Brevet FR2086094A1 — publié le 19711231

La présente invention concerne des procédés et appareils d'exploration et plus particulièrement un réflecteur tournant perfectionné et un système destiné à éclairer celui-ci pour faciliter l'exploration optique à grande vitesse avec un pouvoir résolvant élevé de la surface d'une image. 5 On emploie couramment actuellement de nombreux types de mécanismes d'exploration, capables, par exemple, d'explorer un modèle graphique original pour transformer l'information contenue dans celui-ci en impulsions électriques correspondantes. On utilise pour cela divers procédés, électriques et mécaniques, les seconds comportant par exemple un miroir à nombreuses facettes 10 ayant la forme d'un tronc de cône ou d'une pyramide tels ceux décrits dans le brevet des E.U.A. N° 3.087.987, et divers ensembles de mirois tournants dont l'un est décrit dans le brevet des E.U.A. N° 3.370.504. Un ensemble, comportant un organe tournant de forme pyramidale et comportant des moyens techniques pour éclairer.celui-ci afin d'augmenter le rendement optique du 15 système, est décrit dans la demande de brevet des E.U.A. N° 738.234 concernant un "Système d'exploration par laser comportant un dispositif réflecteur tournant". Bien que tous ces appareils aient fait leurs preuves et obtenu des succès dans leurs domaines particuliers d'utilisation, chacun possède des caractéristiques qui limitent son efficacité en ce qui concerne son 20 emploi comme système d'exploration ultra-rapide à pouvoir résolvant très élevé. Par exemple, le prix de revient des organes tournants eà-forme de pyramide et à facettes multiples, si l'on veut obtenir une quasi-identité des caractéristiques de réflexion de toutes les facettes, est si élevé qu'on ne peut exploiter à fond les possibilités de ces systèmes ultra-rapides. 25 De plus, aux grandes vitesses auxquelles doivent tourner ces organes tournants, qu'ils soient en forme de pyramide ou de prisme, la résistance de l'air ou "traînée", superficielle est considérable et augmente la puissance nécessaire pour les faire tourner. Chose peut-être plus grave, la déformation provoquée par la force centrifuge des organes tournants en forme de pyramide ou de 30 prisme qui se produit aux grandes vitesses provoque une déformation optique dynamique des facettes qui, à son tour, diminue le pouvoir résolvant de l'ensemble du système. •L'invention a pour objets de remédier aux inconvénients des procédés et appareils connus susmentionnés et, plus particulièrement, de 35 réaliser un organe tournant pour appareils d'exploration de fabrication plus facile et plus économique et qui a une inertie moindre pour le même pouvoir résolvant, une déformation optique dynamique inférieure et une traînée superficielle moindre pendant la rotation à grande vitesse que les organes tournants connus de ce type général ainsi qu'un système optique perfectionné"pour 40 éclairer ledit organe tournant. 71 13370 2 2086094 Les objets ci-dessus, ainsi que d'autres, de l'invention sont atteints dans une réalisation représentative de cële-ci par un élément tournant en forme de calotte ou d'anneau de sphère, comportant sur sa surface sphérique plusieurs secteurs de réseaux zonés tous destinés à faire converger 5 à nouveau une famille de faisceaux de rayons incidents de manière à former de nouveaux foyers. Un système optique approprié, qui peut comporter un miroir continu ou un réseau par réflexion fait converger le flux lumineux incident, par exemple d'un laser, en direction d'un premier foyer à proximité du centre de la portion susmentionnée de sphère de manière que chaque rayon 10 incident atteigne,sous une incidence normale,la surface sphérique,de manière à réaliser la reconstitution effective stigmatique d'un point aux nouveaux foyers. L'organe tournant est agencé de manière à tourner autour d'un axe de manière que les nouveaux foyers balaient une surface d'image courbe. Les réseaux zonés sont obtenus par voie photographique et placés 15 sur la surface sphérique de l'organe tournant et - par conséquent - ne modifient pas, par ailleurs, sa forme régulière lisse, ce qui réduit au minimum la traînée superficielle ainsi que la puissance motrice nécessaire pour le faire tourner à grande vitesse. La répartition favorable de la masse de la partie de forme sphérique de