Brevet FR2611278A1 — publié le 19880826

La présente invention concerne un procédé pour réaliser un élément optique holographique. Elle concerne également un appareil pour réaliser un élément optique holographique, ainsi que l'élément optique holographique obtenu par la mise en oeuvre de ce procédé ou par l'utilisation de cet appareil. On s'intéresse à l'holographie depuis de nombreuses années. On s'est toutefois beaucoup intéressé, plus récemment, & l'application de l'holographie pour la réalisation d'éléments optiques. On sait qu'il est possible, en utilisant un enregistrement de la distribution de l'intensité de deux ondes lumineuses interférant l'une avec l'autre, d'effectuer de nombreuses fonctions optiques. On sait, comme exemples de ces fonctions, faire converger, diverger ou simplement changer de direction des faisceaux lumineux, disperser les longueurs d'ondes, diviser un faisceau. On a écrit de nombreux livres et articles sur l'holographie, et.les principes que celle-ci implique sont bien compris. Les premiers hologrammes étaient principalement des "hologrammes superficiels", ce qui signifie que par une exposition à la lumière suivie par la mise en oeuvre d'un procédé de développement, on aboutissait à une déformation physique de la surface du milieu d'enregistrement. Les hologrammes modernes sont toutefois, dans une proportion importante, des "hologrammes en trois dimensions", le réseau d'interférence étant reproduit sous forme de variations de l'indice de réfraction à l'intérieur du corps du milieu holographique après traitement. L'un des matériaux holographiques en trois dimensions les plus polyvalents est la gélatine dichromatée,étant donné qu'il est possible de la traiter pour obtenir un hologramme très stable, même dans des conditions d'éclairement actinique. L'utilisation et le traitement de ce matériau ont été décrits en détail par R.A. CULLEN dans un article intitulé "Quelques caractéristiques des hologrammes obtenus par réflexion dans la gélatine dichromatée et résultats de mesures effectuées sur ceux-ci" (Some characteristics of and measurements on dichromated gelatin reflexion holograms). Cet article a été présenté à la conférence pour le centenaire de Max BORN, Optique 82, ECOSA 82, tenue à Edimbourg en Ecosse, et a été publié ensuite dans le compte rendu de cette conférence. L'un des principaux problèmes rencontrés avec la plupart des éléments optiques holographique tient au fait que ces derniers sont en temps normal réalisés en utilisant essentiellement des sources ponctuelles. Etant donné que la reconstitution n'est obtenue sans aberration que quand elle reproduit la géométrie de construction, ceci signifie que de tels éléments ne donnent de bons résultats que lorsqu'on manipule une lumière le long d'une géométrie particulière. Par exemple, si on a réalisé un hologramme pour collimater la lumière venant d'un tube à rayons cathodiques, on ne pourra voir correctement qu'un seul point de la surface du tube; l'élément optique holographique introduira des aberrations hors axe importantes pour tous les autres points. S'il fallait, pendant l'enregistrement, écarter l'oeil de l'axe correspondant au faisceau objet, aucun point de l'écran ne serait convenablement transmis. Une solution pour contourner ce problème consisterait à utiliser pendant l'enregistrement une source étendue, mais ceci conduirait en holographie conventionnelle à des termes parasites qui détruiraient l'effet de l'élément optique holographique. Le but de la présente invention est de réaliser un élément optique holographique dans lequel les aberrations et les parasites soient sensiblement réduits, et de proposer un procédé et un appareil pour réaliser un tel élément. Suivant la présente invention, le procédé pour réaliser un élément optique holographique est caractérisé par les étapes qui consistent à préparer une source, étendue moyennée dans le temps et spatialement incohérente de rayonnement optique, à faire traverser par ce rayonnement un diviseur de faisceau pour produire deux faisceaux, à diriger ces deux faisceaux sur un matériau holographique pendant un temps d'exposition suffisant pour produire dans le matériau holographique plusieurs familles de franges d'interférence, et à traiter ce matériau holographique pour réaliser un élément optique holographique. Suivant un autre aspect de l'invention, l'appareil pour réaliser un élément optique holographique, est caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour préparer une source étendue, moyennée dans le temps et spatialement incohérente de rayonnement optique, un diviseur de faisceau que l'on fait traverser par ledit rayonnement pour produire deux faisceaux et des moyens pour diriger ces deux faisceaux sur un matériau holographique pendant un temps d'exposition suffisant pour produire dans le matériau holographique plusieurs familles de franges d'interférence. Suivant un autre aspect de l'invention, l'élément optique holographique est caractérisé en ce qu'il est réalisé par la mise en oeuvre du procédé ou en utilisant l'appareil selon l'invention. