Dans la course à la miniaturisation des systèmes optiques, les lentilles liquides constituent une rupture technologique majeure, en se substituant aux dispositifs classiques. La France est dans le peloton de tête de cette compétition internationale.
Article rédigé par Pascal Belotti et Michel Fantin, agence Tech&Co.
Glossaire :
[1] CMOS : technologie de fabrication de composants électroniques à faible consommation électrique (Complementary Metal Oxide Semi-conductor)
[2] CCD : détecteur à couplage de charge (Charge-Coupled Device)
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Comment adapter l'optique aux systèmes miniaturisés, pour les caméras numériques par exemple ? La réponse des chercheurs est simple sur le papier : il faut supprimer les pièces solides mobiles, et les remplacer par des lentilles liquides, qui adaptent leur focale en modifiant leur forme. Leur mise en oeuvre est complexe. Mais le marché est considérable et la solution, déjà connue, fait l'objet d'une bataille technologique où la France occupe une bonne place.
Webcams, caméras DV, appareils photo numériques embarqués sur les téléphones mobiles... Dans la course à la miniaturisation, l'optique a du mal à suivre l'électronique. Les fonctions zoom ou autofocus utilisent des systèmes mécaniques qui assurent un déplacement en translation de lentilles. La technologie est au point, mais elle est coûteuse et les performances restent limitées par les phénomènes de frottements des pièces mécaniques. Les lentilles se déplacent en effet sur des sortes de rails, sur lesquels elles sont guidées afin de modifier la distance focale pour ajuster la visée. Or, pour des optiques de taille inférieure à 20 mm, les frictions et la faiblesse de la précision de guidage dégradent la qualité de l'image. Devant l'explosion du marché des appareils photos numériques miniatures, et surtout face à la convergence des télécoms et de l'image sous l'influence des fabricants de capteurs CMOS [1] ou CCD [2], il fallait résoudre le problème.
Imiter l'oeil, tout simplement...
La solution : une lentille liquide. Rien d'autre qu'une goutte d'eau, ou presque... C'est surtout une lentille qui adapte sa focale en modifiant simplement sa forme comme le fait notre oeil... L'actualité du domaine commence à être fournie, des lentilles déjà en phase de production par la start-up internationale (d'origine française) Varioptic à l'innovation spectaculaire récente du laboratoire IMRE (Institute of Materials Research & Engineering) de Singapour, en passant par les expérimentations d'une équipe de l'université du Wisconsin.
Sur le plan de la R&D, le sujet est foisonnant. Saman Dharmatilleke et son équipe de l'IMRE, dont les travaux ont été publiés il y a quelques mois dans la lettre spécialisée Applied Physics Letter, ont conçu un dispositif optique très simple - en apparence. Il s'agit d'une minuscule goutte d'eau. En fait, n'importe quel autre liquide caractérisé par une forte tension superficielle pourra faire l'affaire.
Une goutte possède en effet à l'état naturel un rayon de courbure qui lui confère des propriétés semblables à celles d'une lentille optique conventionnelle. Elle est placée à l'entrée d'un petit cylindre (un "puits"). L'application d'une différence de potentiel à sa surface provoque une variation de pression dans la goutte, modifiant son rayon de courbure et par voie de conséquence faisant varier la distance focale de ce qui devient alors une lentille optique autofocus imitant le fonctionnement de l'oeil.
Deux types de lentilles ont ainsi pu être fabriqués par l'équipe asiatique : un modèle "biconvexe" où les deux côtés peuvent être activés, et un modèle "plan-convexe", avec un côté plan et l'autre sur lequel va s'appliquer la modification de pression. Ces lentilles d'un nouveau genre sont les plus petites jamais réalisées : les chercheurs les ont testées avec des gouttes de seulement 100 microns à 3 mm de diamètre. Bien sûr, plus la taille est importante et plus l'image est de qualité, du fait de la quantité de lumière collectée par la goutte. Mais l'efficacité semble limitée "jusqu'à deux millimètres" selon les chercheurs. Au-delà, on se heurte à des problèmes de stabilité de la goutte de liquide.
Des produits devraient être commercialisés par la société de Singapour PGS Precision, avec laquelle le laboratoire a signé un accord de licence. Ils seraient très économiques à fabriquer : les Singapouriens espèrent 20% de gain par rapport aux lentilles classiques.
De nombreuses expérimentations
A vrai dire, un tel emploi de liquides n'est pas tout à fait une première. Mis à part que déjà, au Moyen Age, des savants utilisaient des gouttes de miel comme une sorte de microscope, des systèmes existent comme cette lentille fluide à focale variable développée en 2004 par Philips. La différence par rapport à l'IMRE réside d'une part dans la composition (chez Philips il s'agit d'une solution aqueuse entourée d'huile) et le mode d'activation (la pression pour l'IMRE ; la conductivité électrique pour Philips). D'après Stein Kuiper, ingénieur chez Philips, "les lentilles à pression sont plus économes en énergie : la différence de potentiel à appliquer avec la solution de Philips doit en effet être supérieure pour modifier la conductivité électrique".
Si l'équipe de Singapour n'est donc pas la seule à faire appel à des lentilles liquides, personne n'avait auparavant réussi à adapter la longueur focale par simple variation de pression. En 2004, Philips avait notamment dévoilé un système prototype qui fait appel à "l'électromouillage" : dans cette technique, la courbure des gouttes est modifiée par l'application d'un courant électrique qui agit sur les liens moléculaires du liquide. Philips a constitué un portefeuille de brevets sur les deux types de lentille. De son côté, l'équipe de Singapour a déjà signé un partenariat avec une société locale pour industrialiser et fabriquer son système de lentille liquide.
