Digital Micromirror Device : les micromiroirs au service de l’optique

Magnifique invention de la fin des années 80, le Digital Micromirror Device repose sur un assemblage de micromiroirs commandés individuellement et permettant de réfléchir un flux lumineux vers une projection ou un piège à lumière.

La combinaison de ces flux lumineux à haute fréquence permet de créer une image globale, que l’œil humain peut interpréter ou qui peut être utilisée dans des équipements optiques spécifiques. Focus sur un outil optique très intéressant et aux finalités multiples.

Comment fonctionne le Digital Micromirror Device ?

À l’origine, le Digital Micromirror Device, connu également sous le nom de DMD ou matrice de micromiroirs en français, a été inventé en 1987 par la société américaine Texas Instruments (TI). Il est notamment utilisé dans les systèmes de projection vidéo en remplacement des technologies de projection LCD. Le Digital Micromirror Device repose sur l’assemblage en une matrice commune de nombreux miroirs microscopiques. Selon leur position, ces micromiroirs reflètent ou non la lumière qu’ils reçoivent et représentent chacun 1 pixel. Assemblés sur une matrice commune, le Digital Micromirror Device peut atteindre, selon les modèles, différents niveaux de résolution dans la projection : 640 x 360, 1920 x 1080, ou au-delà.

Chaque micromiroir du DMD peut pivoter sur un de ses axes diagonaux sous l’effet d’une force d’attraction électrostatique. Selon la force appliquée, il occupe alors un état actif ‘On’ ou inactif ‘Off’. En position ‘On’, le micromiroir réfléchit la lumière dans la direction de projection d’image. À l’inverse, en position ‘Off’, il réfléchit la lumière dans la direction d’un piège à lumière pour être absorbée.

L’utilisation et la mise en œuvre d’un Digital Micromirror Device exige un niveau d’expertise important, qui dépend notamment de l’application au sein de laquelle il est déployé. On peut notamment retrouver les Digital Micromirror Device dans les domaines de la santé, de l’environnement, de l’industrie ou l’analyse de matériaux. Ils bénéficient souvent d’une conception sur-mesure pour être intégrés dans les systèmes optiques.

Deux types de Digital Micromirror Device

Sous l’effet de l’attraction électrostatique à laquelle ils sont soumis, les micromiroirs du Digital Micromirror Device basculent entre l’état ‘On’ et l’état ‘Off’. Il existe deux types de DMD, selon la méthode de basculement des micromiroirs. L’ancien modèle de Digital Micromirror Device utilise un axe unique de rotation qui suit une seule diagonale de chaque micromiroir. Le nouveau modèle dénommé DLP TRP (Tilt & Roll Pixel), utilise quant à lui les deux diagonales de chaque micromiroir comme axe de rotation.

Le Digital Micromirror Device à axe unique de rotation

Dans le DMD à axe unique de rotation, chaque micromiroir bénéficie d’un contrôle individuel et numérique et peut osciller autour de sa diagonale (voir figure 1).

Dans ce type de Digital Micromirror Device, chaque micromiroir peut se trouver dans l’un des trois états : ‘Off’, ‘On’ ou dans un état non-actif, qui correspond à sa position au repos. Dans cet état, il ne reçoit aucun signal.

Le signal de commande du DMD repose sur une matrice de 1 et de 0, ou une image noir et blanc dont la taille correspond au nombre de micromiroirs.

Chaque point sur la matrice, ou chaque pixel sur l’image commande la position du micromiroir de la manière suivante :

• Si le pixel est blanc ou le signal a pour valeur 1, le micromiroir passe en état ‘On’ et réfléchit la lumière reçue vers la lentille de projection.

• Si le pixel est blanc ou le signal a pour valeur 0, le micromiroir passe en état ‘Off’ et réfléchit la lumière reçue vers le piège à lumière.

La combinaison des positions des micromiroirs du Digital Micromirror Device permet alors de projeter par la lentille de projection une image vers un écran, un échantillon ou une surface spécifique en fonction de l’application.