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront encore dans la description ci- après. Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs: - la figure 1 est un dessin schématique illustrant la technique conventionnelle pour réaliser un élément optique holographique à partir d'une source ponctuelle; - la figure 2 est un dessin schématique illustrant les problèmes que l'on rencontre en utilisant une source étendue avec le dispositif de la figure 1; - - la figure 3 est une vue illustrant schématiquement un appareil pour réaliser des éléments optiques holographiques conforme & un premier mode de réalisation de l'invention; la figure 4 est une vue illustrant une application d'un élément optique holographique réalisé conformément au premier mode de réalisation de l'invention; - la figure 5 est une vue illustrant un appareil pour réaliser des éléments optiques holographiques conforme & un second mode de réalisation de l'invention; - la figure 6 est une vue illustrant une application d'un élément holographique réalisé en utilisant l'appareil de la figure 5; - la figure 7 est une vue illustrant un appareil pour réaliser des éléments optiques holographiques conforme à un troisième mode de réalisation de l'invention; et - la figure 8 est une vue illustrant une application d'un élément optique holographique réalisé en utilisant l'appareil de la figure 7. Dans la réalisation représentée & la figure 1, un procédé connu pour réaliser un type d'élément optique holographique implique l'utilisation d'une source lumineuse cohérente, telle qu'un laser, pour produire un faisceau lumineux 1 qui est focalisé par passage dans un trou d'épingle 2, lequel agit comme une source sensiblement ponctuelle vis à vis de la lentille de collimation 3. Le faisceau collimaté 4 traverse ensuite un diviseur de faisceau 5, lequel produit deux faisceaux cohérents l'un par rapport à l'autre. Des miroirs 6 et 7 font dévier ces deux faisceaux, de façon qu'ils se coupent dans la zone de la plaque d'hologramme 8. On obtient une famille de franges d'interférence dans la région dans laquelle les faisceaux se chevauchent l'un l'autre. Dans ce cas simple, les franges seront planes et parallèles. Ces franges vont se former parallèlement & la bissectrice perpendiculaire des deux faisceaux. Si l'on expose la plaque d'hologramme dans la position représentée en traits pleins à la figure 1, les franges enregistrées obtenues seront parallèles au substrat de la plaque d'hologramme. Si l'on place la plaque d'hologramme dans la position perpendiculaire à la première et représentée en tirets à la figure 1, les franges vont être enregistrées perpendiculairement au substrat. On connaît ces deux cas extrêmes respectivement sous les noms de hologrammes de réflexion et hologrammes de transmission. D'une manière générale, un hologramme enregistré alors que le faisceau objet et le faisceau de référence arrivent tous deux du même côté de la plaque d'hologramme est appelé hologramme de transmission, et un hologramme réalisé alors que l'un des faisceaux pénètre dans la plaque d'hologramme par la face arrière de celle-ci est appelé hologramme de réflexion.Toutefois, il n'y a aucune raison qui empêche de placer la plaque selon un angle intermédiaire quelconque à la figure 1, les franges obtenues s'enregistrant selon un angle correspondant par rapport au substrat. Comme on l'a déjà dit, des éléments optiques holographiques réalisés par ces procédés fonctionnent très bien, pourvu que l'appareil de reconstitution imite l'interféromètre de réalisation, mais on introduit des aberrations si on réillumine l'hologramme selon un angle différent, ou si on utilise pour la reconstitution une lumière ayant une longueur d'onde différente, ou si le système de visée est placé sur un axe différent. Un grand nombre d'applications possibles des éléments optiques holographiques exigent que ces derniers soient réilluminés à partir de sources étendues, par exemple par des tubes à rayons cathodiques. Au lieu de réaliser l'hologramme par un enregistrement simple comme si l'on pouvait assimiler l'objet étendu à une source ponctuelle, il serait préférable