Brevet FR2662515A1 — publié le 19911129

Dispositif optique permettant d'imprimer à un faisceau lumineux collimaté un mouvement de translation La présente invention se rapporte à un dispositif optique permettant d'imprimer à un faisceau lumineux collimaté un mouvement de translation parallèlement à lui-même, comprenant au moins une paire de faces réfléchissantes solidaires l'une de l'autre et mobiles en rotation autour d'un axe parallèle aux plans de ces faces, sur lesquelles le faisceau se réfléchit successivement, ainsi que des faces réfléchissantes fixes qui infligent au faisceau un nombre pair de réflexions intermédiaires, de sorte que la rotation que subit le faisceau lors de sa réflexion sur une première face d'une paire de faces réfléchissantes mobiles se trouve compensée après sa réflexion sur la deuxième face de ladite paire. Des dispositifs optiques de ce genre sont connus, qui sont destinés à conférer à un faisceau lumineux collimaté ou non un mouvement de balayage soit par déviation angulaire, soit par translation. De tels dispositifs, utilisés par exemple dans certaines caméras, comportent un miroir rotatif à faces réfléchissantes multiples. Lors de la rotation du miroir, ces faces sont alternativement actives et inactives, se succèdant pour recevoir le faisceau incident qui tombe ainsi sur une face réfléchissante constamment renouvelée. Du fait de l'utilisation des multiples faces du miroir l'une après l'autre, on ne peut obtenir des mouvements de balayage successifs rigoureusement identiques qu'au prix d'un usinage mécanique et optique extrêmement précis du miroir, donc très coûteux. Toutes les faces d'un tel miroir doivent en effet présenter un angle rigoureusement constant par rapport à l'axe de rotation et l'une par rapport à l'autre, ce qui est difficilement réalisable et économiquement très onéreux. La présente invention a pour but de proposer un dispositif qui permette, à peu de frais, de faire subir à un faisceau collimaté des mouvements de translation transversale rapides et de haute précision, de manière stable et parfaitement reproductible. A cet effet, dans un dispositif selon l'invention, l'ensemble des faces réfléchissantes fixes et mobiles est agencé, et l'angle de rotation des faces réfléchissantes mobiles est limité, de façon que, pendant le fonctionnement du dispositif, le faisceau rencontre toujours les mêmes faces réfléchissantes, dans le même ordre. I1 a été démontré que, dans un dispositif ainsi conçu, les erreurs angulaires dues aux imperfections géométriques de positionnement des faces réfléchissantes d'une paire mobile et de l'axe de rotation correspondant ont une influence nulle, ou tout au plus du second ordre, sur la qualité des déplacements de translation du faisceau émergent et sur le respect de sa direction. Par contre, dans les dispositifs de l'art antérieur, comportant un miroir à multiples faces défilant devant le faisceau incident, l'influence de certaines erreurs angulaires sur la qualité du déplacement du faisceau est du premier ordre. Le nouveau dispositif procure ainsi un gain de qualité. On a établi en outre que, dans celui-ci, les tolérances d'alignement et de centrage de l'axe de rotation par rapport aux faces réfléchissantes mobiles correspondantes n'étaient pas critiques. Cela permet de simplifier les usinages optiques et mécaniques de ses éléments et de faciliter leur montage, donc de diminuer notablement les coûts. Les faces réfléchissantes mobiles d'une même paire peuvent faire entre elles un angle quelconque nul ou éventuellement non nul. Un angle nul signifie que les faces sont parallèles entre elles, éventuellement confondues l'une avec l'autre en une même face réfléchissante que le faisceau rencontre deux fois. De préférence, le mouvement de rotation des faces réfléchissantes mobiles d'une paire est commandé par un dispositif de positionnement piloté et adressable, de préférence électroniquement. Le pilotage de la translation infligée au faisceau permet de réaliser un balayage avec des vitesses et des amplitudes choisies; la possibilité d'adressage autorise n'importe quel déplacement déterminé du faisceau à l'aide du dispositif, en particulier lorsqu'il est utilisé comme dispositif de