Brevet FR2235354A1 — publié le 19750124

L'invention concerne un senseur optique de déplacement dans un plan d'un réseau à pas constant et son application au guidage d'une tête lisant optiquement un support d'information à pistes diffractantes équidistantes. La poursuite d'une piste d'enregistrement en spirale par un faisceau de lecture optique nécessite l'élaboration par un senseur optique d'un signal d'erreur traduisant le déplacement de la piste par rapport à la spire idéale. En effet, au cours de la lecture, on constate de petits mouvements latéraux de composantes perpendiculaires à la direction du défilement de la piste. En particulier, dans le cas du vidéodisque, le problème de la poursuite est d'autant plus ardu que lton se trouve en présence de spires de largeur plus réduite (de l'ordre du micron) séparées par un intervalle très petit (également de l'ordre du micron).L'idée de llinven- tion consiste à traiter la portion de support d'enregistrement située au voisinage du point de lecture comme un réseau plan de diffraction, étant donné la régularité de la piste en spirale. -Le senseur optique selon l'invention comprend des moyens d1 éclairement fournissant des rayons parallèles de lumière monochromatique cohérente et des moyens photoélectriques. Il est caractérisé en ce que lesdits moyens photoélectriques reçoivent sélectivement un éclairement constitué par des franges d'interférence résultant de la superposition d'une première fraction desdits rayons diffractés par ledit réseau et d'un faisceau de référence constitué par une deuxième fraction desdits rayons n'ayant subi aucune déviation par diffraction, des portions espacées dudit éclairement étant captées sélectivement par lesdits moyens photoélectriques avec un pas égal au pas ou au demi-pas desdites franges-d'interférence. L'invention sera mieux comprise, et d'autres caractéristiques apparaitront au moyen de la description qui suit et des dessins qui l'accompagnent, parmi lesquels la figure 1 est un schéma de senseur optique selon l'in- vention la figure 2 est une courbe explicative les figures 3 et 4 représentent des variantes du senseur selon l'invention ; les figures 5 et 6 représentent des systèmes de guidage d'une tete de lecture optique utilisant un senseur selon l'in- vention. le principe de l'invention est basé sur une propriété des réseaux plans de diffraction, qu'il s'agisse de réseaux fonctionnant par transmission ou par réflexion, pourvu qu'ils soient assimilables à un substrat plan comportant un grand nombre de traits ou de fentes parallèles espacés ressgulièrement d'un intervale ou "période '!a't. le phénomène suivant a été observé et expliqué par le calcul : un déplacement transversal "e" du réseau dans son plan (c'est-à-dire perpendiculairement aux traits parallèles) se traduit par une différence de marche ou déphasagc des ondes lumineuses égal à-: une a pour le rayon diffracté d'ordre n. le calcul peut s'effectuer en définissant le réseau de diffraction par une fonction complexe d'une variable x représentant le chemin parcouru dans le plan du réseau suivant une direction perpendiculaire aux traits parallèles ; soit f(x), cette fonction. Dans le cas d'un réseau de période "a'i, en ayant recours à l'analyse de. Fourier, cette fonction est égale à une somme infinie de termes de la forme où n est un entier positif ou négatif, i est le symbole des imaginaires et con un coefficient complexe.On sait que l'amplitude des rayons diffractés se calcule en formant la transformée de Fourrier de f(x) dans l'intervalle - 2 s + 2 S soit, pour l'amplitude du rayon diffracté d'ordre n n Un calcul simple montre que si l'on déplace le réseau de la distance e, on a une nouvelle amplitude Dans le cas de l'invention, on observera le déphasage du rayon diffracté d'ordre 1, c'est-à-dire, en faisant n = 1 dans la formule (2) 2TC e (3) Pour observer ce déphasage, on fait interférer l'onde diffractée d'ordre 1 avec une deuxième onde cohérente dite de référence.En pratique, l'onde d'éclairage et l'onde de référence sont obtenues par séparation d'un faisceau de lumière parallèle monochromatique