d'enregistrer l'hologramme en utilisant également une source étendue. Ceci produirait dans le milieu d'enregistrement de nombreux hologrammes, la reconstitution de ces derniers correspondant & la géométrie de la source étendue (par exemple un tube & rayons cathodiques) sans introduction d'aberrations hors axe. Une telle approche est représentée schématiquement à la figure 2. C'est uniquement pour faciliter l'explication que l'on a assimilé la source étendue à deux sources réellement ponctuelles A et B. De la lumière venant de ces sources traverse la lentille de collimation 3 et traverse le reste du système sous forme de deux faisceaux parallèles indépendants, respectivement 4a et 4b. Le diviseur de faisceau 5 divise chacun de ces deux faisceaux collimatés en deux faisceaux cohérents l'un par rapport à l'autre qui sont ensuite recombinés dans la zone de la plaque d'hologramme 8 au moyen des miroirs de renvoi 6, 7 et 7a. On obtient dans la zone dans laquelle les faisceaux se chevauchent, un réseau compliqué d'interférences dont on peut considérer qu'il est, en un point quelconque de la plaque, la somme de réseaux d'interférence provoqués par l'interférence de 4a avec 4a, celle de 4b avec 4b, et de quatre jeux de franges (interférences parasites) dont deux sont provoqués par l'interférence du faisceau objet de 4a avec le faisceau objet et le faisceau de référence de 4b, les deux autres constituant la paire semblable provenant du faisceau de référence de 4a. Dans cette disposition schématique, la plaque d'hologramme va enregistrer les six jeux de franges d'interférence. Du fait de la présence de franges parasites, l'élément optique holographique agit comme un diffuseur. La figure 3 illustre les principes généraux de l'invention et les avantages de celle-ci par rapport aux 7 2611278 techniques habituelles. Dans la réalisation de la figure 3, les deux sources déjà décrites sont des points sur la surface d'un diffuseur, ou sur un autre plan quelconque dans l'espace, dont on peut faire varier dans le temps la relation de phase relative. Si le diffuseur est stationnaire pendant l'exposition de l'hologramme, tous les éléments parasites décrits au paragraphe précédent sont enregistrés pour des raisons identiques. Toutefois, si l'on déplace le diffuseur dans son plan pendant l'exposition, la phase relative entre 4a et 4b devient aléatoire, et les franges d'interférences parasites deviennent floues au cours de l'exposition et ne sont donc pas enregistrées. Le traitement de l'image latente pour réaliser l'élément optique holographique final est celui décrit dans l'article précité de CULLEN. Comme pour le cas de la figure 1, ce procédé va permettre de réaliser des hologrammes de réflexion ou de transmission, suivant la conception de l'interféromètre, et il n'y a aucune condition préalable imposant que les franges soient parallèles ou perpendiculaires au substrat. Le procédé de réalisation d'un élément optique holographique en utilisant l'appareil de la figure 3 consiste à exposer le matériau holographique pendant un temps approprié puis à traiter le matériau exposé comme décrit dans l'article de CULLEN. Comme indiqué dans cet article, le temps d'exposition est basé sur l'énergie reçue par le matériau holographique, et varie avec la longueur d'onde du rayonnement. La figure 4 illustre une application de l'élément optique holographique réalisé au moyen de l'appareil de la figure 3. Dans ce schéma, de la lumière émise par un tube à rayons cathodiques 40 est collimatée par la lentille 41, et les faisceaux obtenus traversent un élément optique holographique de transmission réalisé comme décrit au paragraphe précédent. Le résultat final est que l'observateur 43 voit dans l'espace situé devant l'élément 8 2611278 optique holographique une ouverture effective 42 que parait traverser la lumière venant du tube à rayons cathodiques. La collimation du tube à rayons cathodiques reste bonne sur toute la surface de celui-ci, parce que l'hologramme a été réalisé avec une source d'allongement correspondant. L'élément optique holographique agit ainsi uniquement pour faire dévier le faisceau qui le traverse. On peut étendre au moyen de variantes de conception de l'interféromètre la solution de base consistant à utiliser une source allongée de phase variable dans l'espace. La figure 5 représente un dessin schématique d'une variante de la disposition de l'interféromètre. On a supprimé dans cette figure, pour des raisons de clarté, certains des rayons impliqués dans la construction du dessin. L'interféromètre utilise une source étendue à phase variable 50 dont la lentille 