Brevet FR2799844A1 — publié le 20010420

DISPOSITIF OPTIQUE DE COMMANDE, EN PARTICULIER DE MISE EN FORME, D'UN FAISCEAU DE LUMIÈRE COHÉRENTE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne un dispositif optique de commande, et en particulier, de mise en forme, d'un faisceau de lumière cohérente. L'invention se situe dans le domaine de l'optique diffractive et, dans un mode de réalisation particulier, constitue un dispositif reconfigurable. L'invention s'applique notamment à la mise en forme dynamique de faisceaux laser pour la génération d'images éventuellement holographiques ou l'obtention de signes graphiques tels que les logos pour le marquage d'objets. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE L'optique diffractive est une branche de l'optique dans laquelle on considère des composants optiques comportant des motifs ( patterns ) élémentaires dont les dimensions caractéristiques sont de l'ordre de grandeur de la longueur d'onde de la lumière avec laquelle on utilise ces composants. La forme particulière de ces derniers (en général la forme de leur surface) leur confère des propriétés intéressantes comme, par exemple, dans le cas des réseaux de diffraction ( diffraction gratings ) qui conduisent à une dispersion chromatique de la lumière. Cette dispersion peut également être mise à profit dans le cas des lentilles diffractives pour compenser la dispersion chromatique. Bien d'autres besoins peuvent être satisfaits par l'optique diffractive, comme la réalisation de microsystèmes optiques par intégration d'éléments de micro-optique. Très généralement, on recherche .la modification de la forme d'un faisceau lumineux pour : - la mise au point contrôlée d'un dispositif optique, - la commande de faisceaux laser par exemple pour le marquage par laser ou la formation de signes tels que les logos, et - la génération d'hologrammes dynamiques. Pour des questions d'efficacité de diffraction, les éléments d'optique diffractive sont souvent constitués par des objets de phase avec lesquels l'amplitude des ondelettes diffractées est conservée. Ces éléments d'optique diffractive sont souvent conçus à l'aide de calculs itératifs sur ordinateur, en particulier dans le cas des hologrammes engendrés par ordinateur ( computer generated holograms ), et sont réalisés dans des matériaux (comme par exemple le silicium) qui peuvent être gravés ou dans des matériaux (comme par exemple certaines matières plastiques) qui peuvent être estampés ( embossed ). Ces éléments d'optique diffractive sont fixes et, pour changer les conditions de diffraction, il faut changer ces éléments. Dans la présente invention, on s'intéresse en particulier à un moyen d'obtenir des dispositifs optiques diffractifs qui soient reconfigurables, c'est- à-dire dont la structure diffractive puisse être changée au cours du temps. De tels dispositifs sont adaptés à de nombreux besoins comme le contrôle dynamique de la mise au point de systèmes optiques ou la modification dynamique de la forme et/ou de la direction d'un faisceau laser utilisé par exemple pour l'enregistrement optique. On connaît déjà des dispositifs optiques diffractifs actifs , formés à partir de polymères photosensibles, par le document suivant : Switchable holograms in new photopolymerliquid crystal composite materials, Richard L. Sutherland et al., S. P.I.E. vol.2404, p.132 à 143. On connaît aussi des dispositifs optiques diffractifs actifs formés à partir de cristaux liquides, par les documents suivants : Switchable-focus lens in holographie polymer dispersed liquid crystal, L.H. Domash et al., S. P.I.E. vol.2689, p.188 à 194 Liquid crystal used in beam steering device, Optical processing and computing, vol.9 n 1 Smart spatial light modulators using liquid crystals on silicon, IEEE J. Quantum Electronics, 29(2), 699 (1993). Ces dispositifs optiques diffractifs actifs connus nécessitent la mise en #uvre de techniques qui sont peu compatibles avec les micro-systèmes optiques ou avec une grande intégration. Plus généralement, pour avoir des motifs de diffraction nombreux et très fins (de l'ordre de grandeur de la longueur d'onde de la lumière avec laquelle ils sont destinés à interagir), en vue de l'obtention d'une image de diffraction efficace, il faut réaliser des dispositifs d'une grande finesse de motif particulièrement difficiles à mettre en #uvre, dans le cas de motifs reconfigurables. EXPOSÉ DE L'INVENTION La présente invention a pour but de remédier à cet inconvénient en proposant un dispositif permettant d'obtenir, de façon plus simple que dans l'art antérieur, une image de diffraction efficace, susceptible de contenir un grand nombre de motifs très petits. Pour ce faire, l'invention transfère la complexité d'un objet diffractant à motifs de petite taille sur des moyens optiques multiplicateurs qui répètent une image d'un objet diffractant susceptible d'être très simple, afin d'obtenir un objet diffractant de grande taille et efficace pour atteindre une bonne finesse d'image. On comprend tout l'intérêt de l'invention dans le domaine des dispositifs reconfigurables car il suffit alors d'utiliser, en association avec les moyens optiques multiplicateurs, un objet