Brevet FR2692683A1 — publié le 19931224

DESCRIPTION Domaine technique La présente invention a pour objet un dispositif en optique intégrée pour le contrôle de la focalisation et de la position d'une image Elle trouve une application privilégiée dans l'enregistrement magnéto-optique o elle permet de perfectionner10 les têtes de lecture Mais elle peut être également utilisée hors de cette technique, pour la réalisation de capteurs de déplacement. Etat de la technique antérieure On connaît des dispositifs de contrôle de la focalisation d'une image qui comprennent essentiellement une lentille astigmatique et un photodétecteur à quatre quadrants Ce photodétecteur20 est disposé entre la focale sagittale et la focale tangentielle de la lentille, dans un plan perpendiculaire à l'axe optique de celle-ci Si l'image examinée est correctement focalisée, l'image sur le photodétecteur est circulaire et éclaire25 uniformément les quatre quadrants Si, au contraire, l'image est défocalisée, elle se trouve plus proche de la focale sagittale ou de la focale tangentielle, ce qui privilégie deux quadrants du photodétecteur aux dépens des deux autres En mesurant la somme30 des signaux délivrés par deux quadrants diagonalement opposés et en faisant la différence de ces sommes, on obtient un signal qui reflète la défocalisation. Un tel dispositif peut non seulement servir au contrôle de la focalisation d'une image, c'est-à-dire au contrôle de sa position longitudinale le long d'un axe, mais aussi à contrôler sa position transversale, c'est-à-dire dans un plan perpendiculaire à l'axe optique de la lentille Pour cela, on regroupe autrement les signaux délivrés par les quatre quadrants, par exemple en faisant la somme des signaux délivrés par les deux quadrants situés au-dessus de l'horizontale ainsi que la somme des signaux délivrés par les deux quadrants en dessous et en formant la différence de ces sommes Cette différence donne l'écart de position. Si ces dispositifs sont satisfaisants à certains égards, ils présentent néanmoins l'inconvé- nient de ne pas pouvoir être employés dans un dispo- sitif en optique intégrée En effet, dans cette techni- que particulière, toutes les fonctions de guidage, de focalisation, de collimation, etc sont mises en oeuvre dans un même plan, qui est celui des couches minces utilisées On perd ainsi une dimension, qui est la dimension transversale perpendiculaire à l'axe optique général On ne peut donc plus utiliser le système de l'art antérieur puisque celui-ci nécessite un ensemble de quatre détecteurs répartis justement dans le tel plan transversal. Pour mieux comprendre la spécificité de l'optique intégrée, un exemple de tête de lecture réalisée dans cette technique est illustré sur la figure 1 annexée Cette tête est décrite dans le document FR-A-2 606 921. Tel que représenté, le dispositif comprend une structure de guidage 20 comportant un substrat 22, par exemple en silicium, une première couche 24, par exemple en silice Si O 2 d'indice 1,45, une seconde couche 26, par exemple en Si 3 N 4 d'indice 2 et une troisième couche 28, par exemple en Si O 2 d'indice 1,45 L'épaisseur des première et troisième couches est de l'ordre de 1,5 à 3 pim Celle de la couche inter- calaire de l'ordre de 0,1 à 0,2 j M. Par l'effet de ces différents indices, une onde lumineuse peut être guidée dans la couche 26. Le dispositif représenté sur la figure 1 comprend encore une source lumineuse S et divers composants intégrés, à savoir, un polariseur P, une optique de collimation constituée par un miroir cylin- drique M Pl à section parabolique, une optique de foca- lisation constituée par un miroir cylindrique à section parabolique MP 2, un réseau convertisseur de polari- sation RCP, un miroir M placé sur le trajet du faisceau diffracté par le réseau RCP, une lame semitransparente LS et enfin un photodétecteur D intégré ou non à la structure de guidage. Le faisceau lumineux issu d'un tel dispo- sitif vient frapper un support 10, qui est un support d'enregistrement magnétique La tache lumineuse I marque la zone d'impact du faisceau sur ce support. Le fonctionnement de ce dispositif est complètement décrit dans le document FR-A-2 606 921 précité Il