par des étapes de photolithographie, de gravure ou de décollage (en anglais lift-off) . Les plots 80 délimitent ainsi les trous 18 dans la couche 16. La couche à ouvertures 10 est donc ainsi obtenue. Selon un mode de réalisation, la mise en oeuvre du procédé de lift-off peut nécessiter, pour chaque plot 80, que les dimensions de la base du plot 80, en contact avec la couche 12, soient plus petites que les dimensions du sommet du plot 80. La fabrication de plots 80 avec une telle forme peut être obtenue en prévoyant, lors de l'étape d'exposition de la couche de résine photosensible négative décrite précédemment en relation avec la figure 32, que les plans focaux des microlentilles 14 soient situés dans la couche 12.
[0173] Un autre mode de réalisation d'un procédé de fabrication du système optique 5 représenté sur la figure 3 comprend les étapes décrites précédemment en relation avec les figures 25 à 29 à la différence que la couche 16 est en un matériau susceptible de se dégrader sous l'action du rayonnement 76 notamment lorsque le rayonnement 76 correspond à un rayonnement laser. L'éclairement de ce rayonnement laser est suffisamment faible pour ne pas endommager la matrice d'éléments optiques de taille micrométrique 14 et suffisamment élevé après collimation par la matrice d'éléments optiques de taille micrométrique 14 pour dégrader la couche 16 au niveau des parties 78. A l'étape d'exposition décrite précédemment en relation avec la figure 28, les parties 78 exposées au rayonnement 76 sont donc détruites par ce rayonnement formant alors directement les trous 18. La couche à ouvertures 10 est donc ainsi obtenue.
[0174] Selon un mode de réalisation, le procédé de fabrication du système optique peut correspondre à un procédé bobine à bobine (en anglais roll to roll) . Selon un autre mode de réalisation, le procédé de fabrication du système optique peut correspondre à un procédé feuille à feuille.
[0175] Lorsque la couche à ouvertures 10 comprend un empilement d'au moins deux couches 16, 28 comprenant chacune des trous 18, 30, comme cela est représenté en figure 5 ou 6, la première couche 16 avec les trous 18 est réalisée dans un premier temps et la deuxième couche 28 avec les trous 30 est réalisée dans un deuxième temps, en tenant compte de la présence de la première couche 16, selon l'un quelconque des modes de réalisation de procédé de fabrication décrits précédemment .
[0176] De façon avantageuse, avec les modes de réalisation de procédé de fabrication décrits précédemment, l'alignement des trous 18 par rapport aux microlentilles 14 est obtenu de façon automatique par le procédé même de formation des trous 18. En outre, lorsque la couche à ouvertures 10 comprend un empilement d'au moins des première et deuxième couches opaques 16, 28 comprenant chacune des trous 18, 30, l'alignement des trous 30 de la deuxième couche opaque 28 par rapport aux trous 18 de la première couche opaque 16 est obtenu de façon automatique par le procédé même de formation des trous 30 de la deuxième couche opaque 28.
[0177] Selon un autre mode de réalisation d'un procédé de fabrication du système optique 5 représenté sur les figures 1 et 2, la couche à ouvertures 10 et la matrice de microlentilles 14 sont réalisées séparément puis fixées l'une à l'autre. Dans ce cas, un mode de réalisation d'un procédé de fabrication de la couche à ouvertures 10 comprend le dépôt d'une couche de résine colorée sur un support, l'impression de motifs dans la couche de résine par photolithographie, et le développement de la couche de résine pour ne conserver que la couche à ouvertures 10. Un autre mode de réalisation d'un procédé de fabrication de la couche à ouvertures 10 comprend la formation, par des étapes de photolithographie, d'un moule en résine transparente de forme complémentaire de la forme souhaitée de la couche à ouvertures 10, le remplissage du moule par le matériau composant la couche à ouvertures 10, et le retrait de la structure obtenue du moule. Un autre mode de réalisation d'un procédé de fabrication de la couche à ouvertures 10 comprend la perforation d'un film coloré, par exemple un film en PDMS, PMMA, PEC, COP. La perforation peut être réalisée en utilisant un outil de micro-perforation comprenant par exemple des micro-aiguilles pour obtenir les dimensions des trous 18 et le pas des trous 18 souhaités.
