Brevet FR2722303A1 — publié le 19960112

i La présente invention est relative à un procédé et à un dispositif de fabrication de réseaux de microlentilles optiques et, plus particulièrement, à un tel procédé suivant lequel on presse une plaque d'un matériau optique déformable contre une surface indéformable creusée d'un réseau conforme d'alvéoles de profondeur supérieure à l'épaisseur de la partie convexe des microlentilles qui s'y forment par déformation permanente de la plaque contre la surface alvéolée. On utilise actuellement des réseaux de microlentilles dans diverses applications et, notamment, dans des capteurs ou des reproducteurs d'images. Dans ce dernier domaine de la technique, on connaît des projecteurs d'images vidéo opérant par projection de lumière à travers une matrice bidimensionnelle de cellules à cristaux liquides affichant l'image à projeter. Ces projecteurs d'images souffrent d'un rendement lumineux faible du fait de diverses absorptions de lumière par des polariseurs disposés de part et d'autre de la matrice, par les marges opaques des cellules de la matrice, par l'écran de projection, etc... A cet égard, il serait possible d'améliorer le rendement lumineux actuel (de l'ordre de 1%) d'un facteur 2 ou 3 en focalisant la lumière d'une source sur les plages utiles des cellules à cristaux liquides, qui sont sélectivement commutées entre un état opaque et un état transparent. On éviterait ainsi des absorptions par les marges opaques de ces cellules. Ce problème d'absorption se retrouve dans d'autres appareils tels que les écrans à cristaux liquides rétro-éclairés utilisés en informatique pour l'affichage d'informations. Compte tenu des dimensions des matrices de cellules à cristaux liquides utilisées et de la haute définition actuellement envisagée pour les images vidéo destinées au grand public, il faut alors disposer de réseaux bidimensionnels de microlentilles distribués avec un pas de l'ordre de 100 jm, par exemple, le réseau comptant un nombre de lentilles compris entre plusieurs centaines de milliers et plusieurs millions. Pour réaliser un tel réseau on peut penser au procédé décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique No. 4 572 611. Ce procédé fait appel à une composition de verre photosensible sélectivement céramisable par une exposition à un rayonnement de courte longueur d'onde, à travers un masque. Les parties exposées se contractent et les contraintes alors appliquées aux parties adjacentes non exposées ont pour effet de faire bomber la surface de celles-ci, de manière propre à constituer des microlentilles. Dans l'application à l'amélioration du rendement lumineux de matrices de cellules à cristaux liquides pour projecteur d'images vidéo, ce procédé n'est cependant pas parfaitement satisfaisant, notamment du fait que le coefficient de dilatation thermique du verre photosensible utilisé (89.10-' C-1, environ) pour réaliser le réseau est très différent de celui (46.10-7 C-l environ) du verre qui est aujourd'hui généralement utilisé pour réaliser l'enceinte de la matrice de cellules à cristaux liquides. On comprend qu'une dilatation différentielle de ces verres est susceptible de perturber le rigoureux alignement qui doit être maintenu entre chaque microlentille et la cellule de la matrice sur laquelle elle doit rester centrée. On connaît aussi un procédé de réalisation de réseaux de microlentilles par échange d'ions dans un substrat en verre. Malheureusement le verre du substrat présente un coefficient de dilatation thermique du même ordre que celui du verre photosensible mentionné ci-dessus et il en résulte les mêmes problèmes de dilatation thermique différentielle. On sait aussi réaliser des réseaux de microlentilles par pressage mécanique d'une plaque d'un matériau optique contre un moule reproduisant précisément en creux la surface du réseau de microlentilles. Ces procédés présentent l'inconvénient d'exiger la réalisation de moules de fabrication très délicate, et donc coûteuse, de longévité réduite du fait qu'il n'est plus possible de réutiliser un tel moule dès que des altérations minimes de sa surface interdisent la production de réseaux de lentilles présentant une surface de fini optique. Pour pallier ce dernier inconvénient, on connaît encore de la demande de brevet anglais No. 2 264 890 un procédé de fabrication de réseaux de lentilles de petites dimensions (1 à 2 mm de diamètre) suivant lequel on presse une feuille d'un matériau optique (un polycarbonate, par exemple, rendu plastique par chauffage) contre une plaque en acier inoxydable percée d'un réseau d'ouvertures circulaires distribuées et conformées comme les contours des lentilles du réseau à constituer. Sous l'effet de la pression exercée sur la feuille en matériau optique, celui-ci fait saillie dans les ouvertures en prenant le bombé d'une