centrage. Un dispositif selon l'invention peut ne comprendre qu'une paire de faces réfléchissantes mobiles, dont la rotation autour de son axe permet d'imprimer au faisceau un mouvement de translation dans un plan perpendiculaire audit axe. On peut aussi prévoir deux paires de faces réfléchissantes mobiles, dont la rotation autour de leurs axes respectifs permet d'imprimer au faisceau des mouvements de translation dans deux plans respectivement perpendiculaires auxdits axes, suivant deux directions transversales croisées. En pratique, suivant les besoins, les faces réfléchissantes fixes peuvent être agencées de façon que le parcours du faisceau à l'intérieur du disposition s'effectue soit dans le plan d'incidence du faisceau à l'entrée du dispositif, soit sensiblement dans un plan transversal par rapport à la direction de propagation du faisceau à l'entrée du dispositif. Les mouvements de rotation des faces réfléchissantes mobiles s'accompagnent de variations de la longueur du chemin optique que doit parcourir le faisceau à l'intérieur du dispositif. Il en résulte que le faisceau émergent subit non seulement une translation latérale, mais aussi une translation axiale. Cette dernière se traduit, lorsque le faisceau mis en oeuvre est un faisceau laser continu, par un déphasage dont la valeur, comme celle de la translation latérale, est entièrement déterminée par l'angle de rotation des faces réfléchissantes mobiles. Ces propriétés offrent la possibilité d'utiliser, sur des faisceaux continus, le dispositif décrit comme - système d'analyse, par balayage, d'intensité de faisceau en l'associant à un simple détecteur de signal, - système d'analyse de front d'onde en le couplant à un détecteur écartométrique, ou - système d'analyse de phase en le couplant à un interféromètre. Ainsi, en lui associant un détecteur optique approprié, le dispositif permet d'effectuer l'analyse spatiale, portant sur la répartition de l'énergie, ou temporelle, portant sur la répartition de la phase, d'un faisceau laser à émission continue. Le dispositif, du fait qu'il permet d'introduire un déphasage contrôlé, peut encore être utilisé pour adapter, modifier ou compenser une longueur optique (longueur d'une cavité laser par exemple). I1 peut être associé à un montage d'optique cohérente pour en faire varier les caractéristiques et permettre de ce fait une utilisation différente (par défilement de modes d'un interféromètre ou d'une cavité, par déplacement de franges, etc). D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, en regard des dessins annexés, d'exemples de réalisation non limitatifs. Les figures 1 et 2 représentent schématiquement un dispositif selon l'invention dans une première version et une deuxième version permettant d'obtenir une translation dans une direction transversale. Les figures 3 et 4 représentent l'objet de la figure 2 vu suivant les flèches III et IV. La figure 5 représente schématiquement une troisième version du dispositif, permettant d'obtenir une translation dans deux directions transversales croisées. Les figures 6 et 7 représentent schématiquement une quatrième et une cinquième version du dispositif, permettant d'obtenir une translation dans une direction transversale avec un miroir mobile à une seule face réfléchissante. Dans le dispositif optique représenté à la figure 1, les rayons lumineux se propagent dans un plan P unique qui est le plan du dessin. Ce dispositif comprend un miroir M à deux faces planes réfléchissantes M1, M4 parallèles, mobile en rotation autour d'un axe X parallèle à ses faces M1, M4 et perpendiculaire au plan P. I1 comprend en outre deux miroirs plans fixes M2, M3 dont les faces réfléchissantes respectives sont perpendiculaires au plan P.Ces miroirs sont disposés de façon qu'un rayon incident E, frappant la face M1 du miroir M sous un angle d'incidence 8 voisin de 450, soit réfléchi suivant un rayon 1, lequel est réfléchi par le miroir M2 suivant un rayon 2, lui-même réfléchi par le miroir M3 suivant un rayon 3 qui frappe la seconde face M4 du miroir M et est réfléchi par celle-ci suivant un rayon de sortie S perpendiculaire (dans le présent exemple) au rayon incident E. Si l'on fait tourner, à l'aide d'un dispositif d'entraînement