l'organe tournant réduit les déformations 20 différentielles provoquées par la force centrifuge par rapport à celles qui se produisent avec un organe tournant, par exemple en forme de pyramide et, par conséquent, réduit la déformation optique dynamique. La facilité d'usinage d'une surface sphérique, par comparaison avec un corps comportant plusieurs surfaces planes, associées à la possibilité de former photographiquement dessus 25 un groupe de réseaux zonés identiques à partir d'une source commun^ non seulement réduit le coût de fabrication, mais aussi contribue également à augmenter la précision et la reproductibilité de réalisation de l'organe tournant. D'autres objets et avantages de l'invention seront mieux compris 30 à la lecture de la description qui va suivre de plusieurs exemples de réalisation et en se référant aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 est une vue de côté schématique d'une première forme de réalisation représentative d'un appareil d'exploration réalisé selon l'invention; 35 - la figure 2 est une vue en perspective d'un appareil d'explora tion semblable à celui représenté sur la figure 1 mais comportant un miroir elliptique à la place d'un réseau par réflexion pour faire converger un flux lumineux sur l'organe tournant; 71 13370 3 2086094 - la figure 3 est une vue de côté schématique d'un second ensemble constitué par un organe tournant et du système optique associé destiné à l'éclairer; - la figure 4 est une vue de l'avant de l'appareil de la 5 figure 3, dans le plan de la ligne 4-4 de la figure 3; et - la figure 5 est une vue de côté d'un quatrième ensemble d'exploration selon l'invention. La figure 1 représente schématiquement les éléments essentiels d'un appareil d'exploration utilisé, par exemple, dans les systèmes ultra-10 rapides à pouvoir résolvant élevé destinés à enregistrer et/ou reproduire l'information sur un support d'enregistrement. Cet appareil comporte une source lumineuse, de préférence un laser 10, destiné à engendrer un faisceau de lumière cohérente monochromatique. Si l'on utilise ledit appareil pour l'enregistrement, le faisceau est dirigé à travers un modulateur 12 de 15 lumière approprié qui module l'intensité du faisceau en fonction de l'information à enregistrer. Si le système doit être utilisé pour la lecture d'informations enregistrées antérieurement, le modulateur 12 est évidemment supprimé et un capteur de lumière, non représenté, est agencé de manière à recueillir le rayonnement réfléchi par (ou transmis par) le support d'en-20 registrement quand ce dernier est exploré par l'appareil d'exploration. Si l'on admet - pour la description qui va suivre - que l'appareil est employé pour l'enregistrement, le faisceau laser modulé en intensité est renvoyé par un miroir approprié 14 sur un dispositif étaleur de faisceaux représenté schématiquement en 16 qui projette un faisceau diver-25 gent 17 (dont on a représenté deux rayons 17a. et 17b_) sur un dispositif réfléchissant 18. Le dispositif 18 est construit et disposé de manière à transformer le faisceau divergent 17 qu'il reçoit en un faisceau image 19 qui converge vers un foyer en un point en dehors du faisceau incident 17, dans le cas présent, sur l'axe de rotation d'un organe tournant 20. Dans la 30 réalisation de la figure 1, le dispositif réfléchissant 18 est un réseau par réflexion, à savoir un réseau optique dont la surface est destinée à diffracter le flux lumineux divergent qu'il reçoit et à le faire converger en un point 23. Le miroir 14 est destiné à réduire l'encombrement et ce miroir et le dispositif étaleur de faisceaux ne représentent, évidemment, 35 qu'un seul des divers procédés à employer pour projeter un faisceau divergent sur le dispositif réfléchissant 18. 71 13370 4 2086094 Selon une caractéristique importante de l'invention, l'organe tournant 20 a la forme d'une portion de sphère, d'un hémisphère sur la figure 1, fixé à un arbre 22 que fait tourner un moteur ou tout autre organe moteur approprié, non représenté. L'organe tournant est placé de manière que 5 sa surface sphérique soit tournée dans l'ensemble vers le dispositif réfléchissant 18 et est orienté par rapport à ce dispositif réfléchissant de manière que si le cône de lumière 19 n'était pas intercepté par l'organe tournant, il convergerait en un foyer 23 placé sur l'axe de rotation de l'arbre 22 sensiblement au centre de la surface sphérique. 