émis par un laser. les deux faisceaux ainsi obtenus suivent des chemins distincts, pour se rencontrer finalement en un point, où, par suite de leur déphasage, on observe des franges d'interférence dont le pas est fonction de la lon gueur d'onde du laser mais dont la position varie avec le déphasage, c'est-à-dire avec le déplacement e du réseau; comme on l'explicitera ci-après. le schéma de la figure i représente un senseur optique selon l'invention. Un laser I 'émet-un faisceau 10 de rayons sensible- ment parallèles qui est séparé en deux faisceaux Il et 12 par un miroir semi-transparent 2. le faisceau 11 traverse un réseau de diffraction 3 du type transparent. le plan de la figure 1 est un plan de section transversale du réseau 3 : les traits ou fentes de diffraction sont donc perpendiculaires à ce plan. les faisceaux diffractés, engendrés par le faisceau 11, sont repérés 13, 14 et 15 ; ils correspondent respectivement aux rayons diffractés d'ordre 0, 1 et -t. Quant au faisceau 12, il est intercepté par un miroir 4, orienté de# telle manière, que le faisceau réfléchi 16 ait son axe dans le plan de figure et donne après traversée du réseau 3 un faisceau diffracté d'ordre zéro (17) faisant un angle # avec le faisceau 14.On observe, alors, dans un plan 18 perpendiculaire à la bissectrice des axes des faisceaux 14 et 17, des franges de pas B. Dans le plan 18, on dispose la cible de moyens photoélectriques 19 constitués par des cellules photoélectriques dont les dimensions et l'espa- cement seront explicités plus loin. On sait que, si la longueur d'onde du laser est ss , le pas I des franges d'interférence dans le plan 18 est donné en fonction de l'angle " par la formule Deux remarques seront faites au sujet de l'ordre de grandeur du pas des franges d'interférence. la première est que si # n'est pas très petit, L est très petit, de l'ordre du micron (pour un laser en lumière visible). Pour obtenir un pas de quelques millimètres permettant de distinguer facilement les maximums et les minimums à l'aide de cellules photoélectriques, on doit descendre à une fraction de milliradian. La deuxième remarque est que les franges d'interférenco ne doivent pas se confondre avec les franges de diffraction apparaissant dans le plan 18 å l'intersection de celui-ci avec les rayons diffractés-d'ordre 0, 1 , etc... n. En fait, lorsque le pas du réseau de diffraction est de ordre du micron, les angles des rayons diffractés sont importants (supérieurs à 200) ct il-cst facile d'éviter la confusion des diverses franges en plaçant le plan 18 à une distance suffisante du point de traversée du réseau par le faisceau 11. l'angle # étant très petit, on a donc pratiquement A- Si par suite d'une translation dans le plan du réseau, les fentes de diffraction se trouvent déplacées d'une quantité c, les franges se déplacent d'une quantité E. le déphasage du rayon diffracté d'ordre 1 étant proportionnel à la quantité e, on a E =k (6) e où k est une constante que l'on détermine en sachant que pour e = a on a un déplacement des franges correspondant à une période complète, c'est-à-dire à une longueur d'onde soit, dans le plan 18, à une quantité L et l'on a E -# =k (rl) e a d'où l'on tire E e e X a On a tracé, figure 2, la courbe de l'intensité lumineuse I observée le long d'une droite Ox, prise pour axe des abscisses, qui n'est autre que la section du plan 18 par le plan de la figure 1. Cette courbe a l'aspect d'une sinusoïde dont les minimums, tangents à l'axe Ox (I = 0) sont distants d'une longueur égale à L (voir formule 5). En pratique, l'angle # est ajusté à la valeur correspondant à la longueur B désirée dans le plan 18. Si on place en deux points P et Q de la droite Ox des cellules photoélectriques distantes de B/2, l'on enregistre ainsi les intensités lumineuses en deux points en opposition de phase. Si, pour une position donnée du réseau, on a la courbe Co telle que l'intensité soit égale à Io aux points P et Q, on a pour un déplacement e du réseau une courbe Cî décalée de la distance E de la courbe Co. les intensités aux points P et Q deviennent respectivement Iî et