Brevet FR2389143A1 — publié le 19781124

La présente invention est relative aux éléments optiques tels que miroirs, lentilles ou analogues. Les éléments optiques connus sont des éléments à distance focale fixe. Ces éléments sont-souvent combinés en vue de réaliser des systèmes à focale variable encombrants, coûteux et d'un prix de revient élevé. L'invention vise à créer un élément optique qui permette de rendre plus simple la réalisation des systèmes à focale variable. Elle a donc pour objet un élément optique, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un bilame dont un constituant au moins est réalisé en un matériau piézo-électrique, des bornes d'alimentation en tension étant fixées respectivement aux constituants du bilame. Suivant une caractéristique particulière de l'invention, l'élément optique défini ci-dessus formant miroir à focale variable, une au moins de ses faces extérieures est réfléchissante. Suivant une autre caractéristique de l'invention, l'élément optique défini ci-dessus constitue une lentille à focale variable D'autres caractéristiques de l'invention apparaitront au cours de la description qui va suivre. Aux dessins annexés donnés uniquement à titred'exelple - la Fig. 1 est une vue schématique en élévation et en coupe d'un premier mode de réalisation d'un miroir suivant l'invention; - les Fig. 2 et 3 sont des vues analogues à celle de la Fig. 1 montrant ledit miroir rendu respectivement concave par application à ses bornes d'une tension d'une polarité déterminée et convexe par application d'une tension de polarité opposée - les Fig. 4 et 5 sont respectivement des coupes schématiques de deux autres modes de réalisation de miroirs - la Fig. 6 est une vue en coupe plus détaillée d'encore un mode de réalisation de miroir suivant l'invention - la Fig. 7 montre le résultat de la mesure inter férométrique de planéité du miroir de la Fig. 6 à l'état de repos ;; - la Fig. 8 montre le résultat du contrôle interféro métrique de la régularité de la cncaTrié du miroir de la Fia. 3 exci ar ar une tension donnée - les Fig. 9 et 10 montrent en perspective un miroir cylindrique a focale variable et - les Fig. 11 et 12 representent respectvement deu variantes de miroirs présentant des zonf a'a:-.rtroi. L'élément représenté à la Fig. 1 comprend un substrat 1 en forme de disque sur lequel est monté un bilame constitué de deux disques 2 et 3 en matériau piézo-électrique reliés entre eux par soudage, par collage ou par un autre moyen approprié. De tels éléments sont notamment décrits dans l'article de J.H. McElroy, P.E. Thompson, H.E. Walker, E.H. Hohnson, D.J. Radecki, et R.S. Reynolds intitule "Laser tuners using circular piezoelectric benders" de la revue Applied Optics, volume 14, N 6 Juin 1975. Le substrat 1 est revêtu sur sa face libre d'une couche 4 de matière réfléchissante. Les disques 2 et 3 du bilame comportent des électrodes5,5a,6 ces électrodes étant destinées à être connectées à une source de tension réglable, non représentée. Lorsqu'une tension d'une première polarité est appliquée aux bornes 5, Sa, 6 de l'élément, celui-ci prend la forme représentée à la Fig. 2. Etant donné que les disques 2, 3 constituant le bilame sont rendus solidaires l'un de l'autre, l'application de la tension aux bornes 5, Sa, 6 engendre dans ces deux disques des forces radiales antagonistes permettant d'obtenir une déformation avec un axe de symétrie confondu avec celui de l'élément. Lorsqu'unie tension d'une polarité opposée est appliquée aux bornes 5, Sa, 6de l'élément, celui-ci prend la forme représentée à la Fig. 3. Les éléments des Fig. 2 et 3 constituent respectivement un miroir concave et un miroir convexe dont la distance focale est fonction de la tension appliquée au bilame. Le miroir des Fig. I à 3 est constitué par un bilame de matériau piézo-électrique monté sur un substrat, mais il est également possible de réaliser des miroirs à foeale variable de construction légèrement différente. Le miroir représenté à la Fig. 4 comprend, comme celui de la Fig. 1, deux disques 7, 8 en matériau piézo-électrique rendus solidaires l'un de l'autre. En revanche, le miroir ne comporte pas de substrat et c'est un des constituants