suffit d'observer ici que si l'on veut contrôler l'image I (en focalisation et en position), on ne pourra pas utiliser le dispositif de contrôle connu puisque toute l'information optique se trouve confinée dans un seul plan, en l'occurrence le plan des couches 24, 26, 28 Aucune information n'est donc présente dans un plan traversal, o il faudrait placer le photodétecteur à quatre quadrants. La présente invention a justement pour but de remédier à cet inconvénient en proposant un dispositif de contrôle de la focalisation et/ou de la position, qui est réalisé en optique intégrée. Grâce à cette structure particulière l'invention peut s'insérer aisément dans une tête de lecture telle que celle qui vient d'être décrite Naturellement, cette application n'interdit pas une utilisation auto- nome en tant que capteur de position. Exposé de l'invention La présente invention propose un dispositif comprenant essentiellement quatre moyens de photo- détection disposés dans le plan d'une structure de guidage (en d'autres termes, dans le plan longitu- dinal et non plus dans un plan transversal perpendi- culaire à l'axe optique). De façon plus précise, le dispositif de l'invention est caractérisé par le fait qu'il comprend une structure de guidage en optique intégrée, comprenant un substrat et un empilement de couches minces de guida- ge, au moins une optique, dite de focalisa- tion, intégrée à la structure de guidage, cette optique ayant un axe optique, une distance focale et un foyer, quatre moyens de mesure de l'intensité lumineuse reçue en quatre points, ces quatre points étant situés dans un même plan passant par l'axe optique et paral- lèle à la structure de guidage, ces quatre points étant répartis autour du foyer de l'optique, deux de ces points étant disposés de part et d'autre de l'axe optique à une distance de l'opacque inférieure à la distance focale et les deux autres disposés également de part et d ' autre de l'axe optique mais à une distance de l'optique supérieure à la distance focale, des moyens pour faire une première somme des intensités mesurées en un premier couple de points, pour faire une seconde somme des intensités mesurées en un second couple de points et pour faire la différence entre ces deux sommes, différence qui permet d'évaluer soit la position de l'image, soit sa focali- sation, selon les couples de points choisis. Les moyens de mesure peuvent être consti- tués soit par des photodétecteurs intégrés à la struc- ture, soit par des microguides optiques reliant les quatre points o a lieu la mesure à quatre photoré- cepteurs distants de ces points Dans ce dernier cas, les photorécepteurs peuvent être soit intégrés à, soit rapportés sur la structure de guidage. Lorsqu'il s'agit d'appliquer ce dispositif à une tête de lecture en optique intégrée, le contrôle de la position de l'image devient un contrôle du suivi de la piste d'enregistrement. Le dispositif peut comprendre une seule optique, de focalisation, ou deux optiques, la première de collimation et la seconde, de focalisation. Brève description des dessins la figure 1, déjà décrite, montre une tête de lecture en optique intégrée selon l'art antérieur; la figure 2 illustre le principe du dispositif de l'invention; la figure 3 illustre une variante à microguides; la figure 4 montre l'effet d'un décalage du faisceau par rapport à la piste; la figure 5 montre l'effet d'une défoca- lisation du faisceau; la figure 6 montre un exemple de tête de lecture magnéto-optique équipée d'un dispositif selon l'invention; la figure 7 illustre un mode de réali- sation avec un cinquième détecteur; la figure 8 illustre un mode de réali- sation avec un cinquième microguide; la figure 9 illustre un autre exemple de tête de lecture équipée d'un dispo- sitif selon l'invention, la figure 10 illustre une variante à une seule optique. Exposé détaillé de modes de réalisation On voit, sur la figure 2, une structure de guidage 30 avec un substrat 32, une première couche de confinement 34, une couche guide 36 et une seconde couche de confinement 38 Cette structure 30 peut être analogue à la structure 20 décrite plus haut à propos de la figure 1 Dans cette structure sont intégrés une première optique 