I2 et l'on a I2 IO = Io - I1 o - o En mesurant la différence des intensités en P et Q, on aura I I = I2-I1 = 2 (Io- I1) I1, ) On voit que la quantité #I est fonction du déplacement E. Cette quantité est donc utilisable pour servir de signal d'erreur à un système d'asservissement de la position du réseau. Dans une première variante de l'invention, figure -3, on utilise comme faisceau de référence le fais#ceau diffracté d'ordre zéro. le faisceau 17 composé de rayons diffractés d'ordre 1 est réfracté par un prisme 30 pour rencontrer le faisceau 13 provenant de la partie non déviée du faisceau tO. On obtient des franges d'interférence dans un plan 18 où lton dispose la cible de moyens photoélectriques 19. le prisme 30 peut être remplacé par un miroir, la diffraction étant alors remplacée- par une réflexion. On peut aussi entre le plan 18 et les moyens photoélectriques disposer un système optique grossissant de façon à obtenir des franges de pas relativement grand. Dans une deuxième variante de l'invention, figure 4, on dispose devant la surface sensible 410 d'une cellule 41, un masque 40 pourvu de fentes 401 parallèles aux franges. le pas des fentes et leur largeur sont égaux entre eux et égaux au pas l'des franges.# Lors du déplacement de celles-ci, on observe- pour le courant recueilli une suite de maximum et de minimum, . Pour distinguer le sens du déplacement, on utilise deux cellules dont les masques sont décalés, par exemple d'un quart de pas. On a représenté en coupe, figure 5, un premier exemple de réalisation d'un système de guidage comportant un senseur optique selon l'invention. Ce système est appliqué à une tete de lecture lisant optiquement un disque 5 reposant sur un plateau;301 entrainé par un moteur~60 fixé par un socle 601 à un bâti 602. Ce bati est fixe et sert de chemin de roulement à un bâti 35 mobile, portant les organes de lecture à ltexception du LASER. La bati-35 supporte un bâti 36 pouvant coulisser par rapport à lui avec une faible amplitude sous l'action d'un-transistor 62 reliant deux parois 351 et 361 respectivement solidaires des baAtis -35 et 36. Ce transducteur est commandé par le senseur optique décrit-ci-aprèss Un laser 1 envoie un faisceau 10 de rayons parallèles et monochromatiques qui est séparé par un miroir semi-transparent 2 en deux fais#ceaux 21 et 50. le .faisceau 21 est réfléchi par un miroir 31 puis focalisé sur le disque.3 après avoir traversé doux lentilles successives 32 et 33.Après traversée du disque 3, on observe un faisceau 22 de faible ouverture si la diffraction n'a pas joué (cas du disque lisse > - et un faisceau 23 de grande ouverture dans le cas contraire (en raison de la présence de traces d'enregistrement au point de focalisation). Un ensemble 34 de moyens photoélectriques est disposé do telle sorte qutun signal de lecture soit émis, dans le cas où la lumière émerge du disque 3 sous la forme du faisceau 23 de grande ouverture et qu'aucun signal ne soit fais dans le cas contraire. le faisceau 50 est réfléchi par un miroir 51 suivant un faisceau 52 et par un miroir 53 suivant un faisceau 54 dont une partie est diffractée suivant un faisceau 57 (diffraction d'ordre 1 ou -1). Grâce à un miroir 55, les faisceaux 56 et 57 se superposent dans le plan d'un dispositif photeélectrique 19. On a représenté schématiquement un amplificateur 621 qui élabore à partir d'un signal d'entrée provenant#du dispositif 19, un signal de sortie qui agit sur le transducteur 62, lequel est par exemple un empilage de disques de céramique piézo-électrique ou un bilame piézo-électrique. les points de traversée du disque 3 par le faisceau de lecture et par le faisceau 54 ont été représentés figure 5, sur un meme rayon du disque 3 et se trouvent par conséquent sur des spires différentes, ce qui peut être un inconvénient. Pour y suppléer, on peut orienter le bati 36 par rapport au bati 35 de telle sorte que les points de traversée soient situés perpendiculairement au rayon et, par conséquent, intéressent les mêmes spires. On a représenté, figure 6, un deuxième exemple do réalisation du système de guidage, dans lequel la