Brevet FR2126110A1 — publié le 19721006

La présente invention a pour objet un déflecteur lumineux qui peut par exemple, dévier un faisceau lumineux d'entrée selon plusieurs trajets de sortie. Le déflecteur conforme à l'invention peut être utilisé pour diriger un faisceau de lumière chromatique par exemple, à partir d'une source de laser, en un point déterminé d'une mémoire optique d'un calculateur. Les déflecteurs lumineuxtrouzntde nombreuses applications dans le domaine du traitement de l'information numérique. Un exemple ces applications peut être constitué d'un mémoire électro-optique utilisant des hologrammes, qui nécessitent un dispositif de déviation d'un faisceau laser selon un accès sélectif, vers certaines positions d'un hologramme bidimensionnel ayant environ 100 x 100 positions de résolution. Les déflecteurs lumineux connus utilisent les effets de réflexion, de réfraction, de biréfringence et d'interférence. Les déflecteurs connus sont bien moins qu'en tièdement satisfaisants en ce qui concerne leur coût, leurs caractéristiques numériques discrètes, leur efficacité lumineuse d'entrée-sortie, leur taux de contraste, et leur vitesse de fonctionnement en mode à accès sélectif. L'invention peut être mise en pratique dans un déflecteur lumineux recevant un faisceau incident de lumière monochromatique. Le déflecteur utilise au moins un résonateur du type Fabry-Perot. Ce résonateur comporte deux surfaces parallèles séparées par un milieu transparent, et fonctionne en réponse à la réception d'un faisceau de lumière chromatique sur la première surface a) selon un angle d'incidence e (qui est déterminé par les paramètres du résonateur) pour transmettre la lumière à partir de l'autre surface; et b) selon (au moins quelques-uns) des angles d'incidence autres que e pour réfléchir la lumière. Selon un mode préféré de réalisation de l'invention, il existe une autre surface espacée du résonateur par un matériau transparent (par exemple un prisme de quartz ou d'autre matériau optique) pouvant réfléchir la lumière. Le résonateur et cette autre surface permettent une réflexion multiple du faisceau lumineux (en zigzag) le long de trajets traversant le matériau transparent Dans ce cas (plus spécialement lorsque le matériau transparent est un prisme), le résonateur peut être utilisé comme dispositif d'entrée recevant de la lumière monochromatique sur l'une de ces surfaces selon un angle d'incidence 0, cette lumière traversant alors le résonateur en direction de l'autre surface réfléchissante. Si L'angle au sommet du prisme est égal à a/2, le faisceau lumineux reçu primitivement retourne vers l'autre surface du résonateur, et est réfléchi à nouveau par l'autre surface selon un angle d'incidence de pratiquement (0 + a).Ce retour et cette nouvelle réflexion définissent les trajets de réflexion multiple à travers le milieu, et chaque nouvelle réflexion par l'autre surface de réflexion est accrue d'une quantité pratiquement égale à l'angle a. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, en référence au dessin annexé dans lequel - la figure 1 est une vue latérale d'un déflecteur lumineux numérique conforme à l'invention, - la figure 2 est un graphique représentant la transmission en fonction de l'angle d'incidence d'un résonateur du type Fabry-Perot utilisé dans le déflecteur de la figure 1, - la figure 3 est une vue latérale d'un déflecteur lumineux de construction différente de celui de la figure 1, et - la figure 4 est une vue enperspective d'un déflecteur lumineux déviant la lumière dans les directions X et Y. Le déflecteur lumineux numérique conforme à l'invention sera décrit maintenant en référence à la figure 1. Ce déflecteur comporte un résonateur d'entrée Fabry-Perot 10, un prisme transparent 20 et un résonateur de sortie du type Fabry-Perot 30. Le résonateur 10 comporte deux surfaces 11 et 12 planes, partiellement transparentes, et très réfléchissantes, parfaitement parallèles l'une à -l'autre. Les surfaces 11 et 12 sont maintenues parallèles par