du bilame, le disque 8 par exemple qui porte un revêtement 9 en matière réfléchissante. Le mode de réalisation de la Fig. 5 diffère de celui de la Fig. 4 en ce que le bilame ne comporte qu'un disque 10 de matière piézoPélectrAque lié à un disque il en un matériau ne présentant pas de propriétés piézo-électriques. Le disque il peut par exemple être réalisé en un matériau réfléchissant auquel cas il est inutile de prévoir un revêtement en matière réfléchissante. Le miroir représenté à la Fig. 6 constitue un exemple de réalisation de l'invention. Il s'agit d'un miroir de 40 mm de diamètre. Il comprend un bilame constitué de deux disques en céramique piézo-électrique 12, 13 rendus solidaires l'un de l'autre par une couche intercalaire 14 de faible épaisseur. Les disques 12 et 13 et la couche 14 comportent chacun une borne 15, 16, 17 de connexion à une source de tension continue 18. Sur le disque 13 du bilame est fixée une lame de verre 19. La lame de verre 19 est fixée au disque 13 par une couche de colle 20 et sa face libre est revêtue d'une couche 21 de matière réfléchissante, de ltor par exemple. Le plan de réflexion de la lame de verre 19 a été poli après collage de celle-ci sur la face supérieure de l'ensemble en céramiques piézo-électriques 12, 13 jusqu'à l'obten- tion d'une régularité de surface qui, mesurée au moyen d'un interféromètre dont la source de lumière est un laser à gaz, émettent une lumière dont la longueur d'onde > = 0,6328, est donnée par une valeur inférieure à cette longueur d'onde. Afin d'obtenir une meilleure précision, la planéité du plan de réflexion a été mesurée en formant un coin d'air entre ce plan et le plan étalon de l'interféromètre. Cette manière d'opérer a permis d'obtenir des franges d'égale épaisseur ainsi qu'on peut le voir sur la Fig. 7. La mesure de la planéité consiste à comparer la déformation d'une frange fl à la distance séparant deux franges consécutives. Les mesures faites sur une photographie à laquelle correspond la Fig. 7 ont donné les résultats suivants déformation d'une frange fl : d = 6,5 mm distance entre les franges f et f : D = 9 mm Etat de surface : d 2 = - 1 2 Après avoir obtenu l'état de surface indiqué cidessus pour le miroir de la Fig. 6 auquel aucune tension n'était appliquée, le Demandeur a constaté par voie expérimentale que cet état de surface est conservé lorsque le miroir subit une modification de surface résultant de l'application d'une tension à ses bornes. Le tableau ci-après montre les résultats de mesures relevées après application aux bornes du miroir de la Fig. 6 d'une tension telle que la surface initiale plane 21 de celui-ci se transforme en une surface concave. TABLEAU I V Distance focale Rayon de courbure (volt.) (mètre) (mètre) 0 # # 9 44 14,71 29,41 +300 2,50 5 +400 2 4 +500 1,5 3 Au cours delta déformation, un contrôle de l'étant de surface a été réalisé par comparaison interférométrique du miroir ainsi obtenu avec des calibres convexes étalons. La Fig. 8 reproduit une photographie avant servi à la mesure de l'état de surface du miroir concave obtenu. Lors de cette comparaison interférométrique, il y a formation de franges d'interférence f fermées dont la forme témoigne de la régularité de la surface du miroir concave obtenu. Les mesures ont révélé qu'il y a conservation de la régularité de surface, voisine de 4 8 initialement obtenue. 4 Le tableau Il ci après représente la variation de la distance focale d'un miroir suivant l'invention, de 25 mm de diamètre,dont la surface réfléchissante est réalisée sur une couche de résine moulée sur un bilame en céramiques piézo-électriques, en fonction de la tension appliquée à ses bornes. TABLEAU -Il Distancie focale Rayon de courbure (volt.) (mètre) (mètre) + 1 000 + 0,26 concave 0,52 + 800 + 0,28 concave 0,56 + 600 + 0,32 concave 0,64 + 400 + 0,42 concave 0,84 + 100 + 0,67 concave 1,34 0 - 400 - 0,63 convexe 1,26 - 600 - 0,41 convexe 0,82 - 800 - 0,34 convexe 0,68 - l 000 - 0,28 convexe 0,56 Ce tableau montre l'extrême souplesse du miroir suivant l'invention. Par ailleurs, bien que les tensions appliquées au miroir soient très élevées, l'élément ne consomme pratiquement aucune énergie de sorte que les sources