10 Pour que l'organe tournant communique un mouvement d'exploration au faisceau lumineux qu'il reçoit, la partie de l'aire de la surface sphérique éclairée par le faisceau convergent 19 comporte plusieurs réseaux zonés 24 dont le nombre dépend des dimensions de l'organe tournant, de la distance de cet organe tournant à la surface de l'image à explorer et de la vitesse 15 de rotation nécessaire pour satisfaire aux conditions de vitesse et de pouvoir résolvant d'un ensemble donné. Chacun de ces réseaux occupe une partie de la surface sphérique et peut être contigu au réseau voisin de l'un ou l'autre de ses côtés, de manière que la totalité de l'aire de la surface sphérique éclairée par le faisceau 19 de lumière convergente soit occupée 20 par des réseaux zonés. Un réseau zoné, comme connu depuis longtemps en optique, comporte en général une plaque ou analogue sur laquelle on a formé un grand nombre de zones circulaires concentriques d'aires sensiblement égales et alternativement transparentes et opaques, si bien que le flux lumineux coupé par la 25 plaque est concentré, par un phénomère d'interférences, en un foyer bien défini. Par conséquent, les réseaux zonés 24 coupent et font converger à nouveau une famille de groupes de rayons incidents sur de nouveaux foyers dont le nombre dépend di nombre de réseaux éclairés par le faisceau 19. Si le faisceau lumineux convergent d'éclairage est concentré au centre de la 30 surface sphérique, chaque rayon incident arrive à peu près normalement au réseau de diffraction sphérique, satisfaisant ainsi à- une condition fondamentale d'éclairement pour la reconstitution effective stigmatique d'un point. Les divers réseaux 24 sont identiques et sont destinés à faire converger à nouveau le faisceau lumineux incident convergent qu'ils reçoivent en 35 un foyer ponctuel 26 d'exploration sur un support d'enregistrement, par exemple une bande de pellicule 28. Lorsque l'organe tournant 20 tourne, le foyer 26 d'exploration décrit un cercle centré à peu près sur l'axe de rotation de 71 13370 5 2086094 l'organe tournant. Le foyer d'exploration se déplace à une vitesse d'exploration constante suivant un arc de cercle (à condition que la vitesse de rotation de l'organe tournant soit uniforme) - une figure géométrique simple dont on peut facilement donner la forme à la pellicule grâce à une 5 plaque appropriée, non représentée, - de manière que le foyer ponctuel d'exploration se trouve toujours très exactement sur la surface de l'image. Ceci est très important étant donné que dans les systèmes de cette nature, la profondeur de foyer est très petite, comparable à l'épaisseur de l'émul-sion d'une pellicule photographique. 10 Les réseaux zonés peuvent être formés sur la surface sphé rique d'un organe tournant 20 par des procédés interférométriques bien connus et une opération d'impression dont on donne un exemple ci-après. La surface sphérique de l'organe tournant est enduite d'une pellicule photosensible, par exemple de la gélatine bichromatée et l'organe tournant est monté de 15 manière à pouvoir tourner dans un appareil d'exposition optique semblable au système représenté sur la figure 1, comprenant un laser, un modulateur, un miroir, un dispositif étaleur de faisceaux et une lentille convergente montée de manière à faire passer un premier faisceau à travers un masque, non représenté, approprié en direction d'un élément de la surface sphérique 20 de l'organe tournant. En même temps qu'un élément donné est éclairé par ledit premier faisceau, le même élément est éclairé à travers ledit masque par un second faisceau lumineux arrivant suivant un trajet qui passe par le foyer 26. Ce second faisceau doit être cohérent par rapport audit premier faisceau et peut être"obtenu à partir du même laser en utilisant un 25 séparateur de faisceaux connu approprié et/ou des mirois formant un angle approprié. Après impression avec une intensité lumineuse et une durée réglées d'un premier élément de la surface sphérique, on fait tourner l'arbre 22 d'un angle fini bien déterminé, par des moyens non représentés, jusqu'à une nouvelle position pour l'impression d'un second élément de 30 manière identique et ainsi de suite jusqu'à ce que le nombre désiré d'éléments