une plaque transparente 13 qui peut être en verre ou en quartz.Ces surfaces 11 et 12 sont de préférence créées à l'aide de techniques de revêtement diélectrique multicouche. I1 est possible de créer des surfaces où la somme du coefficient de transmission et du facteur de réflexion diffère de l'unité d'environ 0,001 au moins, de façon que le résonateur optique ou la cavité entre elles soit pratiquement sans perte. Le résonateur 10 du type Fabry-Perot est construit selon des techniques connues et perfectionnées , l'interféromètre de Fabry-Perot ayant été décrit en 1889. La configuration et les applications du résonateur de Fabry-Perot sont décrits pages 329 à 351 des "Principles of Optics" par Born et Wolf, Seconde Edition de 1964. Le résonateur du type Fabry-Perot 10 a une caractéristique de transmission de la lumière telle que représentée sur la figure 2, qui varie en fonction de l'angle d'incidence d'un faisceau laser incident de lumière cohérente monochromatique. C'est-à-dire que, lorsqu'un faisceau laser repré senté par la référence 14 sur la figure l est dirigé sur le résonateur selon un angle e par rapport à une ligne de référence LR, perpendiculaire à la surface plane 11, le résonateur transmet à partir de Sa surface 12, un faisceau lumineux 15 ayant une intensité pratiquement aussi grande que l'intensité du faisceau incident.Le faisceau de sortie 15 dépendant de l'angle, résulte de la caractéristique de transmission représentée en 17 sur la figure 2 SI l'angle d'incidence e du faisceau incident 40 prend une valeur Q1 le résonateur produira également un faisceau de sortie représenté 18 sur la figure 2 Pour des angles d'incidence compris entre e et el, le résonateur 10 ne transmet pas de faisceau incident. Au lieu de cela, le faisceau est réfléchi.La pointe de transmission à travers le résonateur se produit lorsque la formule 2d cos e = j A est satisfaite. d étant l'espace compris entre le déflecteurs, et ) étant la longueur d'onde de la lumière Les caractéristiques du résonateur optique 10 sont analogues aux caractértstlques d'un résonateur ou cavité de radio fréquences à microondes électriques par rapport au couplage de l'énergie en radio fréquences au résonateur et à partir de celui-cij avec des variations de fréquences de l'énergie en radio fréquences. Le déflecteur représenté sur la figure 1 comporte également un résonateur de sortie 30 du type Fabry-Perot, de construction similaire au résonateur d'entrée 10, mais qui comporte un dispositif permettant de faire varier l'espacement d3 et par conséquent l'angle d'incidence e pour lequel se produit le pic de transmission Les résonateurs 10 et 30 sont inclinés l'un par rapport à l'autre à l'aide d'entretoises (non représentées) pour constituer un prisme transparent 20 entre eux, ayant un angle au sommet 2 Le prime transparent 20 peut être constitué par de l'air, ou par un matériau solide transparent Le déflecteur représenté sur la figure 1 peut être construit de diverses manières Quelle que soit la méthode utilisée, les surfaces ou pellicules partiellement transparentes et très refléchissantes 11, 12, 31 et 32 doivent être très plates, c'est-à-dire de l'ordre d'une fraction de la longueur d onde du faisceau lumineux incident 14 Les surfaces 11 et 12, ainsi que les surfaces 31 et 32 doivent être parfaitement parallèles. En outre, l'angle compris entre les surfaces 12 et 13 doit être parfaitement stable, pour cela, il peut être préférable de construire le prisme transparent 20 en un matériau solide plutot que l'air, tel que décrit en référence au mode de réalisation représenté sur la figure 3. Le résonateur de sortie 30 diffère du résonateur d'entrée 10 en ce qurif comporte wn dispositif permettant de faire varier un de ses paramètres physiques C'est-à-dire que le résonateur de sortie 30 comporte. un dispositif pour la commande de l'angle d'incidence pour lequel il peut transmettre de la lumière Par exemple, les surfaces 31 et 32 partiellement transparentes et très réfléchissantes peuvent comporter