Brevet FR2661008A1 — publié le 19911018

SYSTEME DE LENTILLES POUR FOCALISER LE FAISCEAU DE SORTIE D'UN LASER A SEMI-CONDUCTEUR. La présente invention concerne un laser à semi-conducteur et plus particulièrement un système de lentilles pour focaliser le faisceau de sortie d'un laser à semi-conducteur de haute puissance sur la face d'entrée d'une fibre optique ou d'un diaphragme. Il a été récemment mis en vente un laser à semi-conducteur de haute puissance ayant une puissance de sortie d'environ 1 W et constitué d'un laser au Ga Al As Les caractéristiques optiques d'un tel laser à semi-conducteur de haute puissance seront expliquées ci-dessous, en référence à la figure 1 En se reportant à la figure 1, un laser à semi-conducteur 1 est placé dans une enceinte (non représentée) et un faisceau laser est émis à partir d'une fenêtre de l'enceinte On va maintenant expliquer, à titre d'exemple, un cas dans lequel le laser à semi-conducteur a une puissance de sortie maximale de 1 W Dans ce cas, la largeur a d'une zone émettrice de lumière selon la direction longitudinale d'une zone émettrice 15 (dénommée cidessous "direction perpendiculaire") est de 200 Fum et la hauteur b de la zone émettrice de lumière selon la direction perpendiculaire à la direction longitudinale de la zone émettrice 15 (dénommée ci-desssous "direction perpendiculaire") est de 1 Fm En outre, si la divergence du faisceau, indicatrice de la dimension d'un diagramme en champ lointain, est fournie par la laraeur de bande à mi-hauteur (FWHM), la divergence du faisceau, selon la direction parallèle, est d'environ 100 et la divergence 9 j du faisceau selon la direction perpendiculaire est d'environ 40 . En d'autres termes, selon la direction perpendiculaire, la hauteur b de la zone émettrice 15 est 1 pem et la zone émettrice 15 peut donc être presque considérée comme une source ponctuelle Tandis que, selon la direction parallèle, la largeur a de la zone émettrice est 200 jum et qu'en outre le faisceau de sortie n'est pas cohérent dans l'espace mais semble être émis sous forme d'un filament Ce fait sera un o bstacle sérieux si l'on désire que le faisceau de sortie du laser à semi- conducteur de haute puissance se focalise sur une petite tache lumineuse. On a jusqu'ici connu deux types de systèmes de lentilles utilisés pour focaliser le faisceau de sortie d'un laser à semi-conducteur de haute puissance On va tout d'abord expliquer, en se référant aux figures 2 A et 2 B, un premier de ces systèmes de lentilles conventionnels. la figure 2 A est une vue en coupe du premier système de lentilles conventionnel prise selon la direction perpendiculaire En se reportant à la figure 2 A, la zone émettrice 15 d'un laser à semi-conducteur 1 est projetée sur un plan focal 7 par une lentille de collimation 20 et par une lentille de focalisation 22 la figure 2 B est une vue en coupe du premier système de lentilles conventionnel prise sel Qn:la direction parallèle En se reportant à la figure 2 B, un diagramme en champ lointain 16 du laser à semi-conducteur 1 se forme au point focal 23 de la lentille de collimation 20 et l'image ci-dessus est projetée sur le plan focal 7 par une lentille plan cylindrique convergente 21 ne présentant une caractéristique de réfraction que dans la direction parallèle, et par la lentille de focalisation 22. On va maintenant expliquer, en se référant aux figures 3 A et 3 B, un second de ces systèmes de lentilles conventionnels La figure 3 A est une vue en coupe du second système de lentilles conventionnel prise selon la direction perpendiculaire En se reportant à la figure 3 A, comme dans le premier système de lentilles conventionnel, la zone émettrice du laser à semi-conducteur 1 est projetée sur le plan focal 7 par une lentille de collimation 25 et par une lentille de focalisation 27 La figure 3 B est une vue en coupe du second système de lentilles conventionnel prise selon la direction parallèle. En se reportant à la figure 3 B, bien que la zone émettrice 15 du laser à semi-conducteur 1 soit projetée sur le plan focal 7 par la lentille de collimation 25 et la lentille de focalisation 27, comme selon la