Brevet FR2575838A1 — publié le 19860711

L'invention concerne un objectif à distance focale variable, et plus particulièrement un perfection- nement apporté à un objectif dont la distance focale peut être modifiée à grande vitesse en réponse à un signal électrique. On fait varier la distance focale d'un sys- tème d'objectif optique classique à distance focale variable, appelé "zoom", en déplaçant plusieurs groupes de lentilles constitués chacun de plusieurs lentilles simples, de façon à modifier les distances entre les groupes de lentilles. Cependant, dans un tel objectif, il faut un mécanisme pour déplacer les groupes de lentil- les. L'objectif classique ne réalise pas de façon assez satisfaisante la variation rapide de la distance focale, le faible encombrement et l'exigence de faible coflt souhaités. Il est apparu une demande portant sur un objectif nouveau et perfectionné présentant de meilleures performances. Les objectifs à distance focale variable qui résolvent les problèmes ci-dessus et éliminent prati- quement les pièces mobiles sont proposés dans les deman- des de brevets japonais N 157213/1982, 118618/1983 et 10224/1985, et dans le brevet des Etats-Unis d'Améri- que N 3 520 592. Le brevet N 3 520 592 et la demande 10224/1985 précités décrivent des objectifs à distance focale variable simples qui atteignent une grande vitesse de fonctionnement. En particulier, un tel objectif à distance focale variable comporte une lentille à l'état solide à anisotropie optique, et des moyens destinés à modifier la direction de polarisation de la lumière incidente sur la lentille. La figure 1 des dessins annexés et décrits ci-après est une vue schématique d'un objectif à distance focale variable proposé dans la demande N 10224/1985 précitée. En référence à la figure 1, l'objectif à distance focale variable comporte une lame polarisante 1, un élément 2 de rotation du plan de polarisation, une lentille biréfringente 3, une source 4 d'énergie et un interrupteur 5. L'élément 2 de rotation du plan de polarisa- tion fait tourner le plan de polarisation de la lumière transmise à travers la lame polarisante 1 sous l'effet de l'application d'un champ électrique. Par exemple, l'élément 2 est préparé par formation d'électrodes trans- parentes sur les deux surfaces principales d'une lame de KH2PO4 monocristallin à coupe Z. La lentille biréfringente 3 est formée de façon que son axe optique (désigné ci-après axe Z) du cristal soit perpendiculaire à l'axe principal de la lentille et parallèle à la surface du dessin de la figure 1. L'indice de réfraction de la lentille biréfringente 3, suivant une direction de polarisation perpendiculaire à l'axe principal de la lentille et parallèle à la sur- face du dessin, est donné comme étant un indice de réfrac- tion normal nO des rayons, et son indice de réfraction suivant une direction de polarisation perpendiculaire à l'axe principal de la lentille et à la surface du dessin est donné comme étant un indice de réfraction extraordinaire ne des rayons. Plus particulièrement, en référence à la figure 1, la lumière polarisée linéairement par la lame polarisante 1 arrive sur la lentille biréfringente 3 sans changement de la direction de polarisation lorsque l'interrupteur 5 est ouvert. La lumière passant à travers la lentille biréfringente 3 est réfractée à l'indice nO et donc possède une distance focale fl. Dans ce cas, la lumière transmise possède la même direction de polari- sation que la lumière incidente, c'est-à-dire une direc- tion parallèle à la surface du dessin. Cependant, lorsque l'interrupteur 5 est fermé, l'élément 2 de rotation du plan de polarisation polarise la lumière de façon circulaire sur 90 C, c'est-à-dire dans une direction perpendiculaire à la surface du dessin. La lumière pas- sant à travers la lentille biréfringente 3 possède donc une distance focale f2 déterminée par l'indice de réfraction ne. L'objectif classique à distance focale varia- ble, conçu pour modifier la direction de polarisation de la lumière, présente l'avantage de pouvoir modifier la distance focale dans un large intervalle. La figure 2 est une vue schématique d'un appareil classique de lecture optique d'information, qui adopte un objectif à distance focale variable. L'appa- reil de la figure 2 comporte un objectif 8 à distance focale variable. Le faisceau laser provenant d'un laser 6 à semiconducteur est focalisé sur une plaque 12 d'enre- gistrement optique d'information à travers une lentille 7 de collimation, un objectif 8 à distance focale varia- ble, un diviseur optique polarisé 9, une lame 1/4 d'onde et une lentille 11 de focalisation. Le faisceau réflé- chi par la plaque 12 d'enregistrement optique d'informa- tion atteint le diviseur optique polarisé 9 en passant de nouveau à travers la lentille 11 de focalisation et la lame 1/4 d'onde 10. Le faisceau réfléchi arrivant sur le diviseur optique polarisé ou séparateur de faisceaux 9 passe deux fois à travers la lame 1/4 d'onde 10, à l'aller et au retour. La polarisation passe