Brevet FR2177573A1 — publié le 19731109

La présente invention concerne les matrices de lentilles holographiques utilisées, en particulier, dans les mémoires optiques. Actuellement, on utilise, notamment dans les mémoires optiques, des supports d'information se présentant sous la forme de plaques photosensibles, dites "plans de mémoire. Ces plans de mémoire contiennent un certain nombre de zones dites "pages", de préférence ordonnées en X et Y en une matrice. Chaque zone constitue lthologramme d'un plan de données. Ces plans de mémoire sont enregistrés à l'aide d'un système optique qui comporte un objectif principal et une matrice de lentilles holographiques placée devant l'objectif. Cette matrice contient autant de lentilles holographiques élémentaires qu'il y a de pages dans les plans de mémoire et elles sont disposées de la même façon. Chacune de ces lentilles élémentaires est un petit hologramme qui diffracte la lumière de telle façon que la surface d'onde diffractée couvre, quelle que soit la lentille élémentaire considérée, la pupille de l'objectif utilisé pour l'enregistrement. Jusqu'a présent, on a tenté de fabriquer les matrices de lentilles holographiques sur des matériaux photosensibles par la voie classique de l'enregistrement holographique, c'est-à-dire en constituant les hologrammes élémentaires avec un faisceau objet et un faisceau porteur provenant d'une même source cohérente. Cependant, ces procédés de fabrication ne se sont pas avérés satisfaisants, en particulier en raison des facteurs défavorables suivants : la non-linéarité des matériaux photosensibles, l'influence du rapport d'énergie du faisceau objet et du faisceau porteur sur le rendement et la variation du rendement avec le pas des franges d'interférence. L'invention préconise un procédé de fabrication qui permet de s'affranchir totalement des méthodes classiques d'enregistrement holographique et n'en comporte donc aucun des inconvénients. Elle a donc pour objet un procédé de fabrication d'une matrice de lentilles holographiques destinez à être utilisée notamment dans les mémoires optiques, caractérisé en ce qu'il consiste à constituer préalablement une lentille de diffraction comportant une série d'anneaux concentriques alternativement transparents et opaques, les rayons de ces anneaux suivant la loi des zones de Fresnel, et à exposer, à travers une série successive de portions choisies de cette lentille, une série successive de portions d'une plaque photosensible de telle manière, qu'apyres développement de ladite plaque photosensible exposée, chacune desdites portions présente un réseau de diffraction qui diffracte la lumière d'un angle identique à celui diffracté par la portion choisie correspondante de ladite lentille. D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront au cours de la description aui va suivre. Aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple la Fig. 1 représente schématiquement un dispositif d'enregistrement de plans de mémoire, et les trajets de certains rayons lumineux, dispositif dans lequel on utilise une matrice de lentilles holographiques fabriquée suivant l'invention ; la Fig. 2 montre un schéma optique aggrandi par rapport à la Fig. 1 d'une partie de la matrice de lentilles holographiques la Fig. 3 montre schématiauement un mode de mise en oeuvre du procédé de fabrication de l'invention la Fig. 4 est un graphique illustrant l'aspect de la lentille utilisée dans le dispositif représenté schématiquement sur la Fig. 3, le degré de transparence étant porté en ordonnées et le rayon de la lentille en abaisses la Fig. 5 montre un mode de mise en oeuvre préféré du procédé suivant l'invention ; et la Fig. 6 représente schématiquement et en coupe une partie d'une matrice de lentilles obtenue grâce à l'invention En se référant R la Fig. 1, on décrit tout d'abord, à titre illustratif, le schéma d'un dispositif d'enregistrement d'un "plan de mémoire holographique On rappelle qu'un tel plan est un support photosensible constitué par un certain nombre de pages, chaque page étant l'hologramme d'un plan de données binaires. Ces pages sont réparties sur le plan mémoires suivant un réseau X-Y. Sur la droite de la Fig. 1, on voit schématisé le mode