Brevet FR2596876A1 — publié le 19871009

Dans les systèmes d'exploration optique à balayage, tels que des copieurs xérographiques, il est souvent nécessaire de projeter un réseau de faisceaux de lumière sur un plan image. Pour obtenir la résolution maximale de l'image, 5 il faut que les spots individuels de lumière projetés sur le plan image soient définis selon une disposition dense et pour l'obtention du rapport signal/bruit maximum, il faut que la diaphonie entre les faisceaux de lumière soit commandée de façon précise. Des émetteurs à ouvertures, tels que représentés sur la figure 1 annexée à la présente demande, ont été utilisés dans l'art antérieur pour limiter dans une certaine mesure la diaphonie entre des faisceaux de lumière individuels et pour définir la formeetlesdimensions des spots de lumière obtenus. 15 Malheureusement de simples ouvertures limitent fortement l'intensité du spot de lumière projeté étant donné que la totalité de la lumière incidente en dehors des ouvertures est occultée. On a également utilisé, dans l'art antérieur, des 20 guides de lumière a réflexion totale interne, comme par exemple des tubes formant guides de lumière disponibles auprès de la société dite Collimated Holes, Inc. et représentés sur la figure 2 annexée à la présente demande, pour projeter des réseaux de spots de lumière. Les parois des tubes formant gui25 des de lumière sont réalisées en une matière plastique possédant un indice de réfraction qui est inférieur à l'indice de réfraction des conduits en verre constituant les tubes formant guides de lumière (n1> n2). L'air n'est pas un matériau approprié pour les conduits étant donné que l'indice de réfraction 30 de l'air est égal approximativement à 1 et que l'on ne pourrait pas sélectionner un matériau utilisable pour les parois. L'utilisation de conduits en verre accroît la complexité de fabrication et le coût des tubes formant guides de lumière. Afin de réduire les réflexions au niveau du fond des conduits, 35 les émetteurs sont encapsulés dans du silicone, ce qui accroît encore le coût des tubes formant guides de lumière, tout en en réduisant la fiabilité. Des lentilles en forme de barreaux à indice de réfraction échelonné, telles que les lentilles fabriquées par 5 la société dite Nippon Sheet Glass Company, Ltd, fournissent des spots de lumière possédant une meilleure configuration et de meilleures dimensions. Malheureusement ces lentilles sont très coûteuses et présentent un rendement optique faible par rapport aux tubes formant guides de lumière. L'invention a pour but d'éliminer ces inconvénients. Conformément à la forme de réalisation préférée représentée de la présente invention, un réseau bon marché de guides de lumière réalisant une réflexion interne projette un 15 réseau de spots de lumière définis selon une disposition dense, avec une diaphonie minimale. Les parois des guides de lumière sont opaques du point de vue optique et les surfaces des parois possèdent un indice de réfraction qui est supérieur à l'indice de réfraction des conduits formant les guides (n1 la fiabilité est accrue. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description donnée ci-après prise en référence aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1, dont il a déjà été fait mention, représente un réseau d'émetteurs munis d'ouvertures et qui a été utilisé dans l'art antérieur; - la figure 2, dont il a déjà été fait mention, représente un réseau de.tubes de transmission de Iumière, pour 10 lequel on a n1>n2 et qui a été utilisé dans l'art antérieur; - la figure 3 représente un réseau désiré de propagation de la lumière à partir d'un réseau d'émetteurs; - la figure 4 montre une représentation graphique de la relation entre le pouvoir réfléchissant et l'angle d'in15 cidence; - la figure 5 représente le pouvoir réfléchissant relatif pour deux angles d'incidence différents dans un guide de lumière réalisé conformément à la forme de réalisation préférée de la présente invention et dans laquelle on a n14 - la figure 9 est une vue en plan du réseau repré30 senté sur la figure 6. Ci-après on va donner une description détaillée de la forme de réalisation préférée de l'invention. La figure 1 représente un réseau, utilisé dans l'art antérieur, d'émetteurs comportant des ouvertures et four35 nissant des spots présentant une bonne définition, une mauvai- se performance du point de vue diaphonie et une intensité limitée des spots. La figure 2 montre un réseau de guides de lumière ou de tubes formant guides de lumière à réflexion totale interne, pour lesquels on a n1> n2. La figure 3 représente un schéma optimal de propagation de la lumière. Un substrat 11 supporte des émetteurs 1-7, qui émettent chacun une lumière selon un motif diffus dans un plan source. Etant donné que l'on désire obtenir des