01, ayant une fonc- tion de collimation, pour le faisceau lumineux provenant d'une image I; cette optique possède une focale f 1 et elle délivre un faisceau collimaté 41, une seconde optique 02, ayant une fonc- tion de focalisation, séparée de la première 01 d'une distance d et qui reçoit le faisceau collimaté 41; cette seconde optique possède un axe optique 42, un foyer 44 et une distance focale f 2; quatre photodétecteurs Dl, D 2, D 3, D 4 situés en quatre points Ml, M 2, M 3, M 4, tous situés dans le plan de la couche guide 36, un moyen 50 pour former diverses sommes et différences à partir des signaux délivrés par les quatre photodétecteurs. Comme on le voit sur la figure 2, les points M 2 et M 4 sont situés de part et d'autre de l'axe optique 42 et à une distance de l'optique 02 inférieure à la focale f 2 En revanche, les points Ml et M 3 sont situés au-delà du foyer 44, mais toujours symétriquement par rapport à l'axe 42 En d'autres termes, dans la variante illustrée, les points Ml, M 2, M 3, M 4 sont les sommets d'un rectangle dont le foyer 44 est le centre Mais d'autres dispositions sont possibles (en trapèze, par exemple, avec un écart entre M 2 et M 4 plus petit ou plus grand que l'écart entre Ml et M 3, ou encore en carré). Dans l'exemple de la figure 2, les photo- détecteurs proprement dits, Dl, D 2, D 3, D 4 sont "hybri- dés" sur la structure optique, c'est-à-dire rapportés sur celle-ci comme l'était le détecteur D de la tête illustrée sur la figure 1. Sur la figure 3 (o seule la seconde op- tique 02 est représentée), on voit un autre mode de réalisation o sont employés quatre microguides de reprise, M Gl, MG 2, MG 3, MG 4 dont une extrémité est placée aux points Ml, M 2, M 3, M 4 répartis comme exposé plus haut et l'autre extrémité est couplée à un photo- détecteur, respectivement Dl, D 2, D 3, D 4 Dans la variante illustrée, ces quatre photodétecteurs sont rapportés sur la tranche de la structure de guidage. Quelle que soit la variante mise en oeuvre, lorsqu'il s'agira de contrôler la focalisation, le circuit 50 formera d'abord la somme des signaux déli- vrés par les photodétecteurs Dl et D 3 et la somme des signaux délivrés par les photodétecteurs D 2 et D 4 Il effectuera ensuite la différence entre ces sommes, soit: SF = (Dl + D 3) (D 2 + D 4) o chaque signal est noté par la référence du photo- détecteur qui le délivre. Lorsqu'il s'agira de contrôler la position par rapport à la piste, le circuit 50 calculera le signal Sp donné par Sp = (D 2 + D 3) (Dl + D 4). La figure 4 montre l'effet d'une défocali- sation Le faisceau provenant de l'optique 02 converge soit avant, soit après le foyer 44, privilégiant ainsi soit le couple Dl, D 3, soit le couple D 2, D 4 Dans les deux cas, le signal SF se trouve déséquilibré, dans un sens ou dans l'autre (mais le signal Sp reste invariant). La figure 5 montre, de son côté, l'effet d'un décalage du faisceau par rapport à une position de référence (une piste dans le cas d'un enregistrement magnéto-optique) Le faisceau décalé dans un sens privilégie D 2 et D 3 et, dans l'autre, D 4 et Dl Dans les deux cas, le signal Sp est déséquilibré (mais le signal SF reste inchangé). De préférence, on choisira une distance focale f 2 pour la seconde optique plus grande que la distance focale f 1 de la première, car le signal de défocalisation varie comme le carré du rapport f 2/f 1 alors que le rapport des taches de diffraction varie seulement en f 2/fl. Le traitement des signaux peut être réalisé de plusieurs manières On peut, par exemple, numériser chaque signal délivré par un photodétecteur (et cela à l'aide d'un convertisseur analogique-numérique) et réaliser ensuite le traitement sous forme numérique à l'aide d'un microprocesseur On peut aussi traiter analogiquement les signaux délivrés par les photo- détecteurs à l'aide de circuits de type amplificateurs ou amplificateurs opérationnels. Le signal obtenu, qu'il mesure la défoca- lisation ou le défaut de position, peut constituer un signal d'erreur pour commander un activateur (galva- nométrique ou piézoélectrique ou de tout autre type) qui va déplacer les moyens optiques pour refocaliser la tache et/ou la recentrer. Le dispositif qui vient d'être