de tension utilisables pour l'alimenter peuvent être des sources comportant des piles de faible puissance. Dans les exemples de miroirs qui viennent d'être décrits, il s'est agi principalement de miroirs à focale variable, sphériques. Le miroir de la Fig. 9 est d'une nature différente. Il est constitué par un bilame en matière piézoélectrique dont les constituants 32 et 33 sont des plaquettes rectangulaires de matière piézo-électrique. La hauteur des plaquettes est inférieure à leur largeur dans un rapport au plus égal à deux tiers. Sur le constituant 33 du bilame est fixée une couche 34 de matière réfléchissante. Des bornes d'alimentation 35, 36 et 37 sont respectivement connectées aux surfaces libres des plaquettes 32 et 33 et à leur surface de jonction qui sont revêtues d'une manière classique, comme d'ailleurs tous les constituants piézoélectriques décrits précédemment, d'une couche de matière conductrice de l'électricité (non représentée). Le miroir de la Fig. 9 est représenté à l'état de repos. Ce même miroir est représenté à la Fig. 10 à l'étant excité. On constate que du fait de la différence entre la largeur et la hauteur du miroir, celui-ci prend à l'état excité, une forme pratiquement cylindrique. Dans l'exemple représenté à la Fig. 10, le miroir prend une forme concave mais en inversant la polarité de la tension appliquée à ses bornes, il peut prendre une forme convexe, mais toujours cylindrique. Ce résultat est dû à la déformation préférentielle du miroir, suivant la plus grande dimension de celui-ci sous l'effet des forces piézo-électriques engendrées dans le bilame. La Fig. 11 représente un miroir présentant une zone d'anisotropie. Ce miroir est constitué par un bilame de matière piézo-électrique formé de deux disques 38, 39 dont les faces sont revêtues d'une couche de matière conductrice. Seule la couche 40 de revêtement du disque 38 est visible sur la Fig. 11. Le miroir comporte en outre des bornes d'alimentation 41, 42, 43 connectées respectivement aux surfaces libres des disques 38 et 39 et à leur surface de jonction. On voit sur la Fig. il que la couche conductrice 40 est uniformément appliquée sur la surface libre du disque 38 à l'exception d'une zone 44 laissée à nu. Cette zone 44 entraine une répartition non uniforme du champ électrique dans la couche 40 lors de l'alimentation du bilame, ce qui provoque l'apparition sur la surface réfléchissante du miroir 53 portée par le disque 39, d'une région d'anisotropie. Dans le mode de réalisation qui vient d'être décrit, la zone 44 non revêtue se trouve sur la surface extérieure libre du disque 38, mais il est également possible de prévoir une telle zone dans la couche de jonction entre les disques. La Fig. 12 montre un miroir à focale variable constitué par un bilame formé de deux disques piézo-électriques 45, 46. Sur ce miroir, la zone d'anisotropie est définie par une région annulaire 47 dépourvue de revêtement conducteur, alors que le reste de la surface du disque 46 est revêtu d'une couche conductrice. Le miroir comporte des bornes d'alimentation 48, 49 et 50 analogues à celles du miroir de la Fig. 11. Cependant, la borne 49 d'alimentation du disque 46 est connectée aux deux régions conductrices 51 et 52 définies par la région annulaire 47. A l'état non excité des miroirs des Fig. il et 12, les surfaces réfléchissantes 53 et 54 de ces miroirs peuvent être soit planes, soit courbes. Les couches de matière conductrice de l'électricité sont généralement constituées par des dorures ou des argentures. Elles peuvent également être constituées de résines conductrices. Les zones d'anisotropie peuvent par ailleurs être obtenues en déposant sur l'une des faces d'un constituant piézo-électrique du bilame une couche de matière conductrice de l'électricité, de conductibilité variable. Bien que dans la présente description, il ait été essentiellement question de miroirs, l'invention s'applique également à des éléments optiques tels que les lentilles, auquel cas les matériaux piézo-électriques utilisés sont des matériaux transparents. On conçoit aisément que l'élément optique suivant l'invention trouve des applications dans les domaines les plus divers et permet