Microlentille

Une microlentille est une petite lentille, généralement d'un diamètre inférieur au millimètre et pouvant atteindre une dizaine de micromètres. Étant donné la petite taille de ces objets, ils peuvent être sujet à des phénomènes de diffraction optique.
L'une des géométries les plus communes pour ces microlentilles est de type plan-convexe (l'une de ces surfaces est plane et l'autre convexe)[1] mais il existe aussi des lentilles à gradient d'indice[2] utilisant la variation de l'indice de réfraction du matériau qui les compose pour réaliser la focalisation de la lumière.
Une autre classe de microlentilles, parfois appelées microlentilles de Fresnel[3], reprend le concept des lentilles de Fresnel à plus petite échelle.

Ne doit pas être confondu avec Microlentille gravitationnelle.

Fabrication

Au XVe siècle, Robert Hooke et Antonie van Leeuwenhoek développent des techniques permettant la fabrication de petites lentilles de verre nécessaires à leurs microscopes. En faisant fondre dans une flamme des filaments de verre de Venise et en déposant le verre fondu sur une surface, Hooke profite de la tension de surface pour obtenir la géométrie souhaitée pour la goutte fondue[4],[5].

Fabrication d'une matrice de microlentilles

A la fin des années 80, le principe de cette technique est repris pour la réalisation de matrice de microlentilles en résine photosensible[4],[6],[7]. Zoran D. Popovic et al. déposent un film de résine photosensible sur un substrat de quartz puis, par photolithographie, définissent des motifs cylindriques dans la résine. Après un chauffage à 140 °C pendant 15 minutes, les motifs cylindriques, sous l'effet de la tension de surface, prennent une forme plan-convexe[6].

Pour répondre aux besoins de miniaturisation des matrices de microlentilles ainsi qu'à la nécessité de diminuer les coûts de fabrication, une recherche importante est menée pour utiliser les technologies et les recherches issues de l'industrie des semi-conducteurs à la réalisation de tels composants[8],[9].

Applications
Barrière parallaxe versus écran lenticulaire

Les microlentilles isolées servent au couplage de la lumière dans une fibre optique alors que les réseaux de microlentilles sont souvent utilisés pour augmenter l’efficacité de la collecte de la lumière dans les capteurs CCD, les cellules solaires[10] ou de son extraction pour les diodes électroluminescentes[11].

Appareils d'imagerie compacts

Des combinaisons de matrices de microlentilles ont été conçues pour atteindre de nouvelles performances dans le domaine de l'imagerie, telles que la capacité à former une image de grossissement 1, sans inversion (comme observée avec les lentilles conventionnelles)[12]. Les matrices de microlentilles sont utilisées dans des appareils d'imagerie compacts telles que les photocopieurs ou des appareils-photo de téléphone mobile[13].

Imagerie 3D

Les matrices de microlentilles (ou réseaux lenticulaires) peuvent être utilisées pour la réalisation et l'affichage d'image en 3D, on parle alors d'imagerie lenticulaire. A l'image du stéréogramme à parallaxe développé par Frederic Eugene Ives, où l'effet stéréoscopique est dû à une grille aux espacements correctement ajustés (barrière parallaxe), dans l'écran lenticulaire, la matrice de microlentilles permet de réfracter une image vers chaque œil (cf figure ci-contre).

Microlentilles dans la nature
Œil de drosophile au MEB

On trouve des exemples de micro-optiques dans la nature:

  • dans les structures simples pour concentrer la lumière afin d'optimiser le rendement de la photosynthèse[14].
  • dans les yeux des insectes et des crustacés où le nombre de microlentilles peut atteindre 30 000[15].

Les yeux composés des insectes, permettant une collecte simultanée de nombreuses images, s'avèrent être des capteurs de mouvement extrêmement sensibles.
Leur principe a été repris pour réaliser des détecteurs[16], des caméras à vue panoramique[17].

Notes et références
  1. (en) C.R. King, L.Y. Lin et M.C. Wu, « Out-of-Plane Refractive Microlens Fabricated by Surface Micromachining », IEEE Photonics Technology Letters, vol. 8, no 10,‎ , p. 1349 (lire en ligne)
  2. (en) J. Arai, F. Okano, H. Hoshino et I. Yuyama, « Gradient-index lens-array method based on real-time integral photography for three-dimensional images », Applied Optics, vol. 37, no 11,‎ , p. 2034 (lire en ligne)
  3. (en) T. Shiono, K. Setsune, O. Yamazaki et K. Wasa, « Rectangular-apertured micro-Fresnel lens arrays fabricated by electron-beam lithography », Applied Optics, vol. 26, no 3,‎ , p. 587 (lire en ligne)
  4. (en) H.P. Herzig, Micro-Optics : Elements, Systems And Applications, CRC Press, , 600 p. (ISBN 978-0-7484-0481-0, lire en ligne), p. 132
  5. (en) R. Hooke, Micrographia : Preface, The Royal Society of London,
  6. (en) Z.D. Popovic, R.A. Sprague et G.A.N. Connell, « Technique for monolithic fabrication of microlens arrays », Applied Optics, vol. 27, no 7,‎ , p. 1281 (lire en ligne)
  7. (en) D. Daly, R.F. Stevens, M.C. Hutley et N. Davies, « The manufacture of microlenses by melting photoresist », Measurement Science and Technology, vol. 1, no 8,‎ , p. 759 (lire en ligne)
  8. (en) M. V. Kunnavakkam, F. M. Houlihan, M. Schlax, J. A. Liddle et P. Kolodner, « Low-cost, low-loss microlens arrays fabricated by soft-lithography replication process », Applied physics letters, vol. 82, no 8,‎ , p. 1152
  9. (en) C.S. Lim, M.H. Hong, Y. Lin, Q. Xie et B.S. Luk’yanchuk, « Microlens array fabrication by laser interference lithography for super-resolution surface nanopatterning », Applied physics letters, vol. 89, no 19,‎ , p. 191125
  10. (en) J.H. Karp, E.J. Tremblay et J.E. Ford, « Planar micro-optic solar concentrator », Optics Express, vol. 18, no 2,‎ , p. 1122 (lire en ligne)
  11. « Improved light out-coupling in organic light emitting diodes employing ordered microlens arrays », Journal of Applied Physics, vol. 91, no 5,‎ , p. 3324
  12. (en) N. A. Davies, M. McCormick et M. Brewin, « Design and analysis of an image transfer system using microlens arrays », Optical Engineering, vol. 33, no 11,‎ , p. 3624 (lire en ligne)
  13. (en) Michael Feldman, « Wafer-Level Camera Technologies Shrink Camera Phone Handsets », sur www.photonics.com (consulté le ).
  14. (en) P. Vukusic et J.R. Sambles, « Photonic structures in biology », Nature, vol. 424,‎ (lire en ligne)
  15. (en) Michael F. Land, « Microlens arrays in the animal kingdom », Pure Appl. Opt., vol. 6,‎ , p. 599 (lire en ligne)
  16. (en) Luke P. Lee et Robert Szema, « Inspirations from Biological Optics for Advanced Photonic Systems », Science, vol. 310, no 5751,‎ , p. 1148 (lire en ligne)
  17. (en) K. Bourzac, « Digital camera gives a bug's-eye view », sur Nature, (consulté le ).

Articles connexes

Liens externes
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