Brevet FR2060364A1 — publié le 19710618

La présente invention concerne en général des techniques et dispositifs de déflexion de faisceaux lumineux et plus particulièrement un multiplicateur d'angle pour balayage par faisceaux lumineux ayant une ouverture constante. La plupart des techniques de déflexion des faisceaux laser que l'on peut 5 utiliser actuellement sont limitées en vitesse, résolution ou souplesse. Dans certains cas, il est possible d'améliorer l'une de ces caractéristiques, mais cela habituellement au détriment de l'une ou des deux autres. Par exemple, une vitesse supérieure peut nécessiter un déflecteur moins massif et ainsi une ouverture plus petite. D'autre part, le fonctionnement dans un mode réson-10 nant peut être nécessaire, avec la perte résultante de la comnande de positionnement de faisceaux. On a proposé de nombreuses techniques pour surmonter toutes ces difficultés. Certaines de celles-ci impliquent l'utilisation de nombreux déflecteurs de petits angles en série ou de dispositifs de miroirs compliqués pour permettre 15 plusieurs passages à travers le même déflecteur. Il existe cependant une limite à cette tentative d'approche, car le diamètre de faisceau d'entrée doit devenir plus petit lorsque le nombre des étages augmente pour éviter la dégradation du faisceau déflechi par les bords du ernier déflecteur. Léo BEISSER a décrit dans "Applied Optics" d'avril 1966 aux pages 647 20 à 650 une technique qui évite la dégradation à l'ouverture de balayage en' formant progressivement l'image d'un déflecteur sur le suivant à l'aide d'une série de lentilles. Comme précédemment, ce procédé nécessite un nombre important de déflecteurs, bien que le faisceau puisse être recyclé à travers virtuellement le même dispositif optique par un arrangement de miroir correct pour améliorer 25 encore le balayagB. Par conséquent, un objet de l'invention est de réaliser une technique de multiplication d'angle de balayage qui permette le maintien d'une ouverture constante. Un autre objet de la présente invention est de réaliser un dispositif de 30 multiplication d'angle de balayage à faisceaux laser qui soit particulièrement simple, compact et peu coûteux. Un autre objet de la présente invention est de réaliser un dispositif de multiplication d'angle de balayage ayant une résolution améliorée sans sacrifier la vitesse ou la souplesse. 35 Selon la présente invention, on satisfait aux objets précédents et à d'autres en utilisant une technique par laquelle on forme l'image du déflecteur de faisceaux lumineux sur lui-même en produisant des réflexions multiples avec une amélioration résultante de l'angle de balayage. Dans sa forme préférée, un dispositif qui permet de réaliser cette technique est formé de deux miroirs 40 et de deux lentilles séparés par la somme de leur distance focale. Le miroir 70 32126 2 2060364 d'entrée au dispositif est un miroir de balayage qui pivote autour du foyer de sa lentille associée. La normale de ce miroir au point de déflexion nul forme un angle avec l'axe des lentilles. Le second miroir est localisé au plan focal de sa lentille associée et est fixe sa normale est parallèle à l'axe 5 des lentilles. Dans une autre réalisation le miroir d'entrée est fixe alors que le second miroir est le miroir de balayage et pivote autour du foyer de ses lentilles associées. Dans une autre réalisation les deux miroirs sont des miroirs de balayage pivotant autour des points focaux de leurs lentilles associées. Si les deux miroirs sont actionnés en phase correcte, les deux axes âe 10 rotation étant dans le même plan, on obtient une déflexion totale ayant un gain de presque deux fois celui obtenu en n'utilisant qu'un seul miroir de balayage. Si d'autre part les axes autour desquels les deux miroirs tournent sont perpendiculaires, le faisceau de sortie balayera une trame déterminée par la fréquence relative des deux miroirs. 15 D'autres objets; caractéristiques et avantages de la présente invention, ressortiront mieux de l'exposé qui suit fait en référence aux dessins annexés à ce texte qui représentent des modes de réalisation préférés de celle-ci. La figure 1 représente un schéma dans le plan X-Z illustrant le principe d'un multiplicateur d'angle de balayage selon l'invention. 20 La figure 2 représente un schéma d'un multiplicateur selon l'invention projeté dans le plan Y-Z. La figure 3 représente une vue agrandie en section transversale de la moitié gauche de la figure 2 et utile pour décrire la théorie de fonctionnement de l'invention. 