Brevet FR2335861A1 — publié le 19770715

La présente invention se rapporte aux dispositifs de focalisation qui permettent de focaliser un faisceau d'énergie rayonnée sur la surface d'un objet dont l'éloignement par rapport audit dispositif peut varier d'une faible quantité avec une très grande vitesse. Un tel dispositif trouve une application dans la réalisation d'un lecteur optique destiné à lire par exemple l'information vidéo enregistrée sgus la forme de traits de longueur et d'espacement variables formant une piste sur la surface d'un support tel qu'un disque. En raison de la haute densité d'information ainsi enregistrée, les éléments caractéristiques de l'information sont très petits et il est de plus nécessaire de faire défiler à grande vitesse le support devant la tête de lecture qui comporte un tel dispositif de focalisation. La précision de cette focalisation doit donc etre très grande pour obtenir un spot de lecture de dimensions suffisamment faibles afin de résoudre ces éléments caractéristiques. Or, les instabilités du mouvement du support, en particulier suivant l'axe du faisceau de lecture convergent définissant le point de lecture, excédent largement les limites de cette précision.On est donc amené à utiliser des organes d'asservissement de la position du point de convergence permuttant d'obtenir une bonne coïncidence en dépit de ces instabilités. Cessorganes d'asservissement comportent des moyens permettant de déplacer le point de focalisation du faisceau de lecture le long de l'axe du dispositif de focalisation. Un moyen connu consiste à déplacer la lentille frontale du dispositif, par exemple en la munissant d'un enroulement électrique plongé dans un champ magnétique et qui agit à la manière d'une bobine de haut-parleur. En raison de l'inertie des pièces mobiles ce système présente une réponse en fréquence limitée à quelques centaines de Hertz, et de plus cette lentille frontale risque de heurter le disque lors de ses déplacements. Un autre moyen consiste à introduire dans le système optique un élément à vergence variable tel qu'un miroir à courbure contrôlable (demande de Brevet français NO 75.11 312) ou une lentille de cristal liquide dont l'indice est modifiable dans certaines conditions (demande de Brevet français NO 75.27 008). Un tel miroir est fragile et une telle lentilledélicate à construire. L'objet de l?invention consiste à utiliser une lentille simple, unique et mobile définissant à partir d'une source primaire d'énergie rayonnée, un point mobile d'énergie rayonnée formant une source secondaire d'énergie rayonnée et dont les autres éléments du dispositif de focalisation forment une image au point désiré. D'autres particularités et avantages de l'invention apparat- tront clairement dans la description suivante présentée à titre d'exemple non limitatif et faite en regard de la figure unique annexée qui représente une vue en coupe d'un tel dispositif de focalisation. Ce dispositif comprend une source lumineuse 101,3 lentilles 102 à 104, 2 miroirs 105 et 106, un objectif de projection 107, un moteur 108, un détecteur 109,et un boitier de commande 110. Il permet de focaliser un faisceau lumineux sur la surface d'un vidéo-disque 111 mis en rotation autour d'un axe X1, X2. La source lumineuse primaire 101, un laser par exemple, émet un faisceau lumineux parallèle et monochromatique, limité sur la figure par les rayons extrêmes R1 et R2, d'axe X3 X4 parallèle au plan du disque 111 et sécant de l'axe X1 X2 Un tel faisceau est généralement étroit et présente typiquement une section circulaire d!un diamètre de 1 mm. Ce faisceau traverse le miroir semi-transparent 105 et est collecté par la lentille simple unique 102 qui est centrée sur l'axe X3- X4 et est mobile parallèlement à cet axe dans la direction D,.Pour cela cette lentille est-fixée au moteur 108 qui la meut dans cette direction. Il n'est pas nécessaire que cette lentille soit sensiblement plus grande que la section du faisceau lumineux qu'elle reçoit et elle peut donc etre très petite, ce qui permet d'utiliser pour la partie mobile du moteur 108 qui supporte cette lentille une pièce elle#meAme très petite. Le faisceau lumineux est focalisé par la lentille 102 en un point P1 de l'axe X3X4 . Ce point est donc mobile sur cet axe et 34 son mouvement reproduit celui de la lentille 102; il constitue une source lumineuse secondaire pour les autres éléments du circuit. Ce point Pî doit avoir des dimensions aussi faibles que possible, ce qui amène à remplir deux conditions - La première de ces conditions consiste à corriger au mieux la lentille 102. Comme le faisceau incident est parallèle et monochromatique, le point Pî se trouve toujours au foyer principal unique de la lentille 102. On pourra donc utiliser une lentille mince unique, taillée de manière à corriger l'aberration sphérique pour ce foyer, cette aberration intervenant seule dans ce cas. la simplicité de cette lentille, conjuguée avec ses