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THÈSE

Pour obtenir le grade de

DOCTEUR DE LA COMMUNAUTE UNIVERSITE

GRENOBLE ALPES Spécialité : Nano Électronique et Nano Technologies

Arrêté ministériel : 25 mai 2016

Présentée par

Clément ABELARD

Thèse dirigée par François TEMPLIER

préparée au sein du Laboratoire LVE du CEA LETI dans

Automatique, Traitement du Signal (EEATS)

Micro modulateur spatial de

lumière transmissif pour modulation de phase et Thèse soutenue publiquement le 20 novembre 2018 devant le jury composé de :

Dr Herbert DE SMET

Professeur, Université de G

ent, Président du Jury

Dr Jean-Louis DE BOUGRENET DE LA TOCNAYE

Professeur, Télécom Bretagne, Brest, Rapporteur

Dr Raphael CLERC

Professeur, Université Jean Monnet, Sai

nt-Etienne, Rapporteur

Dr François TEMPLIER

Directeur de recherche, CEA-LETI, Directeur de thèse

M. Hugues LEBRUN

Ingénieur, Thales Avionics, Examinateur Dr Benoit RACINE Ingénieur de recherche, CEA-LETI, Encadrant, Examinateur

Dr Umberto ROSSINI

Encadrant, Invité

Remerciements

Cette thèse est le fruit d'un travail acharné de 3 ans et l'aboutissement de toutes mes années

d'études. Elle constitue pour moi un premier pas dans ma carrière d'ingénieur de recherche. Le choix

du sujet m'a permis de balayer plusieurs domaines de l'optique/photonique et proposait un large panel d'activités allant de la simulation à la réalisation expérimentale.

Cependant, de nombreuses personnes ont participé de près ou de loin à l'aboutissement de cette

thèse. D'autres personnes m'ont également aidé d'un point de vue humain ou technique. Toutes ces

personnes méritent ma gratitude et ces quelques phrases de remerciements leur sont dédiées. Je tiens à remercier Raphaël CLERC et Jean-Louis DE BOUGRENET DE LA TOCNAYE d'avoir accepté de rapporter ma thèse. Je remercie également Herbert DE SMET et Hugues LE BRUN pour avoir

examiné mon travail. Merci à eux tous d'avoir accepté de réviser, corriger et juger mon travail.

également une bonne retraite. Je remercie M. Racine pour son encadrement régulier et constant, sa

patience, sa bienveillance et ses conseils. Je remercie le laboratoire de m'avoir fait confiance pour la remise en place de l'infrastructure LCD qui m'a permis d'assembler une cellule LCD de A à Z ainsi que pour la mise en place d'outils de

caractérisation. J'espère que les différentes machines et le banc de caractérisation seront réutilisés

par la suite.

Merci également à mes encadrants et à mon directeur de thèse de m'avoir conseillé des

conférences internationales pertinentes où j'ai pu présenter l'avancement de mes travaux et agrandir

mon réseau display.

pendant ma thèse (CDD, intérim, thèse et stage) pour leur aide, leurs conseils et la bonne ambiance

de travail. Je pense particulièrement à Fred (wesh !), Aurélien (L'Aurélien sauvage), Anis, Yann,

Stéphane (Bonne continuation !), Denis, Étienne, Marianne, Nicolas C., Pierre, Sylvia, Myriam et tous

Une pensée également pour les doctorants : Marion, Nicolas D., Vladimir, Baptiste, Manu, Basile. Bon

courage et bonne continuation. Je vous souhaite de devenir docteur et d'avoir une très bonne carrière.

Je voudrais remercier également le personnel du CEA hors LVE (entre autres : Laurence, Christelle,

Tarik et Nacer) qui m'ont aidé à avancer dans mon travail de thèse. Merci pour l'aide logistique et de

m'avoir aidé à avancer dans les moments où j'étais bloqué.

D'une manière générale, je remercie les personnes du CEA Grenoble avec qui j'ai pu interagir au cours

de ma thèse.

Mes remerciements sont également adressés à Sylvie YON et Thiery KRIETZ de Thales Avionics LCD

pour les différentes formations ainsi que la fourniture de matière première pour la fabrication de

cellules LCD.