direction perpendiculaire, un dispositif d'expansion du faisceau, fait d'une paire de prismes 26, est disposé entre la lentille de collimation 25 et la lentille de focalisation 27, et par conséquent, le grossissement de la projection selon la direction parallèle est inférieur au grossissement selon la direction perpendiculaire. On va d 'abord expliquer un inconvénient du premier système de lentilles conventionnel Selon la direction parallèle, un diagramme en champ lointain 16 du laser à semi-conducteur 1 se projette sur le plan focal 7 Par conséquent, la dimension de la tache lumineuse 8 du faisceau qui est formée sur le plan focal 7, selon la direction parallèle, est déterminée par la dimension du diagramme en champ lointain 16 selon la direction parallèle, c'est-à- dire par la divergence 9 du faisceau selon la direction parallèle De façon générale, croît lorsque la puissance de sortie du laser à semi-con- ducteur 1 croît Par conséquent, dans le cas o la face d'entrée d'une fibre optique ou d'un diaphragme est placée sur le plan focal 7, la transmittance de la fibre optique ou du diaphragme décroît lorsque la puissance de sortie du laser à semi-conducteur 1 croît. Signalons en passant que dans le second système de lentilles conventionnel, la zone émettrice 15 du laser à semi-conducteur 1 se projette sur le plan focal 7 à la fois selon les directions parallèle et perpendiculaire Même si l'on fait croître la puissance de sortie du laser à semi-conducteur 1, la dimension de la zone émettrice 15 à la face de sortie 2 du laser à semi-conducteur 1 sera sensi- blement constante, et par conséquent, la dimension de la tache lumineuse 8 du faisceau restera également sensiblement constante. On va maintenant expliquer un inconvénient du second système de lentilles conventionnel Considérons un cas dans lequel la face d'entrée d'une fibre optique ou d'un diaphragme est placée sur le plan focal 7 et dans lequel un système de lentilles additionnel est disposé derrière la face de sortie de la fibre optique ou du diaphragme Si le faisceau laser qui tombe sur le plan focal 7 a un petit angle de convergence, le faisceau laser émergeant de la fibre optique ou du diaphragme a un petit angle de divergence On peut par conséquent utiliser un système de lentilles à petite ouverture numérique comme système de lentilles additionnel disposé derrière la fibre optique ou le diaphragme C'est-à-dire que dans de nombreux cas il est avantageux que le faisceau laser qui tombe sur le plan focal 7 ait un petit angle de convergence Dans le second système de lentilles conventionnel, par contre, le faisceau laser qui tombe sur le plan focal 7 a un grand angle de convergence selon la direction parallèle pour la raison suivante. La figure 4 est une vue en coupe du laser à semi-conducteur 1 prise selon la direction parallèle. En se reportant à la figure 4, les contours BC et BG du faisceau laser émis en provenance d'un point B décalé par rapport à l'axe optique AF, sont parallèles aux contours AD et AH du faisceau laser émis en provenance du point A situé sur l'axe optique AF, respectivement, et le rayon principal BE du faisceau laser émis en provenance du point B est parallèle à l'axe optique AF l'angle de divergence de celui du faisceau laser, qui tombe sur le plan focal 7, qui est émis en provenance du point A situé sur l'axe optique AF n'est déterminé que par l'angle de divergence L DAH du faisceau laser et par l'agran- dissement en projection du système de lentilles. Bien qu'il soit impossible de faire en sorte que l'angle de convergence du faisceau laser total qui tombe sur le plan focal 7 soit inférieur à celui du faisceau laser qui est émis en provenance du point A et qui tombe sur le plan focal 7, l'angle de convergence du faisceau laser nommé en premier lieu peut être réduit à la valeur de celui du faisceau laser nommé en dernier lieu en faisant en sorte que le rayon principal BE soit parallèle à l'axe optique dans le plan focal 7, c'est-à-dire en faisant du système de lentilles un système optique télesco- pique dans la direction parallèle Inversement, si le système de lentilles ne forme pas un système