faibles dimensions vues plus haut, permet d'obtenir un ensemble mobile derès faible poids. En utilisant pour le moteur 108 par exemple un mo- teur électrodynamique de type de celui équipant les hauts parleurs, on obtient un ensemble mobile composé de la lentille 102, d'une bobine motrice et d'un diaphragme de centrage, dont le pois est d'environ 1 g. - La deuxième de ces conditions consiste à avoir une ouverture numérique de la lentille 102 maximale pour minimiser l'influence de la diffraction. Une ouverture numérique d'environ 0,4, correspondant à unedistance focale sensiblement égale au diamètre, donc de l'ordre de 1 mm., peut être facilement obtenue et donne de bons résultats I1 sera bien entendu nécessaire de garder cette ouverture numérique dans la suite du trajet optique, ce qui impose, comme nous le verrons, certaines conditions sur le dimensionnement des autres éléments optiques du dispositif. La lentille de champ 103 reprend le faisceau lumineux incident qui provient en divergeant du point P1 et le transforme en un faisceau moins divergent, ce qui est nécessaire car en raison de l'ou -verture numérique choisie cefaisceau déborderait rapidement dans son trajet du champ des autres composants optiques et on perdrait justement ainsi le bénéfice de cette ouverture. Cette lentille peut, elle aussi, être très simple et uniquement corrigée contre l'aberration de sphéricité puisque le point P1 reste constamment sur son axe. Le miroir mobile 106 réfléchit le faisceau vers le bas dans la direction de l'axe X5 X6, cet axe étant parallèle à l'axe X1 X2 et sécantde l'axe X3X4. Ce miroir est mobile autour d'un axe passant par l'intersection des axes X3 X4 et X5 X6 et perpendiculaire au plan défini par ces deux axes. On peut ainsi corriger le louvoiement radial de la piste dû, en particulier, aux erreurs d'excentrement du disque et maintenir sur la piste le point de focalisation P2 du faisceau donné par l'objectif de projection 107. Dans ces conditions l'axe du faisceau réfléchi par le miroir 106 s'écarte notablement de l'axe X5 X6 qui est aussi l'axe de l'objectif 107. C'est la raison pour laquelle cet objectif doit être corrigé suivant un champ relativement étendu pour garder au point de focalisation P2 des dimensions suffisamment petites. On ne peut donc plus utiliser une lentille simple, mais il faut prendre une combinaison complexe de plusieurs lentilles. Corme de plus il est nécessaire de garder une distance suffisante entre le disque 111 et l'objectif 107, la distance focale de cet objectif doit être assez grande et il en est de même de son diamètre puisqu'il est nécessaire de garder l'ouverture numérique initiale. On utilise couramment pour cela un objectif de microscope ayant. une focale de 6 mm. et une ouverture numérique de 0,4. Cet objectif pèse alors plus d'une dizaine de grammes et c'est ce qui limite la réponse en fréquence des systèmes ordinaires où l'on est amené à déplacer ce même objectif pour maintenir la focalisation. Be disque 111 réfléchit le faisceau ainsi reçu qui est alors repris par l'objectif 107 et en vertu du principe du retour inverse de la lumière le faisceau ainsi réfléchi suit le même chemin que le faisceau incident jusqu'au miroir semi-transparent 105 qui le renvoit à 900 vers la lentille 104. Cette lentille 104 est une lentille simple qui fait converger le faisceau en un point P3 sur le détecteur 109. Ce détecteur 109 est un système connu de l'état de l'art, qui délivre un signal d'erreur qui mesure la défocalisation du faisceau réfléchi en P3 et, par conséquent la défocalisation du faisceau incident en P2. le détecteur peut également fournir un signal d'erreur de suivi de piste commandant les moyens permettant de déplacer le miroir 106 suivant D2, et fournir aussi le signal R.F. de lecture du vidés-disque. Il faut remarquer que le faisceau réfléchi ne suit pas exactement le trajet du faisceau incident puisqu'à cause de la correction apportée par le miroir 106 dans son mouvement suivant D2 ce faisceau est incliné par rapport à l'axe S Xs, ce qui étaitdéjà le cas du faisceau incident, et surtout par rapport à l'axe X3 X4. Les lentilles simples 102, 103 et 104 ne permettent donc pas d'assurer une tache de focalisation de dimensions minimales sur le détecteur 109. Mais ceci est sans importance puisqu'il n'y a pas comme sur le disque 111 à éclairer des éléments d'information très petits et que ce détecteur décèle essentiellement les variations de déformation de la tache de focalisation. le signal d'erreur fourni par le détecteur 109 est transmis au boitier de commande 110 qui est un organe connu de l'état de l'art qui permet,à partir de ce signal d'erreur,d'élaborer un signal de commande du moteur 108. Sous l'action de ce signal de commande le moteur 108 déplace la lentille 102 dans la direction D2 et suivant un sens tel que le déplacement du point P1 qui en résulte tende à ramener sur la surface du disque le point et donc à annuler le signal