Brevet FR2791439A1 — publié le 20000929

DISPOSITIF DE CENTRAGE D'UNE GOUTTE La présente invention concerne le maintien d'une goutte de liquide dans une position prédéterminée sur une surface so- lide, et plus particulièrement le centrage d'une telle goutte. On peut pour diverses raisons vouloir maintenir une goutte posée sur une surface, centrée avec précision sur un axe prédéterminé. Un moyen connu consiste à modifier autour de cet axe la mouillabilité de la surface par rapport au liquide de la goutte. La figure 1 représente une vue de côté en coupe d'une goutte de liquide 2 posée sur une surface 4. La surface 4 a été traitée selon une zone circulaire Ci centrée sur un axe O. Le traitement de la zone Cl est tel que sa mouillabilité vis-à- vis du liquide de la goutte 2 est forte. Ainsi, les forces de capil- larité maintiennent la goutte 2 centrée sur l'axe O. Une amélioration, non représentée, d'un tel traitement de surface consiste à créer autour de l'axe O plusieurs zones concentriques circulaires. Le traitement de ces zones est alors tel que plus une zone est proche de l'axe O, plus sa mouillabi- lité vis-à-vis du liquide de la goutte 2 est forte. Une telle amélioration permet un centrage de la goutte 2 pour différents angles de contact. Ceci est particulièrement intéressant lorsque l'on dispose d'un moyen de changer celui-ci, par exemple à l'aide d'une tension électrique. De tels traitements de surface peuvent cependant être délicats et coûteux à mettre en oeuvre. Un objet de la présente invention et de centrer une goutte posée sur une surface sans avoir recours à une modifica- tion de la mouillabilité de la surface. Pour atteindre cet objet, la présente invention prévoit un procédé de centrage d'une goutte de liquide à un emplacement donné d'une surface, qui consiste à former à cet emplacement un évidement évasé tel que, en tout point de la limite de contact entre la goutte et l'évidement, celui-ci a une courbure infé- rieure ou opposée à celle d'un cercle tangent à la surface de l'évidement audit point et en un point symétrique de cette sur- face. Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'évidement évasé a la forme d'un tronc de cône d'axe perpendicu- laire à ladite surface. Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'évidement évasé a la forme de la partie supérieure centrale d'un tore d'axe perpendiculaire à ladite surface. Selon un autre aspect de la présente invention, on pré- voit un procédé de centrage d'une goutte de liquide sur la sur- face externe d'une surface convexe, qui consiste à conférer à cette surface en tout point de la limite de contact avec la goutte une forme telle que cette surface soit de courbure supé- rieure à celle d'un cercle tangent à cette surface en ce point et en un point symétrique de cette surface. Selon un mode de réalisation de la présente invention, on forme la surface convexe par révolution autour dudit axe d'un arc de cercle de rayon inférieur à celui dudit cercle tangent. La présente invention prévoit aussi une lentille à fo- cale variable mettant en oeuvre le procédé susmentionné qui comprend une paroi en un matériau isolant, une goutte d'un pre- mier liquide isolant disposée sur une zone d'une première face de la paroi, un deuxième liquide conducteur recouvrant la première face et la goutte, les premier et deuxième liquides étant non miscibles, d'indices optiques différents et sensiblement de même densité, et des moyens pour appliquer une tension électrique en- tre le liquide conducteur et une électrode disposée sur la deuxième face de ladite paroi, la goutte étant placée dans un évidement évasé de la paroi. Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'électrode est une tôle métallique, l'évidement évasé est un tronc de cône formé par emboutissage de ladite tôle, centré sur un axe perpendiculaire à la première face, et dont le fond est percé d'un trou centré, et la paroi en matériau isolant est un film plastique transparent plaqué à l'électrode et aux parois de l'évidement et qui recouvre ledit trou. Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'électrode est une plaque métallique, l'évidement évasé est un tronc de cône formé par usinage de ladite plaque, centré sur un axe perpendiculaire à la première face, et dont le fond est percé d'un trou centré, et la paroi en matériau isolant est un film plastique transparent plaqué à l'électrode et aux parois de l'évidement et qui recouvre ledit trou. Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres de la présente invention 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: la figure 1, décrite précédemmnent, représente une vue de côté en coupe d'un moyen de centrage d'une goutte selon l'art antérieur; la figure 2 représente une vue de côté en coupe d'une goutte de liquide posée sur une surface plane; les figures 3 à 7 sont des vues de côté en coupe d'une goutte de liquide placée dans un évidement évasé d'une surface; les figures 8 à 10 sont des vues de côté en coupe d'une goutte de liquide située à une extrémité d'une tige de préhension de goutte; la figure 11 représente une vue de côté en coupe d'une application de la présente invention au centrage d'une goutte de liquide transparent utilisée conmme lentille; et la figure 12 représente une vue de côté en coupe d'une variante de la figure 11. De mêmes éléments seront désignés par de mêmes référen- ces dans les figures qui suivent. En particulier, la référence 2 désignera une goutte de liquide de petites dimensions dont la po- sition sur une surface sera essentiellement définie par les for- ces de capillarité (la tension superficielle). La référence 4 dé- signera une surface dont la mouillabilité est constante vis-à-vis du liquide de la goutte 2. La figure 2 représente une surface 4 plane coupée par un axe O orthogonal à cette surface. Si l'on cherche à placer une goutte de liquide à une position A centrée sur l'axe O, par exem- ple en la déposant à partir d'une tige de préhension de goutte, on a peu de chance d'y arriver avec précision, la goutte restant là o elle est posée, par exemple à une position B. Comnme cela est illustré en figure 3, pour résoudre le problème du centrage d'une goutte 2 par rapport à un axe O, l'in- venteur a d'abord pensé à placer la goutte 2 dans un évidement formé dans la surface 4, cet évidement ayant la forme d'une ca- lotte sphérique symétrique par rapport à l'axe O. Cependant, il s'est avéré que toute position de la goutte 2 dans l'évidement 6 est une position stable. Ainsi, conmmne dans le cas d'une surface 4 plane, si on cherche à placer la goutte 2 à une position A cen- trée sur l'axe O, on a peu de chance d'y arriver avec précision car la goutte restera là o elle aura été posée, par exemple, à une position B. Dans un premier temps, l'inventeur a donc abandonné l'idée du centrage d'une goutte au moyen d'un évidement. Ainsi, la demande de brevet français numéro 97/12781 déposée par le pré- sent demandeur décrit une lentille liquide à focale variable for- mée par une goutte de liquide posée à la surface d'un solide, centrée sur un axe par les moyens décrits en relation avec la fi- gure 1. Cette demande décrit en outre des moyens électromagnéti- ques pour déformer la goutte tout en la maintenant centrée sur l'axe. D'autre part, cette demande de brevet décrit une len- tille liquide à focale variable formée par une goutte de liquide contenue dans un tube et maintenue centrée sur l'axe du tube par capillarité. Il apparaît ainsi qu'on peut centrer une goutte 2 sur un axe O en la plaçant dans un évidement cylindrique de la surface 4, centré sur cet axe. Cependant, il est difficile de placer une goutte de liquide dans un tel évidement cylindrique en évitant qu'il demeure une bulle à la base de la goutte. L'inventeur a alors recherché systématiquement quel type d'évidement centré sur un axe O permet sans difficultés de centrer une goutte de liquide sur cet axe. Les figures 4 à 7 représentent chacune une vue de côté en coupe d'une goutte de liquide 2 placée dans un évidement évasé 6 centré sur un axe 0 et formé dans une surface 4. Pour une posi- tion A de la goutte 2, centrée sur l'axe O, on appelle CP1 un point quelconque de la limite de contact entre la goutte 2 et la surface de l'évidement 6. On appelle cercle tangent TC le cercle, dont le