lentille convexe. Les ouvertures traversant la plaque en acier, d'épaisseur supérieure à celle des lentilles à former, les surfaces bombées des lentilles n'entrent pas en contact avec la plaque d'acier et ne peuvent donc être altérées par un contact mécanique. Par contre, la face de la feuille en matériau optique qui est opposée à celle qui porte les lentilles est en contact physique, sous pression, avec une feuille de verre ou d'acier inoxydable qui peut se détériorer à la longue et imprimer une réplique de ses défauts de surface à la face en regard de la feuille du matériau optique. C'est là un inconvénient, notamment si l'on envisage d'intégrer le réseau de lentilles à une plaque en verre constituant une des parois de l'enceinte d'une matrice de cellules à cristaux liquides, paroi qui doit présenter un fini optique pour ne pas perturber le fonctionnement des cellules. La présente invention a donc pour but de réaliser un réseau de microlentilles présentant un fini optique sur ses deux faces. La présente invention a aussi pour but de réaliser un tel réseau conçu pour être associé ou incorporé à une matrice de cellules à cristaux liquides pour projecteur d'images vidéo ou écran d'affichage d'informations rétro- éclairé. On atteint ces buts de l'invention, ainsi que d'autres qui apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, avec un procédé de fabrication d'un réseau de microlentilles optiques, du type dans lequel on presse une plaque d'un matériau optique déformable contre une surface indéformable creusée d'un réseau conforme d'alvéoles de profondeur supérieure à l'épaisseur de la partie convexe des microlentilles qui s'y forment par déformation permanente de la plaque contre la surface alvéolée. Suivant l'invention, on presse la plaque contre la surface alvéolée en soumettant les deux faces de la plaque à des pressions de fluide de valeurs différentes, la pression sur la face en regard de la surface alvéolée étant inférieure à celle établie sur l'autre face de cette plaque. Grâce à l'invention, ni les surfaces convexes des microlentilles, ni la surface de la plaque en matériau optique qui est opposée à celle qui porte ces microlentilles, n'entrent en contact avec des surfaces susceptibles de les altérer. Il est alors possible d'utiliser une telle plaque pour constituer une partie de l'enceinte d'une matrice de cellules à cristaux liquides. Pour la mise en oeuvre de ce procédé de fabrication de réseaux de microlentilles, l'invention fournit un dispositif comprenant a) au moins une enceinte étanche pour un fluide, b) des moyens de support de la plaque en un matériau optique et d'une feuille à surface alvéolée, parallèlement et au voisinage l'une de l'autre, la plaque constituant alors un élément de la paroi de l'enceinte et c) des moyens pour établir dans l'enceinte une pression de fluide de valeur différente de celle régnant sur la face de la plaque opposée à celle qui limite l'enceinte, de manière que cette plaque se presse contre la surface alvéolée à l'activation desdits moyens d'établissement de pression. Des moyens de chauffage de la plaque en matériau optique sont incorporés au dispositif suivant l'invention, pour porter cette plaque à une température à laquelle elle peut subir des déformations plastiques lors de son pressage contre la surface creusée d'évidements. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen du dessin annexé dans lequel: - les figures 1 et 2 représentent schématiquement des premier et deuxième modes de réalisation du dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, respectivement, - la figure 3 est un schéma utile à l'explication du procédé mis en oeuvre par les dispositifs des figures 1 et 2, et - la figure 4 représente un détail de la structure d'un outil de formage utilisé dans le procédé suivant l'invention. On se réfère à la figure 1 du dessin annexé o l'on a représenté un premier mode de réalisation d'un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de fabrication suivant l'invention. Ce dispositif comprend une base 1 et un couvercle 2 assemblés par un jeu de boulons 3, 4 avec interposition d'un joint 5, en graphite par exemple. La base 1 présente une partie évidée 6 garnie d'un bloc métallique amovible 7. Le fond 8 de la partie évidée 6 est mis en communication avec l'atmosphère par un canal 9 qui permet d'évacuer de l'air lors de la mise en place du bloc 7 dans la partie évidée 6. Une feuille métallique 10 repose de manière amovible sur la face supérieure du bloc 6 qui forme un support rigide pour cette feuille. La surface libre 10' de la feuille 10 est creusée d'une distribution bidimensionnelle et régulière d'alvéoles, comme on le verra plus loin. Une plaque 11 en un matériau optique est disposée parallèlement et à une faible distance x de la surface 10' de la feuille métallique 10 qui est