Je voudrais également exprimer mes remerciements à Mike MIYASHITA ainsi que ses collègues de

la société Shintech pour le support sans faille du logiciel de simulation de cellules LCD : LCDMaster.

Une pensée pour les nombreuses personnes que j'ai côtoyé au travers de différentes associations

(doctorants, partenaires d'autres associations, représentants d'organismes, élèves et intervenant de

l'école doctorale) et les différents Grenoblois qui sont devenus des amis proches (Marion, Camille,

Pour terminer, je tiens à remercier mes amis de longue date qui m'ont soutenu et aidé malgré leur

distance géographique, ma famille et tout particulièrement mes parents qui malgré leur absence m'ont

quand même soutenu pendant toute ma scolarité et mes 3 ans de thèse.

Merci à tous !

C.Abélard

i

Table des matières

Introduction générale ............................................................................................................................. 1

1. Contexte ...................................................................................................................................... 1

2. Organisation du mémoire ........................................................................................................... 3

Chapitre 1 : Généralités sur les SLM et description des propriétés physiques utilisées ...................... 5

1. Introduction ................................................................................................................................. 5

2. Généralités sur les SLM ............................................................................................................... 5

2.1. SLM à actions mécaniques .................................................................................................. 5

2.1.2. SLM à action mécanique pour la modulation de phase .............................................. 8

2.2. SLM à cristaux liquides ...................................................................................................... 10

2.3. Comparaison entre SLM à actions mécaniques et SLM à cristaux liquides....................... 18

2.3.1. Différences intrinsèques entre les deux types de SLM. ............................................ 18

2.3.2. Influence de la structure et des performances des SLM à cristaux liquides et à

2.3.3. Bilan des différences entre les deux SLM .................................................................. 21

2.4.1. Modulation de phase anisotrope .............................................................................. 23

3.1. Implémentation de la fonction optique permettant de dévier un faisceau lumineux ..... 25

3.1.1. Méthode diffractive : Dispertion par un réseau ........................................................ 25

3.1.2. Méthode réfractive : Dispertion par un prisme ........................................................ 26

4. Conclusion du chapitre .............................................................................................................. 29

Références ......................................................................................................................................... 30

Chapitre 2 : SLM à cristaux liquides utilisant la technologie In-Plane Switching ............................... 32

1. Introduction ............................................................................................................................... 32

2. Description de la technologie In-Plane Switching ..................................................................... 32

2.1. Configuration utilisant des molécules possédant une anisotropie diélectrique positive . 34

2.1.1. Alignement homogène des molécules de cristaux liquides ...................................... 34

2.1.2. Alignement homéotrope (vertical) des molécules de cristaux liquides .................... 36

2.1.3. Alignement twisté des molécules de cristaux liquides .............................................. 37

2.2. Configurations utilisant des molécules possédant une anisotropie diélectrique négative

39
ii

2.2.1. Alignement homogène des molécules de cristaux liquides ...................................... 39

2.2.2. Alignement vertical (homéotrope) des molécules de cristaux liquides .................... 41

2.2.3. Alignement twisté des molécules de cristaux liquides .............................................. 41

2.3. Avantages, limites et évolutions de la technologie IPS ..................................................... 42

2.3.1. Comparaison du comportement des cristaux liquides à anisotropie diélectrique

positive et négative ................................................................................................................... 43

3. Micro-SLM transmissif à base de technologie IPS ..................................................................... 48

4. Conclusion du chapitre .............................................................................................................. 49

Références ......................................................................................................................................... 50

Chapitre 3 : Modulation de phase et déviation de faisceau avec un SLM à base de technologie IPS 52

1. Introduction ............................................................................................................................... 52

2. Description du logiciel et des protocoles de test ...................................................................... 52

3.1. Choix des paramètres ........................................................................................................ 54

3.1.1. Paramétrage géométrique de la cellule. ................................................................... 54

3.1.2. Choix des matériaux, des cristaux liquides et des paramètres associés ................... 58

3.3. Configuration IPS-HA ......................................................................................................... 61

3.3.1. Configuration avec des molécules possédant un ȴɸхϬ ........................................... 62

3.3.2. Configuration avec des molécules possédant un ȴɸфϬ ........................................... 84

3.4. Configuration IPS-VA ......................................................................................................... 93