51 donne une nouvelle image, divisée par le diviseur de faisceau 5 pour donner des sources en relation de phase 52 et 53. La lentille 54 reproduit une nouvelle image de la source 53 par l'intermédiaire des miroirs de renvoi 55 et 56 pour donner la source intermédiaire 57. Ces deux sources effectives 52 et 57 constituent les deux sources en relation de phase de l'hologramme. Une lentille 58 est positionnée de façon à collimater la lumière venant de la source 52, et une lentille 59 remplit le même r8le pour la source 57. Ces deux faisceaux se recombinent ensuite dans la région de la plaque d'hologramme 8. A partir de chaque point de la source d'origine 50, il se produit dans l'hologramme un jeu de franges; dans le cas présent ce seront des franges planes et parallèles qui, en général ne sont pas parallèles au substrat. Un autre point quelconque de la source 50 va donner un jeu semblable de franges, mais ces dernières auront un espacement différent et seront inclinées d'un angle différent par rapport au substrat. On détermine par la géométrie de l'appareil de reconstitution quel est le jeu de franges utilisé pour la reconstitution finale. La figure 6 illustre schématiquement une application d'un élément optique holographique réalisé conformément à l'appareil et au procédé de la figure 5. On considère ici la lumière venant de trois points séparés du plan focal arrière d'une lentille de collimation 60. Cette lumière est transmise à l'oeil par l'intermédiaire de l'élément optique holographique 8. Ces trois points (repérés A, B, et C sur le dessin) pourraient tre des sources ponctuelles indépendantes ou simplement des positions représentatives d'une source unique, par exemple un tube à rayons cathodiques. La caractéristique importante est ici que les rayons incidents venant de A, B et C sont déviés chacun de façon non uniforme. Pour expliquer ceci, on examine le faisceau du point C. Ce faisceau frappe la plaque selon un angle a et est réfléchi selon un angle. Si l'élément optique holographique agissait comme un simple miroir, a serait égal à È. Cette introduction d'un pouvoir déviant sans affecter la focalisation ou la collimation est normalement appelée pouvoir prismatique. De façon semblable, pour la faisceau de B, il y a un pouvoir prismatique égal à Y - 6. Un hologramme réalisé de la façon représentée à la figure 5 présente la propriété d'avoir un pouvoir prismatique variable pour différentes positions de la source. Dans cet exemple l'ouverture de la lentille est effectivement projetée jusqu'à la position de l'oeil 61, avec une augmentation correspondante du champ de vision utile du système. En fait, l'élément optique holographique agit non seulement comme diviseur de faisceaux ou miroir mais également comme lentille de champ. La figure 7 représente un interféromètre qui donne un hologramme ayant un pouvoir de focalisation ou de collimation. Dans ce mode de réalisation, la source étendue est représentée comme comportant un diffuseur 70 mobile dans son plan comme indiqué par la flèche 71, et éclairé par de la lumière collimatée 72 venant d'un laser 73. La lumière venant du diffuseur 70 est divisée par le diviseur de faisceau 5, et une partie de cette lumière est collimatée ou refocalisée par la lentille 74 (la collimation étant simplement le cas particulier de refocalisation à l'infini). L'autre partie de la lumière est refocalisée de façon caractéristique au moyen d'une lentille 75 vers une position intermédiaire quelconque 76, même si ceci n'est pas strictement nécessaire pour toutes les applications de la présente invention, étant donné que l'on peut utilement diviser et recombiner la source sans focalisation intermédiaire. Au moyen des optiques de déviation de faisceau 77, 78 et 79, qui sont respectivement deux miroirs et un diviseur de faisceau, on peut recombiner la lumière venant de la source 70 pour produire un jeu de franges d'interférence dans la région de la plaque d'hologramme 8. Cette disposition conduit à la formation d'un hologramme de transmission, mais on peut la modifier pour former un hologramme de réflexion en remplaçant le diviseur de faisceau 79 par la plaque d'hologramme. La figure 8 illustre l'application d'un élément optique holographique réalisé en utilisant l'interféromètre représenté à la figure 7. L'oeil 80 regarde ici un tube à rayons cathodiques 81, et voit l'image du tube à l'infini, les aberrations hors axe étant corrigées par l'élément otique holographique. L'oeil regarde sensiblement chaque partie de l'écran à travers un hologramme correspondant dans l'axe. Il apparalt que l'on peut modifier l'interféromètre