des pellicules conductrices électriquement, et qui constituent par conséquent des électrodes sur les surfaces opposées de la plaque 33 La plaque transparente 33 est constituée d'un matériau électro-optique caractérisé en ce qu'il a un indice de réfraction qui peut varier en fonction d'une tension électrique appliquée au matériau. Une source de tension variable est représentée par une batterie ou une source de tension fixe 24, et un potentiomètre 34 branchés aux bornes des surfaces conductrices 31 et 32.En faisant varier le potentiomètre 34, la tension appliquée à la plaque de matériau électro-optique 33 varie, et fait varier de façon correspondante l'indice de réfraction, et le retard de phase de la plaque 33 Un matériau électro-optique 33 à effet quadratique plutôt que linéaire est utilisé de préférence, car l'angle de sortie variera linéaire- ment en fonction de la tension appliquée. Ce matériau électro-optique 33 n'est pas nécessairement un matériau à biréfringence variable, et peut être un matériau isotrope t e 1 que le verre. Le fait de faire varier le retard de phase dans la plaque 33 est analogue au fait de faire varier la dimension d3 séparant les surfaces 31 et 32. Dans les deux cas,"l'accord" du résonateur varie, et ce résonateur peut transmettre les faisceaux lumineux incidents de divers angles d'incidence. La gamme dans laquelle l'angle d'incidence du résonateur de sortie 30 peut varier sans ambigueté sera décrit en référence à la figure 2 Les deux pics de transmission espacés l'un de l'autre 17 et 18 de la figure 2 se produisent dans un résonateur donné à des angles d'incidence e1 et 2' ces angles pouvant différer de - 1", à plusieurs degrés.Cependant, si l'un des paramètres du résonateur change légèrement, les pics de transmission seront décalés d'une quantité correspondante, et ces pics 17' et 18' se produiront pour des angles d'incidence 0' et '1 respectivement En modifiant un paramètre du résonateur, le pic de transmission 17' peut se produire à un angle 0' intermédiaire entre les angles e et 1 Cette gamme des angles d'incidence peut s'accomoder à environ 100 réponses de pics distinctes Lorsque les emplacements de réponses de pics variables sont limités à la gamme comprise entre e et Gl, les pics adjacents se produisant simultanément ne peuvent pas apparaître dans cette gamme pour produire une ambiguïté de fonctionnement - Durant le fonctionnement du déflecteur de la figure 1, un faisceau laser cohérent 14 est dirigé vers le résonateur d'entrée 1O selon un angle e avec la ligne de référence LR, de manière que le résonateur délivre un faisceau de sortie 15, qui pénètre dans le prisme transparent 20. Ce faisceau 15 vient frapper le résonateur de sortie 30 selon un angle égal à e + 2 avec la normale, si les réfractions du faisceau lorsque celui-ci traverse les interfaces 11. et 12 sont ignorées. Ces réfractions sont déterminées par les indices de réfraction relatifs des matériaux constituant les deux faces de l'interface entre eux. Tous les angles. donnés ci-dessous seront approximativement corrects, et soumis à des corrections pour des effets de réfraction Si le résonateur de sortie 30 est supposé avoir des dimensions et des caractéristiques telles qu'il puisse transmettre un faisceau incident arrivant selon l'angle du faisceau 15, ce faisceau est transmis par le résonateur 30 selon un faisceau de sortie 35 faisant un angle e avec la ligne de référence LR.D'autre part, si les paramètres du résonateur de sortie 30 sont tels que celui-ci puisse réfléchir le faisceau incident 15, ce faisceau est réfléchi par la surface 31 sur la surface 12, par laquelle il est à nouveau réfléchi le long d'un trajet 16 se dirigeant vers le résonateur 30 Si le résonateur 30 peut transmettre un faisceau ayant l'angle d'incidence du faisceau 16, ce faisceau émergera du résonateur 30 selon un faisceau de sortie 36 faisant un angle e + cc avec la ligne de référence LR.Sinon, le faisceau continuera à zigzaguer dans le prisme 20 jusqu'à l'obtention d'un angle