3.4.1. Origine des lignes de disclinaison et solutions pour les masquer ou les faire

disparaitre ................................................................................................................................. 98

possible 101

3.5. Configuration IPS-TN ....................................................................................................... 105

3.5.1. Configuration avec des molécules possédant un ȴɸхϬ ......................................... 106

3.5.2. Configuration avec des molécules possédant un ȴɸфϬ ......................................... 107

5. Intégration du prototype dans un système optique bio-inspiré ............................................. 114

5.1. Fovéa et réalité augmentée ............................................................................................ 114

5.2.1. Design du système, but et protocole de simulation................................................ 115

iii fovéation 119

5.2.3.1. Implémentation du SLM sous Zemax .................................................................. 119

5.2.3.2. Comparaison des résultats .................................................................................. 120

6. Conclusion du chapitre ............................................................................................................ 125

Références ....................................................................................................................................... 126

1. Introduction ............................................................................................................................. 128

3. Étude de plusieurs configurations de micro-SLM IPS permettant un temps de réponse rapide

131

3.1. Description de LCDMaster 3D et du protocole de test ................................................... 131

3.2. Paramétrage et design de la cellule ................................................................................ 133

transmittance optimale ........................................................................................................... 136

3.3. Étude des performances de la configuration 1 (deux niveaux électrodes séparées par une

activation ............................................................................................................................. 145

3.5.1. Performances de la configuration 3 avec le MLC-2139 ....................................... 164

4. Validation expérimentale des différentes configurations ....................................................... 169

(configuration 1) .......................................................................................................................... 170

face (configuration 3) .................................................................................................................. 174

5. Conclusion du chapitre ............................................................................................................ 181

Références ....................................................................................................................................... 182

Conclusion générale............................................................................................................................ 183

Annexe 1 : Polarisation de la lumière et outils de caractérisation. .................................................. 186

iv

2. Formalisme de Stokes et sphère de Poincaré ......................................................................... 194

2.1. Paramètres de Stokes ...................................................................................................... 194

2.2. Sphère de Poincaré .......................................................................................................... 196

2.3. Utilisation de la sphère de Poincaré dans un système optique {polariseur + matériau

biréfringent} et/ou analyseur ...................................................................................................... 200

Références ....................................................................................................................................... 204

Annexe 2 : Propagation de la lumière dans une cellule à cristaux liquides et analyse du déphasage

et de la polarisation sous LCDMaster ................................................................................................ 206

1. Propagation de la lumière dans une couche de cristaux liquides ........................................... 206

2. Analyse de la sphère de Poincaré sous LCDMaster ................................................................. 207

Références ....................................................................................................................................... 208

v

Liste des abréviations

CAO : Conception Assistée par Ordinateur

CL : Cristaux Liquides

CMOS : Complementary Metal Oxide Semiconductor

DLP : Digital Light Processing

DMD : Digital Mirror Device

FEM : Finite Element Method

FFS : Fringue Field Switching

FOV : Field Of View

HMD : Head Mounted Display

HTPS : High-Temperature PolySilicon

HUD : Head Up Display

IPS : In Plane Switching

IPS-HA : In Plane Switching addressing with Homogeneously Aligned liquid crystals IPS-TN : In Plane Switching addressing with Twisted Nematics liquid crystals aligment IPS-VA : In Plane Switching addressing with Vertically Aligned liquid crystals

ITO : Indium Tin Oxide

LCD : Liquid Crystal Display

LCOS : Liquid Crystal On Silicon

LETI : Laboratoire d'Electronique et de Technologie de l'Information

MEMS : Microelectromechanical systems

PBS : Polarizing Beam Splitter

SLM : Spatial Light Modulator

TN : Twisted Nematic

ȴɸ : Anisotropie diélectrique

ȴn : Anisotropie optique (Biréfringence)

1

Introduction générale

1. Contexte

Les modulateurs spatiaux de lumière (Spatial Light Modulators : SLM en anglais), sont utilisés pour

dimensions spatiales (perpendiculairement à la direction de propagation). Leur adressage peut

commutateurs optiques dans le domaine des télécommunications ou bien les filtres optiques

en taille et en performances. De plus, le SLM est généralement intégré dans un système électro-

optique. inférieure à 10 µm.

