Brevet FR2010148A1 — publié le 19700213

Cette invention concerne des déflecteurs de lumière en général et plus spécialement, un montage de lame de déflexion pour l'utilisation avec des déflecteurs de lumière tels que ceux utilisant le principe de la réflexion interne totale. 5 L'utilisation croissante de la lumière en tant que moyen de transmission a rendu les déflecteurs de lumière de plus en plus importants du fait d'une nécessité accrue pour la commande et le positionnement des faisceaux lumineux. Plusieurs déflecteurs de lumière emploient le principe de la réflexion interne totale pour contrôler le chemin du faisceau. Une des principales raisons de 10 l'utilisation de ce phénomène est de pouvoir positionner le faisceau avec une perte minimun de lumière, du fait que le coefficient de réflexion de la surface de réflexion interne totale est très élevé par rapport aux autres moyens utilisables pour réfléchir les faisceaux lunineux. En plus des qualités de transmission de la lumière, une exigence addition-15 nelle d'un bon déflecteur est la rapidité de réponse et la durée de vie probable convenable. Dans les déflecteurs de lumière de l'art antérieur la vitesse de réponse dépend surtout de la vitesse de commande de la lame de déflexion. Pour commander de telles lames on a utilisé en général des éléments piézoélectriques ou des mécanismes électro-magnétiques, 20 Un problème rencontré dans l'utilisation des moyens de commande antérieurs est que pour chaque commande une certaine quantité d'énergie est dissipée dans le système actif, avec le niveau d'énergie augmentant la vitesse de répétition. Une autre difficulté survenant est la différence de temps entre l'application du signal de commande au mécanisme de commande et le déplacement effectif de la 25 lame et le faisceau, en fait, est dévié le long d'un nouveau chemin. Les systèmes actuels demandent un déflè.cteur"rapide, sûr, robuste, et à vitesse de répétition élevée. Bien que le montage de la lame de déflexion décrit ici a une application particulière dans le déflecteur de lumière à réflexion totale, tel que celui 30 dont on a déjà parlé, il est en général question dans cette invention de déplacer un organe optique à l'intérieur de limites définies avec un système durable qui réagit rapidement et avec précision au signal d'entrée à basse puissance sans tenir compte de l'application de l'organe. Un montage d'une came de déflexion pour un déflecteur de lumière du type 35 à réflexion interne totale comprenant une lame d'un matériau transparent et un élément piezo-électrique attaché au côté opposé à celui de l'organe transparent principal. Dans les réalisations préférées, la lame de déflexion est cannelée pour fournir une action de levier pour le déplacement d'une partie de la lame tendant à l'éloigner du premier organe transparent. Dans des réali-40 sations spécifiques, la lame comprend une dépression annulaire, dans la sur 69 10812 2 2010148 face contigue au premier organe,*le contenu, entre ceux-ci étant partiellement mis sous vide pour permettre à la lame de retourner plus rapidement vers la position où elle est au contact du premier organe. Lès caractéristiques antérieures et autres et les avantages de l'invention 5 apparaîtront à partir de la description plus particulière suivante, du mode de réalisation préférée de l'invention, et qui est illustrée par les dessins l'accompagnant. Les figures 1 et 2 montrent un déflecteur de. lumière d'un type dans lequel la présente invention peut être employée. Les figures 3 et 4 montrent une 10 réalisation préférée du montage de la lame de déflexion en plus grand détail, et la figure 5 montre une seconde réalisation du montage de la lame de déflexion. L'invention sera mieux comprise après avoir expliqué le principe de la réflexion interne totale employé par les déflecteurs du type dans lequel 15 l'invention peut être appliquée. Ce principe, bien connu en optique, quand un faisceau transmis à l'intérieur d'un matériau ayant un indice de réfraction élevé est intercepté par une surface externe contigue à un matériau ayant un indice de réfraction plus faible, la presque totalité du faisceau est réfléchie. Aussi longtemps que l'angle d'incidence des rayons lunineux tombant sur 20 la surface excède l'angle critique, la réflexion totale fera sur la surface. Par exemple, avec un prisme à angle droit ordinaire entouré d'air la lumière entrant perpendiculairement à l'une des deux faces.