centre est situé sur l'axe O, et qui est tangent à la surface de l'évidement à la fois au point CP1 et en un point CP2 symétrique. La figure 4 représente une goutte de liquide 2 placée dans un évidement 6 formé par la révolution autour de l'axe O d'un arc de cercle de rayon inférieur à celui du cercle TC précé- dent. Ainsi, en tout point CP1 de la limite de contact entre la surface de l'évidement et la goutte, la courbure de la surface de l'évidement est supérieure à celle du cercle TC. La figure 5 représente une goutte de liquide 2 placée dans un évidement 6 formé par révolution d'un segment de droite autour de l'axe O. L'évidement 6 est un tronc de cône. Ainsi, en tout point CP1 de la limite de contact avec la goutte, la cour- bure de la surface de l'évidement 6 est nulle, inférieure à celle du cercle tangent TC. La figure 6 représente une goutte de liquide 2 placée dans un évidement 6 formé par révolution autour de l'axe O d'un arc de cercle de rayon supérieur à celui du cercle TC précédent. Ainsi, en tout point CP1 de la limite de contact avec la goutte, la courbure de la surface de l'évidement est inférieure à celle du cercle tangent TC. La figure 7 représente une goutte de liquide 2 placée dans un évidement 6 formé par révolution autour de l'axe O d'un arc de cercle de courbure opposée à celle du cercle tangent TC. L'évidement 6 correspond à la partie supérieure centrale d'un tore. En tout point CP1 de la limite de contact avec la goutte, la courbure de la surface de l'évidement 6 est opposée à celle du cercle tangent TC. L'inventeur a mis en évidence que, pour une goutte 2 placée dans un évidement 6 évasé centré sur un axe O, la courbure de la surface de l'évidement 6 en tout point CP1 de la limite de contact avec la goutte détermine si une position A de la goutte, centrée sur l'axe O, est une position d'équilibre ou non. Ainsi, lorsque comme en figures 5, 6 et 7, la courbure en tout point CP1 est inférieure ou inverse à celle du cercle tangent TC, une goutte placée dans un tel évidement prend natu- rellement une position A centrée sur l'axe O. D'autre part, lorsque conre en figure 4 la courbure en tout point CP1 est supérieure à celle du cercle tangent TC, une position A de la goutte, centrée sur l'axe O, est particulière- ment instable et ne pourra pas être maintenue. Une goutte placée dans un tel évidement prend naturellement une position B décen- trée par rapport à l'axe O. Enfin, lorsque conne en figure 3 la courbure en tout point CP1 est égale à celle du cercle tangent TC, toute position de la goutte est stable, et une goutte placée dans un tel évide- ment à une position B décentrée conservera cette position. Ainsi, la présente invention prévoit un procédé de cen- trage d'une goutte à un emplacement donné d'une surface consis- tant à former en cet emplacement un évidement évasé tel que, en tout point CP1 de la limite de contact avec la goutte, cet évide- ment a une courbure inférieure ou opposée à celle du cercle tan- gent TC. On notera que seule compte la limite de contact entre la goutte et la surface de l'évidement. La forme du fond de l'évidement n'a pas d'importance et elle pourra être plate, convexe ou concave. Selon un autre aspect de l'invention, on considère une surface convexe de mouillabilité uniforme, centrée sur un axe O, sur laquelle est posée une goutte de liquide, dans une position A centrée sur l'axe O. On considère de nouveau le point CP1 et le cercle tangent TC décrits précédemment. Les figures 8 à 10 sont des vues de côté en coupe d'une goutte de liquide 14 placée sur une surface convexe 16 centrée sur un axe O. La figure 8 représente le cas o la surface convexe est sphérique. La surface de la sphère 16 en tout point CP1 de la li- mite de contact avec la goutte 14 est toujours confondue avec le cercle tangent TC. Dans le cas de la figure 9 la surface convexe est coni- que. La "courbure" de la surface conique 16 en tout point CP1 de la limite de contact avec la goutte 14 est toujours inférieure à celle du cercle tangent TC. Dans le cas de la figure 10 la surface convexe est for- mée par révolution autour de l'axe O d'un arc de cercle de rayon