télescopique, l'angle de convergence du faisceau laser qui tombe sur le plan focal 7 devient inuti- lement grand Pour faire, du second système de lentilles conventionnel un système optique télesco- pique dans la direction parallèle représentée sur la figure 3 B, il faut disposer la lentille de collimation 25 et la lentille de focalisation 27 de façon que leurs foyers soient accordés l'un avec l'autre Toutefois, chacune, de la lentille de collimation 25 et de la lentille de focalisation 27, a habituellement une courte distance focale et de plus le dispositif d'expansion 26 du faisceau est disposé entre les lentilles 25 et 27 Par conséquent, il est très difficile de faire que le système de lentilles représenté sur la figure 3 B forme un système optique télescopique et par conséquent, le faisceau laser qui tombe sur le plan focal 7 a obligatoirement un grand angle de conver- gence Bien que ce soit selon la direction parallèle que l'on a expliqué ci-dessus le second système de lentilles conventionnel, on peut regarder la zone émettrice de lumière selon la direction perpendi- laire comme source ponctuelle Par conséquent, selon la direction perpendiculaire, il n'est pas nécessaire de considérer le rayon principal précité. Un but de la présente invention est de proposer un système de lentilles pour focaliser le faisceau de sortie d'un laser à semi-conducteur de haute puissance sur une petite tache lumineuse de façon que ce soit un faisceau laser de petit angle de convergence qui tombe sur la petite tache lumineuse. Pour atteindre le but ci-dessus, selon un premier aspect de la présente invention, on propose un système de lentilles disposé entre la zone émettrice d'un laser à semi-conducteur et un plan focal, pour focaliser le faisceau de sortie du laser à semi-conducteur sur le plan focal, système dans lequel, en ce qui concerne une direction parallèle à la direction longitudinale de la zone émettrice du laser à semi-conducteur, la zone émettrice et le plan focal sont conjugués, et système dans lequel le système de lentilles forme un système optique télescopique pour former un diagramme en champ lointain indicatif de la pupille de sortie du système de lentilles à l'infini. Selon un second aspect de la présente invention, on propose un système de lentilles disposé entre la zone émettrice d'un laser à semi-conducteur et un plan focal, pour focaliser le faisceau de sortie du laser à semiconduct eur sur le plan focal, système qui comporte: une première lentille présentant une action convergente; une seconde lentille présen- tant une action convergente; et une troisième lentille présentant une action convergente uniquement dans une direction parallèle à la direction longitudinale de la zone émettrice du laser à semi-conducteur, la première, la seconde et la troisième lentilles étant disposées dans l'ordre décrit dans la direction allant du laser à semi-conducteur vers le plan focal de façon que, en ce qui concerne une direction parallèle à la direction longitudinale de la zone émettrice, une image de la zone émettrice soit formée sur le plan focal par la première, la seconde et la troisième lentilles et de façon que le point focal de la première lentille, du côté du plan de réception de la lumière, et le point focal de la troisième lentille, du côté du laser à semi-conducteur, soient des points conjugués par rapport à la seconde lentille. Selon un troisième aspect de la présente invention, un système de lentilles conforme au second aspect comporte en outre une quatrième lentille qui est disposée entre la première lentille et la troisième lentille et présente une action divergente uniquement dans une direction verticale perpendi- culaire à la direction longitudinale de la zone émettrice du laser à semiconducteur, pour faire que la zone émettrice et le plan focal soient conjugués dans la direction verticale également. En outre, le terme "une première lentille" ou "une seconde lentille" ne signifie pas une lentille unique, mais signifie une lentille composée d'une pluralité déléments formant lentille, avec la même performance qu'une lentille. la figure 1 est -une vue perspective