à angle droit est totalement réfléchie quand elle atteint la surface correspondant à l'hypoténuse, il est également connu que ce principe s'applique, pourvu qu'on trouve un film 25 d'air ou un vide d'une épaisseur adjacent à la surface hypoténuse approximativement égale à deux longueurs d'onde indépendamment du matériau qui se trouve derrière le film. Cependant, quand une lame de verre est mise en contact avec la surface de l'hypoténuse remplaçant ainsi l'air par le verre comme milieu adjacent), la lumière tombant sur la surface hypoténuse par 30 l'intérieur du prisme passera dans la came de verre. Dans la figure 1, on montre un déflecteur de lumière 9 représentant un type d'appareil optique dans, lequel la présente invention peut avantageusement être employée. Ce déflecteur utilise le principe de. réflexion interne totale dans lequel un premier élément transparent à la lumière, montré ici 35 comme un prisme à angle droit 10, dont les surfaces de l'angle droit sont désignées par 11 et 12 et la surface correspondant à l'hypoténuse 13 est placé de façon à recevoir un faisceau lumineux 14 par la face 11. Comme montré dans la figure 2, et décrit dans l'art antérieur, le faisiceau lunineux tombant sur la surface hypoténuse sous un angle excédant l'angle critique sera réflé-40 chi par cette surface hypoténuse si un matériau ayant un indice de réfraction 6* 10812 3 2010148 inférieur à celui du prisme par exemple l'air est présent dans l'espace 15 externe à la surface hypoténuse trappée par faisceau. Dans l'exemple qui est décrit, le prisme est entouré d'air ou de vide. Cependant, on peut utiliser d'autres matériaux d'indice de réfraction différents. Ainsi, le faisceau sera 5 réfléchi totalement le long d'un premier parcours 14a (fig. 1 et 2) à travers le prisme pour donner le faisceau qui est focalisé au foyer 16. La réflexion du faisceau causée par le principe de réflexion interne totale déjà décrit, se produit parce que l'angle que fait la lumière avec la surface excède l'angle critique du prisme. Bien qu'il y ait de légères pertes en intensité 10 du faisceau à cause du fait qu'une très petite portion de lumière n'est pas réfléchie par la surface 13j On suppose que la lunière est totalement réfléchie. En position externe par rapport à la surface correspondant à l'hypoténuse 13 du prisme, il y a un autre élément transparent à la lumière formé d'une 15 lame 18 et empêchant la réflexion qui touche la surface hypoténuse au point d'intersection avec le faisceau lumineux 14. La surface 19 de la Isme de verre 18 étant placée près de la surface hypoténuse du prisme, l'indice de réfraction de milieu externe à la surface hypoténuse n'est pas plus petit que l'indice de réfraction du prisme et la réflexion interne totale est empêchée. Aus-20 si» le faisceau sort du prisme à angle droit le long du chemin 142 montré dans la figure 1. Bien que le faisceau pourrait sortir de la lame 18, si on le voulait l'invention décrite est appliquée à un déflecteur de lumière dont la surface 20 de la lame 18 empêchant la réflexion est réfléchissante de sorte que le fais-25 ceau 14 en atteignant cette surface sera réfléchi le long du chemin 14b. Comme indiqué dans la figure 1, cette réflexion permet de déplacer le chemin du faisceau d'une distance D par de la lame 18. La surface réfléchissante 20 peut être formée en recouvrant la surface d'un revêtement réfléchissant. Cepen dant, la réalisation préférée utilise le principe de la réflexion interne to-30 taie de la lumière par