Une start-up française à l'honneur
Pourtant, c'est la société française Varioptic qui semble la plus avancée. Elle a lancé sur le marché une lentille liquide dotée d'un système autofocus basé sur ce même principe, qui est en production industrielle depuis décembre de la même année (voir "Un potentiel de 300 millions de téléphones à caméras en 2009" en fin d'article).
Et cela fonctionne ! La lentille, qui a été développée spécifiquement pour les systèmes optiques que l'on trouve dans les téléphones mobiles, "est en tête du système optique et réalise une correction de focus" explique Bruno Berge, directeur de la recherche et fondateur de Varioptic. La lentille liquide est suivie par un système de lentilles fixes qui forment une image en assurant la correction optique. La correction de mise au point peut se faire par une commande électrique directe de la lentille. "Le système est robuste, l'autofocus est rapide, inférieur à 1 seconde, économe en énergie (moins de 15 mW) et facilement industrialisable. Actuellement, dans notre unité de Lyon nous produisons 20.000 unités par mois, mais la fabrication très grande série, à plus de 1 million par mois, est tout à fait possible". Un accord de fabrication à grande échelle a été passé avec le Taïwanais CSI.
Demain : vers l'optofluidique
Nous n'en sommes qu'au début. Des physiciens américains de l'université du Wisconsin, de leur côté, ont mis au point une microlentille capable aussi de focaliser à différentes distances, qui va encore plus loin : elle est plus simple que ses concurrentes, car le gel qui encapsule la goutte d'eau constituant la lentille sert non seulement de capteur de l'information, mais aussi d'actionneur pour modifier la goutte. "Plus besoin de détecteur ou de contrôle extérieur, la lentille est autonome" devait déclarer récemment Hongui Jiang à la revue Nature.
Ici, on ne s'adresse pas aux appareils photo, mais au "laboratoires sur puce". L'idée : des dispositifs miniatures d'analyse biologique et chimique, de la taille d'une puce, nécessitent souvent une phase de lecture optique. Le système optique est intégré directement dans la puce. On est dans le domaine de l'"optofluidique"...
Selon les spécialistes, la lentille liquide pourrait donc être la solution pour les systèmes miniaturisés ou portables nécessitant une fonction autofocus très précise, comme par exemple les webcams ou les caméras de téléphones mobiles, mais pas seulement. Scanners pour codes à barres, endoscopes et autres microscopes médicaux sont aussi au programme. Sans oublier l'optique pour les faisceaux laser. Ce pourrait devenir un complément, par simple ajout dans le système, à une diode laser ou à un laser solide.simple ajout dans le système, à une diode laser ou à un laser solide.
Le point sur :
"Un potentiel de 300 millions de téléphones à caméras en 2009"
Trois questions à Bruno Berge, fondateur et directeur de la recherche de la société Varioptic. Bruno Berge, ancien chercheur en spectrométrie physique au CNRS et à l'Ecole normale supérieure de Lyon, a créé la start-up Varioptic par essaimage en 2002. La jeune pousse vient de lancer la fabrication industrielle d'une lentille liquide pour les téléphones mobiles à caméras.
Technologies Internationales : A quel marché s'adresse ce type d'innovation ?
Bruno Berge : "C'est un marché émergent, mais bien réel. Il est produit chaque année environ un milliard de téléphones mobiles, dont 800 millions possèdent un appareil photo ou une caméra. Nous visons le segment haut de gamme, soit les appareils offrant une définition de 2 ou 3 mégapixels, environ 80 millions d'appareils cette année. Or ces appareils coûtent cher (500 euros) du fait des parties mécaniques liées à l'optique. La technologie des lentilles liquides, avec un coût à l'unité autour de 2 euros seulement voire moins, change la donne ! Nous visons 30% de ce marché, soit 300 millions d'appareils équipés en 2009."
Technologies Internationales : Vous sous-traitez la fabrication en Asie ?
Bruno Berge : "Nous faisons l'effort de recherche et développement. Je rappelle que nous avons déposé nos premiers brevets en 1997 et 1999, avant même la création de la société. Notre ligne de production, à Lyon, peut traiter des quantités importantes mais pas suffisantes au vu du potentiel du marché. C'est pourquoi nous avons un accord avec CSI, à Taïwan, qui agit en sous-traitant (cette société travaille aussi pour Hewlett-Packard, par exemple)."
Technologies Internationales : Comment est financé l'effort de R&D ?
Bruno Berge : "Varioptic est soutenue depuis 2003 par un pool d'investisseurs, dont le spécialiste français du capital risque high-tech Sofinnova. Nous avons levé en tout près de 30 millions d'euros."
A lire également : - BERGE, B. Lentilles à focale variable sans pièce mobile. Photoniques, nov.-déc. 2006, vol. 26 - DONG, L. Adaptive liquid microlenses activated by stimuli-responsive hydrogels. Nature, 3 août 2006, vol. 442, p. 551-554 - GRAHAM-ROWE, D. Liquid lenses make a splash. Nature Photonics, 2006, vol. sample, p. 2-4 - GREENE, K. Lenses of Liquid. Fluid droplets could replace plastic lenses in cell-phone cameras, banishing blurry photos. Technology Review, 10 février 2006, http://www.technologyreview.com/read_article.aspx?id=16308&ch=na notech - MORAN, P. Fluidic lenses with variable focal length. Appl. Phys. Lett., 23 janvier 2006, vol. 88, n 4, 041120