ait été exposé pour enregistrer l'hologramme de l'ensemble de foyers ponctuels 26. En opérant de cette manière, les réseaux n'augmentent pas de manière appréciable de la masse de l'organe tournant et n'augmentent pas non plus de façon perceptible 1^ traînée superficielle quand l'organe 35 tournant tourne à grande vitesse. La surface de l'organe tournant est ensuite traitée ou développée pour faire apparaître l'enregistrement géométrique des franges résultant de l'exposition simultanée à ces deux fais-ceaux lumineux - c'est-à-dire, de manière à former sur la surface sphérique un grand nombre de réseaux 71 13370 6 2086094 zonés contigus qui sont parfaitement identiques les uns aux autres. Quand l'organe tournant est monté sur l'appareil de la figure 1 et éclairé par une onde lumineuse identique ou semblable à la première onde employée, les divers réseaux zonés reconstituent un groupe de foyers 26 en fonction 5 de la manière dont l'onde éclaire la surface de l'organe tournant. Ceci signifie que, si le diamètre du faisceau convergent 19 est suffisamment grand pour éclairer simultanément plusieurs réseaux zonés - et c'est le cas dans une réalisation préférée - un nombre égal de foyers d'exploration est reconstitué. Ainsi, du fait que les réseaux sont contigus et 10 qu'on éclaire à la fois plus d'un réseau zoné, on obtient des faisceaux lumineux d'exploration successifs, avec un temps de retour nul entre les explorations successives. La figure 2 représente une variante de l'ensemble de la figure 1, la modification consistant principalement en ce que l'organe 15 tournant 20' est un peu plus léger du fait de la suppression, comme représenté, d'une partie de l'hémisphère et de l'utilisation d'un réflecteur 30 continu à la place d'un réseau par réflexion. Cependant, il va de soi que l'organe tournant de la figure 1 peut également être employé avec le réflecteur continu de la figure 2, et l'organe tournant de la figure 2 avec le 20 réseau par réflexion de la figure 1. Les réseaux zonés 24 sont réalisés de la manière décrite ci-dessus pour la figure 1. Cette modification de la forme de l'organe tournant, ou rotor, permet une mise en place légèrement différente du dispositif réfléchissant par rapport audit organe tournant et de l'emplacement où la lumière converge à nouveau en direction du foyer 26' 25 d'exploration. Dans cette réalisation, l'organe tournant est éclairé par un miroir 30 elliptique réfléchissant un faisceau divergent de lumière incidente 17' provenant d'une source 16'. Comme dans l'appareil de la figure 1, lorsque le rotor tourne, les réseaux zonés 24 reconstituent un 30 groupe de foyers ponctuels 26' d'exploration qui décrivent une circonférence. On met en place la surface où doit se former l'image, représentée par une pellicule 28, en contact, dans la région d'exploration, avec une plaque courbe, non représentée, décalée légèrement dans la direction radiale par rapport au dispositif réfléchissant 30. Cet agencement conduit à un groupe-35 ment compact des éléments fonctionnels du système d'exploration et à une grande ouverture relative, indispensable pour un pouvoir résolvant élevé. La figure 2 représente, par ailleurs, plus clairement que la figure 1, la nature du mouvement d'exploration du foyer 26 d'exploration. Une caractéristique importante de l'invention consiste en ce que le foyer 71 13370 7 2086094 où les rayons convergents de lumière en provenance du dispositif réfléchissant doivent être concentrés, s'ils ne sont pas coupés par l'organe tournant, se trouve sur l'axe dudit organe. La mise en place du foyer 23 sur l'axe de rotation conduit à une vitesse d'exploration uniforme du 5 foyer ponctuel d'exploration 26 (à condition que la vitesse de rotation de l'organe tournant soit uniforme) le long d'un arc de cercle centré par rapport à l'axe de rotation. Cette exploration est par conséquent exempte des déformations engendrées par une vitesse d'exploration non uniforme et, étant donné qu'un cercle est une forme géométrique simple, la pellicule 28 10 est facile à courber de manière que le foyer 26 d'exploration soit toujours bien au point sur la surface de l'image. Comme indiqué, le foyer d'exploration 26, dont les dimensions sont limitées par la diffraction elle-même liée aux caractéristiques des divers réseaux zonés, est bien au