d'incidence pour lequel le résonateur 30 peut transmettre. I1 faut noter qu'à chaque fois qu'une réflexion en zigzag se produit à l'intérieur du prisme 20, le faisceau est dirigé vers le résonateur de sortie 30, selon un angle d'incidence supérieur Chaque angle d'incidence successif, et l'angle de chaque faisceau de sortie possible correspondant, est supérieur au précédent d'un angle a. Les trajets géométriques précis d'un faisceau suivant un zigzag dans un prisme sont décrits à partir de la page 351 dans le "Principles of Optics" mentionné ci-dessus. Lors du fonctionnement du déflecteur de la figure 1, le faisceau lumineux incident 14 émerge du résonateur de sortie 30 le long des trajets 35, 36, 37 et 38. Naturellement, les quatre trajets de sortie représentés illustrent un plus grand nombre de trajets de sortie différents, 100 par exemple. Le trajet de sortie particulier transmis par le résonateur de sortie 30 dépend des paramètres à un moment donné de ce résonateur - En faisant varier un certain paramètre du résonateur 30, par exemple en faisant varier le potentiomètre 34 pour faire varier le retard de phase du résonateur, il est possible de faire émerger un faisceau le long d'un certain trajet de sortie. Chaque trajet du faisceau de sortie fait un angle avec la ligne de référence LR, comme représenté sur les dessins. La figure 3 représente un autre mode de réalisation dans lequel le résonateur d'entrée 10 comporte des pellicules 11 et 12 très réfléchissantes, et transmettant partiellement la lumière, ces pellicules étant placées sur les surfaces en regard d'une plaque transparente solide 9 et d'un prisme transparent solide 20. L'intérieur du résonateur 10 peut être une plaque d'air ayant une épaisseur déterminée par les entretoises (non représentées) placées entre la plaque 9 et le prisme 20. De façon similaire, le résonateur de sortie 30 comporte des pellicules très réfléchissantes et transmettant partiellement la lumière 31 et 32, sur les surfaces en regard du prisme 20 et de la plaque 39, une plaque d'air étant placée entre elles. Dans la construction de la figure 3, le résonateur de sortie 30 peut être commandé par des transducteurs électromécaniques connus 40 couplés à la plaque 39, pour faire varier la dimension d3 entre les pellicules 31 et 32 du résonateur de sortie. Les transducteurs 40 peuvent être des transducteurs piézoélectriques fixés entre les bords périphériques de la plaque 39 et un support 42. Les transducteurs, ou un seul transducteur peuvent être placés de manière connue p o u r n e pas obstruer les trajets du faisceau de sortie 35, 36, 37 et 38. Un signal électrique appliqué par l'intermédiaire des conducteurs 44 aux transducteurs commande le résonateur 30, pour que celui-ci délivre des faisceaux de sortie le long de l'un des trajets 35, 36, 37 ou 38. Les déflecteurs des figures 1 et 3 dévient un faisceau incident dans une direction, c'est-à-dire vers une de plusieurs positions discrètes dans le plan du papier sur lequel sont dessinées les figures. La figure 4 représente un supplément du déflecteur de la figure 1, permettant d'obtenir une déviation dans les directions X et Y, de manière que le faisceau de sortie puisse être dirigé vers un emplacement d'une matrice rectangulaire. Dans la figure 4, le résonateur d'entrée 10, le prisme transparent 20 et le résonateur de sortie 30 sont construits comme dans la figure 1. Un résonateur de sortie supplémentaire 130, identique au résonateur 30 est placé près du résonateur 30, un prisme 120 se trouvant entre eux. I1 faut noter que le prisme 120 est orienté différemment du prisme 20 Le prisme 20 est orienté pour des réflexions en zigzag progressant vers le haut de la figure 4, tandis que le prisme 120 est orienté pour des réflexions en zigzag progressant à des angles droits ou bien vers la droite de la figure. Dans le fonctionnement du déflecteur X-Y de la figure 4, le faisceau lumineux incident 14 permet d'obtenir un faisceau de sortie du résonateur de sortie 30 selon une direction déterminée