décrit est parfaitement adapté aux structures en optique intégrée comme les têtes de lecture magnéto-optiques. il suffit de disposer, dans une telle tête, un moyen de prélèvement d'une partie du faisceau optique de retour et de réaliser le dispositif de contrôle autour de ce faisceau prélevé C'est ce qui est représenté sur la figure 6 o l'on retrouve une structure de guidage 20, comme sur la figure 1, avec une source S, un premier miroir MP 1, un second miroir MP 2 et un système interférométrique référencé de manière générale 50 et composé de lames semitransparentes et de miroirs Ce système alimente deux microguides 52 reliés à un détecteur D Cette tête comprend en outre, conformément à l'invention, une lame semitrans- parente 54, par exemple à 90 % de transmission et 10 % de réflexion, située entre M Pl et MP 2 Cette lame renvoie vers une optique 02 (en l'occurrence une len- tille) le faisceau qu'elle réfléchit et c'est sur ce faisceau que s'effectue le contrôle de focalisation et de position Dans ce cas, le miroir MP 2 constitue l'optique 02 du dispositif de contrôle. Dans l'exemple illustré, quatre microguides partent de quatre points répartis autour du foyer 44 pour alimenter quatre détecteurs Dl, D 2, D 3, D 4 rapportés en bout de structure 20. Le dispositif de l'invention n'exclut pas que l'on puisse mesurer en outre la puissance optique au foyer de l'optique 02 Pour cela, il suffit de placer en ce foyer un photodétecteur supplémentaire, comme illustré sur la figure 7 o l'on voit un cin- quième photodétecteur DO placé en un point MO proche du foyer 44. On peut aussi rejeter ce cinquième photo- détecteur au-delà du foyer comme illustré sur la figure 8 en utilisant un cinquième microguide MGO qui relie le point MO, proche du foyer 44, au détecteur DO inté- gré ou hybridé plus loin. Cette disposition permet encore d'adapter très simplement une tête de lecture en optique intégrée pour la munir de moyens de contrôle de la focalisation et de suivi de piste C'est ce qui est représenté sur la figure 9 o l'on voit une tête semblaole à il celle de la figure 6 mais o l'ensemble interférentiel est complété par des groupes de quatre microguides répartis autour de chacun des microguides MGO, MG'O servant à la lecture proprement dite. Dans cette variante, chaque dispositif de contrôle de focalisation et de suivi de piste tra- vaille avec le miroir MP 2 comme première optique 01 et avec le miroir 02 (respectivement O '2) de l'en- semble interférométrique, comme seconde optique. Sans que l'invention ne se limite en rien aux exemples qui vont suivre, on peut indiquer que les dimensions suivantes peuvent être adoptées le spot de lecture ou d'écriture peut présenter une taille d'environ 1 ym 2; la sensibilité à la focalisation est aussi de l'ordre du micron; la focale de la pre- mière optique 01 peut être de 50 ym; afin d'avoir une bonne sensibilité, on peut prendre comme focale de la seconde optique 02, environ 250 >im; un dépla- cement longitudinal du spot de 1 pm au niveau de la première optique correspond à un déplacement longitu- dinal du spot de 25 pm au foyer de la seconde optique; si la taille tranversale du spot au foyer de la premiè- re optique est de 1 Pm,, elle sera de 5 fm au foyer de la seconde, donc adaptée à des microguides monomodes de reprise; l'angle de divergence du faisceau éclaî- rant la première optique est de l'ordre de 20 degrés si l'on prend le cas standard; l'angle de convergence du faisceau après la seconde optique sera donc de 4 degrés. Le dispositif qui vient d'être décrit utilise deux lentilles, l'une de collimation, l'autre de focalisation pour être compatible avec une tête de lecture magnéto-optique telle que décrite dans le document FR-A-2 606 921. Cependant, dans le cas o le dispositif serait utilisé pour d'autres applications (comme par exemple un capteur de déplacement), une seule optique (lentille ou miroir hyperbolique) conjuguant les deux foyers serait suffisante pour assurer le fonctionnement du système. C'est ce qui est représenté sur la figure o l'on voit une seule lentille O recevant un fais- ceau d'un point 43 et focalisant ce faisceau au point 44 Les considérations développées plus haut sur le