adressable auquel il est couplé, le miroir M d'un petit angle suivant un rayon Id, qui se poursuit par réflexions successives en des rayons 2d, 3d et Sd. Du fait qu'il y a un nombre pair (deux en l'occurrence) de réflexions entre la première et la deuxième réflexion sur le miroir M, cette dernière compense totalement la rotation d'angle 2 résultant de la première réflexion sur la face M1 du miroir M, de sorte que le nouveau rayon de sortie Sd est parallèle au rayon de sortie initial S. Ainsi, en faisant tourner le miroir M, on obtient, à partir d'un rayon incident E fixe, un rayon émergent S qui se déplace parallèlement à lui-même en un mouvement de translation T dans le plan P. Lorsque l'angle est petit, le décalage latéral du rayon de sortie Sd par rapport au rayon S est voisin de 2c En outre, le chemin optique, compté jusqu'à une surface d'onde, perpendiculaire au rayon émergent, subit une variation à laquelle correspond un "déplacement axial" du rayon et dont l'expression possède un terme du premier ordre de 2 i.e.sin 30; ce terme peut, si nécessaire, être rendu aussi faible qu'on le désire par le choix de 80. La variation de chemin optique est dans tous les cas totalement déterminée par les paramètres du dispositif et n'est pas directement liée à la translation transversale. Elle peut donc être utilisée pour introduire une variation de phase controlée. Cette propriété peut trouver application dans certains montages d'optique cohérente pour en faire varier les caractéristiques. La position de chacun des deux miroirs MI, M2 est réglable au moyen de dispositifs du type trait-point-plan, qui permettent de régler la direction et la position du rayon émergent S. Le dispositif optique représenté à la figure 2 permet d'obtenir également un rayon de sortie S se déplaçant parallèlement à lui-même par rotation autour d'un axe X d'un miroir M à deux faces réfléchissantes M1, M6 parallèles; toutefois, ce rayon de sortie est parallèle, et non plus perpendiculaire, au rayon incident E. Ce dernier, rencontrant la première face M1 du miroir M sous une incidence moyenne de 450, s'y réfléchit suivant un rayon 11 qui donne naissance, par des réflexions successives sur quatre miroirs M2, M3, M4, M5, dont les faces réfléchissantes planes sont sensiblement parallèles à la direction du rayon E, à des rayons 12, 13, 14, 15, ce dernier, de même direction que le rayon 11, venant frapper la seconde face M6 du miroir M en un point K voisin du point d'incidence I du rayon E.Etant donné qu'il y a un nombre pair (quatre ici) de réflexions entre les passages du rayon lumineux aux points I et K, le rayon 15 se réfléchit en un rayon de sortie S qui reste parallèle à lui-même (et au rayon incident E) lorsque le miroir M pivote autour de son axe X, animé d'un mouvement de translation T dans un plan perpendiculaire à l'axe X. Si l'on désire que, le miroir M étant dans sa position moyenne, le rayon S se trouve dans le prolongement du rayon E malgré l'épaisseur du miroir M, on peut, comme montré à la figure 3, donner une légère obliquité en sens opposés aux paires de miroirs M2, M3 et M4, M5, leurs intersections respectives 23, 45 cessant d'être parallèles à la direction commune des rayons E et S. On voit également sur la figure 2 que, grâce au choix d'un angle d'incidence moyen 8 égal à 450, les rayons intermédiaires 11 à 15 se propagent transversalement suivant des directions sensiblement perpendiculaires à la direction des rayons E et S, de sorte que l'ensemble du dispositif optique occupe une faible longueur dans cette direction et peut être contenu dans un boîtier d'encombrement réduit. Cette propriété présente un intérêt particulier lorsque on utilise deux dispositifs optiques croisés juxtaposés l'un derrière l'autre pour obtenir un mouvement de balayage bidimensionnel du rayon émergent selon deux directions perpendiculaires. Dans ce dispositif, deux miroirs fixes au moins sont réglables. Il est préférable, pour simplifier le réglage itératif de la position du rayon émergent S moyen, de rendre réglable les miroirs M2 et M5 qui sont respectivement le plus éloigné et le plus proche de la face de sortie M6 du miroir mobile M. La figure 4 illustre l'application du dispositif de la