Plaques à microcanaux

Les plaques à microcanaux (anglais: micro structured optical array = MOA)  se composent d'une plaque plate avec des microcanaux perpendiculaires à la surface de la plaque et parallèles les uns aux autres, qui ont une section carrée. Une source lumineuse ponctuelle à une distance donnée devant l'optique est imagée par réflexion sur les parois latérales des canaux dans un point focal du plan focal à la même distance derrière la plaque à microcanaux (Fig. 1). Ce système optique fournit donc toujours une image à l'échelle 1:1.Le diamètre du foyer est approximativement aussi grand que la largeur des microcanaux, généralement dans la gamme >10 µm. Les plaques à microcanaux peuvent être conçues comme des trous dans une plaque (Fig. 1 gauche) ou comme une combinaison de deux grilles perpendiculaires l'une à l'autre (Fig. 1 droite). Cette dernière présente l'inconvénient que la réflexion se fait l'une après l'autre dans le sens horizontal et vertical, ce qui conduit à deux plans focaux, c'est-à-dire à l'astigmatisme. La figure 2 montre que cela conduit à un plus grand diamètre focal dans le plan focal moyen (et à des plans focaux en avant et en arrière avec une ligne focale horizontale ou verticale).

Fig. 1 : Trajectoire du faisceau dans une plaque à microcanaux (gauche) et une plaque à microcanaux de deuxième type (droite)

 

Une simulation de la distribution de l'intensité dans le plan focal lorsqu'elle est éclairée par une source lumineuse ponctuelle montre, en plus de la mise au point ponctuelle au centre, une distribution de la même intensité que ce qui serait présent dans ce plan sans les optiques (figure 2). De plus, il y a une croix d'environ dix fois l'intensité.

 

Fig. 2 : Distribution d'intensité simulée dans le foyer d'une plaque plate à microcanaux percée de trous : le bord extérieur vert a la même intensité qu'à ce point où l'optique est retirée (à gauche) et la distribution d'intensité d'une plaque à microcanaux composée de deux réseaux croisés (à droite).

 

Optique de l'œil du homard

Certaines espèces de décapodes, le groupe des écrevisses à longue queue et des langoustes (macrura), comme le homard, la crevette et l'écrevisse, ont des yeux qui projettent la lumière incidente par des microcanaux réfléchissants sur les cellules sensorielles (rétines) (figure 3) [Lan 1976]. Ce principe peut également être utilisé pour l'optique à rayons X [Ang 1979, Har 1980, Gru 2007].

L'optique se compose d'une grille de micro-canaux de section carrée. Les ouvertures d'entrée de la lumière des canaux reposent sur une surface sphérique et les canaux individuels sont alignés vers le centre de la sphère. Techniquement, de telles optiques sont souvent réalisées en recourbant une plaque à microcanaux dans deux directions. La lumière heurtant les parois latérales lisses des canaux est réfléchie dans la direction du point focal. Les points focaux sont situés sur une surface sphérique avec environ la moitié du rayon de la première surface sphérique (ligne turquoise de la figure 4). La position exacte dépend de la géométrie des canaux et de la distance de la source lumineuse.

Fig. 3 : Optique de l'oeil de homard : source lumineuse (gauche), grille de microcanaux (couleur d'or) et plan détecteur avec distribution d'intensité simulée (droite, bleue)

 

Ces optiques peuvent capter un très grand angle de champ : théoriquement, elles peuvent capter la lumière dans presque toutes les directions. Comme l'optique utilise la réflexion externe totale (TER), elle est achromatique. Pour les énergies photoniques jusqu'à environ 10 keV, il existe des efficacités acceptables, mais l'optique peut également être utilisée pour des énergies photoniques beaucoup plus élevées. La proportion de lumière incidente captée par l'optique et donc l'aperture numérique effective sont déterminées par l'angle limite de réflexion totale dépendant de la longueur d'onde, par la géométrie des canaux et par la rugosité des parois des canaux. Si un grand angle solide doit être imagé, un détecteur avec une surface en forme de segment sphérique est indispensable.

Optical path in a lobster eye optics

Fig. 4 : Trajectoire du faisceau dans une optique à œil de homard ; les faisceaux perdus sont affichés lorsque la souris survole l'image (gris : miroir, turquoise : détecteur, rouge : faisceaux qui touchent les bords du miroir ou pas de miroir, bleu : faisceaux réfléchis deux fois, vert : faisceaux réfléchis trois fois)

 

La lumière d'une source ponctuelle est projetée sur un point qui est loin de ressembler à un point (Figs. 4 et 5). Seule la lumière qui est réfléchie exactement une fois est dirigée vers la mise au point. Certains des rayons lumineux incidents sont perdus parce qu'ils frappent les bords avant des miroirs, d'autres parce qu'ils ne touchent pas du tout un miroir (rayons près de l'axe optique). D'autres rayons sont perdus parce qu'ils sont réfléchis plus d'une fois entre les miroirs. En raison du grand angle du champ d'image, ces rayons peuvent difficilement être empêchés d'atteindre le détecteur à l'aide de diaphragmes, par exemple. Il en résulte un signal de fond indésirable sur le détecteur, ce qui se traduit par un rapport signal/bruit (anglais : signal-to-noise ratio (SNR)) plus faible.

L'application la plus importante de l'optique  à œil de homard est son utilisation dans les télescopes à rayons X des satellites, où elle est utilisée pour trouver des sources intéressantes de rayons X dans le ciel. Lorsqu'un tel objet est détecté, un télescope à rayons X à haute résolution (p. ex. une optique Wolter), qui ne peut voir qu'un petit angle de champ, est dirigé vers lui pour prendre des images de haute qualité.

Fig. 5 : Distribution d'intensité simulée dans le foyer de l'optique de l'œil du homard à partir de la Fig. 1 : Vue latérale (gauche) et vue de face (droite)



[Ang 1979] J. R. P. Angel, Lobster Eyes as X-ray Telescopes, Astrophysical Journal, vol. 233, pp. 364-373, DOI: 10.1086/157397, 1979
[Gru 2007] V. Grubsky, M. Gertsenshteyn, T. Jannson, Nature-inspired optics enable omnidirectional and omnispectral imaging, SPIE Newsroom. DOI: 10.1117/2.1200702.0691, 4 April 2007
[Har 1980] B. K. Hartline, Lobster-Eye X-ray Telescope Envisioned, Science, vol. 207, no. 4426, p. 47, DOI: 10.1126/science.207.4426.47, 1980
[Lan 1976] M. F. Land, Superposition Images are Formed by Reflection in the Eyes of Some Oceanic Decapod Crustacea, Nature, vol. 263, issue 5580, pp. 764-765, DOI: 10.1038/263764a0, 1976

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