[0178] Un mode de réalisation d'un procédé de fabrication de la couche à ouvertures 10 représentée sur la figure 8 comprend les étapes suivantes :
- dépôt d'une couche de résine positive sur un support, par exemple par dépôt à la tournette ou par revêtement par filière (en anglais slot die coating) ;
- impression des motifs de la couche à ouvertures 10 dans la couche de résine par photolithographie ;
- développement de la couche de résine pour ne conserver que la couche de base 34 comprenant les trous 18 ; et
- formation du revêtement 36 sur la couche de base 34 et sur les parois latérales des trous 18, notamment par un dépôt sélectif, par exemple par évaporation, du deuxième matériau composant le revêtement 36 seulement sur la couche de base 34, ou par dépôt d'une couche du deuxième matériau composant le revêtement 36 sur la totalité de la structure, c'est à dire sur la couche de base 34, sur les parois latérales des trous 18 et au fond des trous 18, suivi du retrait du deuxième matériau présent au fond des trous 18.
[0179] Divers modes de réalisation et variantes ont été décrits. L'homme de l'art comprendra que certaines caractéristiques de ces divers modes de réalisation et variantes pourraient être combinées, et d'autres variantes apparaitront à l'homme de l'art. En particulier, les modes de réalisation des couches à ouvertures 10 représentées sur les figures 5 à 11 peuvent être utilisés avec les modes de réalisation de la matrice de microlentilles 14 décrits précédemment en relation avec les figures 18, 19, 21 et 22.
[0180] Enfin, la mise en oeuvre pratique des modes de réalisation et variantes décrits est à la portée de l'homme du métier à partir des indications fonctionnelles données ci- dessus .

Claims

REVENDICATIONS
1. Système optique (5) comprenant une couche (16) comprenant une première face (11) destinée à recevoir un rayonnement et une deuxième face (13) opposée à la première face, ladite couche étant opaque audit rayonnement et comprenant des trous traversants ou partiellement traversants (18) ouverts sur la première face, le système optique comprenant une matrice d'éléments optiques de taille micrométrique (14) recouvrant ladite couche, chaque élément optique étant configuré pour se comporter comme une lentille convergente de distance focale comprise entre 1 ym et 100 ym, la distance entre la surface à équidistance des première et deuxième faces et les points focaux des éléments optiques étant inférieure à deux fois l'épaisseur de ladite couche.
2. Système optique selon la revendication 1, configuré pour bloquer les rayons dudit rayonnement dont l'incidence par rapport à une direction orthogonale à la première face (11) est dans au moins une première plage d'incidences et à laisser passer des rayons dudit premier rayonnement dont 1 ' incidence par rapport à une direction orthogonale à la première face est dans au moins une deuxième plage d'incidences distincte de ladite au moins une première plage d'incidences.
3. Système optique selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la matrice d'éléments optiques de taille micrométrique (14) comprend une matrice de lentilles de taille micrométrique, une matrice de lentilles de Fresnel de taille micrométrique, un réseau de microlentilles à gradient d'indice de taille micrométrique, ou une matrice de réseaux de diffraction de taille micrométrique.
4. Système optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la matrice d'éléments optiques de taille micrométrique (14) comprend une matrice de lentilles de taille micrométrique.
5. Système optique selon la revendication 4, dans lequel les plans focaux des lentilles (14) de taille micrométrique sont confondus.
6. Système optique selon la revendication 4 ou 5, dans lequel les lentilles (14) de taille micrométrique sont à base circulaire ou hexagonale et agencées selon un pavage hexagonal .
7. Système optique selon l'une quelconque des revendications 4 ou 5, dans lequel les lentilles (14) de taille micrométrique sont à base carrée et agencées selon un pavage carré .
8. Système optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la matrice d'éléments optiques de taille micrométrique (14) comprend une matrice de lentilles asphériques de taille micrométrique.
9. Système optique selon la revendication 8, dans lequel chaque lentille asphérique (14) comprend une portion centrale (42) entourée d'une portion périphérique (44) ayant un rayon de courbure supérieur au rayon de courbure de la portion centrale.
10. Système optique selon la revendication 9, dans lequel chaque lentille a une constante conique égale à -1 et un rayon de courbure au centre compris entre 1/3 et 2/3 du pas des lentilles.
11. Système optique selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, dans lequel les lentilles sont des lentilles sphériques et dans lequel le rayon de courbure des lentilles (14) est supérieur à la moitié du pas des lentilles et inférieur au pas des lentilles.
12. Système optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, comprenant autant d'éléments optiques de taille micrométrique (14) que de trous (18), le pas entre les éléments optiques de taille micrométrique étant le même que le pas entre les trous.
13. Système optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, dans lequel, pour chaque trou (18), le rapport entre la hauteur du trou, mesurée perpendiculairement à la première face (11), et la largeur du trou, mesurée parallèlement à la première face, varie de 0,1 à 10.
14. Système optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, dans lequel les trous (18) sont agencés comme les éléments optiques (14), le pas (p) entre des trous adjacents d'une même rangée ou d'une même colonne variant de 1 ym à 500 ym.