inférieur à celui du cercle tangent TC. La courbure de la surface en tout point CP1 de la limite de contact avec la goutte 14 est toujours supérieure à celle du cercle tangent TC. L'inventeur a mis en évidence que, pour une goutte 14 placée sur une surface convexe 16 centrée sur un axe O, la cour- bure en tout point CP1 de la limite de contact avec la goutte dé- termine si une position A de la goutte, centrée sur l'axe O, est une position d'équilibre ou non. Ainsi, lorsque comme en figure 10, la courbure en tout point CP1 est supérieure à celle du cercle tangent TC, une goutte placée sur une telle surface prend naturellement une position A centrée sur l'axe O. Par contre, lorsque comme en figure 9 la courbure en tout point CP1 est inférieure à celle du cercle tangent TC, une position A de la goutte, centrée sur l'axe O, est instable. Une goutte placée sur une telle surface prend naturellement une posi- tion B décentrée par rapport à l'axe O. Enfin, lorsque commne en figure 8 la courbure en tout point CP1 est égale à celle du cercle tangent TC, toute position de la goutte est stable, et une goutte placée à une position B décentrée conservera cette position. Ainsi, la présente invention prévoit un procédé de cen- trage d'une goutte sur une surface convexe qui consiste, en tout point CP1 de la limite de contact avec la goutte, à conférer à la surface une courbure supérieure à celle du cercle tangent TC. Selon une application de ce procédé, la surface convexe 16 constitue l'extrémité d'une tige 18 de préhension d'une goutte 14. En effet, pour certaines manipulations chimiques ou biolo- giques, il est souhaitable de disposer de tiges de préhension de goutte qui permettent de manipuler des gouttes de liquide avec précision et fiabilité. Une tige de préhension de goutte dont l'extrémité est formée selon la présente invention, permet de transporter des gouttes centrées de manière certaine. On va maintenant décrire une application de la présente invention à la réalisation d'un moyen de centrage d'une goutte de liquide utilisée comme lentille optique. La figure 11 représente une vue en coupe simplifiée d'une telle lentille liquide à focale variable, formée dans une enceinte diélectrique 4 remplie d'un liquide conducteur 8. Le di- électrique 4 présente naturellement une faible mouillabilité vis- à-vis du liquide conducteur 8. Une face intérieure d'une paroi de l'enceinte 4 comprend un évidement 6, centré autour d'un axe O perpendiculaire à cette paroi. L'évidement 6 est un tronc de cône selon la présente invention, tel que celui représenté en figure 5. Une goutte d'un liquide isolant 2 est placée dans l'évidement 6. Comme on l'a vu précédemment, la goutte de liquide isolant 2 prend naturellement une position A centrée sur l'axe O. Le li- quide isolant 2 et le liquide conducteur 8 sont tous les deux transparents, non miscibles, sont d'indices optiques différents et ont sensiblement la même densité. Le dioptre formé entre les liquides 8 et 2 constitue une face d'une lentille liquide dont l'axe optique est l'axe O et dont l'autre face correspond au contact entre la goutte et le fond de l'évidement. Une électrode 10, comprenant un trou 11 au voisinage de l'axe O, est placée sur la face exté- rieure de la paroi de l'enceinte diélectrique 4. Une électrode 12 est en contact avec le liquide conducteur 8. L'électrode 12 peut être immergée dans le liquide 8, ou bien être un dépôt conducteur réalisé sur une paroi interne de l'enceinte 4. Une source de ten- sion (non représentée) permet d'appliquer une tension V entre les électrodes 10 et 12. On peut faire croître la tension V de 0 volt à une ten- sion maximale qui dépend des matériaux utilisés. Lorsque la ten- sion croît, la goutte de liquide isolant 2 se déforme jusqu'à atteindre une position limite (désignée par la référence B). Tan- dis que la goutte 2 se déforme de sa position A à sa position B, la focale de la lentille liquide varie. On notera que, la goutte 2 étant en un liquide isolant, il ne se produit pas de microgouttes à sa périphérie quand la tension V est élevée, contrairement à ce qui se produirait si la goutte était en un liquide