de la direction de polarisation du faisceau arrivant au diviseur optique polarisé à une direction perpendiculaire à la précédente. Le faisceau réfléchi est donc réfléchi par un film multi- couche formé suivant une diagonale du diviseur polarisé 9. Le faisceau deux fois réfléchi est focalisé sur un photodétecteur 14 par l'intermédiaire d'une lentille 13 de détection. Le photodétecteur 14 convertit le fais- ceau laser en un courant électrique dépendant de l'inten- sité du faisceau. Le signal de courant analogique est converti par un processeur 15 de données en données numériques. Dans l'appareil classique de lecture optique de données tel que décrit ci-dessus, la direction du faisceau polarisé linéairement arrivant sur le sépara- teur polarisé 9 de faisceaux doit toujours être cons- tante. Cependant, lorsque l'appareil adopte l'objec- tif classique à distance focale variable, montré sur la figure 1, la direction de sortie du faisceau polarisé linéairement change à chaque fois que la distance focale est modifiée. En conséquence, la direction du faisceau polarisé linéairement, arrivant sur le diviseur optique polarisé 9, ne peut pas toujours être maintenue constante. Dans un appareil classique utilisant un faisceau polarisé linéairement tel qu'un faisceau laser et dont un exemple non limitatif est donné par l'appareil de lecture optique de données, au moins un élément opti- que associé au plan de polarisation, tel qu'une lame 1/4 d'onde ou un diviseur optique polarisé, doit souvent être utilisé en tenant compte des spécifications et de la configuration de l'appareil. Dans un objectif classique à distance focale variable, on peut sélection- ner à grande vitesse une distance focale souhaitée. Cependant, un tel objectif n'est pas compatible avec tous les autres appareils optiques. L'invention a été conçue en tenant compte de la situation décrite cidessus et elle a pour objet d'offrir un objectif à distance focale variable dans lequel une commutation entre au moins deux -directions de polarisation peut être effectuée à une distance focale égale, et un faisceau lumineux ayant une direction de polarisation prédéterminée peut toujours être produit. Pour réaliser l'objet ci-dessus de l'inven- tion, il est proposé un objectif à distance focale varia- ble qui comporte un élément optique présentant des carac- téristiques de réfraction sensiblement différentes sui- vant les caractéristiques de polarisation du faisceau lumineux incident, des premiers moyens optiques destinés à commander les caractéristiques de polarisation du faisceau lumineux arrivant sur l'élément optique, et des seconds moyens optiques destinés à commander les caractéristiques de polarisation du faisceau lumineux soumis à une réfraction souhaitée par l'élément optique, conformément aux caractéristiques de polarisation déter- minées par les premiers moyens optiques. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nulle- ment limitatifs et sur lesquels: la figure 1 est une vue schématique d'un objectif classique à distance focale variable; la figure 2 est une vue schématique d'un appareil de lecture optique de données utilisant un objectif à distance focale variable; et les figures 3 et 4 sont des vues schématiques de première et seconde formes de réalisation de l'inven- tion d'objectifs à distance focale variable. La figure 3 est une vue schématique d'une première forme de réalisation d'un objectif à distance focale variable conforme à l'invention. En référence à la figure 3, l'objectif à distance focale variable comporte une lame polarisante 1, des éléments 21 et 22 de rotation du plan de polarisa- tion, une lentille biréfringente 3, des sources d'énergie 41 et 42 et des interrupteurs 51 et 52. L'agencement de l'objectif à distance focale variable de la première forme de réalisation est sensiblement le même que celui de l'objectif classique, sauf qu'il est ajouté, derrière la lentille biréfringente 3, un autre dispositif de rotation du plan de polarisation comprenant l'élément 22 de rotation du plan de polarisation, la source d'éner- gie 42 et l'interrupteur 52. Le procédé pour faire varier la distance focale de la première forme de réalisation est le même que celui utilisé dans l'appareil classique. Dans la première forme de réalisation, la polarisation d'un faisceau de sortie peut suivre une direction prédéter- minée. Par exemple, pour aligner la direction de polari- sation du faisceau de sortie avec celle du faisceau incident (c'est-àdire une direction parallèle à la surface du dessin de la figure 3), lorsque l'interrupteur 51 est ouvert, la direction de la lumière polarisée provenant de la lentille biréfringente 3 est parallèle à la surface du dessin et le faisceau passant à travers l'élément 22 de rotation du plan de polarisation est maintenu parallèle à la surface du dessin lorsque l'inter- rupteur 52 est également ouvert. Cependant, lorsque l'interrupteur 51 est fermé, la direction de polarisation du faisceau de sortie de la lentille biréfringente 3 est perpendiculaire