« Le micromiroir peut basculer d’un état à l’autre 100.000 fois par seconde. »

La particularité du Digital Micromirror Device, c’est que les micromiroirs peuvent basculer d’un état à l’autre (de ‘On’ vers ‘Off’ ou de ‘Off’ vers ‘On’) à très haute fréquence. Le temps standard de basculement est de seulement 10 μs, soit une fréquence de 100KHz. En d’autres termes, le micromiroir peut basculer d’un état à l’autre 100.000 fois par seconde.

Comme ces changements d’images sont beaucoup trop rapides pour l’œil humain, cela permet d’alterner successivement le blanc, le noir et les autres couleurs dans les couleurs projetées par le Digital Micromirror Device.

L’œil ne perçoit au final qu’un « moyennage » de cette combinaison visuelle, qui lui permet de voir une image (ou une vidéo), là où sont en réalité projetées des images monochromes à haute fréquence.

Le Digital Micromirror Device à deux axes de rotation DLP TRP

Les Digital Micromirror Device à deux axes de rotation, qu’on retrouve aujourd’hui sur le marché, fonctionnent de la même manière que ceux à rotation unique, à la seule différence que les micromiroirs peuvent osciller sur les deux axes diagonaux (au lieu de un précédemment). Cela implique (voir figure 4) que les faisceaux du DMD à deux axes pour les états ‘On’, ‘Off’ et ‘Non actif’ ne sont plus dans le même plan.

Ci-desssous : comparaison des DMD utilisant 1 axe de rotation avec les DMD utilisant 2 axes de rotation :

• en bleu, l’état non actif,
• en vert l’état ‘On’,
• en rouge l’état ‘Off’

Figure 4b. Vue du haut des états d’un micromiroir d’un DMD utilisant deux axes de rotation

Les deux axes de rotations des micromiroirs des Digital Micromirror Device à deux axes suivent les deux diagonales. Ils sont donc perpendiculaires l’un à l’autre. Lorsque le DMD est allumé, les micromiroirs effectuent une première rotation sur le premier axe de rotation (voir figure 5).

Ils se positionnent alors dans un état actif intermédiaire. Selon l’information reçue, chaque micromiroir effectue ensuite sa seconde rotation vers un état actif ‘On’ ou ‘Off’. Cette rotation s’imprime sur le second axe diagonal, comme le montre la figure 6.

Figure 6. La deuxième rotation du micromiroir dans le Digital Micromirror Device à 2 axes de rotation

Les systèmes optiques utilisés avec les Digital Micromirror Device

Pour apporter leur fonction, les Digital Micromirror Device sont généralement couplés à d’autres composants : des systèmes optiques adaptés à l’application, un système d’éclairage pour apporter la lumière sur le DMD et un système optique de projection d’image.

Par ailleurs, le fait d’utiliser des miroirs au sein du DMD implique que la source du signal lumineux et le signal réfléchi se trouvent du même côté (cf figure 2). Pour séparer ces deux flux lumineux et éviter les risques d’interférence, il est possible d’utiliser des systèmes dits télécentriques. Dans ce type de système, la pupille d’entrée ou de sortie est située à l’infini.

Comme le montre la figure 7, le système télécentrique permet d’avoir une même distribution angulaire. Ainsi, les rayons principaux de tous les champs et les rayons qui passent par le centre de la pupille sont parallèles à la sortie du système.

Grâce à cela, les points images sont éclairés avec le même angle au centre comme sur les côtés.

Utilisation d’un système optique télécentrique avec un Digital Micromirror Device

Lors de la conception d’équipements comportant un DMD et un système optique télécentrique, les experts d’Evosens utilisent un prisme pour séparer le chemin optique de la projection de celui d’illumination, en profitant de la réflexion totale interne (Total Internal Reflectance ‘TIR’). En travaillant sur l’angle critique de la réflexion totale interne du prisme, il est possible de séparer les chemins optiques d’illumination et de projection, comme le montre la simulation Zemax en figure 8.