25 La figure 4, comme la figure 3 représente une vue agrandie de la moitié gauche de la figure 2, mais illustre les limites du champ des angles d'entrée et de sortie dûes à l'ouverture angulaire de la première lentille. La figure 5 représente un diagramme schématique qui illustre l'extrémité d'entrée d'un modèle dans un exemple réel d°un multiplicateur d'angle de ba-30 layage et qui représente en outre les limites du système imposées par le montage de lentilles et d'autres facteurs. Le dispositif de formation d'image du multiplicateur d'angle de balayage est représenté dans la figure 1 des dessins. Le système est formé d'un miroir M. écarté d'une lentille L. d'une distance égale à la distance focale f, de la 1 1 1 35 lentille. Une seconde lentille L^ est disposée sur l'autre côté L^ d'une distance égala à la somme des distances focales f + f^ des deux lentilles. De l'autre côté de la lentille L^ se trouve un second miroir qui en est écarté d'une distance égale à la distance focale f2> Les miroirs à lentilles sont disposés sur un axe optique commun A^ orienté dans"la direction Z. Dans 40 la réalisation préférée, le miroir est le miroir de déflexion et tourne 70 32126 2060364 autour du point focal de la lentille L^. L'axe de déflexion ou de balayage A^ autour duquel le miroir pivote se projette hors du plan du papier (c'est-à-dire dans la direction Y] dans la représentation de la figure 1. Dans cette description initiale, on suppose que le dispositif illustré dans la figure 1 5 est bidimensionnel. Comme on le montrera avec la figure 2, on doit prendre en considération la dimension du système avec l'axe Y. L'illustration bidimen-sionnelle de la figure 1 est, cependant, utile pour approcher le concept de multiplication d'angle de balayage. Ainsi, comme montré dans ce cas, l'image inversée du miroir de déflexion est produite au plan focal de la 10 lentille L^ lorsque le miroir se trouve dans le plan XY Cc'est-à-dire ayant sa normale colinéaire avec l'axe A^) pour réfléchir, sur le miroir à partir du point P^> une image secondaire droite. Un faisceau laser parallèle frappant le miroir détecteur au point se déplacera comme représenté à travers le système, revenant par les points et P2 dans chaque 15 traversée ou circuit. L'angle de déflexion augmente avec chaque réflexion de FI au point C^. Si on lui permet de se poursuivre, l'angle de déflexion augmentera jusqu'à ce que le faisceau quitte le dispositif de lentilles. Pour les déflecteurs de petit angle où l'on peut considérer cette technique, on peut obtenir une augmentation significative de l'anglB de déflexion avant 20 que le faisceau atteigne le bord de la lentille. On suppose que tous les' faisceaux représentés dans la figure 1 sont situés dans le plan de la feuille de papier. Jusque là on n'a fait aucune mention du procédé de l'introduction du faisceau dans le dispositif lentille-miroir ou de la façon par laquelle on 25 détermine le gain. La technique fondamentale est représentée dans la figure 2 où l'on fait tourner le multiplicateur d'angle de balayage de 90° autour de son axe par rapport à la vue de la figure 1 et le miroir FI^ est incliné autour d'un autre axe On remarque que la figure 1 est dans le plan XZ alors que la projection de la figure 2 se fait dans le plan YZ de la feuille 30 de papier et passe par le point focal P^. En réglant le miroir de telle sorte que la projection' de sa normale sur le plan XZ fasse un angle 0 avec l'axe A^ de la lentille, un faisceau parallèle pénétrant en C1J circulera jusqu'à ce qu'il essorte en (2). Par un choix correct de 0 le nombre des passes peut être contrôlé pour obtenir le nombre désiré de réflexions du miroir de 35 déflexion F^. On obtient le réglage de l'angle 0 en faisant tourner le miroir Fl„ autour de l'axe A„ qui se projette hors du plan de la feuille de papier, 1 o et qui passe aussi par le point P . L'axe A„ se trouve de préférence mais pas 1 w nécessairement dans le plan XZ. Il est aussi préférable que l'axe A^ reste dans le plan YZ lorsque l'on fait tourner autour de l'axe A^ ; puisque 40 l'axe A2 n'est pas perpendiculaire à l'axe A^, cela nécessite que l'axe Ag 70 32126 " 2060364 soit dans la direction X, perpendiculaire à la feuille de papier. □n va maintenant expliquer la théorie du fonctionnement-de ce dispositif en référence à la figure 3, qui