à la surface du dessin. Dans ce cas, lorsque l'interrupteur 52 est également fermé, le faisceau polarisé sortant de l'élément 22 de rotation du plan de polarisation est tourné de 90 . En conséquence, la direction de polarisation du faisceau de sortie est la même que celle de la lumière -incidente, c'est-à- dire une direction parallèle à la surface du dessin. Par conséquent, même si la distance focale est modifiée de fl à f2, la direction de polarisation est maintenue constante. Lorsque l'objectif à distance focale variable montré sur la figure 3 est utilisé en tant qu'objectif 8 de commande de la position de focalisation du faisceau dans l'appareil de lecture optique de données de la figure 2, la direction finale de polarisation est mainte- nue constante même lorsque la direction de polarisation est modifiée pour régler la position de focalisation, ce qui permet d'obtenir les fonctions souhaitées. La direction de polarisation du diviseur optique polarisé 9 est maintenue identique à celle du faisceau laser. Lorsque l'objectif à distance focale variable de cette forme de réalisation est utilisé dans l'appa- reil de lecture optique décrit précédemment ou dans un autre système optique, les éléments 21 et 22 de rota- tion du plan de polarisation montrés sur la figure 3 sont couplés l'un à l'autre afin que l'on obtienne une direction souhaitée de polarisation convenant à une application donnée. En référence A la figure 2, un pro- gramme pour la commande des interrupteurs 51 et 52 de com- mutation des éléments 21 et 22 de rotation du plan de polarisation est chargé dans l'unité 15 de traitement de données (comprenant une unité centrale de traitement) afin d'établir une direction de polarisation compatible avec celle du faisceau arrivant au diviseur optique polarisé 9. Ce logiciel peut également être appliqué à un objectif à distance focale variable constituant une seconde forme de réalisation de l'invention (décrite ci-après). Dans la première forme de réalisation de l'objectif à distance focale variable de l'invention, les caractéristiques de polarisation du faisceau peuvent être modifiées arbitrairement en fonction des caractéris- tiques de l'appareil ou du système optique utilisé et, par exemple, d'un objet à photographier. L'objectif à distance focale variable convient efficacement à un système optique comportant le diviseur optique polarisé mentionné ci-dessus. La figure 4 est une vue schématique d'une seconde forme de réalisation de l'objectif à distance focale variable selon l'invention. En référence à la figure 4, un objectif à distance focale variable comporte une lame polarisante 1, des éléments 21, 22,..., 2n, 2n+1 de rotation du plan de polarisation, des lentilles biréfringentes 31' 32' 3n ayant des rayons de courbure différents; des sources d'énergie 41, 42'... 4n, 4n+1; et des interrupteurs 51' R2., 5n, 5n+1. N lentilles alternent avec (n+l) éléments de rotation du plan de polarisation, lentilles biréfrin- gentes, sources d'énergie et interrupteurs, comme montré sur la figure 4. Dans cette forme de réalisation, une commuta- tion sélective des interrupteurs 51' 52...5n permet d'établir des foyers distincts F1, F2,... FN (o N = 2n). De plus, lorsque l'interrupteur 5n+1 associé au n+ i dernier élément 2n+1 de rotation du plan de polarisation est ouvert/fermé de la même manière que dans la première forme de réalisation, la direction de polarisation du faisceau de sortie peut être prédéterminée de la même manière que dans la première forme de réalisation. Des combinaisons de manoeuvres de fermeture/ ouverture des interrupteurs 51, 52. 5n et 5n+1 sont commandées par un dispositif de commande (non représenté) comprenant un micro-ordinateur, dans une application pratique. L'une, souhaitée, des distances focales fl, f2,... fN peut être choisie en utilisant un faisceau ayant une direction de polarisation prédéterminée. La présente invention n'est pas limitée aux formes particulières de réalisation décrites ci- dessus. Diverses modifications peuvent être apportées sans sortir du cadre de l'invention. Par exemple, la direction de polarisation du faisceau de sortie peut être différente de celle du faisceau incident. L'élément de rotation du plan de polarisation modifie la direction de polarisation lorsqu'un champ électrique lui est appliqué. Cependant, cet élément de rotation du plan peut être constitué par un élément utilisant une lame de compensation de phase, un élément destiné à faire tourner la direction de polarisation par biréfringence en utilisant une charge mécanique avec un effet optique élastique, ou un élément tel qu'un isolateur à effet de Faraday destiné à faire tourner la direction de polarisation en utilisant l'effet magné- tique de Faraday. L'axe optique de la lentille biréfringente et sa forme ne sont pas limitées à celles des formes de réalisation décrites précédemment. Dans les formes de réalisation précédentes, la lentille biréfringente est indiquée à titre d'exemple comme étant un élément optique conçu pour faire