l'alignement correct de la surface 20 par rapport au faisceau au point d'intersection de manière à ce que le faisceau soit réfléchi le long du chemin 14b. Dans la figure 1, on peut voir que le faisceau est réfléchi le long du chemin 14b et, à cause des indices de réfraction similaire de la lame 18 et du 35 prisme à angle droit 10; la lumière passera à nouveau à travers le prisme et sortira par la surface 12 (puisque l'angle du faisceau est plus petit que l'an gle critique) pour être focalisé, dans ce cas, au point 16a extérieur au prisme. Ainsi la position du faisceau est montrée comme étant décalée du chemin original 14a d'une distance D, laquelle distance est une fonction de la longue 40 du chemin du faisceau lumineux lorsque celui-ci passe entre la surface BAD ORIGINAL 6 2010,1.48 hypoténuse B dr prisme at la;surface réfléchissante 20 de la lame de verre 16. En faisant varier l'épaisseur de la iame de verre 18, la distance D pourra changer. De ce qui précède, il est apparent que par le mouvement de la portion de 5 la lame de verre 18 adjacente au point d'intersection du faisceau lumineux 14 avec la surface hypoténuse 13 dans une direction s'élôignant de la surface hypoténuse, d'une distance approximativement égale à deux longueurs d'onde ou plus, la faisceau se réfléchira le long du chemin 14a. La commande de la lame da verre 18 jusqu'à son contact avec la surface hypoténuse 13 au point 10 d'intersection avec le faisceau 14 provoquera le passage du faisceau dans la lame de verre et par la suite la réflexion le long du chemin 14 b par la surface réfléchissante 20, comme montré dans les dessins. Naturellement, on comprend que le déplacement de la lame de distances inférieures à deux longueurs d'onde à partir du prisme provoquera une transmission partielle du 15 faisceau en dehors du prisme. Ce type de modulateur de lumière n'est pas montré mais fait partie des applications de cette invention. En accord avec une caractéristique de la présente invention, la lame de déviation montrée dans la figure 3 comprend un moyen pour la rendre flexible de manière à permettre à une partie de celle-ci de s'écarter du prisme, ledit moyen prenant 2C la forme d'une cannelure 21 formant un intervalle dans la surface 20 et s'étendant autour d'une section centrale 16a, pour former un anneau extérieur 18b. Un montage de commande représenté ici par un élément piézoélectrique 22 fixé à l'élément extérieur déplace la plaque pour la mettre en contact ou l'éloigner de la surface 13. Grâce à ce système de bras de levier la force 25 de commande nécessaire pour déplacer la lame entre ces deux positions de fonctionnement sera réduite. De plus, en choisissant correctement la taille des partions de la lame, on peut amplifier le mouvement de l'ensemble de commande pour déplacer la section centrale de distance plus ou moins grande que celle du dispositif actif. 30 Dans la réalisation montrée la lame de déviation 18 a la forme d'un dis que circulaire avec une canelure 21 séparant la section intérieure circulaire 18a de l'anneau extérieur 18b. Au fond de la canelure reliant la section centrale et l'élément annulaire se trouve une surface courbe 18c formant une Charnière extensible adjacente à la surface 19". L'élément piezo-électrique 35 est lié à la surface 20b de l'élément annulaire par des points radialement espacés de la section intérieure et localisés tout autour du somet de l'élément annulaire. Des conducteurs 26 sont attachés aux électrodes 24 de l'élément (ces conducteurs sont de préférence soudés à basse température) et c'est à travers eux qu'est appliquée la tension de commande du montage de la 40 lare de déviation. BAD ORIGINAL 69 10812 5 2010148 Quand la lame de déviation est dans la position montrée dans la figure 3, le faisceaux lumineux 14 passe de l'élément transparent 10 à la lame de déviation et il est réfléchi grâce au principe de la réflexion interne totale par la surface plane 20. Il faut remarquer que la surface interne de