creusée d'alvéoles, en reposant sur une marche 12 formée dans la base 1, au débouché de la partie évidée 6. Le couvercle 2 est lui aussi évidé de manière à définir, avec la plaque 11, une enceinte 13 fermée par le joint 5 qui s'applique sur la plaque 11 lorsque les boulons 3, 4 serrent le couvercle 2 sur la base 1. L'enceinte 13 communique sélectivement par un perçage 14 et un conduit 15 avec une source de fluide sous pression variable (non représentée). La feuille métallique 10 constitue, comme on le verra plus loin, un outil de formage permettant la formation de microlentilles sur la surface en regard de la plaque 11. La figure 4 montre en perspective une partie de la surface 10' de la feuille 10, la profondeur des alvéoles étant exagérée. Sur la figure 4, il apparaît que les alvéoles 16 s'imbriquent les unes à côté des autres suivant une structure bidimensionnelle en nid d'abeilles. Le dispositif représenté à la figure 1 comprend encore, si cela est nécessaire, des moyens de chauffage 17 pour porter la plaque 11 à une température o elle présente une plasticité suffisante pour pouvoir subir des déformations, rendues permanentes après refroidissement. Ces moyens 17 peuvent être constitués par des résistances électriques incorporées à la base 1 et/ou au couvercle 2, alors réalisés en un matériau métallique bon conducteur de la chaleur. Les moyens de chauffage peuvent aussi prendre la forme d'un four dans lequel on place le dispositif représenté à la figure 1, garni de la feuille 10 et de la plaque 11. On va maintenant décrire le procédé de fabrication d'un réseau de microlentilles suivant l'invention, en liaison avec les figures 1, 3 et 4. Après chauffage de la plaque 11 jusqu'à la température o elle présente la plasticité requise, on met l'enceinte 13 sous pression à l'aide d'un fluide tel qu'un gaz inerte, de l'azote par exemple, pour éviter toute oxydation des pièces métalliques du dispositif, à haute température. Sous l'effet de la pression appliquée (quelques bars par exemple) la plaque 11 se déforme et s'applique contre la surface 10' de la feuille métallique 10, elle-même en appui plan sur le bloc 7, comme représenté schématiquement en coupe à la figure 3. Sur cette figure, on voit que la matière de la plaque 11 pénètre dans les alvéoles 16 en prenant un bombé conforme à celui des surfaces convexes des microlentilles que l'on souhaite obtenir. En utilisant une feuille 10 creusée d'alvéoles suffisamment profondes et en ajustant la température de la plaque et la pression de fluide appliquée, on forme ainsi un réseau de microlentilles sur la surface de la plaque 11 sans que, suivant l'invention, la surface de cette plaque n'entre en contact avec le fond des alvéoles (voir figure 3). Les surfaces convexes des microlentilles présentent alors avantageusement un fini optique, d'éventuels défauts de la surface des alvéoles ne pouvant alors se reporter par moulage sur ses surfaces convexes. Avantageusement encore, il est alors possible d'usiner la surface des alvéoles avec beaucoup moins de soin que ne l'exigerait l'usinage d'alvéoles dans lesquelles serait moulée classiquement la matière des microlentilles. Il apparaît aussi que, grâce à l'utilisation d'une pression de fluide pour presser la plaque 11 contre la feuille 10, la face de cette plaque 11 qui est opposée à celle qui porte les microlentilles garde elle aussi un fini optique, en l'absence de tout contact avec une pièce mécanique qui pourrait autrement lui imprimer les défauts de son état de surface. Avec des alvéoles d'une profondeur de 10 à 25 gm on a pu obtenir, suivant la présente invention, des réseaux de microlentilles présentant un bombé épais de quelques nm, la distance focale des microlentilles obtenues, de l'ordre du mm, variant de 25 gm seulement. Le réseau de microlentilles obtenu par la mise en oeuvre de la présente invention convient alors parfaitement pour être associé à une matrice de cellules à cristaux liquides, pour en améliorer le rendement lumineux ou même pour être intégré à cette matrice en tant que paroi de l'enceinte contenant les cristaux liquides, grâce à l'état de surface parfait de la face plane du réseau, qui doit être tournée vers l'intérieur de cette enceinte. Des techniques de masquage et de gravure classiques permettent de fabriquer la feuille 10. On part d'une feuille d'acier inoxydable présentant une grande stabilité en fonction de la température, par exemple une feuille en Inconel 600 ou 625 ou en Hastelloy X ou 750 fourni par la société des Etats-Unis d'Amérique Teledyne Rodney Metal. La feuille recouverte d'une résine photosensible classique est exposée à un masque à dessin en nid d'abeilles, par exemple, dont le motif élémentaire convient à la formation de microlentilles de 100.m de diamètre moyen, par exemple. Le masque porte ainsi jusqu'à plusieurs millions