Brevet FR2012437A1 — publié le 19700320

i 2012437 La présente invention se rapporte à un dispositif d'exploration par la lumière employant la déviation de faisceaux lumineux.. Un dispositif à déviation de faisceaux lumineux pour envoyer un faisceau lumineux dans une direction arbitraire est indispen-5 sable pour réaliser l'emmagasinage de lumière, la présentation, la reconnaissance de configurationsetc ... en utilisant un faisceau de lumière cohérente émis à partir d'un laser. Parmi les dispositifs classiques pour dévier un faisceau lumineux, il y a ceux basés sur l'effet électro-optique, la diffraction d'ondes 10 supersoniques ou l'effet de mirages. Le dispositif utilisant l'effet électro-optique exige cependant une tension élevée pour fournir un grand angle de déviation ou de déflexion. Bans le second dispositif mentionné, utilisant des ondes ultra-soniques, l'intensité lumineuse est considérablement affaiblie lorsqu'on se fie 15 à l'effet de diffraction. Le*troisième dispositif mentionné a un défaut tel que 1'angle de déviation est très faible. Un autre dispositif classique de déviation de faisceaux lumineux est le laser dit à balayage, qui a été proposé dans "Journal of Quantum Electronics", Vol. 9E-2, pages 182 à 184. Ce dispositif exige non 20 seulement un cristal de laser de forme très particulière mais aussi une structure compliquée de miroirs de réflexion. Ce dispositif en conséquence n'est pas adapté à l'utilisation pratique. Un objet principal de la présente invention est de prévoir 25 un dispositif de déviation de faisceaux lumineux pouvant donner un grand angle de déviation pour une faible énergie. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un oscillographe pouvant répondre à une fréquence élevée. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un 30 dispositif de reproduction d'images de télévision, dans lequel on n'utilise pas de tubes à rayons cathodiques. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un dispositif perfectionné de contrôle de direction de faisceaux de lasers. 35 La présente invention réside dans la prévision d'un disposi tif de balayage ou d'exploration par la lumière, comprenant un guide fibreux de lumière convergente fixé, à sa première extrémité ; des moyens pour rendre un faisceau de lumière cohérente incident sur une extrémité du guide de lumière avec une certaine dimension 4-0 de taches, ou spots et un certain angle de divergence, ét des moyens 69 22581 2 2012437 pour dévier le guide de lumière pour une fréquence et une amplitude arbitraires à mouvement de-va-et-vient.--" Dans le dispositif selon des'caractéristiques-de la présente invention, un faisceau:de lumière cohérente est passé à travers le guide de lumière cohérente, tandis que le guide de lumière est soumis à la déviation et, de ce fait, la direction d'émission lumineuse est déviée dans une gamme d'angles désirée. Il est bien connu que lorsqu'un faisceau lumineux est appliqué à un tube rectiligne rempli de gaz, sous un angle arbitraire 10 d'incidence tel qu'il a. le plus grand indice de réfraction sur son axe en diminuant régulièrement proportionnellement au carré de la distance à partir de l'axe vers la surface du guide de lumière, le faisceau lumineux incident est propagé en oscillant autour de l'axe. Même si le tube rempli de gaz est incurvé, le fais-15 ceau lumineux se propage le long de l'axe incurvé du tube sans diverger hors de l'axe si le rayon de courbure n'est pas trop grand. Les détails de la lentille dite à gaz sont donnée, par exemple, dans le rapport de S.E. Miller "Light Bfo-pagation in Generalized Lens-like média", publié dans The Bell System Technical Journal, 20 Novembre 1965» pages 2017 à 2064. Un guide de lumière à l'état solide pour remplacer la lentille à gaz a été réalisé en employant des fibres de verres. Ces fibres sont appelées dans cette description "fibres de guide fibreux de lumière convergente". Ce guide de lumière sert de lentille ayant une grande souplesse. En conséquence, 25 un faisceau lumineux cohérent incident sur le guide de lumière à sa première extrémité, avec une dimension de spots convenable et un angle de divergence convenable, est émis à partir de l'extrémité de sortie sous