l'élément piézo-5 électrique crée avec la surface 20 un espace dans la .direction verticale de l'épaisseur de la couche de ciment 25. En espaçant l'élément de cette manière, la réflexion interne du faisceau par la surface 20 n'est pas modifiée comme elle pourrait l'être si l'élément poussait réellement la lame de déviation. Comme montré dans la figure 4, une tension de corrmande est appliquée en-10 tre les conducteurs 26 provoquant l'expansion radiale de l'élément 22. L'élé-msnt 18b de la lame limite une telle expansion et par ce moyen permet à l'élément d'avoir la configuration d'un dôme comme montré dans la figure 4. Ainsi le sommet de l'élément 18b de la lame de déviation adjacent à la surface 20b est déplacé radialement vers l'extérieur en s'éloignant de la section centrale 15 16a tandis que la portion courbe 18c agit contre un tel mouvement sur le côté du dessous. En conséquence, on fait tourner l'élément annulaire en s'éloignant de la surface 13 de l'élément 10. Cette rotation soulève la section centrale 18a en l'éloignant de la surface 13 du prisme 10 de façon à permettre à la surface 19 de la lame de déviation de prendre une seconde position espacée 20 du prisme. Les surfaces 13 et 19 sont séparées de préférence approximativement de deux longueurs d'onde pour interrompre complètement la transmission du faisceau lumineux 14 dans la lame de déviation et provoquer ainsi la réflexion sur la surface 13 le long du parcours 14a. En changeant la tension aux bornes de l'élément 22, la plaque de déviation reprend sa configuration plane et permet 25 au faisceau de suivre le parcours 14b. Si l'on veut, une tension de polarisation inverse peut être appliquée aux conducteurs 26 pour amener l'élément piezo-électrique à l'état contracté pour amener la lame de déviation jusqu'à la configuration plane montrée dans la figure 3. Dans d'autres cas, l'attraction moléculaire entre la lame et le prisme tend à maintenir ensemble les 30 surfaces 13 et 19, une fois que la lame est déplacée jusqu'à la position la mettant en contact avec le prisme.Ainsi, il peut être vu que puisqu'une partie de la lame de déviation sera en contact avec la surface du prisme à tout instant, la commande et le positionnement de la lame sont faits beaucoup plus facilement que si la lame de déviation était complètement éloignée du prisme. 35 En accord avec une seconde caractéristique de la présente invention, une dépression annulaire 27 est formée dans la surface 19 de la lame de déviation pour faciliter l'éloignement de la lame par rapport au prisme. De préférence, cette dépression annulaire s'étend autour de la surface 19 pour former un vide entre le prisme 10 et la lame 18 quand les deux surfaces adjacentes sont en 40 contact. Cette dépression ne doit être que d'un quart de micron puisque sa 69 10812 6 2010148 fonction première est de réduire la force et la surface de contact entre les éléments transparents. Puisque les éléments sont réunis par une force moléculaire due au contact intime entre ies surfaces 13 et 19, cette dépression permet aux surfaces en contact d'être séparées plus facilement pendant le dé-5 placement de la lame de verre vers la position éloignée. Il en résulte une action de décollage pendant la séparation des éléments qui nécessitent l'annulation d'une faible force d'attraction à n'importe quel moment pendant la séparation. Il a été prouvé que l'utilisation de la canelure et de la dépression rédui-10 sent grandement la force demandée pour séparer les éléments transparents 10 et 16. Par exemple, afin de soulever une lame de déviation de 17 mm de diamètre et de 3 rrm d'épaisseur sans canelure, ni dépression, une tension de commande d'approximativement 1500 volts est nécessaire pour mettre en mouvement un cristal piezo-électrique de titanate-zirconate de plomb d'une épais-15 seur de 0, 127 cm. La même lame peut être soulevée avec environ 1/8 de l'énergie, en appliquant 300 volts à cristal piézo-électrique d'une épaisseur de 0,038 