L’utilisation d’un DMD fait appel à deux parties optiques : l’illumination et la projection. Pour l’illumination du Digital Micromirror Device, l’architecture télécentrique va permettre de distribuer de manière rigoureusement identique la lumière auprès de tous les micromiroirs du DMD. On parle d’un éclairage télécentrique image.

« L’architecture télécentrique va permettre de distribuer de manière rigoureusement identique la lumière auprès de tous les micromiroirs »

La partie de projection sert à imager le motif présent sur le DMD sur un plan de projection. Pour cela, la pupille d’entrée du système de projection doit coïncider avec la pupille de sortie d’illumination. Le système de projection est alors télécentrique-objet.

Dans l’exemple de la figure 8, la réflexion totale interne du prisme est produite sur le chemin de l’illumination, nous pouvons aussi trouver des exemples avec une réflexion totale interne du prisme sur le chemin de la projection, ce type de système s’appelle en anglais « Reverse TIR» ou bien « RTIR Design».

La séparation des trajectoires optiques d’illumination et de projection peut aussi s’effectuer sans prisme et sans l’utilisation de système télécentrique. On parle alors de systèmes non-télécentriques.

De nombreuses applications possibles

Calculateur optique

Les équipes d’Evosens ont réalisé un calculateur optique, dont la forte densité de micromiroirs (1 million), couplée à une rapidité de transfert, permet de générer un nombre de combinaisons très important. Les experts d’Evosens ont contribué à la miniaturisation de ce système avec des optimisations fines :

• Calcul et caractérisation des ordres de diffraction du DMD
• Optimisation des optiques d’éclairage pour homogénéiser l’éclairage sur la surface du Digital Micromirror Device
• Miniaturisation

Conception d’un capteur de détection et quantification des microplastiques dans les eaux usées

L’équipe d’Evosens a été sollicitée pour concevoir un système intégrant un Digital Micromirror Device capable de détecter et de quantifier les microplastiques (MP) dans le cadre du projet collaboratif MICROPLASTIC2. L’originalité de ce système repose sur le fait qu’il n’utilise qu’un unique photodétecteur associé à un éclairage structuré, via le DMD, pour réaliser les images des échantillons à analyser.

Cette technique, classiquement appelée le compressive sensing, permet de réaliser des images infrarouges en remplacement des caméras coûteuses existant dans ce domaine spectral.

Evosens a développé ce système en 3 étapes : la partie source, la partie de projection et la partie de détection. L’expertise d’Evosens a permis de :

• Concevoir un système d’illumination du Digital Micromirror Device permettant une distribution uniforme du flux au niveau des micromiroirs et en optimisant l’efficacité en puissance.
• Optimiser le système de projection des matrices d’Hadamard sur l’échantillon en limitant les aberrations optiques.
• Choisir une photodiode et des filtres optiques adaptés aux longueurs d’onde de détection des différents polymères constituant les microplastiques.
• Développer le système de détection.

Conception d’un éclairage structuré pour un outil d’imagerie 3D

Evosens a mis en place un éclairage structuré très intense et efficace utilisant un DMD pour un de ses clients. L’expertise développée dans le cadre du projet a notamment permis de bien choisir la LED utilisée pour la source lumineuse.

Délivrant un flux de quelques watts optiques, il suppose une gestion électrique et thermique (Blanc W ) à la limite de ce que peut supporter le Digital Micromirror Device sur un plan thermique.

Les experts d’Evosens ont également défini et optimisé l’architecture optique de cet équipement (RTIR ©TI) pour véhiculer le faisceau d’éclairage (source / DMD / échantillon) grâce à une série de calcul et de simulation optique sous Zemax :

• Dimensionnement des composants sur mesure
◦ lentilles
◦ doublets
◦ prismes
◦ microlentille
◦ polariseurs à grille pour les flux optiques très importants

• Conception d’une architecture mécano-optique adaptée au Digital Micromirror Device :
◦ gestion thermique (LED, éléments optiques et DMD)
◦ gestion des rayons parasites, de manière à optimiser le contraste d’éclairage 1000:1
◦ respecter les contraintes optiques
◦ fabriquer et qualifier les prototypes (réalisation de 5 exemplaires)

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