d'enregistrement des pages holographiques constituant le plan mémoire P. Ce plan est placé dans un plan perpendiculaire à l'axe 0-0 du système optique du dispositif. Un objectif O est placé sur l'axe optique 0-0 à une certaine distance du plan de mémoire. Cet objectif est calculé pour le grandissement -1. Contre la pupille de l'objectif O, on place un plan de données D. Ce plan contient les données binaires à enregistrer. Il peut être constitué par une diapositive contenant l'information sous la forme de régions opaques ou transparentes ou par un dispositif fixe dont la transparence peut varier à partir de données digitales. Différents matériaux sont susceptibles de remplir ces fonctions, les cristaux liquides ou les cristaux ferroélectriques, par exemple. Une fois l'hologramme enregistré en un certain point du plan P, on change l'information en D et on expose une autre partie du plan mémoire P. L'exposition sélective du plan de mémoire P est réalisée à l'aide d'une matrice de lentilles holographiques M dont la fabrication fait l'objet de la présente invention. Au cours de son utilisation, cette matrice M est placée sur l'axe optique 0-0 du dispositif d'enregistrement. Elle comporte un réseau de lentilles holographiques 1 dont la répartition est identique à celle des pages holographiques z à enregistrer sur le plan de mémoire P. Pour enregistrer l'hologramme du plan de données D dans le plan P, il faut que la surface d'onde lumineuse diffractée par une lentille 1 quelconque couvre toujours la pupille de l'objectif O. Dans ces conditions, les points de focalisation A des lentilles 1 doivent être situés dans un plan unique PA, perpendiculaire à l'axe optique 0-0 du dispositif et se trouver à une distance f de la matrice de lentilles, en supposant un diamètre uniforme d des lentilles. Au cours de l'enregistrement d'un plan de mémoire P, les lentilles 1 de la matrice M sont adressées successivement par une source de lumière cohérente (non représentée) pour projeter une image de franges d'interférence sur le plan de mémoire P représentative de l'information binaire de la diapositive D utilisée au moment considéré. Cette image de franges interfère avec un faisceau de référence Fr qui est dirigé en synchronisme avec l'adressage des lentilles 1 de la matrice M, sur les pages z à enregistrer du plan de mémoire P. On obtient donc bien des hologrammes déterminés aux endroits choisis par l'adressage. Après cette description préliminaire de l'agencement d'un dispositif d'enregistrement de plans de mémoire holographiques, utilisant une matrice de lentilles holographiques, on décrit maintenant le procédé de fabrication de cette dernière, conformément à l'invention. On sait que la matrice M consiste en un réseau de lentilles 1 dont chacune est constituée par une portion de réseau de diffraction de Fresnel. Selon la technique connue, on obtient -chaque lentille 1 en faisant interférer un faisceau objet avec un faisceau de référence en utilisant le processus classique d'enregistrement des hologrammes. Selon l'invention, on procède d'une façon totalement différente. Sur la Fig. 2, on a représenté un schéma aggrandi d'une portion du schéma de la Fig. 1. On voit une lentille lk avec son foyer A k située dans le plan des foyers PA à une distance f de la matrice de lentilles M. On constate que chaque lentille 1 est caractérisée par l'angle e entre le rayon r et l'axe 0-0 du système optique (cet axe 0-0 n'est pas visible sur le dessin). Selon l'invention, on obtient une lentille 1 quelconque de la matrice M, par l'exposition d'une plaque photosensible, à travers une lentille L à zones de diffraction de Fresnel, en isolant,dans cette lentille L, une portion de diffraction uk de diamètre d, de telle sorte que l'angle entre le rayon de cette portion et l'axe optique de la matrice à former soit égal à ek. Sur la Fig. 3, on a schématisé un mode de mise en oeuvre du procédé suivant l'invention. Ici, on utilise une plaque photosensible qui va être éclairée à travers la lentille L d'une façon particulière, de manière à répondre à la condition qui vient d'être énoncée. Sur la Fig. 3, on voit que la lentille 1k de la matrice M à réaliser est obtenue à partir d'une lentille L à zones de diffraction