d'erreur, ce qui est d'ailleurs le fonctionnement normal de tout servomécanisme. Ainsi qu'on l'a vu, les dimensions et la masse de l'organe ainsi mis en mouvement peuvent entre très petits. On a ainsi la possibilité de faire mouvoir cet organe très rapidement et de faire suivre par le point P2 des mouvements verticaux du disque bien plus rapides que ceux que l'on corrige habituellement en faisant mouvoir un objectif tel que 107. En mesurant ceci par la réponse sinusoldale de l'asservissement, on a constaté que la fréquence de coupure qui ne dépasse pas 150 Hz lorsque l'on déplace un objectif tel que 107, peut atteindre plusieurs Miz quand on utilise le système selon l'invention. Un moyen de diminuer encore la masse de l'organe mobile consiste à utiliser comme lentille 102 une lentille holographique. On remarque toutefois que le grandissement apporté par le système optique composé de la lentille 103 et de l'objectif 107 influe largement sur la fréquence limite en raison de son influence sur l'amplitude du déplacement. En effet, si le grandissement transversal dû à ce système optique est par exemple G, le grandissement axial sera, suivant un résultat bien connu, donné par G2 et dans ces conditions l'élongation du mouvement de l'organe mobile sera égale àveelle du mouvement vertical du disque multipliée par G2. Ce que lton aura alors gagné sur la masse pourrait être perdu sur l'élongation puisque l'on aura augmenté l'accélération imposéeeà l'organe mobile et que c'est ce paramètre qui intervient pour fier les limites vues plus haut. On est en fait relativement maitre de ce grandissement, puisque si les dimensions de la lentille 102 et de objectif 107 sont déterminees par des questions de fait, comme on l'a vu plus haut, on est beaucoup plus libre de fixer les dimensions de la lentille 103, ce qui permet de jouer sur le grandissement final. Comme toutefois des questions d'encombrement et de construction peuvent limiter les dimensions de cette lentille, on a déterminé par des essais qutun grandissement transversal de 20 permettait encore d'obtenir une fréquence de coupure supérieure à 1000 Hz, une telle limite présentant encore des avantages substantiels par rapport aux dispositifs habituels. REVENDICATIONS 1 - Dispositif de focalisation destiné à focaliser en un point d'un objet un faisceau d'énergie rayonnée émis par une source primaire, caractérisé en ce qu'il comprend une lentille simple unique et mobile permettant de former à partir dudit faisceau un point mobile de dimensions minimales d'énergie rayonnée, ledit point mobile formant une source secondaire d'énergie rayonnée pour des moyens de projection permettant de former sur ledit objet l'image de ladite source secondaire. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de projection sont à vergence fixe. 3 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et .2, caractérisé en ce quesledit faisceau émis par ladite source primaire étant parallèle et monochromatique et arrivant sur ladite lentille parallèlement à son axe, ladite lentille est confectionnée seulement de manière à corriger l'aberration sphérique pour son foyer principal. 4 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lesdits moyens de projection comprennent une lentille de champ permettant de diminuer la divergence du faisceau incident issu de ladite source secondaire, un miroir mobile permettant de défléchir ledit faisceau incident après son passage par ladite lentille de champ, et un objectif de projection permettant de focaliser sur ledit point d'un objet le faisceau ainsi défléchi. 5 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le grandissement transversal desdits moyens de projection est au plus égal à 20. 6 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ladite lentille simple est une lentille holographique. 7 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de mesure per mettant de mesurer la défocalisation dudit faisceau par rapport audit point d'un objet, et des moyens moteurs permettant de déplacer ladite lentille pour annuler ladite défocalisation; lesdits moyens moteurs fonctionnant sous la commande d'un signal d'erreur émis par lesdits moyens de mesure. 8 - Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que, ledit point d'un objet étant réfléchissant et renvoyant un faisceau réfléchi qui retraverse ledit dispositif en sens inverse dudit faisceau incident, il comprend en outre des moyens situés entre ladite source et ladite lentille, simple permettant de séparer ledit faisceau réfléchi dudit faisceau incident et de diriger ledit faisceau réfléchi sur lesdits moyens de mesure. 9 - Lecteur optique destiné à lire une information enregistrée sur un support mis en mouvement, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de focalisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 10 - Vecteur optique selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il est adapté à la lecture des widéo-disques.