représente une vue agrandie d'une section transversale du miroir déflecteur et de la première lentille . Comme 5 dans la figure 2, la déflexion des miroirs se fait autour d'un axe dans le plan de la feuille de papier. La lentille L^ et le miroir ne sont pas représentés puisque dans le cas que l'on décrit leur seule fonction est de renvoyer le faisceau le long d'un trajet quiest symétrique par rapport à l'axe de la lentille au trajet du faisceau sortant de la lentille L Dans les buts 10 de cette explication, on suppose que le faisceau peut être considéré comme un rayon unique et que les lentilles sont idéales sur leurs surfaces entières. Dans la figure 3, les positions angulaires par «apport à l'axe du dispositif des lentilles des rayons incidents et réfléchis pour la nième réflexion du miroir sont notées par 0^ et respectivement. On appelle 15 a la demie ouverture angulaire de la lentille, et 0 est de nouveau la position angulaire de la normale au miroir . Les angles 8, T, et 0 sont reliés de la façon suivante : T = 2 0 - B n n de plus, '' 20 8 = - T n n - 1 Cette dernière relation est due à la lentille Let aux miroirs M2- Ainsi, T.. = 2 0 - 8 1 n T = 2 0 - 8„ = 4 0 - 0 2 2 1 25 T = 2n0 - 8 n 1 30 Tg = 2G0 - B1 (1) » V—V. ' « 35 T > a b Le nombre entier G est le nbmbre total de réflexions du faisceau à partir du miroir En conséquence, l'angle de balayage du déflecteur est multiplié par le facteur G qui est défini comme le gain du système. 70 32126 5 2060364 □n peut obtenir un résultat intéressant en arrangeant l'équation (1), où EL correspond maintenant à l'angle d'entrée pour un gain de G. G Tr + sr 2 = G0 (2) Cela indique que G0 est la valeur moyenne de T et B_. Ainsi, une ligne b b 5 à un angle de G0 peut être considérée comme une normale effective au miroir puisque les angles d'entrée et de sortie sont symétriques par rapport à cette ligne. Une autre considération du multiplicateur d'angle de balayage est la limitation du domaine des angles d'entrée et de sortie dûs à l'ouverture 10 angulaire de la lentille . On représente cela dans la figure 4 où pour B (min.) le faisceau d'entrée passe juste à côté du bord de la lentille. A l'autre extrême, 8 (max), le premier faisceau réfléchi par le miroir pénètre juste dans la limite inférieure de la lentille. Puisque l'angle de sortie est compris dans les mimes limites, 15 a a On tire deux conséquences de l'équation (3). Premièrement, la séparation angulaire maximale entre B et T est limitée à 20. En substituant la valeur b b maximum de B_ et la valeur minimum de T_ dans l'équation (2) on obtient les b b contraintes sur 0 pour lequel les conditions donnent : 20 ot+ (a ♦ 20) * G0 (4) 2 ct= (G-1)0 Ainsi quand a est un nombre entier multiple de 0, il existe une normale effective unique localisée au centre du domaine entrée/sortie. □n obtient le second résultat de l'équation (3) lorsque la demie ouver-25 ture angulaire n'est pas un multiple entier de 0. a * (G-1)0 (5) On obtient cet état lorsque 0 est diminué de telle sorte que a se trouve compris dans le domaine. (G-1)0 30 A la limite supérieure, a=G0, la situation de l'équation (4) est répétée, mais avec une augmentation unitaire en gain. De façon semblable on peut augmenter 0 jusqu'à ce que a = (G-2)0 et l'on obtient l'équation (4) avec une diminution unitaire dans le gain. Dans chaque cas, pour une valeur donnée de 0, un maximum de deux normales effectives existera dans le domaine 35 d'entrée/sortie décrit dans l'équation (3). Pour l'équation (6), une normale effective aura lieu à G0 et une seconde à (G + 1)0 correspondant aux régions venant des gains de G et G +1 respectivement. La partie du domaine d'entrée/ 70 32126 2060364 sortie attribuée à chacun peut être obtenue à partir des équations (2) et £3). □n peut voir à partir de ces résultats qu'un maximum de deux valeurs de gain sont possibles pour une valeur donnée de 0. Cependant puisque la séparation maximum d8S faisceaux d'entrée de sortie est souvent désirable, on 5 choisira normalement la condition de l'équation (4). De plus, si l'on maintient constante la demie ouverture angulaire de la lentille alors, 0 doit diminuer lorsque le gain est augmenté. Cela provient d'une diminution correspondante du domaine d'entrée/sortie pour des facteurs de multiplication importants. Lorsque ces considérations sont appliquées à la conception d'un dis-10 positif réel, certaines limitations apparaîtront. La figure 