cms et de même composition, si la canelure et la dépression sont utilisées. De plus, la section centrale 18a reste plane et parallèle à la surface 13 du prisme 20 aggrandissant beaucoup par ce moyen l'aire des surfaces adjacentes qui sont utilisées pour la déviation du faisceau. Pour faciliter d'avantage le mouvement de la lame de déviation, le creux entre la lame et le prisme est partiellement évacué. La pression plus basse est avantageuse puisque l'air ou n'importe quel autre gar contenu entre les 25 éléments ralentira le mouvement de retour de la lame de déviation vers la position où elle est en contact avec le prisme quand la tension appliquée à l'élément sera supprimée. Pour maintenir le vide dans ce volume, un bourrelet de ciment 28 est placé autour du bord extérieur de la lame de déviation maintenant la plaque et le prisme ensembles. Le bourrelet sert à la fois à 30 sceller lë volume entre les éléments transparents et à maintenir la lame de déviation sur le prisme. Le ciment ne doit pas dégager beaucoup puisque l'espace entre les éléments est au moins partiellement évacué. Ainsi la lame de déviation peut retourner non seulement jusqu'à la position où elle est en contact avec le prisme mais aussi si l'environnement est à une pression, plus 35 élevée, il en résulte une force atmosphérique appliquée à la surface 20 tendant à déplacer la lame vers le prisme. Cette force ajoutée aux forces normales déjà décrites tendant à remettre la lame de déviation à sa configuration stable. De plus, le ciment isole l'espace 15 de l'atmosphère extérieur et empêche par ce moyen l'entrée de particules de poussière qui pourraient 40 contaminer les surfaces réfléchissantes. è9 10612 7 2010148 Dans - la figure 5 il est montré un second mode ce réalisation du rontage de la larr.e comprenant une lame de déviation 3C adjacente au prisme 10 et commandée par un élément piezo-electriquE 3£ ce la manière précédemment cccrite, • le faisceau lurrireux 1£ passe à travers le prisme 1R jusqu'à la sur-Face 1?. 5 Zst z cette réalisation la lare de déviation a une- configuration cerr>_e eu rectangulaire et comprend les surfaces parallèles 31 et 32. Les canelures parallèles 34 et 35 fermant des intervalles dans la surface 32 de la lame de déviation divisent la lane en une section centrale 30a et sn éléments- extérieurs en position parallèles 30b. L'élément piezc-électrique 36 est cimenté aux 10 surfaces supérieures 32a des éléments 30b. L'élément et la lame sont aussi collés ensembles aux points 37a et 37b pour relier les bords adjacents des éléments 30a et 36 au centre. De plus, des dépressions parallèles 38 et 39 sont formées dans la surface 31 des éléments extérieurs 3Cb, pour réduire les forces de séparation nécessaires pour séparer les éléments transparents comme 15 la canelure déjà décrite dans le mode de réalisation précédent. Ainsi, par application de la tension de polarisation entre les bornes de conducteurs 40, l'élément s'étend vers les côtés supérieurs des éléments 30b ce qui crée un décalage de la surface 31 de la section centrale 30a par rapport à la surface 13 du prisme 10. En reliant l'élément et la surface 32, aux points 20 37a et 37b, l'élément s'étend symétriquement par rapport à la lame dans chaque direction à partir de ces points, grâce à quoi les éléments extérieurs 30b sont déplacés d'égales distances par rapport au centre de la section 30a. Dans cette réalisation aussi,un bourrelet de ciment 41 peut être placé autGur du bord externe de la lame de déviation et le vide entre la lame et le prisme 25 évacué pour les desseins déjà expliqués. Naturellement, la lame peut prendre d'autres configurations non décrites. Par exemple,la section centrale 30a et les éléments latéraux "30b peuvent être faits de parties séparées s'intégrant l'une à l'autre et les canelures et dépressions peuvent avoir d'autres formes de section transversale pour les 30 applications particulières. La lame peut aussi être faite pour un fonctionnement