pour expliquer les caractéristiques optiques d'un laser à semi-conducteur. les figures 2 A et 2 B sont des vues en coupe représetant un système de lentilles conventionnel pour focaliser le faisceau de sortie d'un laser à semi-conducteur. les figures 3 A et 3 B sont des vues en coupe représentant un autre système de lentilles conven- tionnel pour focaliser le faisceau de sortie d'un laser à semi-conducteur. La figure 4 est un schéma représentant l'émission de lumière en provenance d'un laser à semi-conducteur. Les figures 5 A et 5 B sont des vues en coupe représentant une réalisation d'un système de lentilles pour focaliser le faisceau de sortie d'un laser à semi-conducteur conformément à la présente invention. La figure 6 est une schéma, partiellement en coupe et partiellement en perspective, d'une réali- sation d'un appareil pour la photocoagulation rétinienne transpupillaire à laquelle s'applique la présente invention. On va expliquer ci-dessous, en se reportant aux figures 5 A et 5 B, une réalisation d'un système de lentilles conforme à la présente invention. la figure 5 A est une vue en coupe de la présente réalisation prise selon la direction perpendiculaire et la figure 5 B est une vue en coupe de la présente réalisation prise selon la direction parallèle. Sur les figures 5 A et 5 B,le repère 1 désigne un laser à semi-conducteur et le repère 2 désigne la face de sortie du laser à semi-conducteur 1. le faisceau laser émis en provenance de la zone émettrice 15 du laser à semiconducteur 1 est focalisé sur la petite tache lumineuse 8 du plan focal 7 au moyen dlune lentille de collimation 3, d'une lentille convexe 4, d'une lentille plan cylindrique concave et d'une lentille plan cylindrique convexe 6. Selon la direction parallèle, comme représenté sur la figure 5 B, le faisceau laser émis en provenance de la zone émettrice 15 du laser à semi-conducteur 1 est focalisé sur la petite tache lumineuse 8 et de plus le foyer 9 de la lentille de collimation 3, du côté du plan focal 7, et le foyer 10 de la lentille plan cylindrique convexe 6, du côté du laser à semi-conducteur 1, sont des points conjugués par rapport à la lentille convexe 4 C'est-à-dire que la première réalisation forme un système optique télescopique selon la direction parallèle. Signalons en passant que la lentille convexe 4 n'est pas limitée à être une lentille unique, mais peut être constituée d'une pluralité de lentilles. Selon la direction perpendiculaire, comme représenté sur la figure 5 A, la zone émettrice 15 et le plan focal 7 deviennent conjugués du fait de l'action divergente de la lentille plan cylindrique concave 5, et par conséquent, le faisceau laser émis en provenance de la zone émettrice 15 est focalisé sur la petite tache lumineuse 8 Il faut noter que le grossissement en projection de la zone émettrice est plus grand selon la direction perpendiculaire que selon la direction parallèle Ce fait va compenser f- la différence entre la divergence du faisceau selon la direction perpendiculaire et la divergence du faisceau selon la direction parallèle. On va maintenant expliquer un exemple de l'appareil équipé d'un système de lentilles conforme à la présente invention Cet appareil fonctionnant avec un laser est un appareil de photocoagulation au laser avec épreuve photographique ou avec microscope à lampe à fente. la figure 6 représente un appareil pour la photo- coagulation rétinienne transpupillaire, comportant un système de lentilles conforme à la présente invention ainsi qu'un microscope à lampe à fente. Dans cet appareil, une paire de lasers à semi-con- ducteur de haute puissance 41 servent de source lumineuse pour la photocoagulation Chaque laser à semi-conducteur 41 est constitué d'un laser au Ga Al As et émet un faisceau laser d'une longueur d'onde d'environ 800 nm. On va tout d'abord expliquer un système optique conforme à la présente invention les faisceaux sortant des lasers à semi-conducteur font l'objet d'une collimation pa:r une paire de lentilles de collimation 42 à grande ouverture numérique, puis sont combinés par une plaque demi-onde 43 et un combinateur 44 de faisceau polarisant de