spots 21-27 définis selon une disposition dense dans un plan 10 image 29, il faut prévoir certains moyens 31 entre le plan source 9 et le plan image 29 de manière à définir les spots individuels 21-27 et à éliminer la diaphonie entre ces derniers. La figure 4 illustre la relation bien connue en15 tre l'angle d'incidence et le pouvoir réfléchissant, qui est connue sous le nom de loi de la réflexion de Fresnel. Cette loi indique que le pouvoir réfléchissant reste relativement constant lorsque l'angle d'incidence (par rapport à la normale) augmente de zéro jusqu'à l'angle de Brewster. Au-dessus 20 de l'angle de Brewster, le pouvoir réfléchissant augmente rapidement jusqu'à une valeur maximale de 100 % pour 90 . La tangente de l'angle de Brewster est définie par n2/n1, n2 et n1 étant les indices de réfraction pour les deux milieux au niveau de l'interface o se produit la réflexion. La figure 5 représente deux faisceaux de lumière, qui sont réfléchis au niveau d'une interface conduit-paroi, au niveau de laquelle l'indice de réfraction (n1) du conduit est inférieur à l'indice de réfraction (n2) de la paroi. Pour de faibles angles d'incidence par rapport à la normale, une 30 partie importante du faisceau incident est réfractée dans la paroi et seule une partie plus faible du faisceau est réfléchie, comme cela est représenté pour le faisceau inférieur. Pour des angles élevés d'incidence par rapport à la normale, une partie très importante du faisceau est réfléchie et seule 35 une partie plus faible est rétractée dans la paroi, comme ce- la est représenté pour le faisceau supérieur. La figure 6 montre un réseau 41 formé de cinq conduits et comportant des guides de lumière à réflexion interne limitée, conformément à la forme de réalisation préférée de 5 la présente invention. La figure 9 est une vue en plan du réseau 41, sur laquelle on a retiré le plan image 81 pour conserver la clarté du dessin. Comme représenté sur la figure 6, un substrat 43 porte des émetteurs 51-59, qui émettent chacun une lumière dans un plan source 45. Les émetteurs 51-59 peu10 vent comporter n'importe quel type d'élément émettant une lumière, y compris des diodes photoémissives, telles que les diodes LED fabriquées par la société dite Hewlett-Packard Co. sous la dénomination HWFR-0522 et qui émettent une lumière possédant une longueur d'onde de 655 nanomètres. La lumière émi15 se par chacun des émetteurs 51-59 se propage à travers chacun des conduits 61-69 en formant des spots 71-79 définis selon une disposition dense dans un plan image 81. Bien que les spots 71-79 soient représentés comme étant en recouvrement, on peut modifier la définition des spots en modifiant les di20 mensions de ces derniers comme cela est indiqué en référence à la figure 7. Le plan image 81 peut comprendren'importe quelle surface telle qu'une lentille, un écran diffuseur, une surface réfléchissante, un photorécepteur ou une pellicule photosensible. Les parois 91-101 définissent les conduits 61-69 et définissent par conséquent les trajets de propagation des faisceaux de lumière dirigés vers l'espace 71-79. Le choix du matériau des parois et la fabrication des parois en vue de réaliser la définition des conduits est critique au regard de la 30 performance fournie par le réseau 41. Le matériau des parois doit fournir une rigidité mécanique appropriéeet doit également satisfaire aux critères optiques de l'indice de réfraction et de l'absorptivité. L'indice de réfraction (n2) des parois doit être supérieur à l'indice de réfraction (n1) des con35 duits, qui peuvent être remplis par de l'air ou du silicone ou par tout autre matériau permettant unetransmission optique. On peut également modifier la relation entre n1 et n2 de manière à obtenir des paramètres de conception optimum comme cela est décrit en référence à la figure 7. En outre l'absorp5 tivité optique du matériau des parois doit être suffisamment élevée pour que la lumière pénétrant par réfraction dans le matériau des parois soit absorbée pour l'essentiel. L'aluminium est un matériau convenant très bien pour fabriquer le réseau 41. Ce métal est rigide et peut être 10 aisément usiné et possède une absorptivité (X) suffisante pour que l'on puisse conserver une faible épaisseur (d) pour les parois, sans qu'il se produise une diaphonie. En outre, on peut appliquer aisément un revêtement aux surfaces des parois en aluminium, par exemple par immersion, pulvérisation, anodi15 sation ou évaporation, de manière à obtenir l'indice de réfraction de surface (n2) désiré. Par exemple on peut aisément anodiser les surfaces des parois de manière & obtenir une surface en A1203 sur une épaisseur de quelques longueurs d'onde de manière à obtenir un indice de réfraction égal environ à 20 1,8. Sinon, il est possible de fabriquer le réseau en une matière