d'apporter une simplification considérable dans la construction des systèmes optiques à focale variable. Les éléments optiques qui viennent d'être décrits ont été réalisés en titanate-zirconate de plomb, mais d'autres matières piézo-électriques peuvent également être utilisées pour réaliser des éléments à focale variable. La liste ci-après énumère de façon non limitative les matières piézo-électriques utilisables pour réaliser des éléments optiques suivant l'invention. Pour les miroirs - tit-anates de baryum - titanates de calcium - titanates de stroncium - titanates de tantale. Pour les lentilles - quartz - sel de seignette - nanophosphates de potassium de rubidium de ceasium. REVENDtCATlONS 1. Elément optique, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un bilame dont un constituant (2,3; 7,8; 10,11; 12,13) au moins est réalisé en un matériau piézo-électrique, des bornes d'alimentation en tension (5,6; 15,16) étant fixées respectivement aux constituants du bilame. 2. Elément optique suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les deux constituants (2,3; 7,8; 12,13) du bilame sont réalisés en des matériaux piézo-électriques. 3. Elément optique suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'une au moins des faces extérieures dudit bilame (1; 9; 21) est réfléchissante, l'élément formant ainsi un miroir à focale variable. 4. Elément optique suivant la revendication 3, caractérisé en ce que la surface réfléchissante est la surface libre d'un substrat (1; 19) sur lequel est fixé ledit bilame. 5. Elément optique suivant la revendication 4, caractérisé en ce que ledit substrat (1; 19) est constitué par une lame de verre ou par une couche de résine. 6. Elément optique suivant les revendications 2 et 3 prises ensemble, caractérisé en ce que la surface réfléchissante (9) est constituée par un revêtement en matière réfléchissante recouvrant l'une au moins des surfaces libres du bilame (7,8). 7. Elément optique suivant l'une quelconque des revendications 1 et 3 dans lequel un seul constituant (10) du bilame (10, 11) est réalisé en un matériau piézo-électrique, caractérisé en ce que l'autre constituant (11) est réalisé en un matériau réfléchissant. 8. Elément optique suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les matériaux constituant le bilame sont transparents, le bilame formant une lentille à focale variable. 9. Elément optique suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les matériaux piézo-électriques entrant dans la construction dudit bilame sont des céramiques piézo-électriques. 10. Elémént nptique suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7 et 9, caractérisé en ce que sa surface réfléchissante (1; 9; 21) est plane à l'état non excité dudit bilame (2,3; 7,8; 12,13). 11. Elément optique suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit bilame est constitué à l'état de repos par des plaquettes (32 t 33) de forme rectangulaire, la hauteur et la largeur desdites plaquettes étant dans un rapport au plus égal à 2/3, l'élé"entoptque étant un élément cylindrique lors de l'alimentation du bilame. 12. Elément optique suivant la revendication 10, caractérisé en ce que sa surface réfléchissante présente au moins une zone d'anisotropie définie par au moins une zone (44; 47) d'au moins une surface d'un constituant piézo-électrique dudit bilame (38, 39; 45, 46) dépourvue de la couche conductrice de l'électricité (40; 51, 52) recouvrant le reste de ladite surface. 13. Elément optique suivant la revendication 12, caractérisé en ce que ladite zone (44, 47) est prévue sur la face du bilame opposée à la surface réfléchissante du miroir. 14. Elémént optique suivant l'une quelconque des revendications 12 et 13, caractérisé en ce que ladite zone (47) est constituée par au moins une région annulaire séparant des régions (51, 52) revêtues de ladite couche conductrice de l'électricité, l'électrode d'alimentation (49) correspondante étant connectée auxdites régions revêtues (51, 52). 15. Elément optique suivant l'une quelconque des revendications 10 à 14, caractérisé en ce que la couche conductrice de revêtement de l'une des faces au moins du bilame présente une conductibilité variable.