bistable, grâce à quoi .elle restera dans chacune des deux positions et l'élément de commande ne servira qu'à la déplacer mais pas à la maintenir dans l'une ou l'autre de ces positions. Bien que l'on ait décrit dans ce qui précède, et représenté sur le dessin, 35 les caractéristiques essentielles de l'invention, appliquées à un mode de réalisation préféré de celle-ci, il est évident que l'homme de l'art peut y apporter toutes modifications de forme ou de détail qu'il juge utiles sans pour autant sortir du cadre de ladite invention. BAD ORIGINAL 69 10612 8 2010146 R E V. E'H D I C A T I Q N S 1. Déflecteur de lumière pour commander la position d'un faisceau lumineux comportant un premier organe transparent transmettant un faisceau lumineux qui doit être dévié et ayant une surface extérieure positionnée de manière à intercepter ledit faisceau avec un angle d'incidence supérieur à l'angle cri - 5 tique grâce à quoi celui-ci est réfléchi dans ledit organe par réflexion interne totale le long d'un premier chemin et des moyens pour commander la transmission de la lumière dudit premier organe à travers ladite surface extérieure « caractérisé en ce qu'il comporte en outre un second organe transparent qui lorsqu'il se trouve dans une première position a une partie d'une de ses 10 surfaces contigue à ladite surface du premier organe au point d'intersection avec ledit faisceau, ledit second organe transparent comprenant des moyens le rendant suffisamment flexible pour lui permettre le déplacement de ladite partie contigue vers une seconde position où celle-ci est écartée dudit premier organe tandis que le reste du second organe reste en contact avec le 15 premier organe, et un dispositif de commande pour déplacer ledit second organe entre les dites première et seconde positions dans lequel lorsque le second organe est dans la première position au moins une partie du faisceau lumineux sortira du premier organe transparent et lorsqu'il est dans la seconde position le faisceau lumineux sera réfléchi au moins partiellement dans ledit 20 premier organe. . 2. Déflecteur de lumière selon la revendication 1 dans lequel ledit second organe transparent comporte un sillon dans l'une de ses surfaces de manière à favoriser sonùéplacement par rapport audit premier organe transparent. 25 . 3. Déflecteur de lunière selon la revendication 2 dans lequel ledit sillon est creusé dans leô surface opposée à celle qui est contigue à la surface du premier organe et où les dites surfaces du second organe sont parallèles.' 30 4. Déflecteur de lumière selon la revendication 3 dans lequel ledit dispositif de commande est un élément piézo-électrique. 5. Déflecteur selon la revendication 4 dans lequel ledit élément piézoélectrique est attaché audit second organe en des points disposés radialement. 35 B. Déflecteur de lumière selon la revendication 5 dans lequel ladite surface sur laquelle sont tracés les sillons intercepte le faisceau sous un angle permettant la réflexion interne totale d'au moins une partie du faisceau. BAD ORIGINAL 69 10812 9 2010148 7. Déflecteur de lumière selon la revendication 6 dans lequel ledit élément piézo-électrique est écarté de la partie du second organe transparent qui transmet le faisceau lumineux de manière à permettre la reflëxion interne du faisceau. 5 8. Déflecteur de lumière selon la revendication 1 dans lequel ladite surface du second organe touche ledit premier organe et comporte une petite dépression grâce à quoi une partie de ladite surface contigue au premier organe est maintenue écartée de la surface du premier organe même lorsque cette partie est déplacée vers la première position pour faciliter le mouvement de retrait 10 de cette partie par rapport à la surface de contact du premier organe. 9. Déflecteur de lumière selon la revendication 8 dans lequel l'espace entre les dits premier et second organes est isoléede l'atmosphère extérieure et évacuée de manière à ce qu'elle soit à une pression inférieure.