varier sensiblement les caractéristiques de réfraction en fonc- tion des caractéristiques de polarisation du faisceau incident. Cependant, une lentille à cristal liquide, conçue pour orienter des molécules de cristal dans une direction quelconque choisie, peut être utilisée à la place de la lentille biréfringente. De plus, on peut utiliser tout élément optique pourvu qu'il possède les caractéristiques mentionnées précédemment. Dans les formes de réalisation précédentes, la lame polarisante 1 est utilisée pour l'obtention du faisceau polarisé linéairement. Cependant, lorsqu'un faisceau laser polarisé sensiblement linéairement est utilisé, la lame polarisante 1 peut être supprimée. Dans l'objectif à distance focale variable conforme à l'invention, tel que décrit ci-dessus, bien que la distance focale soit modifiée par changement de la direction de polarisation du faisceau, la direction de polarisation du faisceau de sortie peut être prédéter- minée. L'objectif à distance focale variable peut être convenablement utilisé dans l'appareil de lecture optique de données de la figure 2 et il peut également être appliqué à des systèmes de captage optique (par exemple un disque optique), à un appareil de détection de posi- tion utilisant le principe de la mise au point automati- que, et à des systèmes optiques utilisant divers types de faisceaux polarisés. Lorsque l'objectif à distance focale variable est utilisé dans un système optique particulier, il peut être placé dans toute position n'affectant pas la fonction de l'appareil. Les éléments de rotation du plan de polarisation, les lentilles biréfringentes et/ou les premiers et seconds moyens optiques ne doivent pas nécessairement être agencés à proximité immédiate les uns des autres. REVENDICATIONS 1. Objectif à distance focale variable, caractérisé en ce qu'il comporte un élément optique (3) présentant des caractéristiques de réfraction sensi- blement différentes selon les caractéristiques de polari- sation d'un faisceau lumineux incident, des premiers moyens optiques (21) destinés à établir les caractéris- tiques de polarisation du faisceau arrivant sur l'élément optique, et des seconds moyens optiques (22) destinés à établir les caractéristiques de polarisation de la lumière soumise à une réfraction prédéterminée par ledit élément optique, les seconds moyens optiques étant couplés aux premiers moyens optiques. 2. Objectif selon la revendication 1, carac- térisé en ce que l'élément optique comprend une lentille biréfringente (3). 3. Objectif selon la revendication 1, carac- térisé en ce que les premiers et seconds moyens optiques comprennent des éléments (21, 22) de rotation du plan de polarisation, qui comportent chacun un cristal photo- électrique dont un axe optique est dirigé suivant une direction prédéterminée par rapport à un axe optique de l'objectif, deux électrodes formées sur deux surfaces opposées du cristal photo-électrique, et des moyens d'application d'une tension aux deux électrodes. 4. Objectif à distance focale variable, caractérisé en ce qu'il comporte des éléments optiques (31, 32'... 3n) ayant chacun,des caractéristiques de réfraction sensiblement différentes suivant les carac- téristiques de polarisation d'un faisceau lumineux inci- dent, les éléments optiques étant alignés sur un axe optique de l'objectif, des premiers moyens optiques (2) alignés, respectivement, sur les éléments optiques afin de déterminer les caractéristiques de polarisation des faisceaux arrivant sur les éléments optiques, et des seconds moyens optiques (2) agencés à la sortie du faisceau, du côté de celui qui, des éléments optiques, est le plus éloigné d'une source (6) de lumière, afin de déterminer les caractéristiques de polarisation des faisceaux de sortie des éléments optiques, les seconds moyens optiques étant couplés aux premiers moyens opti- ques. 5. Objectif à distance focale variable, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un élément optique (3) ayant des caractéristiques de réfraction sensiblement différentes suivant les caractéristiques de polarisation d'un faisceau lumineux incident, des premiers moyens optiques (2) agencés de façon à corres- pondre auxdits éléments optiques et A déterminer les caractéristiques de polarisation du faisceau arrivant sur l'élément optique, des seconds moyens optiques (2) agencés à la sortie du faisceau, du côté de celui qui, des éléments optiques, est le plus éloigné d'une source (6) de lumière, afin de déterminer les caractéristiques de polarisation du faisceau sortant du ou des éléments optiques, un diviseur optique polarisé (9) destiné à transmettre le faisceau avec un plan de polarisation déterminé par les seconds moyens optiques, le' diviseur optique polarisé étant agencé entre les seconds moyens optiques et une surface de rayonnement du faisceau, et une lame 1/4 d'onde (10) destinée à convertir un faisceau polarisé linéairement de façon prédéterminée, produit par ledit diviseur optique polarisé, en un fais- ceau polarisé circulairement.