grandissement axial et le grandissement transversal restent valables Il suffit de remplacer fl par x et f 2 par x' ou x et x' sont marqués sur la figure 10. REVENDICATIONS 1 Dispositif en optique intégrée pour le contrôle de la focalisation et de la position d'une image (I), caractérisé par le fait qu'il comprend: une structure de guidage ( 20) en optique intégrée comprenant un substrat ( 22) et un empilement de couches minces de guidage ( 24, 26, 28), au moins une optique, dite de focalisa- tion ( 02), intégrée à la structure de guidage ( 20), cette optique ayant un axe optique ( 32), une distance focale (f 2) et un foyer ( 34), quatre moyens de mesure de l'intensité lumineuse reçue en quatre points (Ml, M 2, M 3, M 4), ces quatre points étant situés dans un même plan passant par l'axe optique ( 32) et parallèle à la structure de guidage ( 20), ces quatre points (Ml, M 2, M 3, M 4) étant répartis autour du foyer ( 34) de l'optique ( 02), deux de ces points (M 2, M 4) étant dispo- sés de part et d'autre de l'axe optique ( 32) à une distance de l'optique ( 02) inférieure à la distance focale (f 2) et les deux autres (Ml, M 3) disposés également de part et d'autre de l'axe optique ( 32) mais à une distance de la deuxième optique ( 02) supérieure à la distance focale (f 2), des moyens ( 40) pour faire une première somme ((D 2 +D 3) ou (Dl+D 3)) des intensités mesurées en un premier couple de points ((M 2, M 3) ou (Ml, M 3)), pour faire une seconde somme ((Dl+D 4) ou (D 2 +D 4)) des intensités mesurées en un second couple de points ((M 1, M 4) ou (M 2, M 4)) et pour faire la différence de ces deux sommes (Sp, SF), différence qui permet d'évaluer soit la position de l'image (Sp) soit sa focalisation (SF), selon les couples de points choisis. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'optique ( 02) est une lentille intégrée. 3 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'optique ( 02) est un miroir parabolique intégré. 4 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les quatre moyens de mesure de l'intensité reçue en quatre points sont constitués par quatre photodétecteurs (D 1, D 2, D 3, D 4) placés en ces quatre points (M 1, M 2, M 3, M 4). Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les quatre moyens de mesure de l'intensité reçue en quatre points sont constitués par: quatre microguides optiques (MG 1, MG 2, MG 3, MG 4) intégrés à la structure de guidage ( 20), chaque microguide ayant une extrémité en l'un des quatre points (M 1, M 2, M 3, M 4), quatre photodétecteurs (D 1, D 2, D 3, D 4) disposés respectivement aux autres extrémités des microguides (MG 1, MG 2, MG 3, MG 4). 6 Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que les quatre photodétecteurs (Dl, D 2, D 3, D 4) sont rapportés sur la structure de guidage ( 20). 7 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait qu'il est intégré dans une tête de lecture en optique inté- grée ( 20, S, P, MP 1, MP 2, RCP, LS, D), cette tête produisant un faisceau lumineux dirigé sur une piste d'un support d'enregistrement ( 10), l'image dont on veut contrôler la focalisation et la position étant l'image (I) produite par ce faisceau sur ladite piste ( 10) que l'on veut contrôler, le contrôle de position étant alors un contrôle de suivi de piste. 8 Dispositif selon la revendication 7, caractérisé par le fait que la tête de lecture en optique intégrée comprend une optique de collimation (MP 2) disposée à la sortie de la tête, le dispositif comprenant une autre optique, de collimation, qui est constituée par cette optique de collimation (MP 2) de la tête. 9 Dispositif selon la revendication 8, caractérisé par le fait qu'il comprend une lame sépa- ratrice ( 42) disposée entre l'optique de collimation ( 01) et l'optique de focalisation ( 02), cette lame séparatrice ( 42) prélevant une partie du faisceau collimaté provenant de l'optique de collimation ( 01). Dispositif selon la revendication 7, caractérisé par le fait que la tête de lecture comprend au moins un microguide supplémentaire (MGO) ayant une première extrémité située en un point (MO) coïncidant avec le foyer ( 34) de l'optique de focalisa- tion et une seconde extrémité couplée à un détecteur (DO).