forme de rayons lumineux parallèles ou sous forme de rayons lumineux convergents. Egalement, en utilisant la 30 flexibilité, il est possible d'émettre les rayons lumineux dans une direction arbitraire différente de la direction incidente. La présente invention sera maintenant expliquée en se référant aux dessins ci-joints dans lesquels : La figure 1 représente des modes d'oscillation divers, d'une 35 tige élastique ayant sa première extrémité fixée. La figure 2 est un diagramme schématique d'une structure fondamentale d'un dispositif pour dévier par voie électrostatique une fibre de verre. La figure 3 est un.diagramme semblable d'un dispositif pour 40 faire osciller par voie magnétique une fibre de verre. 69 22581 3 2012437 La figure 4- est un, diagramme semblable d'un dispositif employant un élément d'électrostriction. La figure 5 est un diagramme schématique d'un exemple de réalisation selon des caractéristiques de la présente invention, 5 et, La figure 6 est un diagramme schématique'd'un autre exemple de réalisation. La figure 1 représente divers modes 1, 2 et 3 d'oscillation d'une tige élastique dont une extrémité est fixée par un élément 10 de fixation 4-. En supposant que la distance dans la direction axiale à partir de la surface d'extrémité d'entrée de la tige soit x et que la direction d'oscillation soit Z, le mode de n"me oscillation est exprimé par : m x Z = A f (cos mnx - cos h n ) n l 1 ~r~ 15 v ^ cos m - cos h m m x , , i x x + n n (.sm n - sinh n ; sin m„ + sinh m - 1 1 ~~ où est la longueur axiale de la tige et mn est la àr solution : cos m. cos h m = 1. 20 Pour plus de simplicité, la figure 1 ne représente que le cas de m^ à m^. La fréquence de résonance fn du mode de ifme oscillation est donné par i f = V \/E7" ~2W? V 4 P 2^ où E est la module d'Young, a est un rayon et f est un poids spécifique. Pour plus de simplicité d'explication, on ne discute dans cette description que du mode fondamental m^. Sur la figure 2 représentant le principe du dispositif d'ex-jq plôration électrostatique, le guide de lumière convergente est fixé par un élément de support 22 à un point séparé par une certaine distance depuis sa première extrémité. La partie d'oscillation 21 va de l'élément de support 22 à sa première extrémité. La longueur de la partie 21 peut être déterminée abitrairement. La ^ partie marginale du guide de lumière, à l'extremité fixée, sert de chemin de transmission de lumière au moyen duquel les rayons lumineux sont envoyés à la partie d'oscillation 21. Les électrodes 23 et 24 sont disposées en position adjacente à'la partie d'oscillation 21. Une tension de fréquence arbitraire et d'ampli-tude arbitraire est appliquée à ces électrodes 23 et 24 à partir d'une source 25 de puissance d'entraînement. En appliquant la 69 22581 4 2012437 tension d'entraînement, une force électrostatique est exercée sur la partie d'-oscillation 21 pour la dévier. Bien que n'étant pas représenté sur la figure 2, il„est inutile de dire qu'une série d'électrodes et de sources de puissance d'entraînement exactement 5 équivalente à celle indiquée en 23, 24- et 25, peut être utilisée, si bien que les directions des électrodes peuvent être perpendiculaire au plan du dessin etrfde ce fait, on peut induire une oscillation de déviation à deux dimensions. Dans un exemple de réalisation de la présente invention re-10 présenté sur la figure 3, le guide de lumière est fixé à sa première partie d'extrémité par un élément de fixation 32 comme c'est le cas avec l'agencement de la figure 2. Sur la partie d'extrémité libre 31" du gûide de lumière", on fixe un petit morceau de matière magnétique 311 afin de rendre possible l'entraînement magnétique 15 du guide de lumière en coopération avec des pièces polaires 33 et 34 qui sont excitées par les bobines 35 et 36 connectées à la source 37 d'énergie d'entraînement. En appliquant l'énergie d'entraînement, le guide de lumière subit l'oscillation suivant un mouvement de va-et-vient. Comme 20 c'est le cas avec la figure 2, une autre série de parties exactement semblables aux bobines 35 et 36 et à la source 37 peut être installée et, de ce fait, on peut induire une oscillation de déviation à deux dimensions. On doit noter que les pièces polaires 33 et 34 ne sont pas indispensables. 