point pendant toute la durée de son cycle d'exploration utile, entre un emplacement 26 15 près d'un bord de la pellicule et un emplacement 26' près de l'autre bord. L'agencement des éléments optiques dans le système décrit ci-dessus conduit à un cône d'exploration ayant une ouverture relative d'environ 1/4 avec un rapport R /r (r = rayon de l'organe tournant, R = S s rayon d'exploration) d'environ 4. Comme exposé dans un article du demandeur 20 intitulé : "Laser Beam Scanning for High density data storage and retrieval , SPSE News, Volume 10, N° 5 Septembre-Octobre 1967", il est avantageux, pour réduire l'inertie des systèmes d'exploration ultra-rapide de ce type, de porter au maximum le rapport Rg/r, ce qu'on obtient en général en ramenant au minimum le rayon de l'organe tournant. 25 Les figures 3 et 4 sont des vues de côté et de l'avant, respec tivement, d'une troisième réalisation de l'invention dans laquelle la surface latérale sphérique de l'organe tournant 40 est un anneau sphérique dans la région équatoriale d'une sphère. Des réseaux zonés 24 sont formés sur la surface latérale sphérique de la manière décrite ci-dessus et le rotor 30 est monté sur un arbre 42 afin de tourner autour d'un axe 44. L'organe tournant est semblable, des points de vue inertie et forme géométrique, à un rotor cyclindrique et par conséquent subit une déformation optique encore moindre à grande vitesse - étant donné les contraintes et déformations réduites provoquées par la force centrifuge - que les organes tournants plus 35 proches d'un cône des figures 1 et 2. Dans ce système, le dispositif réfléchissant 46, qui fait converger à nouveau le faisceau lumineux incident divergent 17' sur l'organe 71 13370 8 2086094 tournant peut être un miroir continu ou un réseau par réflexion et on y a ménagé une fente 48 orientée dans une direction normale au plan du papier à travers laquelle le faisceau 19' converge à nouveau vers le foyer ponctuel 26 d'exploration, sur le support d'enregistrement. Tant que la largeur de la fente est faible par rapport à la largeur totale de l'ensemble réfléchissant 46, sa présence dans le système d'éclairage n'a qu'une influence réduite sur le pouvoir résolvant du système. Cette fente permet de placer le dispositif réfléchissant entre le rotor et la surface de l'image, contribuant ainsi à réduire l'encombrement en faisant tomber les rayons 19' convergents à peu près normalement sur la surface sphérique de l'organe tournant et réalisant un cône d'exploration d'ouverture f/3, à comparer au cône d'ouverture f/4 dans les ensembles des figures 1 et 2. L'augmentation de l'ouverture d'exploration augmente le pouvoir résolvant et ceci est obtenu tout ^n conservant un rapport Rg/r favorable, voisin de 4. La figure 5 représente un quatrième système d'exploration comportant un organe tournant avec des réseaux zonés sur sa surface latérale qui, dans le cas présent, est de forme hémisphérique comme pour l'appareil de la figure 1. Cependant, dans cette réalisation, un réseau par réflexion 18 est placé dans un plan sensiblement perpendiculaire à l'axe de rotation de l'organe tournant et décalé par rapport à l'axe à éclairer par un faisceau divergent 17 de lumière, provenant d'une source 16, dont le rayon principal ou médian 17^ est sensiblement parallèle à l'axe de l'organe tournant. La surface du réseau par réflexion 18 est réalisée de manière à faire converger le faisceau incident en un foyer 23 sur l'axe de l'organe tournant de manière à éclairer ainsi la partie de la surface sphérique où se trouvent les réseaux zonés 24. Comme dans les réalisations décrites ci-dessus, l'aire de la section transversale du faisceau convergent incident est suffisamment grande pour éclairer plus d'un réseau zone à la fois. Les réseaux 24 (qui ont été réalisés dans un appareil d'impression dont les éléments optiques sont agencés de manière semblable à celle indiquée ci-dessus) renvoient et font converger la lumière incidente sur un foyer 26 d'exploration qui, comme dans les autres réalisations, décrit une circonférence dans un plan normal à l'axe de rotation de l'organe tournant. La coexistence dans une zone donnée du faisceau d'exploration et du faisceau d'éclairage n'a aucune influence sur le fonctionnement de l'ensemble. Il va de soi, d'apifès ce qui précède, que l'appareil