figure 3 à un faisceau collimaté FE tel qu'un faisceau laser. A ce faisceau incident correspond un faisceau émergent FS colinéaire lorsque le miroir M est en position moyenne, ou à un faisceau FSd décalé latéralement si l'on fait tourner le miroir M d'un petit angle . Oc Typiquement, dans cet exemple, pour un faisceau de diamètre utile D, on choisit une amplitude de translation T totale et une distance de garde des bords du miroir M toutes deux égales à D, comme représenté. Dans ces conditions, on parvient à un dispositif optique dont l'encombrement total a une épaisseur égale à 4D, une largeur égale à 12D et une hauteur égale à 8D, le diamètre D pouvant être de 10 mm.Dans un dispositif ainsi dimensionné, la longueur totale du parcours du faisceau entre la première façe M1 et la seconde face M6 du miroir M est de l'ordre de 25D. L'amplitude totale de la translation T, égale à D, est donc obtenue par une déflexion du faisceau, après réflexion sur la première face MI du miroir M, égale à D/25D = 1/25 radian, ce qui est réalisé par rotation du miroir M d'un angle de 1/50 radian, soit voisin de 10. On peut obtenir un mouvement de translation bidimensionnel non seulement en juxtaposant en cascade deux dispositifs tels que décrits précédemment, disposés suivant des orientations croisées, mais encore à l'aide d'un dispositif combiné fournissant directement deux directions de translation croisée T, T' (figure 5). Ce dispositif comprend un miroir à double face M semblable à celui de la figure 2 qui peut pivoter d'un petit angle autour d'un axe X parallèle aux plans de ses faces M1, M6 et dont la première face M1 réfléchit un rayon incident E en un rayon 21. Ce rayon constitue le rayon incident d'un dispositif semblable à celui de la figure 1, qui comprend un miroir mobile M', pouvant pivoter d'un petit angle Oc' autour d'un axe X' parallèle au rayon E, et deux miroirs fixes M'2, M'3, l'ensemble fournissant, à partir du rayon 21 réfléchi suivant des rayons intermédiaires 22, 23, 24, un rayon 25 perpendiculaire aux rayons E et 21, qui peut se déplacer en un mouvement de translation t' parallèlement à lui-même dans un plan perpendiculaire à l'axe X'.Le rayon 25 rencontre alors un miroir M34 qui le réfléchit suivant un rayon 26, lui-même réfléchi par un miroir M5 suivant un rayon 27 dirigé vers la seconde face M6 du miroir M, parallèlement au rayon 21, de la même manière que, dans le dispositif de la figure 2, les rayons 15 et 11 se propagent parallèlement entre eux de part et d'autre du miroir M. Comme dans le cas de la figure 2, il y a un nombre pair de réflexions, savoir ici six réflexions, entre les rayons 21 et 27 partant du miroir M et revenant sur celui-ci, de sorte que l'angle de déviation 2 du rayon 27 est compensé par réflexion sur la seconde face M6 du miroir M et que le rayon émergent S reste parallèle à lui-même et au rayon incident E.Finalement, ce rayon S peut être soumis, si l'on fait pivoter les miroirs M et M', à une translation T dans un plan perpenduculaire à l'axe de rotation X du miroir M et à une translation croisée T' dans un plan parallèle à l'axe de rotation X' du miroir M' et perpendiculaire au plan d'incidence du rayon E sur le miroir M. On notera que, dans le dispositif à double translation croisée de la figure 5, les rayons réfléchis intermédiaires se propagent tous dans un plan sensiblement perpendiculaire à la direction des rayons incident et émergent E, S, de sorte que le dispositif offre, comme celui de la figure 2, une faible épaisseur dans cette direction. Ainsi, avec le dispositif dans la version de la figure 5, qui met en oeuvre deux miroirs mobiles indépendants M, M', on crée un rayon (ou faisceau) de sortie S de même direction que le rayon (ou faisceau) incident E et, déplaçable en translation selon deux directions croisées T, T' tout en n'utilisant que quatre miroirs fixes, dont, comme dans le cas de la version de la figure 2, il suffit que deux soient réglables pour permettre d'ajuster la position du rayon émergent S. Dans les exemples de réalisation présentés ci-dessus, les miroirs mobiles possèdent deux faces réfléchissantes parallèles. Elles pourraient également faire un angle non nul, ou encore être confondues en une