25 Dans l'exemple de réalisation de la figure 4, la puissance d'entraînement est appliquée au guide lumineux à sa partie de première extrémité. Une pièce d'oscillation 43 fixée au guide lumineux à sa partie de première extrémité, en position adjacente à un élément de support 42, est prise en sandwich avec 2 éléments 30 électrostrictifs 44 et 45. Une tension alternative est appliquée à ces éléments 44 et 45 à. partir d'une source d'énergie 46. La phase d'expansion et de contraction de l'élément d'électrostriction 44 est à 180 ° par rapport à celle de l'élément d'électrostriction 45 Ceci est réalisé en inversant la direction de la tension appliquée 35 à ces éléments. Par cet agencement, l'élément d'électrostriction 45 s'expanse ou se contraéte lorsquè 1!élément'd'électrostriction 44 se contracte ou s'expanse. Par suite, la pièce d'oscillation 43 relie une oscillation de déviation et ainsi une oscillation de déviation est induite dans la partie d'oscillation 41. Cependant, selon 40 cet agencement, la fréquence d'entraînement est limitée à la fréquence de résonance d'oscillation d'ex 69 22581 5 2012437 pansion et de contraction des éléments d'électrostriction 44- et 45. En outre, cette structure n'est pas adaptée à une déviation à deux dimensions. ; La puissance d'entraînement nécessaire pour provoquer l'angle 5 de flexion et l'angle de déviation désirés est calculée de la manière suivante. Supposons que l'angle de déflexion ou de déviation soit seul le mode fondamental étant considéré, l'énergie 'z n d'oscillation de déflexion W est exprimé par ¥ = 2,6 ^s f tg 6 où. s'est line surface en coupe transversale du guide de lumière 10 convergente et f est une fréquence d'entraînement. En prenant une fibre de verre comme guide lumineux, par exemple, lorsque : E = 7,0 x 1011 dynes/cm2, P = 2i5g/cm'' a = 10~2cm, et 4 » 1cm, la fréquence de résonance f^ est 1,48 KHz. En n'ayant recours qu'à la résonance, on peut obtenir un grand angle de déflexion avec une 15 très faible énergie d'entraînement. Cependant, la fréquence de l'énergie d'entraînement doit être fixée. Au contraire, si on a recours à une oscillation forcée, il n'y a pas de limitation de fréquence, mais, d'autre part, une puissance d'énergie supérieure est nécessaire. L'énergie d'entraînement exigée pour chaque cas 20 est calculée ci-dessous avec un facteur 0 qu'on suppose égal à 12°. Lorsque l'on a recours à la résonance, la puissance d'entraînement P^ est exprimée par î P^ = 2TTf^ W/Q Dans une fibre de verre, Q vaut approximativement '302 et, en conséquence, P^ vaut 13,6 mW lorsqu'on applique l'équation' indiquée 25 ci-dessus. Si c'est le cas d'une oscillation forcée, P^ = 2T*fW. En conséquence, si f *= 3 KHz, P^ =-3 W. Il est évident qu'une puissance plus faible suffira dans une gamme de fréquences inférieures. Dans l'exemple de réalisation préféré représenté sur la figu-J re 5, le dispositif comprend le guide 512 de lumière convergente, ayant une partie d'oscillation 51 fixée à sa première extrémité par une pièce de support 52. Une petite marge est laissée pour admettre l'incidence du faisceau lumineux à l'extrémité du bout fixé. Une petite pièce 511 en matière magnétique e_st fixée aux ^ pièces polaires magnétiques mobiles 53 et 54, aux bobines 55 et 56, à une source 57 d'énergie d'entraînement qui sont disposées comme dans le cas de la figure 4. L'exemple de réalisation comprend, en outre, un dispositif de laser 58, un modulateur 59 d'intensité lumineuse, des lentilles 501 et 502 et un écran 503. Le ^ faisceau lumineux émis à partir du laser 58 est réglé pour posséder 69 22581 6 2012437 une dimension de spot .et d'angle de divergence désirée. Le faisceau lumineux: est alors amené en incidence sur l'extrémité fixe du guide 512 de. lumière convergente pour sortir de l'extrémité libre de la partie 51 sous forme de rayons lumineux parallèles 5 ou d'un faisceau de lumière ayant convergé pour se déplacer en ligne-droite vers l'écran 503. La figure 5 représenté l'état dans lequel le faisceau lumineux tombe en incidence sur un point 505 de la ligne droite. Bien que n'étant pas'représenté sur la figure, on peut ajouter, une série de