5 représente l'extrémité d'entrée d'un modèle de cas réel. L'angleappelé Aa, est cette partie de l'angle d'entrée qui ne peut être utilisée du fait de nombreux facteurs. Ces derniers comprennent les montures de lentille et la partie des lentilles et de l'angle d'entrée nécessaire au passage du diamètre du 15 faisceau fini. Puisque les angles d'entrée et de sortie sont symétriques par rapport à une normale effective, un Aa supplémentaire doit être soustrait à l'angle d'entrée-sortie. Ainsi, le domaine d'entrée-sortie utilisable pour un dispositif réel est donné par 2 (0-Aa), la valeur supérieure du gain 6 est limitée par 20 la nécessité que 0 > Aa. La conception optimale pour un multiplicateur d'angle de balayage est alors celle pour laquelle a est rBndu maximum et Àa minimum. Cela a lieu pour des lentilles ayant un faible rapport focal (rapport de la distance focale • au diamètre) avec un diamètre de lentille important comparé à celui du fais-25 ceau. Le diamètre du faisceau est déterminé par l'ouverture du déflecteur. De plus, puisqu'un grand nojnbre de passages à travers le système de lentilles sont nécessaires, les lentilles doivent être bien corrigées sur l'ouverture entière nécessaire au passage du faisceau. Il existé plusieurs variantes du multiplicateur d'angle de balayage 30 que l'on vient de décrire. Dans une autre réalisation, le miroir M2 dans la figure 2 est le miroir déflecteur pivotant sur un axe A^ autour du point focal de la lentille L_, et le miroir fT est stationnaire. Le miroir M est 2 1 1 dans ce cas le miroir d'entrée-sortie, 0 déterminant la valeur de G comme précédemment. Cependant, dans ce cas, le facteur de multiplication sera réduit 35 de un, puisqu'il y a une réflexion de moins sur le miroir M que sur le miroir M.. 1 Dans une autre réalisationles deux miroirs M1 et M2 seront des déflecteurs pivotant autour des foyers de leurs lentilles associées. S'ils sont actionnés en phase correcte avec les deux axes de rotation A_ et A. dans le 2 4 40 plan YZ on obtient une déflexion totale (2G - 1) où G est le gain obtenu en 70 32126 7 2060364 utilisant le miroir seul. Autrement, lorsque les axes A2 et A'^ autour desquels les miroirs et pivotent sont perpendiculaires, on peut faire balayer par le faisceau de sortie une trame déterminée par les fréquences relatives des deux miroirs. 5 On rappellera en se ramenant à la description préférée où le miroir est le miroir de déflexion et où est fixé que la fonction principale de la lentille du miroir M2 est de renvoyer l'image du miroir déflecteur sur lui-même. Cela étant le cas, il est possible dans certaines applications limitées de substituer à la lentille L2 et au miroir M2 un prisme à réflexion 10 intérieure totale (ou "prisme toit") qui permettra d'obtenir les mêmes résultats. Le prisme sera localisé de telle sorte que sa face la plus longue ou hypoténuse soit perpendiculaie à l'axe de la lentille L^ et la lumière est réfléchie intérieurement sur les faces les plus courtes. Le prisme sera localisé de telle sorte que son sommet soit à une distance de la lentille L^ égale à la distance 15 focale du trajet air-verre de la lentille à travers le prisme. Cette modification ne fournira un gain G que de deux. On doit constater à partir de la description précédente que l'invention présente plusieurs avantages principaux. Premièrement, en commun avec de nombreux autres dispositifs, elle apporte un angle de balayage qui est plus 20 important que celui que l'on peut obtenir avec les déflecteurs actuels tels que les miroirs déviés par portion, les galvanomètres optiques et les miroirs commandés piéso-électriquement. Mais le dispositif concerné permet d'obtenir ce résultat d'une façon particulièrement simple, compacte et peu coûteuse. Deuxièmement puisque le rayon de sortie sort toujours par le même point auquel 25 pénètre le rayon d'entrée, le miroir de déflexion peut être réalisé avec une taille très petite et une masse faible. Ce fait élimine aussi tous les décalages spaciaux proportionnels à la valeur de l'angle de déflexion ; cela signifie que la fonction de transfert est extrêmement linéaire. Troisièmement, le facteur de multiplication du système représenté dans les figures 1 et 2 peut 30 être réglé facilement pour obtenir un nombre quelconque de facteurs de multiplication principalement par rotation du miroir M autour d'un axe A I afin de modifier l'angle entre la normale et l'axe optique A^. Si par exemple, la hauteur de balayage fondamentale sur un document est de 1,27 mm alors on peut faire tourner un volant pour régler le dispositif de balayage 35 afin qu'il lise les caractères élite tapés à la machine (2,54 mm), les caractères pica tapés à la machine (3,01rrm) ou les caractères écrits à la main (6,35(mn). On peut réaliser tout cela sans effectuer d'autres réglages ; et puisque des facteurs de multiplication non entiers sont impossibles, le réglage n'est pas critique ou difficile à réaliser. 