conducteur. La forme conique de l'évidement 6 est telle que, quelle que soit la forme de la goutte 2 qu'il contient, la courbure de sa surface en tout point de contact entre la limite de la goutte et la surface, est inférieure à celle d'un cercle tangent TC pas- sant en ce point. Ainsi, selon un aspect de la présente inven- tion, l'évidement 6 est tel que, tout au long de sa déformation de sa position A à sa position B, la goutte de liquide 2 est continûment maintenue centrée sur l'axe O. On dispose ainsi d'une lentille liquide dont l'axe optique reste fixé avec précision, et dont la focale varie avec la tension V. On notera qu'un évidement 6 selon la présente inven- tion, qui assure le centrage continu de la goutte de liquide 2, est relativement simple à mettre en oeuvre et qu'il remplace avantageusement les moyens de centrage électromagnétiques ou par traitement de surface décrits dans la demande de brevet français susmentionnée. On utilisera de préférence comme tension V une tension alternative, afin d'éviter l'accumulation de charges électriques dans l'épaisseur du matériau 4, à partir de la surface sur laquelle est posée la goutte 2. A titre d'exemple on pourra utiliser comme liquide conducteur 8 de l'eau chargée en sels (minéraux ou autres) ou tout liquide, organique ou non, qui soit conducteur ou rendu tel par ajout de composés ioniques. Comme liquide isolant 2, on pourra utiliser de l'huile, un alcane ou mélange d'alcanes, éven- tuellement halogénés, ou tout autre liquide isolant et non misci- ble avec le liquide conducteur 8. La paroi diélectrique 4 peut être une plaque de verre ou une superposition de polymère fluoré, de résine époxy, de polyéthylène. L'électrode 10 peut être un dé- pôt métallique. La figure 12 représente une vue en coupe simplifiée d'une variante de réalisation de la lentille liquide à focale va- riable de la figure 11. De mêmes références désignent de mêmes éléments en figures 11 et 12. Dans ce mode de réalisation, l'électrode 10 peut être une tôle métallique dans laquelle l'évi- dement 6 est formé par emboutissage. Elle peut également être une paroi métallique dans laquelle on a formé l'évidement 6 par usi- nage puis polissage. La paroi 4 est alors, par exemple, un mince film plastique transparent plaqué sur l'électrode 10 et qui re- couvre le trou 11. Ce film plastique pourra par exemple être pla- qué par thermoformage. Dans l'exemple d'application de la figure 12, la goutte 2 a un diamètre au repos d'environ 1 à 5 mm. Le liquide conduc- teur 8 et le liquide isolant de la goutte 2 étant sensiblement de même densité, la goutte 2 a la forme d'une calotte sphérique. Lorsqu'elle est au repos (position A), le bord de la goutte 2 fait un angle d'environ 45 degrés avec la surface de l'évidement 6, si ce dernier est un cône ayant une pente de 45 degrés. Dans sa position limite (position B), le bord de la goutte 2 fait un angle d'environ 90 degrés avec la surface de l'enceinte 4. Le dispositif décrit, utilisant comme liquide conducteur 8 de l'eau salée d'indice optique 1, 35 et comme liquide isolant de la goutte 2 de l'huile d'indice optique 1, 45, permet d'obtenir environ 30 dioptries de variation de focale pour une tension appliquée de 250 V et une puissance électrique dissipée de quelques mW. La fréquence de la tension alternative est dans ce cas comprise en- tre 100 et 10000 Hz, sa période étant nettement inférieure au temps de réponse du système d'environ quelques centièmes de se- conde. La lentille à focale variable selon la présente inven- tion peut avoir une taille comprise entre quelques centaines de Mm et quelques dizaines de mm et peut notammnent être appliquée au domaine des systèmes optoélectroniques, d'endoscopie, d'imagerie et de vision. Bien entendu, la présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme du métier. En particulier, la présente description a été faite en rapport avec des évidements ayant une section circulaire, c'est- à-dire formés par rotation autour d'un axe O. Cependant, on pourra par exemple prévoir des évidements allongés, ayant la forme d'un canal. Dans ce cas, on considérera les figures 5 à 7 comme décrivant la vue