de Fresnel ayant, comme distance focale, la valeur f et en isolant dans cette lentille L une portion uk à l'aide d'un diaphragme D, de telle sorte que l'angle entre le rayon moyen diffracté rk et l'axe de la matrice M soit égal à ek,8 à l'exposition de la plaque M étant réalisée à travers la lentille L, à partir d'une source d'insolation quelconque (non représentée). Sur la plaque photosensible sera donc ainsi reproduit le dessin des zones de Fresnel contenues dans la zone uk qui se trouve, à cet instant, devant le diaphragme D. Après l'écoulement du temps d'exposition nécessaire pour la formation de la lentille lk, la matrice M à élaborer et la lentille L sont déplacées d'une certaine quantité pour engendrer une lentille 1 de la matrice à partir d'une portion de diffraction uk+l , de telle sorte que l'on retrouve, entre le rayon moyen diffracté rk+l correspondant à cette portion, l'angle ek+î désiré, associé à la lentille lk+l. Ainsi, lors de la fabrication de la matrice de lentilles M, on balaye toute la surface de la plaque photosensible par un mouvement relatif entre le diaphragme D, d'une part, et la lentille L et la plaque M, d'autre part. Il est à noter que, dans le cas représenté, le pas de translation de la lentille L est nettement inférieur à celui de la matrice M à former. Par ailleurs, les portions uk, uk+l ... etc sélectionnées successivement dans la lentille se chevauchent. Pour calculer les caractéristiques de l'installation permettant de mettre en oeuvre le procédé suivant l'invention, il est souhaitable de prendre comme données de base les caractéristiques, d'une part, de la matrice à fabriquer et, d'autre part, de l'objectif 0 à utiliser ultérieurement dans le dispositif d'enregistrement (voir Fig. 1). Soit d le diamètre de la lentille lk de la matrice M, h k la distance entre le centre de la lentille lk et l'axe optique de la lentille L (Fig. 3), H k la distance entre le centre de la lentille lk et l'axe optique de la matrice M (Fig. 3), po le pas entre les lentilles adjacentes de la matrice M (distance entre les centres), f le foyer de la lentille 1, v la distance entre le plan PA et l'objectif O (Fig. 1), Do le diamètre de l'objectif O, on a alors hk = f tg #k Hk = (f + v) tg #k = KPo Il en résulte f hk = Kpo f + v Hk = Kpo Le diamètre de la lentille L pour réaliser une matrice de N2 lentilles 1 est alors f #L = NDo f + v + d et l'ouverture de cette lentille Par ailleurs d f - , d'où l'on peut calculer Do v f = v d Do Le pas de translation de la lentille L, lors de la fabrication, sera s = hk+l - hk = po f f v Afin d'illustrer ces calculs, on donnera ci-dessous, un exemple chiffré non limitatif. On suppose que l'on a choisi un objectif d'un diamètre de 50 mm (Do = 50 mm). La distance v est choisie de 600 mm. On veut réaliser une matrice de 100 x 100 lentilles ayant un diamètre de 1 mm, le pas étant de 1,5 mm. Alors f = 600 x 1 = 12 mm 50 ~L = 4 mm. La lentille L, dans ce cas, a une distance focale de 12 mm et une ouverture de 4 mm pour la fabrication d'une matrice ayant 150 mm de côté. Le diamètre du diaphragme D est naturellement choisi égal à celui des lentilles 1. Le pas de translation de la lentille L sera alors Comme déjà indiqué ci-dessus, la lentille L est constituée par un support transparent sur lequel sont inscrits des anneaux concentriques opaques, les rayons de ces anneaux suivant la loi des zones de Fresnel (voir graphique de la Fig. 4). On démontre que, pour l'exemple numérique ci-dessus exposé, la lentille L aura 1050 zones opaques (ou transparentes), le rayon de la première zone étant de 87ji, tandis que la distance entre les deux dernières zones sera de 1,34jeu. Il est évident que la réalisation d'une lentille L pose, technologiguement, un certain nombre de problèmes, du fait de ses dimensions extrêmement tenues. Par ailleurs, dans son utilisation lôrs de la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention, on peut rencontrer des difficultés en ce qui concerne le déplacement en translation de la lentille qui doit se faire sur une distance très réduite (29,4 Ju dans l'exemple chiffré), et avec une précision considérable. Aussi, suivant une caractéristique particulièrement avantageuse de l'invention, on utilise