40 Bien que l'on ait décrit dans ce qui précède et représenté sur les 70 32126 2060364 dessins, les caractéristiques principales de l'invention, appliquées à un mode de réalisation préférée 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. 70 32126 9 ^n^/i 2060364 REVENDICATIONS 1. Procédé pour augmenter l'angle de balayage d'un déflecteur de lumière tout en maintenant une ouverture constante caractérisé en ce que le faisceau lumineux est renvoyé sur lui-même un nombre de fois prédéterminé pour produire une amplification de l'angle de balayage. 5 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé Bn outre en ce que la faisceau lumineux est réfléchi plusieurs fois sur le même point du déflecteur. 3. Multiplicateur d'angle de balayage caractérisé par la combinaison des éléments suivants : (a) un déflecteur de lumière agissant par réflexion, 10 (b] des moyens pour recevoir un rayon lunineux réfléchi à partir d'un point prédéterminé dudit déflecteur, et. Ce) des moyens pour réfléchir le rayon lumineux de nouveau sur ledit point prédéterminé un nombre de fois prédéterminé jusqu'à ce que le rayon lumineux atteigne un angle suffisant pour sortir du multiplicateur. 15 4. Multiplicateur d'angle de balayage selon la revendication 3 caractérisé en outre en ce que : (a) ledit moyen pour recevoir un rayon lumineux est constitué, par une lentille écartée dudit déflecteur de lumière d'une distance égale à sa distance focale, 20 (b) ledit déflecteur de lumière est un miroir dont la normale fait un angle prédéterminé avec l'axe de ladite lentille, pivote autour d'un premier axe (A2) passant par le foyer de ladite lentille pour produire un balayage et peut tourner autour d'un second axe (A3) passant par ledit foyer pour modifier le gain du multiplicateur. 25 5. Multiplicateur d'angle de balayage selon la revendication 4 caractérisé en ce que les dits moyens pour réfléchir le rayon lumineux sont formés de : (a) une seconde lentille ayant un axe commun avec ladite première lentille, (b) un second miroir perpendiculaire audit axe commun et écarté 30 de ladite seconde lentille d'une distance égaie à la distance focale de ladite seconde lentille. B. Multiplicateur d'angle de balayage caractérisé tar la combinaison des éléments suivants : *1Q 70 32126 2060364 Ca) une première et une seconde lentilles ayant un axe commun et écartées d'une distance égale à la somme de leurs distances focales respectives, (b) un miroir d'entrée et de sortie espacé de ladite première lentille 5 sur le côté opposé à ladite seconde lentille d'une distance égale à la distance focale de ladite première lentille, la normale dudit miroir d'entrée et sortie faisant un,angle prédéterminé par rapport audit axe commun et, (c) un second miroir perpendiculaire audit axe commun et écarté de ladite seconde lentille sur le côté opposé à ladite première lentille d'une 10 distance égale à la distance focale de ladite seconde lentille. 7. Multiplicateur d'angle de balayage selon la revendication B caractérisé en outre en ce que ledit premier miroir pivote autour du foyer de ladite première lentille et en ce que le second miroir est fixe. 15 8. Multiplicateur d'angle de balayage selon la revendication B caractérisé en outre en ce que ledit second miroir pivote autour du foyer de ladite seconde lentille et ea ce que ledit premier miroir est fixe. 9. Multiplicateur d'angle de balayage selon la revendication B caractérisé en outre en ce que les dits premier et second miroirs pivotent respectivement 20 autour des foyers des dites première et seconde lentilles. 10. Multiplicateur d'angle de balayage selon la revendication 9 caractérisé en outre en ce que les axes de pivotement des dits premier et second miroirs sont dans le même plan. , 25 11. Multiplicateur d'angle de balayage selon la revendication 9 caractérisé en ce que les axes de pivotement des dits premier et second miroirs sont perpendiculaires.