en coupe d'un canal, et l'axe O représen- tera le plan de symétrie dudit canal. D'autre part, on a représenté en figure 11 un évidement 6 à fond plat, qui entraine que la lentille liquide est une len- tille plan-convexe. Or, on a vu que la forme du fond de l'évide- ment 6 n'influe pas sur ses propriétés de centrage de la goutte 2. Ainsi, on pourra réaliser sans difficultés des lentilles bi- convexes ou en ménisque en modifiant la courbure du fond de l'évidement 6. D'autre part également, on a représenté en figures 11 et 12 un mode de réalisation d'une lentille à focale variable utilisant un évidement conique tel qu'en figure 5, mais on adap- tera sans difficultés la présente invention à une lentille à fo- cale variable utilisant une autre forme d'évidement selon la pré- sente invention. Enfin, on pourra réaliser un dispositif comportant un réseau formé de groupes de trois lentilles à focale variable, commandées séparément, colorées en rouge, vert, bleu, fonction- nant par exemple en tout ou rien, permettant de laisser passer ou d'arrêter la lumière provenant d'une source unique de lumière blanche, formant ainsi un écran couleur lumineux pouvant être de très grande taille et de coût modéré. REVENqDICATIONS 1. Procédé de centrage d'une goutte de liquide (2) à un emplacement donné d'une surface (4), caractérisé en ce qu'il consiste à former à cet emplacement un évidement évasé (6) tel que, en tout point (CP1) de la limite de contact entre la goutte et l'évidement, celui-ci a une courbure inférieure ou opposée à celle d'un cercle (TC) tangent à la surface de l'évidement audit point et en un point symétrique (CP2) de cette surface. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'évidement évasé (6) a la forme d'un tronc de cône d'axe perpendiculaire à ladite surface. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'évidement évasé (6) a la forme de la partie supérieure cen- trale d'un tore d'axe perpendiculaire à ladite surface. 4. Procédé de centrage d'une goutte de liquide (14) sur la surface externe d'une surface convexe (16), caractérisé en ce qu'il consiste à conférer à cette surface en tout point (CP1) de la limite de contact avec la goutte une forme telle que cette surface soit de courbure supérieure à celle d'un cercle (TC) tan- gent à cette surface en ce point et en un point symétrique (CP2) de cette surface. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il consiste à former la surface convexe (6) par révolution au- tour dudit axe d'un arc de cercle de rayon inférieur à celui dudit cercle tangent. 6. Lentille à focale variable comprenant: une paroi en un matériau isolant (4), une goutte d'un premier liquide isolant (2) disposée sur une zone d'une première face de la paroi, un deuxième liquide conducteur (8) recouvrant la pre- mière face et la goutte, les premier et deuxième liquides étant non miscibles, d'indices optiques différents et sensiblement de même densité, et des moyens (12) pour appliquer une tension électrique (V) entre le liquide conducteur et une électrode (10) disposée sur la deuxième face de ladite paroi, caractérisée en ce que ladite goutte est placée dans un évidement évasé (6) de la paroi conformément au procédé de la re- vendication 1. 7. Lentille à focale variable selon la revendication 6, caractérisée en ce que: l'électrode (10) est une tôle métallique, l'évidement évasé (6) est un tronc de cône formé par emboutissage de ladite tôle, centré sur un axe (O) perpendicu- laire à la première face, et dont le fond est percé d'un trou (11) centré, et la paroi en matériau isolant (4) est un film plastique transparent plaqué à l'électrode et aux parois de l'évidement et qui recouvre ledit trou. 8. Lentille à focale variable selon la revendication 6, caractérisée en ce que: l'électrode (10) est une plaque métallique, l'évidement évasé (6) est un tronc de cône formé par usinage de ladite plaque, centré sur un axe (O) perpendiculaire à la première face, et dont le fond est percé d'un trou (11) cen- tré, et la paroi en matériau isolant (4) est un film plastique transparent plaqué à l'électrode et aux parois de l'évidement et qui recouvre ledit trou.