Il existe deux types de micro-SLM, ceux à base de cristaux liquides (CL ou Liquid Crystal : LC en anglais)

et ceux à actions mécaniques.

Les propriétés intrinsèques des cristaux liquides nématiques1 telles que la biréfringence, leurs

électrique appliqué aux molécules.

utilisés pour ces applications sont à base de cristaux liquides [3].

Le choix du type de SLM dépendra des contraintes imposées par le système, par exemple

à cristaux liquides sont soit transmissifs soit réflectifs. Si nous nous restreignons aux CL nématiques, le

schématisés en un SLM transmissif possédant un miroir sur un de ses côtés. Le miroir permet de

dans les cellules LCOS (Liquid Crystals On Silicium) [3].

Les SLM à CL sont actuellement très utilisés dans les domaines de la projection, pour les afficheurs

tête haute (Head Up Displays : HUD) et les casques à réalité augmentée (Head Mounted Displays en

1 Etat nématique : L'état nématique est un état de la matière intermédiaire entre les phases solide cristalline et

liquide. Les molécules, de forme allongée, sont réparties sans ordre de position (comme dans un liquide) mais

en demeurant en moyenne parallèles les unes aux autres, c'est-à-dire avec un ordre d'orientation à longue

portée (comme dans un cristal). Nous aborderons cet état plus en détail au chapitre 1. 2

anglais : HMD) [4]. Le choix entre un SLM CL transmissif ou réflectif dépendra du système dans lequel

électro-optiques supplémentaires pour récupérer le faisceau réfléchi. Nous pouvons citer par exemple

le Polarizing Beam Splitter (ou PBS) qui est un cube encombrant et lourd. Son absence dans un système

système électro-optique supplémentaire pour générer le faisceau adressant le SLM, et nous perdrons

ici en compacité.

expérience dans le domaine des dispositifs à cristaux liquides ainsi dans les systèmes optiques. Ils ont

laboratoire travaille également sur des imageurs à base de micro-SLM ainsi que sur des systèmes

optiques intégrant ces SLM.

des recherches ont été effectuées pour trouver des solutions permettant de diminuer le temps de

" ݐ௢௙௙ » est lié à une relaxation mécanique des molécules et est lié à la nature du cristal liquide. Les

Dans un même temps, le laboratoire travaille sur des systèmes optiques haute résolution et grand

modulation de phase anisotrope très élevée serait un objectif idéal. Cependant, nous verrons dans le

Pour cela, des recherches sur la technologie " In-Plane Switching » (IPS) utilisée dans les SLM à CL

initial grâce à un champ électrique, le tout avec des cristaux liquides standard du commerce pourrait

permettre de diminuer le temps " ݐ௢௙௙» qui sera donc piloté en tension. Dans un même temps, ses

performances en modulation de phase anisotrope doivent être investiguées.

Pendant le projet Nanoproj, des SLM à CL utilisant des petits pixels ont été utilisés. Ce projet visait

à utiliser une technologie de type CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) pour des SLM

silicium puis de transférer le tout sur verre, mais des problèmes sont apparus par la suite. Lors du

transfert du CMOS sur verre, les couches de silicium et de verre se déformaient. Or, la solution retenue

nécessitait des étapes supplémentaires pour être fonctionnelle. Ces étapes sont appelées " post-

process », or du fait de la distorsion des couches, le post-process devenait impossible.

2 : http://www.minalogic.com/fr/projet/nanoproj

3

Des recherches préliminaires ont donc été réalisées dans ce même laboratoire sur des solutions ne

nécessitant pas de post-process. Ces recherches se sont donc concentrées sur le comportement et les

de manière électrique [6].

Néanmoins, le logiciel de simulation de cellules à cristaux liquides, utilisé dans ces études, ne possédait

toutes les fonctionnalités requises à ce travail a été acheté. De plus, le laboratoire LVE possède

également une infrastructure complète de fabrication de cellules à cristaux liquides.

travail de recherche sur des outils de simulations de cellules à CL existant. Pour avoir des simulations

les plus proches possible de la réalité, un logiciel permettant de simuler des électrodes flottantes

(électrodes qui ne sont pas reliées à une source de tension) sera nécessaire.quotesdbs_dbs31.pdfusesText_37

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