plastique contenant une charge de carbone afin d'accroitre l'absorptivité. Etant donné que la transmission à travers une paroi est liée à la fois à l'épaisseur (d) de cette paroi et à l'absorptivité(C quantité de carbone pour obtenir un niveau désiré de suppression de la diaphonie. La diaphonie obtenue diminue également lorsque le nombre des réflexions dans le conduit voisin augmente. La figure 6 montre également les trajets de propagation d'une lumière diffuse produite par l'émetteur 55. La lumière produite par l'émetteur 55, qui pénètre dans le conduit 65, soit se propage directement à travers le conduit 65, soit rencontre les surfaces des parois 95,97 à une ou plusieurs 35 reprises et est réfléchie le long du conduit 65 en direction du spot 75. Etant donné que les angles d'incidence de n'importe quelle lumière provenant de l'émetteur 55 sur les parois 95,97 sont compris entre l'angle deBrewster et 90 par rapport à la normale, seule une faible partie est réfractée dans 5 les parois 95,97 et la majeure partie de la lumière est réfléchie et par conséquent se propage en direction du spot 75. La lumière délivrée par l'émetteur 55 et se propageant à travers les conduits 65 forme le spot 75 défini de façon serrée sur le plan image 81. Pour la commodité de fabrication il existe un interstice non négligeable entre les extrémités des parois 91101 et le plan source 45, ce qui entraîne qu'une partie de la lumière délivrée par l'émetteur 55 pénètre dans des canaux voisins 61,63, 67 et 69. L'angle d'incidence, par rapport à la nor15 male, de toute lumière provenant de l'émetteur 55 sur les parois de ces autres conduits est inférieur à l'angle de Brewster. Par conséquent une partie substantielle de la lumière est réfractée dans la paroi et est absorbée chaque fois qu'elle rencontre une paroi. Etant donné que de multiples réflexions 20 seraient nécessaires pour la propagation dans ces autres canauxet étantdonné que la quantité de lumière absorbée est nettement supérieure à la quantité de lumière réfléchie chaque fois que la lumière rencontre une paroi, en réalité aucune lumière ne se propage à travers ces autres canaux. Par consé25 quent la diaphonie est réduite au minimum. Comme représenté sur la figure 7, il est possible d'utiliser le réseau 41 (de la figure 6) avec une position inversée du plan image et du plan source de manière à crier un réseau 111 de guides de lumière à réflexion interne limitée, 30 destiné à être utilisé en tant que détecteur. Le plan source 113 contient des émetteurs qui peuvent être constitués par des diodes photo-émissives 121-129. Au contraire, le plan source peut être formé par une source de lumière diffuse comme une feuille réfléchissante d'un photocopieur. Des 35 détecteurs 131-139 peuvent comporter par exemple des photodétecteurs comme par exemple la photodiode HP PIN 582-4200 commercialisée par la société dite Hewlett- : 8 Packard Company. La figure 8 représente différents paramètres de conception, qui sont importants dans la fabrication du réseau 41. Pour avoir une performance optimale, il faut que la rela5 tion 02 40B 04. Sur la base de considérations géométriques simples, cette relation se réduit à: 3a Z, possible. La délimitation du spot 75 dans les limites d'une erreur admissible Ad/2 = ah/2(b+s) peut être obtenue en respectant l'inégalité 03 2 et en imposant que l'on ait (h+b+s). tg 03 = a+d/2. Cette exigence peut se réduire & s=b/2 pour la 20 zone du champ proche, dans laquelle h/(b+s) est faible. Dans la zone du champ lointain, le spot 75 situé dans le plan image 81 est défini par le faisceau primaire (0e 01). Par conséquent on a (h+b+s). tg 01=d/2, de sorte que l'exigence a/(b+s) = d/(b+s+h) est satisfaite. L'étale25 ment du faisceau au niveau du plan image 81 peut être limité en respectant l'inégalité 03 s = h/2, b = h/2 et (h+b+s) = 2h. Dans l'exemple décrit ci-dessus d'un réseau linéai35 re 41, pour une densité d'environ vingt éléments d'image par cm, on a utilisé de l'aluminium anodisé en tant que matériau des parois et des diodes photoémissives modèle AWFR-0522 de la société Hewlett-Packard Company, pour fournir des spots possédant des diamètres de 0,63 cm. Dans cet exemple, l'indice 5 de réfraction n1 des conduits formés par de l'air était égal approximativement à 1 et l'indice de réfraction (n2) des parois était égal à environ 1,8. La distance centre-à-centre (c) des émetteurs était égale à 0,05 cm et l'espacement (s) entre la paroi et le plan source était égal à 0,025 cm. La hauteur 10 (b) des parois était égale à 0,2 cm, la largeur (s) des conduits était égale à 0,038 cm, l'espacement (h) entre le plan image et la paroi était égal à 0,05 cm et l'épaisseur (w) des parois était égale à 0,013 cm. REVENDICATIONS 1. Réseau (41;111) de guides de lumière servant à transmettreune lumière jusqu'à un plan image (81) à partir d'un ou de plusieurs émetteurs (51-59; 121-129) situés dans 5 un plan source (45;25), caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de guides de lumière (91-101) pouvant être positionnés entre le plan source et le plan image, chaque guide de lumière possédant un conduit (61-69) de transmission de la lumière possédant l'indice de réfraction n1 et situé & l'inté10 rieur d'un matériau constituant des parois, dont les surfaces intérieures possèdent un indice de réfraction n2, n2 étant supérieur a n1. 