Le modulateur spatial de lumière est l'un des dispositifs photoniques les plus complexes que l'on puisse rencontrer en tant qu'ingénieur optique. Il s'agit d'un dispositif qui convertit (généralement) un signal généré par ordinateur en une distribution d'intensité ou de phase contrôlée dans l'espace, selon le type de modulateur.
Un dispositif très connu pour la modulation d'intensité est le DLP ou DMD de Texas Instruments. À première vue, il s'agit d'un dispositif impressionnant, et pour sa fonction de modulateur pour projecteurs, il est en effet très impressionnant. Le DMD prend en effet la tête du marché de la lithographie sans masque. Les raisons techniques de ce phénomène sont exposées dans la présentation technique "Ti DLP - The Workhorse of Maskless Lithography" (Ti DLP - Le cheval de bataille de la lithographie sans masque).
Dans le domaine de la modulation de phase, nous trouvons des LCOS (Liquid Crystal On Silicon) plus spécialisés de Holoeye ou Hamamatsu. Ces modulateurs spatiaux de lumière seront utilisés dans les pinces optiques ou les commutateurs sélectifs de longueur d'onde (WSS), les microscopes ou les écrans virtuels (près de l'œil).
Le tangible et le subtil
Tous les modulateurs LCOS sont trop lents pour l'imagerie haut de gamme/à grande vitesse. Le DMD a pris en charge l'intégralité de cette tâche. Il est possible de concevoir des générateurs de motifs produisant des images en niveaux de gris de 8 bits à une vitesse de 5 gigapixels par seconde, même s'il faut beaucoup de travail pour y parvenir afin de contourner les lacunes de ces dispositifs. Cependant, la force du DMD ne réside pas dans sa surface optique, aussi impressionnante qu'elle puisse paraître, mais dans son fond de panier CMOS. Cette ressource numérique permet au DMD de compenser la plupart de ses imperfections optiques. Il s'agit toutefois d'un sujet à part entière qui devrait être abordé lors d'un prochain exposé technique, où le lien entre les pertes par diffraction et la qualité de l'image sera traité.
Quels sont donc ces défauts ? L'acheteur occasionnel d'un SLM peut d'abord se concentrer sur les propriétés tangibles (externes) telles que la taille, la vitesse du bus et le nombre de pixels, qui ne disent rien sur la qualité de l'image. Une propriété dont on ne parle pas assez souvent est la planéité optique, à courte ou à longue portée.
Qualité de l'image - Qualité de la surface
Le modulateur spatial de lumière à base de MEMS du Fraunhofer IPMS est un dispositif qui possède la propriété susmentionnée. Dans le domaine de la génération de motifs de haute qualité, il est courant d'écrire plusieurs fois la même partie d'un masque en utilisant différents segments du modulateur afin de réduire les problèmes d'imagerie par le calcul de la moyenne. Toutefois, cette approche peut s'avérer très coûteuse, car les erreurs d'imagerie sont réduites par la racine carrée du nombre d'images utilisées pour le calcul de la moyenne. La qualité de l'image avant le calcul de la moyenne est donc très importante.
Les modulateurs spatiaux de lumière à base de MEMS de l'institut Fraunhofer IPMS ont été développés en collaboration avec Micronic au début des années 2000. Ces modulateurs offrent une excellente micro-planarité, ce qui est indispensable pour empêcher le speckle (ou le speckle partiellement développé) de générer une rugosité du bord de la ligne. Avec une stratégie d'illumination et d'échelle de gris appropriée, les propriétés d'image fournies par ces modulateurs ne peuvent être distinguées des masques photographiques.
Il convient de noter que même si ces modulateurs offrent une excellente microplanarité, le chatoiement partiellement développé peut encore être renforcé par l'optique de projection. Comme il s'agit d'un exposé technique sur les SLM, nous laisserons ces détails pour une autre fois, mais les personnes intéressées par la conception de systèmes optiques basés sur ces modulateurs sont invitées à me contacter via la page de contact ou par courrier électronique à l'adresse suivante : [email protected].
Les premiers dispositifs MEMS en aluminium à couche unique souffraient de limitations mécaniques, qui ont été surmontées par le développement d'une structure MEMS à deux couches qui a résolu tous les problèmes mécaniques tout en préservant les propriétés optiques. Malheureusement, l'industrie a opté pour la technologie des faisceaux électroniques, pensant que les systèmes à faisceaux multiples permettraient de résoudre les problèmes de temps d'écriture, ce qui a entraîné l'arrêt de la production de dispositifs d'écriture de masques optiques haut de gamme. Cependant, alors que les espoirs d'écriture de masques à faisceau électronique de grande capacité s'estompent et que le volume de nœuds de masques adaptés à ces types de générateurs de motifs augmente, une autre opportunité pour cette technologie pourrait voir le jour.
Micronic et ASML ont également mis au point un dispositif à miroir en escalier capable d'écrire l'équivalent d'un masque à déphasage alternatif. Les deux dispositifs ont permis un étalonnage individuel de chacun des millions de miroirs d'inclinaison jusqu'à la limite théorique fixée uniquement par la planéité optique des dispositifs.
Sources laser
Le laser excimer est le choix préféré pour ce modulateur en raison de son étendue appropriée et de ses courtes durées d'impulsion, qui permettent une exposition précise de l'image sur une pièce en mouvement. Cependant, son coût de fonctionnement élevé - jusqu'à 100 euros par masque de 6 pouces à haute résolution - limite son application à plus grande échelle. Les lasers à semi-conducteurs monomodes offrent des solutions alternatives, mais des défis techniques doivent encore être relevés avant qu'ils ne soient largement adoptés.
Compte tenu des succès remportés par l'industrie dans le domaine du multiple patterning et de la correction optique de proximité, il est possible d'atteindre 50 nm, voire moins, au niveau du masque, ce qui représente un agrandissement de 4 fois par rapport à la plaquette de silicium. Cette technologie permet d'écrire un nombre important de masques, mais pour l'OPC, le déphasage et la magie des masques pixellisés, le MEMS doit être optiquement plat et correctement calibré.
Modélisation des systèmes basés sur les SLM
Quelle que soit la technologie de modulation spatiale de la lumière qui répond aux exigences externes, le fabricant ne sait pas comment elle fonctionne dans un système particulier car, en général, ce n'est pas ce qu'il fait. Cependant, la modélisation de l'optique physique permet de saisir facilement leurs propriétés et leur efficacité peut être prédite par des simulations.
De nombreux aspects des SLM et de leur comportement dans une configuration optique donnée peuvent et doivent être traités dans le contexte du système optique dans lequel ils fonctionnent. La technique préférée pour ce faire, ici à Senslogic, est l'utilisation de l'approche de l'échantillonnage par hypercube latin. Ici, nous pouvons comprendre comment les imperfections du modulateur sont liées aux exigences du système optique et laisser les mathématiques et la décomposition en valeurs singulières trier les vrais degrés de liberté.
Il arrive souvent qu'une fois la poussière retombée et les calculs effectués, le système optique qui semblait si complexe se révèle l'être beaucoup moins une fois qu'il est décrit à l'aide des variables appropriées.
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