par une tension de commande appliquée à ce résonateur de sortie 30. Ce faisceau une fois dévié dans la direction Y, devient le faisceau incident sur le second résonateur de sortie 130 La tension de commande appliquée au second résonateur de sortie 130 détermine la déviation supplémentaire dans la direction X donnée au faisceau, lorsqu'il émerge du second résonateur de sortie 130. De cette manière, le faisceau de sortie est dévié en une position de la matrice rectangulaire X-Y (non représentée), qui peut, dans une application, être une matrice d'hologrammes. Les déflecteurs conformes à l'invention peuvent être construits selon d'autres procédés. Par exemple, un déflecteur peut être construit à l'aide de couches de différents matériaux, chaque couche ayant les caractéristiques et les dimensions souhaitées. I1 est bien entendu que les dimensions et les angles représentés sur les dessins sont exagérés, dans un but de clarté, pour l'illustration et la description I1 va de soi que l'invention décrite est susceptible de nombreuses modifications ou variantes sans pour autant sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1 - Déflecteur lumineux d'un faisceau de lumière chromatique comportant au moins un résonateur du type Fabry-Perot, ce résonateur comportant deux surfaces, et fonctionnant en réponse à la lumière monochromatique reçue sur une première surface selon un angle d'incidence e déterminé à partir des paramètres du résonateur, pour transmettre la lumière à partir de l'autre surface, et fonctionnant en réponse à la lumière reçue sur la première surface selon au moins quelques angles autres que e pour réfléchir la lumière; ce déflecteur étant caractérisé en ce qu'il comporte une autre surface espacée du résonateur par un matériau transparent, cette surface ét-ant réfléchissante; le résonateur et l'autre surface fonctionnant pour réfléchir de façon multiple le faisceau lumineux le long de trajets à travers le matériau transparent. 2 - Déflecteur lumineux selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau transparent comporte un prisme optique ayant un angle au sommet a/2; et les trajets suivis par le faisceau lumineux sont incidents sur les autres surfaces du résonateur, selon des angles qui croissent à partir de e de quantités pratiquement égales à a. 3 - Déflecteur lumineux selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'autre surface est l'une de deux surfaces d'un second résonateur du type Fabry-Perot 4 - Déflecteur lumineux selon la revendication 3, caractérisé en ce que le premier résonateur du type Fabry-Perot est un dispositif d'entrée destiné à recevoir tout d'abord le faisceau lumineux selon un angle d'incidence e, et le second résonateur du type Fabry-Perot est un dispositif de sortie. 5 - Déflecteur lumineux selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif permettant de faire varier un paramètre physique du second résonateur du type Fabry-Perot, de manière que la lumière reçue sur la première surface émerge de l'autre surface du second résonateur selon l'un de plusieurs angles, par rapport à une ligne de référence, approximativement égal à e plus un multiple entier, comportant 0, de a. 6 - Déflecteur lumineux selon la revendication 5, caractérisé en ce que le dispositif destiné à faire varier un paramètre physique est un dispositif permettant de faire varier l'épaisseur physique du second résonateur. 7 - Déflecteur lumineux selon la revendication 6s caractérisé en ce que le dispositif permettant de faire varier une dimension physique comporte un dispositif piézoélectrique électromécanique. 8 - Déflecteur lumineux selon la revendication 5, caractérisé en ce que le second résonateur comporte un matériau électro-optique quadratique placé entre l'une et l'autre surface et des bornes électriques, ainsi qu'un dispositif permettant de faire varier électriquement l'indice de réfraction du matériau électro-optique, de manière à faire varier le retard de phase de la lumière qui se propage à travers ledit matériau.