2. Réseau selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau constituant les parois est opaque du 15 point de vue optique. 3. Réseau selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque conduit (61-69) est séparé des autres conduits par au moins une épaisseur de matériau constituant les parois, et que chaque conduit peut être aligné longitudinale20 ment avec un émetteur associé (51-59;121-129) et est séparé de l'émetteur associé par un intervalle.(s) de telle sorte que la lumière pénétrant dans un conduit en provenance d'un émetteur autre que l'émetteur associé à ce conduit, rencontre les parois du conduit sous des angles, par rapport à la normale, 25 qui sont inférieurs à l'angle de Brewster. 4. Réseau selon la revendication 3, caractérisé en ce que, si l'on désigne par a et b respectivement la largeur et la longueur de chaque conduit (61-69), par s l'intervalle entre un conduit et l'émetteur, qui lui est associé, et 30 par w l'épaisseur des parois, on a la relation: 3a2(bs) est sensiblement égaleà b/2. 6. Réseau selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il peut être placé dans une position éloignée correspondant à une distance h par rapport au plan image, et que si 5 a et b désignent respectivement la largeur et la longueur de chaque conduit (61-69) et s la distance entre un conduit et l'émetteur, qui lui est associé, on a les relations: a = d/2, s = h/2, b = h/2 et 2h = (h+b+s). 7. Réseau selon la revendication 3, caractérisé 10 en ce que le matériau constituant les parois est réalisé par une seule pièce en aluminium et que chaque conduit et l'espace présent entre ce conduit et l'émetteur, qui lui est asso cié,sont remplisd'air. 8. Réseau selon la revendication 7, caractérisé 15 en ce que chaque émetteur (121-129) est constitué par une diode photoémissive. 9. Réseau selon la revendication 8, caractérisé en ce que la surface de la paroi est formée par du saphir. 10. Réseau selon la revendication 3, caractérisé 20 en ce que le matériau constituant les parois est réalisé par une seule pièce en aluminium et que chaque conduit et l'espace existant entre ce conduit et l'émetteur, qui lui est associé,sont remplis par du silicone. 11. Réseau (41;111) de guides de lumière servant 25 à transmettre une lumière depuis une source diffuse (51-59) située dans un plan source (45;25) de manière à former une pluralité de spots individuels (71-79) dans un plan image (81), caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de guides de lumière (91-101) qui peuvent être disposés entre le plan sour30 ce et le plan image, chaque guide de lumière possédant un conduit de transmission de la lumière possédant un indice de réfraction n1 et réalisé en un matériau constituant des parois, dont les surfaces intérieures possèdent l'indice de réfraction n2, n2 étant supérieur à n1. 12. Réseau selon la revendication 11, caractérisé en ce que le matériau constituant les parois est opaque du point de vue optique. 13. Réseau selon la revendication 12, caractérisé en ce que chaque conduit (61-69) est séparé des autres con5 duits par au moins une épaisseur d'un matériau constituant les parois, et que chaque conduit peut être aligné longitudinalement avec un spot (71-79), qui lui est associé, et est séparé du spot associé par un intervalle s, de telle sorte que la lumière pénétrant dans un conduit à partir d'une surface située 10 dans le plan source et non alignée longitudinalement avec ce conduit, rencontre les parois de ce dernier sous des angles, par rapport à la normale, qui sont inférieurs à l'angle de Brewster. 14. Réseau selon la revendication 13, caractérisé 15 en ce que, si l'on désigne par a et b respectivement la largeur et la longueur de chaque conduit, par s l'intervalle entre un conduit et le spot, qui lui est associé, et par w l'épaisseur des parois, on a la relation: 3a a + 2w 2(b+s) nl/n2 chaque spot placé dans le plan image. 17. Réseau selon la revendication 15, caractérisé en ce que la surface des parois est constituée par du saphir. 30 18. Réseau selon la revendication 13, caractérisé en ce que le matériau constituant les parois est constitué par une seule pièce d'aluminium et que chaque conduit et l'intervalle entre un conduit et le spot, qui lui est associé, sont remplispar du silicone.