15. Système optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, dans lequel la hauteur de chaque trou (18), mesurée selon une direction orthogonale à la première face (11), varie de 0,1 ym à 1 mm.
16. Système optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, dans lequel la largeur de chaque trou (18), mesurée parallèlement à la première face (11), varie de 0,1 ym à 100 ym.
17. Système optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, comprenant un empilement (10) de ladite couche (16) comprenant lesdits trous traversants ou partiellement traversants (18) et d'une couche supplémentaire (28) comprenant des trous supplémentaires traversants ou partiellement traversants (30) alignés aves lesdits trous.
18. Système optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 17, comprenant en outre un revêtement (22) recouvrant la matrice d'éléments optiques de taille micrométrique (14), la matrice d'éléments optiques de taille micrométrique (14) étant interposée entre le revêtement et ladite couche (16), l'indice de réfraction du revêtement (22) étant différent de l'indice de réfraction de l'air.
19. Système selon la revendication 18, dans lequel l'indice de réfraction du revêtement (22) est inférieur à l'indice de réfraction de la matrice d'éléments optiques de taille micrométriques (14) .
20. Système selon la revendication 18 ou 19, dans lequel le revêtement (22) est au contact de la totalité de chaque élément optique.
21. Système optique selon la revendication 18 ou 19, dans lequel le revêtement (22) est en contact avec chaque élément optique uniquement au sommet dudit élément optique, et délimite un interstice d'air avec le reste dudit élément optique .
22. Système optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 21, comprenant un support (12) entre la matrice d'éléments optiques de taille micrométrique (14) et ladite couche (16).
23. Système optique selon la revendication 22, dans lequel l'indice de réfraction du support (12) est supérieur à l'indice de réfraction de ladite couche (16) .
24. Système optique selon la revendication 22 ou 23, dans lequel l'indice de réfraction du support (12) est supérieur à 1 ' indice de réfraction de la matrice d'éléments optiques de taille micrométrique (14).
25. Système optique selon l'une quelconque des revendications 22 à 24, dans lequel les trous (18) sont remplis d'un matériau solide, liquide ou gazeux d'indice de réfraction plus faible que l'indice de réfraction du support.
26. Système optique selon la revendication 25, dans lequel l'arc tangente du rapport entre la moitié du pas des éléments optiques de taille micrométrique (14) et l'épaisseur du support (12) est supérieur à l'arc sinus du rapport entre 1 ' indice de réfraction du matériau remplissant les trous (18) et l'indice de réfraction du support .
27. Système optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 26, dans lequel les trous (18) sont tronconiques .
28. Système optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 27, dans lequel les points focaux des éléments optiques (14) sont situés dans la deuxième face (13) à 1 ym près.
29. Système optique selon la revendication 28, dans lequel, pour chaque trou (18), les dimensions du trou sur la première face (11) sont égales, ou supérieures, d'au plus 10 %, aux dimensions du rayonnement sur la première face focalisé par l'élément optique (14) en vis-à-vis du trou.
30. Système optique selon la revendication 28 ou 29, dans lequel, pour chaque trou (18), les dimensions du trou sur la deuxième face (13) sont égales, ou supérieures, d'au plus 10 %, aux dimensions sur la deuxième face du rayonnement focalisé par l'élément optique (14) en vis-à- vis du trou.
31. Système d'acquisition d'images (50) comprenant un capteur d'images (54) et un système optique (5) selon l'une quelconque des revendications 1 à 30 recouvrant le capteur d'images et formant un filtre angulaire.
32. Système d'acquisition d'images (50) selon la revendication 31, dans lequel le capteur d'images (54) comprend une matrice de photodétecteurs (60) et dans lequel le pas des éléments optiques (14) est inférieur à la moitié du pas des photodétecteurs.
33. Système d'éclairage ou d'affichage ou d'illumination (70) comprenant une source lumineuse (72) et un système optique (5) selon l'une quelconque des revendications 1 à 30 recouvrant la source lumineuse.
34. Système d'éclairage ou d'affichage ou d'illumination (70) selon la revendication 33, dans lequel la source lumineuse (72) comprend une zone d'émission d'un rayonnement (74) située, à 0,1 ym près, dans un plan contenant les points focaux des éléments optiques (14) et dans lequel, pour chaque trou (18), le rapport entre la hauteur du trou, mesurée perpendiculairement à la première face (11), et la largeur du trou, mesurée parallèlement à la première face, est supérieur à 5, d'où il résulte que le système optique joue le rôle d'un dispositif de collimation du rayonnement .
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