une lentille L', aggrandie par rapport à la lentille L d'un facteurG/gdonné et on place cette lentille aggrandie devant un objectif de réduction OR (Fig. 5). Une telle lentille, qui est donc constituée de cercles concentriques dont les rayons varient de #7N (N est le numéro d'ordre du cercle), est réalisée automatiquement à grande échelle par photocomposition, pilotée par ordinateur par exemple, ce qui ne pose pas de problème particulier aux spécialistes. Sur la Fig. 5, on a schématisé l'agencement d'une installation permettant la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention, à l'aide d'une telle lentille L'. On aperçoit la lentille L' en haut de la Fig. 5 derrière une source d'insolation 50 d'un type approprié, telle qu'une lampe à arc au xénon. La lentille L' est constituée d'une plaque photographique montée sur un support transparent LS qui est enchassé dans une monture déplaçable en X et Y. L'ensemble de la lentille L' est placé devant une plaque d'occultation PO percée du diaphragme D', dont les dimensions sont adaptées à celles de la lentille L'. Par rapport au diaphragme D de la Fig. 3, le diaphragme D' est donc aggrandi d'un même facteur que la lentille L' par rapport à la lentille L. Le centre du diaphragme D' définit, avec la source SO, un axe optique O'-O' sur lequel est placé également l'objectif OR dont il a été question plus haut. Cet objectif OR est agencé pour former une image sur une plaque photosensible destinée à former, après insolation complète à travers le système optique, une matrice M de lentilles hologra- phiques. Cette plaque photosensible est fixée sur un support MS déplaçable en X et Y dans un plan perpendiculaire à l'axe O'-O'. Les déplacements des supports LS et MS sont effectués aux pas voulus par des dispositifs d'asservissement DA appropriés qui sont reliés à une boîte de commande et de synchronisation BCS à laquelle est également connectée la source SO. Suivant une caractéristique particulière de l'invention, cette source SO est alimentée de façon impulsionnelle et les mouvements de translation des supports LS et MS sont continus. La fréquence de récurrence des impulsions lumineuses de la source SO doit alors soigneusement être choisie en fonction des vitesses de translation en X et Y des supports LS et MS, pour obtenir des éclairements successifs au pas convenables. On donnera, ci-dessous, quelques chiffres non limitatifs concernant l'installation de la Fig. 5, en se référant à l'exemple déjà indiqué ci-dessus Photoréduction (matrice M') : 1 mm2 (réduction 1/100) Résolution de l'objectif OR : 1500 traits/mm Pas de translation dans l'objet (lentille L') : 29,4 x 100 = 2,94 mm Pas de translation dans l'image (matrice M') : 1,5 mm Dimension de la lentille L' : 400 x 400 mm Dimension du diaphragme D' : 100 x 100 mm Dimension de l'image : 1 x 1 mm Distance focale de la lentille L' : 12 x (100)2 = 120 m. Si la plaque photosensible est une plaque photographique, on obtient, après insolation, une matrice de lentilles avec modulation d'amplitude binaire (zones opaques et transparentes dans chaque lentille élémentaire). Dans ce cas, on démontre que le rendement d'utilisation n'est que de 10,25 %. Suivant une autre caractéristique de l'invention, on utilise cette plaque photographique, fabriquée dans l'installation de la Fig. 5, pour l'insolation ultérieure d'une couche de réserve photographique (photorésist) d'épaisseur convenable. La couche de réserve photographique sera, après développement, modulée en épaisseur, ce qui revient optiquement à une modulation de phase. On démontre alors que le rendement théorique de diffraction d'une telle matrice de lentilles vaut 40 % (Fig. 6). La matrice de lentilles en matière de réserve photographique peut aisément être utilisée pour l'obtention d'autres matrices, en l'utilisant comme empreinte lors d'opérations de pressage ou de moulage. On peut obtenir ainsi très commodément des copies de la matrice de lentilles holographiques à partir de matériaux transparents convenables. Il est également possible d'insoler directement la plaque de réserve photographique sans passer d'abord par une plaque photographique. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'une matrice de lentilles holographiques destinée à être utilisée notamment dans les mémoires optiques, caractérisé en ce qu'il consiste constituer préala- blement une lentille de diffraction comportant une série d'anneaux concentriques, alternativement transparents et opaques, les rayons de ces anneaux suivant la loi des zones de Fresnel, et à exposer, à travers une série successive de portions choisies de cette lentille, une série successive de portions d'une plaque photosensible, de telle manière qu'après développement de ladite plaque photosensible exposée, chacune desdites portions présente un réseau de diffraction qui diffracte la lumière d'un angle identique à celui diffracté par la portion choisie correspondante de ladite lentille. 2. Procédé de fabrication suivant la revendication 1, carac térisé en ce que lesdites portions choisies dans ladite lentille se chevauchent. 3. Procédé de fabrication suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la sélection desdites parties de la lentille est effectuée à l'aide d'un diaphragme. 4. Procédé de fabrication suivant la revendication 3, carac térisé en ce que la lentille et ladite plaque photosensible sont animées d'un mouvement relatif de translation par rapport audit diaphragme, selon les directions X et Y. 5. Procédé de fabrication suivant la revendication 4, carac térisé en ce que ladite lentille étant éclairée par une source de lumière permanente, le mouvement de translation en X et Y est effectue pas à-pas. 6. Procédé de fabrication suivant la revendication 4, carac térisé en ce que ladite lentille étant éclairée par une source impulsionnelle, ledit mouvement de translation en X et Y est continu. 7. Procédé de fabrication suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste à réduire optiquement ladite lentille lors de l'exposition des portions successives de ladive plaque photosensible. 8. Procédé de fabrication suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite plaque photosensible est une plaque photographique. 9. Procédé de fabrication suivant la revendication 8, carac térisé en ce qu'il consiste, en outre, après développement de la- dite plaque photosensible, à exposer une matière de réserve photographique à travers ladite plaque et à développer ladite couche de réserve photographique. 10. Procédé de fabrication suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ladite plaque photosensible est une matière de réserve photographique (photorésist). 11. Procédé de fabrication suivant l'une quelconque des revendications 9 ou 10, caractérisé en ce qu'il consiste, en outre, à utiliser ladite réserve photographique comme empreinte lors d'une opération de pressage ou de moulage, à des fins de reproduction dans un matériau approprié. 12. Matrice de lentilles holographiques, caractérisée en ce qu'elle est constituée d'un matériau transparent comportant des réseaux de diffraction réalisés en épaisseur. 13. Matrice de lentilles holographiques suivant la revendication 12, caractérisée en ce que ledit matériau est une réserve photographique développée. 14. Installation pour la mise en oeuvre du procédé défini dans l'une quelconque des revendications 1 à il, caractérisée en ce qu'elle comprend une lentille de diffraction (L') comportant une série d'anneaux concentriques, alternativement transparents et opaques, les rayons de ces anneaux suivant la loi des zones de Fresnel, un support (LS) de la lentille (L') destiné à animer celle-ci d'un mouvement de translation en X et Y, un support (MS) d'une plaque photosensible (M') destiné à constituer la matrice à réaliser, ce support étant destiné à être animé d'un mouvement de translation en X et Y, parallèlement et en synchronisme avec le mouvement dudit support (LS) de lentille (L'), une source lumineuse (S) placée du côté de la lentille (L') opposé à celui de ladite plaque photosensible (M'), un diaphragme (D) placé entre ladite lentille (L') et ladite plaque (M') sur l'axe du faisceau issu de ladite source (S) et des moyens pour animer lesdits supports (LS et MS) de mouvements de translation synchrones. 15. Installation suivant la revendication 14, caractérisée en ce qu'un objectif de réduction (OR) est place entre ledit diaphragme (D) et ladite plaque (M').