fraction de lumière diffractée parle disque est obtenue par réflexion. la réalisation, dans ce cas, comporte de nombreux éléments identiques à ceux du cas précédent : ils sont identifiés par les mêmes repères. Dans le bati 36, le miroir 56 est remplacé par une lame semi-réfléchis- sante 61 orientée de façon#différente. Ici, le faisceau réfléchi 62 est obtenu par réflexion du faisceau 50 sur la lame 61. le faisceau 63, provenant de la traversée de cette lame par le faisceau 50 est diffracté par réflexion suivant un faisceau 64 qui vient se superposer au faisceau 62 sur le dispositif 19. le reste de la réalisation est identique à celle de la figure 5. L'invention est donc applicable au cas de la lecture optique par réflexion. REVENDI C JLT 10 #S 1. Senseur optique de déplacement dans son plan d'un réseau de diffraction à pas constant, ledit senseur comprenant des moyens d'éclairement fournissant des rayons parallèles de lumière monochromatique cohérente et des moyens photo électriques, caractérisé en ce que lesdits moyens photoélectriques reçoivent sélectivement un éclairement constitué par des franges d'inter féroce résultant de la superposition d'une première fraction desdits rayons diffractés par ledit réseau et d'un faisceau de référence constitué par une deuxième fraction desdits rayons n'ayant subi aucune déviation par diffraction, des portions es pacées dudit éclairement étant captées sélectivement par lesdits moyens photoélectriques avec un pas égal au pas ou au demi-pas desdites franges d'interférence. 2. Senseur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ladite première fraction des rayons est constituée par le faisceau d'ordre 1 ou- -1. 3. Senseur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ladite première fraction des rayons est diffractée par transmission à travers ledit réseau. 4. Senseur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ladite première fraction des rayons est diffractée par réflexion sur ledit réseau 5. Senseur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit faisceau de référence est le faisceau non dévié, dit dlor- dre zéro et qu'un système optique réalise la superposition dudit faisceau avec ladite première fraction de lumière dans un plan prédéterminé colncidant avec celui desdits moyens photoélcctri- ques. 6. Senseur suivant la revendication 1, caractérisé on ce que entre ledit réseau et lesdits moyens photo électriques- et dans le plan de ces' derniers est intercalé un masque comportant des fentes de largeur égale au-demi-pas desdites franges, l'intcr valle entre deux fentes étant égal à un demi-pas. 7. Système de guidage d'une tête lisant optiquement un support d'information à pistes diffractantes équidistantes, crac~ térisé en ce qu'il comporte un senseur optique suivant l'une des revendications 1, 2, 3, 4, 5 et 6. 8. Système suivant la revendication 7, caractérisé en ce que ladite tête et lesdits moyens photoélectriques forment un ensemble solidaire, la position dudit ensemble étant assujettie à celle desdites pistes au moyen d'un dispositif d'asservissement actionné par un signal d'erreur provenant desdits moyens photoélectriques. 9.- Système suivant la revendication 8, caractérisé en ce que lesdits moyens d'éclairement comprennent un LASER dont le faisceau est divisé par un séparateur en un premier faisceau capté par ladite tête et en un deuxième faisceau envoyé sur les- dits moyens photoélectriques par transmission à travers ledit support, ledit faisceau de référence étant le faisceau diffracté d'ordre zéro et un miroir assurant la superposition dudit deuxième faisceau et dudit faisceau de référence. 10, Système suivant la revendication 8, caractérisé en ce que lesdits moyens d'éclairement comprennent un lASER dont le faisceau es#t divisé par un premier séparateur en un premier faisceau capté par ladite tête et en# un deuxième faisceau divisé par un deuxième séparateur en un faisceau de référence envoyé sur lesdits moyens photoélectriMues et en un troisième faisceau dont une fraction diffractée par réflexion sur ledit-support est -reçue -par le-sdits moyens photoélectriques.