façon à avoir le même axe optique Dans la direction perpen- diculaire (parallèle au papier sur lequel la figure 6 est dessinée), la face de sortie de chaque laser à semi-conducteur 41 est projetée sur un diaphragme 49 par la lentille collimatrice 42, par une lentille convexe 45 et par une lentille plan cylindrique concave 46 n'ayant d'action de réfraction que dans la direction perpendiculaire Tandis que dans la direction parallèle (perpendiculaire au papier ci- dessus), la zone émettrice de chaque laser à semi-conducteur 41 est projetée sur le diaphragme 49 par la lentille collimatrice 42, la lentille SR 6153 JP/AM i convexe 45 et une lentille plan cylindrique convexe 48 n'ayant d'action de réfraction que dans la direction parallèle En outre, le foyer de la lampe collimatrice 42, situé du côté du diaphragme 49, et le foyer de la lentille plan cylindrique convexe 48, situé du côté des lasers à semiconducteurs 41 sont les conjugués de la lentille convexe 45 Par conséquent, selon la direction parallèle, la portion du système optique 40 qui commence aux lentilles collimatrices 42 et se termine à la lentille plan cylindrique convexe 48 forme un système optique télescopique. Le faisceau laser pour la photocoagulation a une longueur d'onde d'environ 800 nm et l'oeil humain est insensible à ce faisceau laser On utilise par conséquent comme source lumineuse de repérage un laser He-Ne 50 pour émettre un faisceau laser d'une longueur d'onde de 633 nm la lumière de repérage émise par le laser 50 est réfléchie par un miroir 51 puis tombe sur la fibre optique 53 en passant par une lentille de focalisation 52 La fibre optique 53 est disposée de façon que son extrémité de sortie 54 et le diaphragme 49 soient des images symétriques l'une de l'autre par rapport à un miroir dichroïque 60. Le faisceau laser pour photocoagulation et le faisceau laser pour le repérage sont combinés par les miroirs dichroiques 60 de façon à avoir le même axe optique Le faisceau laser combiné ainsi obtenu passe à travers un système à focale variable 65 composé d'une lentille de collimation 61, d'un compensateur 62, d'un variateur 63 et d'une lentille de collimation 64, puis, il est réfléchi par un miroir dichroique 70 de façon que l'axe optique du faisceau laser réfléchi coincide avec celui d'un microscope à lampe à fente 72 Une composante de longueur d'onde de 800 nm est parfaitement réfléchie par le miroir dichroique 70 et 50 % des rayons visibles sont réfléchis par le miroir 70 Le faisceau laser réfléchi par le miroir 70 passe à travers la lentille objectif 71 du microscope 72 puis est conduit dans le fond de l'oeil d'un patient 74 équipé d'une lentille de contact 73 Le diaphragme 49 et l'extrémité de sortie 54 de la fibre optique sont conjugués par rapport au plan objet du microscope 72 et de plus le diaphragme 49 et le coeur de la fibre optique 53 ont le même diamètre Par conséquent, un opérateur peut observer au moyen du microscope 72 qu'une tache lumineuse circulaire à bord bien défini se forme sur le fond d'oeil du patient 74 sous l'action du faisceau laser de repérage, c'est-à-dire que lorsque la relation de position entre l'appareil de photo- coagulation et l'oeil du patient est réglée de façon qu'une image du coeur de la fibre optique 53 se forme sur le fond d'oeil du patient, le faisceau laser pour photocoagulation forme une tache circulaire invisible à bord bien défini sur le fond d'oeil du patient, tache qui a la même forme et la même dimension que l'image ci-dessus due au faisceau laser de repérage En outre, si l'opérateur met en marche le système à focalevariable 65 à l'aide d'un mécanisme tel qu'une came (non représentée), il peut faire varier de façon continue la dimension de la tache circulaire pour photocoagulation tout en maintenant la relation de conjugaison entre le plan objet du microscope 72 et chacun des deux, du diaphragme 49 et de l'extrémité de sortie 54 de la fibre optique 53, formant ainsi une tache circulaire à bord bien défini sur le fond de l'oeil du patient. En outre, des polariseurs 55 et 75 sont disposés de façon que la direction de polarisation du polariseur 55 soit