selon d'autres voies. On pourrait, pour réaliser des éléments optiques holographiques, introduire dans l'interféromètre d'autres éléments optiques que des lentilles si ces éléments optiques produisent des effets souhaitables. Les éléments optiques holographiques réalisés par les procédés et avec les appareils décrits ci-dessus ont de nombreuses utilisations auxquelles il n'a pas été fait référence. Comme on l'a déjà indiqué, on peut produire la source à phase variable qui est nécessaire en faisant passer de la lumière cohérente, venant, par exemple, d'un laser, à travers un diffuseur en mouvement. Le diffuseur peut se déplacer d'une manière oscillatoire, soit linéairement soit d'une façon plus complexe, o on peut le faire tourner autour d'un axe. On peut utiliser d'autres techniques pour produire des sources à phase variable sans avoir besoin d'un diffuseur. 12 2 6611278 REVENDICATIONS 1. Procédé pour réaliser un élément optique holographique, caractérisé par les étapes qui consistent à préparer une source étendue, moyennée dans le temps, et spatialement incohérente de rayonnement optique, & faire traverser par ce rayonnement un diviseur de faisceau (5) pour produire deux faisceaux, à diriger ces deux faisceaux sur un matériau holographique (8) pendant un temps d'exposition suffisant pour produire dans le matériau holographique (8) plusieurs familles de franges d'interférence, et à traiter ce matériau holographique (8) pour réaliser un élément optique holographique. 2. Procédé conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que l'on introduit un élément optique dans au moins un des deux faisceaux de rayonnement venant du diviseur de faisceau (5) et dirigés sur le milieu holographique (8). 3. Procédé conforme à la revendication 2, caractérisé en ce que l'élément optique est une lentille de collimation (58, 59). 4. Procédé conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que l'on introduit une lentille de collimation (58, 59) dans chacun des faisceaux de rayonnement dirigés sur le milieu holographique (8). 5. Procédé conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'on produit le faisceau de rayonnement moyenné dans le temps et spatialement incohérent en faisant passer un rayonnement cohérent (72) à travers un diffuseur (70) qui se déplace dans un plan perpendiculaire à l'axe des faisceaux de façon à introduire dans le rayonnement (72) des variations de phase significatives par rapport au temps d'exposition du matériau holographique (8). 6. Procédé conforme à la revendication 5, caractérisé-en ce que le rayonnement cohérent (72) est 13 2611278 produit par un laser (73). 7. Appareil pour réaliser un élément optique holographique, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (A, B, 3; 50, 51; 73, 70) pour préparer une source étendue, moyennée dans le temps et spatialement incohérente de rayonnement optique, un diviseur de faisceau (5) que l'on fait traverser par ledit rayonnement pour produire deux faisceaux, et des moyens (6, 7, 7a; 54, 55, 56, 58, 59; 74, 75, 77, 78,79) pour diriger ces deux faisceaux sur un matériau holographique (8) pendant un temps d'exposition suffisant pour produire dans le matériau holographique (8) plusieurs familles de franges d'interférence. 8. Appareil conforme à la revendication 7, caractérisé en ce qu'un élément optique est introduit dans au moins l'un des deux faisceaux produits par le diviseur de faisceaux (5). 9. Appareil conforme à la revendication 8, caractérisé en ce que l'élément optique est une lentille de collimation 58, 59). 10. Appareil conforme à la revendication 8, caractérisé en ce qu'une lentille de collimation (3; 51) est placée entre la source de rayonnement (A, B; 50) et le diviseur de faisceau (5). 11. Appareil conforme à l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que la source de rayonnement moyenné dans le temps et spatialement incohérent est constituée par une source (73) de rayonnement cohérent (72) et par un diffuseur (70) se déplaçant dans un plan perpendiculaire à l'axe du rayonnement (72) de façon à introduire dans le rayonnement (72) des variations de phase significatives par rapport au temps d'exposition. 12. Appareil conforme à la revendication 11, caractérisé en ce que la source de rayonnement cohérent est un laser (73). 14 2611278 13. Elément optique holographique, caractérisé en ce qu'il est réalisé par la mise en oeuvre du procédé conforme & l'une quelconque des revendications 1 à 6. 14. Elément optique holographique, caractérisé en ce qu'il est réalisé en utilisant l'appareil conforme à l'une quelconque des revendications 7 à 12.