de motifs sur une surface conforme à celle d'une matrice de cellules à cristaux liquides à laquelle il doit être associé. Après masquage et dépouillement, la gravure s'opère en secondes environ avec du perchlorure de fer et un acide de dépassivation, dans le cas de l'Inconel par exemple. On obtient des alvéoles dont on peut régler la profondeur de 10 à 25 gm par exemple, sans que l'état de surface des alvéoles soit critique, comme on l'a vu plus haut. Divers matériaux optiques organiques ou minéraux peuvent être utilisés pour constituer la plaque 11. C'est ainsi que l'on peut utiliser un polycarbonate ou un polyméthylmétacrylate. On peut avantageusement utiliser aussi des verres minéraux et, en particulier, ceux référencés 7059 dans les catalogues de la société demanderesse, verre qui est utilisé pour la fabrication de matrice de cellule à cristaux liquides, pour intégrer un réseau de microlentilles à une telle matrice. Le chauffage d'un tel verre pour l'amener à la plasticité nécessaire (viscosité de l'ordre de 109 poises) s'obtient par une montée en température linéaire jusqu'à 740 C environ. La plaque 11 est alors pressée contre la feuille 10 pendant environ 10 mn par de l'azote sous pression de 5 bars, injecté dans l'enceinte 13. Après refroidissement, on relève, au microscope mécanique à balayage, des bombés de microlentilles d'épaisseur homogène, dans le domaine 6-10 gm par exemple. La présente invention permet de réaliser des réseaux de microlentilles de surface étendue, par exemple 200 mm x 300 mm, qui peuvent ensuite être découpés au format des matrices de cellules à cristaux liquides à équiper, ces réseaux ne présentant aucun défaut tels que ceux dus à l'emprisonnement de bulles d'air à la mise en pression. En effet, grâce à l'espace x, de 1 à 4 mm par exemple, ménagé entre la plaque 11 et la feuille 10, le contact entre celles-ci s'établit, à la mise en pression, par le centre, ce qui a pour effet de chasser progressivement l'air vers la périphérie de leur interface. On choisira avantageusement pour le verre de la plaque 11 et le métal de la base 1 et du couvercle 2, des matériaux présentant des coefficients de dilatation thermique aussi voisins que possible. A cet égard, il faut noter que l'alliage Fe/Ni N 42 de la société IMPHY présente un coefficient de dilatation thermique de 46.10-7 C-1, qui est exactement le même que celui du verre 7059 précité de la société CORNING INCORPORATED. Le matériau de la feuille 10 et celui de la plaque 11 peuvent avantageusement présenter des coefficients de dilatation thermique différents pour faciliter leur décollage après formation du réseau de microlentilles. Il apparaît maintenant que la présente invention permet de fabriquer des réseaux de microlentilles de haute précision et présentant un fini optique de haute qualité sur leurs deux faces, ceci avec un prix de revient réduit. On peut encore diminuer le prix de revient de fabrication des réseaux en utilisant un dispositif tel que celui représenté à la figure 2, qui permet de fabriquer simultanément plusieurs réseaux. Pour ce faire, ce dispositif comprend une base 1' et un couvercle 2' entre lesquelles sont empilés en alternance des supports 18 et des entretoises 19, avec interposition de joints en graphite 5'. Chaque support 18 porte deux paires de plaque 11/feuille 10 agencées comme à la figure 1, sur deux faces opposées du support. Chaque entretoise 19 définie, entre deux supports et en coopération avec deux plaques il en regard, une enceinte 13'. Toutes les enceintes 13' sont raccordées à une même source de fluide sous pression (non représentée) par un réseau de raccordement 20. La pile de supports et d'entretoises ainsi constituée est solidarisée par des boulons 3', 4' et chauffée comme décrit en liaison avec la figure 1. On comprend que si le dispositif de la figure 2 compte n enceintes, sa production est multipliée par (n + 1) par rapport à celle du dispositif de la figure 1. Il apparaît maintenant que l'invention permet d'atteindre les buts fixés, à savoir fabriquer des réseaux de microlentilles de grande qualité optique, convenant à une association ou à une incorporation à une matrice de cellules à cristaux liquides, ceci avec un prix de revient de fabrication réduit convenant à des fabrications d'appareils tels que des projecteurs d'images vidéo destinés au grand public ou des écrans d'affichage d'informations rétro- éclairés, à cristaux liquides. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés, qui n'ont été donné qu'à titre d'exemple. Elle s'étend à tout dispositif conçu pour soumettre les deux faces de la plaque 11, portée à une température prédéterminée, à des pressions de fluide de valeurs différentes pendant un intervalle de temps prédéterminé, pour presser la plaque 11 contre la surface alvéolée. Ainsi, pour ce faire, on peut aussi mettre en dépression l'enceinte 21 (voir figure 1) délimitée par la plaque et la surface alvéolée en regard, à l'aide d'une pompe à vide connectée au canal 9 par un conduit 22 (en trait interrompu à la figure 1). Pour faciliter l'aspiration du volume d'air de l'enceinte 21 par la pompe à vide, on perce des canaux 23 dans le bloc mobile 7 et des canaux plus fins à travers certaines alvéoles de la feuille 10. La dépression établie alors par la pompe à vide dans l'enceinte 21 peut être de 0,8 bar absolu alors que l'enceinte 13 est mise à la pression atmosphérique pour que la plaque 11, convenablement chauffée, s'applique contre la surface alvéolée 10' de la feuille 10. Bien que décrite ci-dessus dans ses applications aux reproducteurs d'images, l'invention trouve évidemment aussi application à la réalisation de capteurs d'images tels que les barrettes de tels capteurs utilisées dans les appareils de télécopie pour focaliser des éléments d'image sur les surfaces sensibles des capteurs. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'un réseau de microlentilles optiques, suivant lequel on presse une plaque (11) d'un matériau optique déformable contre une surface (10') indéformable creusée d'un réseau conforme d'alvéoles (16) de profondeur supérieure à l'épaisseur de la partie convexe des microlentilles qui s'y forment par déformation permanente de la plaque contre la surface alvéolée (10), caractérisé en ce qu'on presse la plaque (11) contre la surface alvéolée (10') en soumettant les deux faces de la plaque (11) à des pressions de fluide de valeurs différentes, la pression sur la face en regard de la surface alvéolée (10) étant inférieure à celle établie sur l'autre face de cette plaque (11). 2. Procédé conforme à la revendication 1, caractérisé en ce qu'on chauffe la plaque (11) en matériau optique jusqu'à une température à laquelle ce matériau est plastiquement déformable, avant de presser la plaque contre la surface alvéolée (10') et on laisse la plaque se refroidir après le pressage. 3. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé conforme à la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend a) au moins une enceinte (13; 13'; 21) étanche pour un fluide, b) des moyens de support (12, 7) de la plaque (11) en un matériau optique et d'une feuille (10) à surface (10') alvéolée, parallèlement et au voisinage l'une de l'autre, la plaque constituant alors un élément de la paroi de l'enceinte, et c) des moyens (15; 20; 23) pour établir dans l'enceinte une pression de fluide de valeur différente de celle régnant sur la face de la plaque (11) opposée à celle qui limite l'enceinte de manière que cette plaque se presse contre la surface alvéolée à l'activation desdits moyens d'établissement de pression. 4. Dispositif conforme à la revendication 3, caractérisé en ce que le matériau optique est du verre. 5. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 3 et 4, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de chauffage (17) de la plaque (11) en matériau optique, pour porter cette plaque à une température à laquelle elle peut subir des déformations plastiques lors de son pressage contre la surface alvéolée (10'). 6. Dispositif conforme à la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de support (12) de la plaque maintiennent celle-ci à une distance (x) prédéterminée de la surface alvéolée (10'), en l'absence de fluide sous pression dans l'enceinte, cette distance étant calculée pour qu'à la mise en pression de l'enceinte, le contact entre la plaque et ladite surface s'établisse et s'étende progressivement à partir de leurs parties centrales correspondantes. 7. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que la surface alvéolée (10') est constituée par gravure d'une feuille métallique, la profondeur de la gravure étant inférieure à l'épaisseur de la feuille et supérieure à l'épaisseur de la partie convexe des microlentilles à former. 8. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 3 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité d'enceintes (13') superposées, limitées chacune par deux plaques (11) en matériau optique en regard et disposées chacune à côté d'une surface alvéolée (10') correspondante, les moyens d'injection de fluide (20) dans ces enceintes (13') fonctionnant en parallèle. 9. Matrice de cellules à cristaux liquides pour appareil du groupe constitué par: les projecteurs d'images vidéo, les écrans d'affichage rétro-éclairés utilisés en informatique, caractérisée en ce qu'elle comprend un réseau de microlentilles fabriqué par le procédé conforme à l'une quelconque des revendications 1 et 2 et placées en repérage avec les cellules de la matrice. 10. Matrice conforme à la revendication 9, caractérisée en ce que ledit réseau est intégré à une enceinte en verre enfermant les cellules de la matrice.