même face réfléchissante, celle-ci devant alors être rencontrée à deux reprises par le rayon lumineux. Les figures 6 et 7 montrent deux exemples correspondant à ce dernier cas. Le dispositif de la figure 6 est semblable à celui de la figure 1; toutefois, le miroir M à deux faces parallèles MI, M4 est remplacé par un miroir Mo à une seule face M14. Le rayon incident E tombe sur cette face, qui le réfléchit en un rayon 1 vers les miroirs M2 et M3 pour revenir en un rayon 3 sur la face M14 du miroir Mo et émerger enfin en un rayon de sortie S animé d'un mouvement de translation latérale T lorsque le miroir Mo tourne d'un petit angle autour de son axe X. Dans le dispositif de la figure 6, les miroirs M2, M3 sont disposés de façon que les rayons réfléchis 1, 2, 3, S demeurent dans le plan d'incidence du rayon E. Une autre disposition est montrée à la figure 7, où le premier miroir intermédiaire M2 est orienté pour rabattre le rayon réfléchi 2 parallèlement à l'axe de rotation X du miroir Mo, tandis que le deuxième miroir renvoie ce rayon vers ledit axe, en un rayon 3, qui se réfléchit de nouveau sur le miroir Mo pour donner naissance au rayon de sortie S qui émerge parallèlement au rayon E, mais à distance de celui-ci. Revendications 1. Dispositif optique permettant d'imprimer à un faisceau lumineux collimaté un mouvement de translation parallèlement à lui-même, comprenant au moins une paire de faces réfléchissantes solidaires l'une de l'autre et mobiles en rotation autour d'un axe parallèle aux plans de ces faces, sur lesquelles le faisceau se réfléchit successivement, ainsi que des faces réfléchissantes fixes qui infligent au faisceau un nombre pair de réflexions intermédiaires, caractérisé par le fait que l'ensemble des faces réfléchissantes fixes et mobiles est agencé, et 11 angle de rotation des faces réfléchissantes mobiles est limité, de façon que, pendant le fonctionnement du dispositif, le faisceau rencontre toujours les mêmes faces réfléchissantes, dans le même ordre. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les faces réfléchissantes mobiles d'une même paire sont parallèles entre elles. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les faces réfléchissantes mobiles d'une même paire sont confondues. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les faces réfléchissantes mobiles d'une même paire font entre elles un angle non nul. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que le mouvement de rotation des faces réfléchissantes mobiles d'une paire est commandé par un dispositif de positionnement piloté et adressable, de préférence électroniquement. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait qu'il ne comprend qu'une paire de faces réfléchissantes mobiles, dont la rotation autour de son axe permet d'imprimer au faisceau un mouvement de translation dans un plan perpendiculaire audit axe. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait qu'il comprend deux paires de faces réfléchissantes mobiles, dont la rotation autour de leurs axes respectifs permet d'imprimer au faisceau des mouvements de translation dans deux plans respectivement perpendiculaires auxdits axes, suivant deux directions transversales croisées. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que les faces réfléchissantes fixes sont agencées de façon que le parcours du faisceau à l'intérieur du dispositif s'effectue dans le plan d'incidence du faisceau à l'entrée du dispositif. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que les faces réfléchissantes fixes sont agencées de façon que le parcours du faisceau à l'intérieur du dispositif s'effectue sensiblement dans un plan transversal par rapport à la direction de propagation du faisceau à l'entrée du dispositif. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait que lui est associé un détecteur optique approprié à des fins d'analyse spatiale, portant sur la répartition de l'énergie, ou temporelle, portant sur la répartition de la phase, d'un faisceau laser à émission continue. 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait qu'il est associé à un montage d'optique cohérente dont, par introduction d'un déphasage contrôlé, il permet de faire varier les caractéristiques.