pièces polaires magnétiques, de bo-10 bines et de sources d'énergie d'entraînement, exactement équivalente aux éléments 53» 54, 55, 56 et 57 pcfur réaliser la déviation à deux dimensions. Cependant, dans ce cas, il est nécessaire d'agencer la fréquence d'entraînement pour qu'une direction du plan à deux dimensions soit différente de celle pour l'autre direc 15 tion. Il est maintenant évident que l'exemple de réalisation repré senté sur la figure 5 a la même fonction que l'oscilloscope ordinaire à rayon cathodique. Il est en conséquence évident que ce dispositif peut présenter une configuration arbitraire, reproduire des images de télévision, lire des informations à partir d'une 20 position arbitraire sur l'écran 503, et inscrire des informations dans une position arbitraire sur l'écran 503, etc ... En plus de ces applications utiles, l'exemple de réalisation, lorsque l'écran 503 est retiré, peut être utilisé comme système d'antenne de balayage pour un radar optique ou comme partie essentielle de la sa 25 chine de fabrication de circuits intégrés employant un laser. La figure 6 représente l'exemple de réalisation tel qu'appliqué à un dispositif de contrôle de faisceau de laser, qui comprend un guide 612 de lumière convergente, fixé par un élément de support 62 à une position laissant une certaine marge à 30 partir d'une extrémité de la fibre optique. La partie mobile 81 a une petite pièce 611 en matière magnétique. Les pièces polaires magnétiques 63 et 64, un cristal de laser 68, une source 69 de lumière d'excitation, une source 601 d'énergie d'excitation et des miroirs réflecteurs 602 et 603 sont agencés comme dans le cas 35 de la figure 5'. Bien que n'étant pas représenté schématiquement pour réaliser la déflexion à deux dimensions, on peut utiliser une autre série de pièces polaires magnétiques, de bobines et de sources d'énergie d'entraînement exactement semblable à celle indiquée par 63, 64, 65, 66 et 67. Pour constituer un résonateur 40 optique dégénéré par l'utilisation de miroirs réflecteurs 602 et 603, il est nécessaire de déterminer la longueur du gui 69 22581 7 2012437 de de lumière (lorsque cette fibre optique est considérée comme lentille), si bien que le faisceau lumineux émis à partir de l'extrémité libre de la partie d'oscillation 61 peut être focalisé sur le miroir réflecteur 603. Egalement, lorsque le lieu géométri-5 que de l'extrémité libre de la partie d'oscillation 61 est approximativement une surface sphérique, le miroir réflecteur 603 doit être un miroir sphérique ayant une courbure sensiblement égale à celle de la surface sphérique. Il est évident que la manière électrostatique, comme sur la 10 figure 2, ou le dispositif ayant recours à l'élément d'électrostriction, comme sur la figure 4, peut être employé comme moyen pour amener la partie d'oscillation 51 ou 61 des exemples de réalisation représentés sur les figures 5 et- 6 à produire une oscillation de déviation. On doit noter que le dispositif d'explora-15 tion selon jles caractéristiques de la présente invention n'est réalisable que par l'utilisation du guide fibreux de lumière convergente et qu'il est impossible de mettre en oeuvre 18 dispositif d'exploration employant une telle fibre optique classique dans laquelle le faisceau lumineux appliqué est totalement réfléchi à 20 la surface de limite. la présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. BAD ORIGINAL 69 22581 8 2012437 REVENDICATION 1 - Dispositif d'exploration par la lumière, caractérisé en ce qu'il comprend un guide fibreux de lumière convergente en matière transparente ayant une distribution d'indices de réfraction 5 dans laquelle l'indice de réfraction est le plus grand sur l'axe du guide de lumière et diminue de manière approximativement proportionnelle au carré de la distance depuis l'axe vers la surface du guide de lumière, des moyens pour fixer la fibre optique en un point laissant une certaine marge à une extrémité du guide de 10 lumière, des moyens pour courber ce guide dans au moins une direction et des moyens pour faire un faisceau de lumière cohérente ayant une dimension prédéterminée en coupe transversale, ce faisceau étant incident sur l'autre extrémité du guide de lumière.