perpendiculaire à celle du polariseur 75 De cette façon la lumière parasite due au faisceau laser de repérage réfléchi par la lentille objectif 71 ne pertubera jamais l'observation de l'opérateur De plus, un filtre de protection 76, qui absorbe une composante de longueur d'onde 800 nm et transmet les rayons visibles, protège l'oeil de l'opérateur contre le faisceau laser de photo- coagulation réfléchi par le fond d'oeil du patient 74. La lumière provenant d'un système d'éclairage des microscopes à lampe à fente est conduite dans l'oeil 74 du patient par l'intermédiaire d'un miroir 81 sur lequel la lumière de l'éclairage se sépare en une portion supérieure et une portion inférieure correspondant au faisceau transmis. Conformément à l'appareil de photocoagulation mentionné ci-dessus, on peut rendre petit l'angle de divergence du faisceau laser pour photocoagulation émergeant du diaphragme 49 On peut donc prévoir petite l'ouverture numérique des systèmes à focal variable 65 et on peut donc prévoir petit l'angle de convergence du faisceau laser pour photocoagulation qui tombe sur l'oeil 74 du patient De cette façon, il y a peu de risque d'une irradiation de l'iris de l'oeil 74 du patient avec le faisceau laser prévu pour la photocoagulation. Comme expliqué ci-dessus, conformément à la présente invention, on peut faire focaliser le faisceau de sortie d'un laser à semi-conducteur de haute puissance sur une petite tache lumineuse de façon que ce soit un faisceau laser de petit angle de convergence qui tombe sur la petite tache lumineuse. R E V E N D I C A T I O N S 1 Système de lentilles disposé entre la zone émettrice ( 15) d'un laser à semi-conducteur ( 1) et un plan focal ( 7) pour focaliser le faisceau de sortie du laser à semi-conducteur sur le plan focal ( 7), système de lentilles caractérisé par le fait qu'il comporte une pluralité de lentilles qui sont disposées de façon que, par rapport à une direction parallèle à la direction longitudinale de la zone émettrice du laser à semi-conducteur ( 1), la zone émettrice ( 15) et le plan focal ( 7) sont conjugués, et par le fait que le système de lentilles forme un système optique télescopique. 2 Système de lentilles disposé entre la zone émettrice d'un laser à semiconducteur et un plan focal pour focaliser le faisceau de sortie du laser à semi-conducteur sur le plan focal, système de lentilles caractérisé en ce qu'il comporte: une première lentille ayant une action de convergence; une seconde lentille ayant une action de convergence; et une troisième lentille n'ayant une action de convergence que dans une direction parallèle à la direction longitudinale de la zone émettrice du laser à semi-conducteur, la première, la seconde et la troisième lentilles étant disposées dans l'ordre décrit dans une direction qui va du laser à semiconducteur vers le plan focal de façon que, par rapport à une direction parallèle à la direction longitudinale de la zone émettrice, une image de la fenêtre soit formée sur le plan focal par la première, la seconde et la troisième lentilles, et par le fait que le foyer de la première lentille, du côté du plan de focalisation, et le foyer de la troisième lentille, du côté du laser à semi-conducteur, sont conjugués par rapport à la seconde lentille. 3 Système de lentilles selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une quatrième lentille qui est disposée entre la première lentille et la troisième lentille et qui n'a une action de divergence que dans une direction verticale perpendiculaire à la direction longitudinale de la zone émettrice du laser à semi-conducteur, pour faire en sorte que la zone émettrice et le plan focal soient également conjugués selon la direction perpendiculaire. 4 Système de lentilles selon la revendication 1 ou 3, caractérisé par le fait que ledit système de lentilles est utilisé comme partie du système optique pour un appareil fonctionnant avec un laser. Système de lentilles selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit appareil fonctionnant avec un laser est un appareil de photocoagulation au laser avec épreuve photographique ou avec microscope à lampe à fente.