Développer des optiques intelligentes à cristaux liquides grâce à la simulation

Sur quoi travaille principalement FlexEnable en matière de développement produit ?

FlexEnable Technology, spin-off du Cavendish Lab de l’Université de Cambridge, se concentre sur les technologies à base de transistors organiques à couches minces (OTFTs). Les composants clés sont des éléments optiques à cristaux liquides, utilisés notamment dans les applications de réalité augmentée. Ces optiques flexibles et ultrafines permettent de diriger, moduler et focaliser la lumière avec précision.

Cette technologie optique révolutionnaire peut être façonnée autour de composants existants, ce qui est idéal pour les designers industriels. Les éléments optiques s’adaptent directement aux surfaces conçues, permettant des produits plus compacts et une performance optique supérieure aux composants en verre plan. La légèreté et le confort utilisateur sont essentiels pour les dispositifs VR/AR. La réduction du poids et la facilité de mise au point favorisent l’immersion et réduisent les sensations de vertige.

Quels sont les plus grands défis dans le développement des optiques AR ?

Pour concevoir et optimiser des lentilles optiques et des technologies de gradation, FlexEnable mise sur des lentilles LC ajustables. Nous avons développé de nouvelles lentilles LC basées sur des plastiques spécifiques – notamment le TAC (Triacétate de cellulose). Ce matériau présente une très faible biréfringence, une haute transmission lumineuse et une faible opacité.

Cela nous permet d’ajuster activement la mise au point afin que la profondeur perçue et réelle de l’image soit cohérente – un facteur clé pour compenser les différences de focalisation entre éléments virtuels et réels dans le champ de vision. Grâce aux logiciels de simulation Ansys et au support de CADFEM, nous avons amélioré le confort utilisateur et le contraste des images dans les dispositifs VR/AR.

Avec une épaisseur inférieure à 100 micromètres – plus fine qu’un cheveu humain – et un poids de quelques fractions de gramme, les lentilles LC peuvent être empilées pour augmenter la distance focale. En les combinant avec d’autres cellules LC flexibles, il est possible d’intégrer des fonctions supplémentaires, comme la gradation d’objets virtuels dans divers environnements.

Pouvez-vous décrire plus concrètement l’usage de la simulation ?

Un exemple : nous avons optimisé des éléments multicouches avec l’outil Ansys Lumerical Stack. Il utilise la méthode des matrices de transfert – une solution analytique des équations de Maxwell pour les systèmes de couches minces. L’optimisation de la transmission et de la plage de transmission étant cruciale, les stacks numériques ont été très utiles. Ils nous ont permis d’éliminer les réflexions de surface en sélectionnant précisément les épaisseurs des couches.

Nous développons des lentilles offrant une excellente performance sur l’axe optique – mais hors axe, la performance diminue. C’est pourquoi nous travaillons en continu, avec l’appui de la simulation, pour améliorer la performance hors axe.

Comment cette optimisation se traduit-elle dans la pratique ?

Notre objectif était de développer des lentilles LC monocouches offrant une excellente performance hors axe et une qualité d’image optimale. Pour cela, nous avons dû concevoir la disposition des électrodes de manière à permettre une optimisation point par point de l’orientation moléculaire en fonction de la réponse optique dépendante de l’angle.

Nous travaillons avec un modèle optique qui nous permet de générer un profil de lentille symétrique associé à un profil de tension ovale. Ce profil de tension est influencé par le matériau LC et par les caractéristiques propres aux applications Near-Eye.

Cette approche peut également être appliquée à d’autres systèmes optiques, par exemple pour l’imagerie grand angle ou les dispositifs endoscopiques. Des corrections réfractives sont également envisageables, notamment pour adapter la puissance de l’œil en cas de troubles visuels.

Pourquoi un tel effort est-il nécessaire pour les lentilles à cristaux liquides ?

Les cristaux liquides sont généralement constitués de molécules allongées, ce qui les rend naturellement asymétriques. Pour obtenir un profil de lentille LC à symétrie radiale, il est possible d’empiler plusieurs cellules. En pratique, un système symétrique résulte de l’équilibrage des différentes couches.

Cependant, nous avons découvert qu’il est possible de reproduire ces propriétés dans une seule couche en optimisant l’orientation moléculaire dans différentes zones de la lentille. La simulation avec Ansys Zemax a été extrêmement précieuse pour atteindre cet objectif.

Cet effort en valait-il la peine ?

Absolument, l’effort a largement porté ses fruits ! Comme pour de nombreuses tâches techniques et physiques, il s’agit aussi de réduire la complexité. Nous voulions donc diminuer le nombre de couches, à la fois pour des raisons de coût et pour limiter les effets de diffusion et de flou.

Nous avons mis en place une pipeline d’optimisation de conception permettant de simuler la performance optique sous différents angles. Cela nous a permis d’optimiser la structure des électrodes afin de générer un profil de lentille symétrique à partir d’un environnement LC anisotrope.

La simulation est l’outil central de cette optimisation. Elle nous permet d’identifier les leviers essentiels avant même de passer en laboratoire et de les tester de manière ciblée. Cela réduit considérablement les délais de développement.

Ansys Zemax est sans aucun doute notre base la plus importante pour les simulations et mon outil de prédilection pour toute évaluation optique. Je l’ai récemment utilisé pour concevoir la partie image d’un interféromètre. Cet instrument est désormais essentiel pour évaluer la performance optique des lentilles et composants similaires. Nous l’utilisons aussi bien pour les optiques d’imagerie que pour les optiques d’éclairage. Cela nous permet d’itérer rapidement nos conceptions et d’optimiser nos produits et technologies en laboratoire.

Un autre exemple est la Physical Optical Propagation Toolbox, particulièrement adaptée aux corrections de phase de Fresnel dans l’optique à cristaux liquides. Le catalogue de lentilles nous aide également à accélérer la mise en place des essais en intégrant des composants standards de fournisseurs dans nos conceptions.

De plus, le logiciel Zemax offre la possibilité de calculer la propagation d’un champ électrique complexe, ce qui permet une analyse précise d’effets supplémentaires tels que la diffraction au sein d’un système.

Quelles perspectives voyez-vous pour l’utilisation des logiciels Ansys chez FlexEnable ?

Je constate déjà la grande diversité d’interopérabilité entre les plateformes proposées par Ansys. L’intégration des applications optiques progresse également. Lors de l’utilisation combinée de différents produits, l’un des critères les plus importants est la disponibilité des API.

Un exemple est l’API Python pour Zemax, qui assure la majorité des connexions entre différents systèmes logiciels et permet un couplage complet des systèmes. Avec les outils de simulation fournis par Ansys, il est relativement simple de créer des solutions sur mesure – et nous sommes impatients d’explorer davantage ces possibilités. Elles permettent également une automatisation des simulations adaptée aux applications, ce qui nous aidera à relever les défis futurs de manière plus efficace, rapide et sécurisée. Cela renforce notre position sur le marché et nous permet de proposer à nos clients des solutions AR/VR encore plus performantes.

Consultez l’interview avec Daniel Jimmerskog (Senior Optical Design Engineer, FlexEnable) :

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