d'exploration décrit permet d'atteindre les objectifs envisagés de facilité et d'économie de fabrication et de réduction des déformations optiques dynamiques de l'organe tournant par comparaison aux organes tournants ayant des formes comportant une répartition moins favorable des masses. L'organe 71 13370 9 2086094 tournant a par ailleurs une forme avec des moments d'inertie et cinétiques moindres, pour un pouvoir résolvant donné, ce qui adoucit les conditions imposées au système d'entraînement et de régulation de la vitesse. L'organe tournant peut être employé dans divers systèmes d'éclairage, le choix dépendant essentiellement des conditions d'encombrement imposées pour une application donnée du système. Cependant, à chaque fois, plus d'un réseau zoné est éclairé en même temps par un faisceau convergent vers un foyer placé sur l'axe de rotation de l'organe tournant, afin que lesdits réseaux reconstituent un nombre égal de. foyers ponctuels d'exploration décrivant chacun un arc de cercle. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux dispositifs ou procédés qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention. 71 13370 10 2086094 REVENDICATIONS 1 - Appareil d'exploration, caractérisé en ce qu'il comprend : une source de rayonnement électromagnétique cohérent émettant un faisceau de rayonnement divergent, un dispositif réfléchissant placé de manière à 5 être éclairé par, et à faire converger, le rayonnement émis par ladite source en direction d'un premier foyer placé sur un axe prédéterminé, un organe tournant ou rotor comportant une surface sphérique dont le centre se trouve sur ledit axe prédéterminé et tournant autour de celui-ci, ledit organe tournant comportant plusieurs réseaux zonés répartis sur la surface 10 extérieure de ladite surface sphérique et placés de telle façon par rapport audit dispositif réflecteur que ledit rayonnement convergent éclaire un secteur de ladite surface sphérique contenant plus d'un réseau zoné, lesdits réseaux étant destinés à renvoyer ledit rayonnement convergent vers les foyers d'exploration correspondants et un organe moteur pour faire tourner 15 ledit rotor autour dudit axe prédéterminé,lesdits foyers d'exploration décrivant des circonférences centrées sur ledit axe prédéterminé. 2 - Appareil d'exploration selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit organe tournant a la forme d'un hémisphère. 3 - Appareil d'exploration selon la revendication 1, caractérisé 20 en ce que ledit organe tournant a la forme d'un hémisphère tronqué. 4 - Appareil d'exploration selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface latérale sphérique dudit organe tournant a la forme d'un anneau dans la partie équatoriale d'une sphère. 5 - Appareil d'exploration selon la revendication 1, caractérisé 25 en ce que lesdits réseaux sont formés par voie photographique sur ladite surface sphérique par un procédé interférentiel. 6 - Appareil d'exploration selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit dispositif réflecteur est un miroir continu. 7 - Appareil d'exploration selon la revendication 1, caractérisé 30 en ce que ledit dispositif réflecteur est un réseau par réflexion. 8 - Appareil d'exploration selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit dispositif réflecteur est un réseau par réflexion décalé radialement par rapport audit organe tournant et placé entre ledit organe tournant et les lieux desdits foyers d'exploration, ledit réseau par réflexion 35 comportant une fente pour laisser passer le faisceau de rayonnement convergent vers lesdits foyers d'exploration. 71 13370 11 2086094 9 - Appareil d'exploration selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit dispositif réfléchissant est un réseau par diffraction p],acé à peu près perpendiculairement audit axe prédéterminé et en ce que le rayon central du faisceau divergent de rayonnement émis par ladite source 5 parvient audit dispositif réflecteur à peu près parallèlement audit axe prédéterminé. 10 - Appareil d'exploration selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit dispositif réfléchissant est réalisé et disposé par rapport audit organe tournant de manière que ledit faisceau de rayonnement 10 convergent tombe à peu près perpendiculairement sur la surface latérale sphérique dudit organe tournant.