diffractant reconfigurable et simple, que l'on est capable de fabriquer facilement, par exemple avec des techniques de micro-usinage du silicium. De façon précise, la présente invention a pour objet un dispositif optique, apte à commander, en particulier à mettre en forme, un faisceau de lumière cohérente, ce dispositif comprenant - un objet diffractant qui comporte un motif, ce dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens optiques multiplicateurs qui sont aptes à donner de l'objet diffractant, lorsque cet objet est éclairé par le faisceau de lumière cohérente, une image dans laquelle le motif de l'objet diffractant est répété plusieurs fois. L'objet diffractant est par exemple un élément d'optique diffractive. Cet élément d'optique diffractive peut être fixe ou, au contraire, reconfigurable (le dispositif étant alors lui-même reconfigurable). En tant qu'élément d'optique diffractive reconfigurable, on peut utiliser un système micro-opto- électro-mécanique ( micro-opto-electro-mechanical system ) que l'on appelle aussi un MOEMS. Au sujet des MOEMS on peut consulter le document suivant : Design and testing of polysilicon surfacemicromachined piston micromirror arrays, W. S. Cowan et al., SPIE vol.3292, p.60 à 70. En variante, l'élément d'optique diffractive reconfigurable est formé, par exemple par une technique de micro-usinage, dans un matériau semiconducteur comme par exemple le silicium, ou bien est formé d'une cellule à cristal liquide commandée électro-optiquement. Pour obtenir une diffraction en champ lointain, encore appelée diffraction de Fraunhofer, les moyens optiques multiplicateurs peuvent comprendre un réseau ( array ) de microlentilles dont le pas et la distance focale sont fixes et calculés pour obtenir l'effet multiplicateur souhaité. On peut munir le dispositif objet de l'invention d'une lentille principale placée entre l'objet diffractant et le réseau de microlentilles, à une distance de ce dernier égale à la somme de la distance focale de la lentille principale et de la distance focale des microlentilles. Cela permet de conserver des conditions de cohérence. En variante, pour obtenir une diffraction en champ lointain, les moyens multiplicateur peuvent comprendre un éclateur de faisceau ( beam fanout ) réalisé en optique diffractive. Pour obtenir une diffraction en champ proche, encore appelée diffraction de Fresnel, on peut munir le dispositif d'une lentille de focalisation de la lumière issue des moyens optiques multiplicateurs ou utiliser des moyens optiques multiplicateurs comprenant un réseau de microlentilles dont le pas et la distance focale sont variables ou même utiliser des moyens optiques multiplicateurs comprenant un éclateur de faisceau prévu pour fournir une image de diffraction en champ proche. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de-réalisation donnés ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels : # la figure 1 est une vue de face schématique d'un exemple d'élément d'optique diffractive, # la figure 2 illustre schématiquement la répartition d'intensité en champ lointain correspondant à l'élément de la figure 1, # la figure 3 est une vue de face schématique d'un autre exemple d'élément d'optique diffractive, # la figure 4 illustre schématiquement la répartition d'intensité en champ lointain correspondant à l'élément de la figure 3, # la figure 5 est une vue schématique d'un mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention, # la figure 6 est une vue schématique d'un autre mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention et # la figure 7 est une vue schématique d'encore un autre mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS On rappelle que les phénomènes de diffraction sont divisés en deux catégories : - les phénomènes de diffraction en champ proche ou phénomènes de diffraction de Fresnel et - les phénomènes de diffraction en champ lointain ou phénomènes de diffraction de Fraunhofer. On considère tout d'abord les modes de réalisation particuliers de l'invention correspondant à une diffraction en champ lointain. On connaît des éléments d'optique diffractive pour la diffraction en champ lointain. A ce sujet on se reportera au document suivant : Micro-optics, Hans Peter Herzig, Taylor & Francis, ISBN 0-7484-0481-3, p.314. Ces éléments comprennent un réseau de diffraction à motif périodique comme cela est schématiquement illustré sur les figures 1 et 3. Dans le cas de la figure 1 on voit un motif périodique gravé 2 qui est calculé pour obtenir la répartition d'intensité dans le champ lointain que l'on voit sur la figure 2 où l'image obtenue est représentée dans un repère x, y. La figure 3 montre un autre motif périodique gravé 4 qui est calculé pour obtenir la répartition d'intensité dans le champ lointain que l'on voit sur la figure 4 où l'image obtenue est également représentée dans un repère x, y. C'est principalement la répartition de phase dans le motif élémentaire (qui est répété dans les motifs 2 et 4) qui définit la distribution du champ lointain. La dimension totale de l'élément d'optique diffractive n'influence que la finesse de l'image dans le champ lointain. En cela il existe une analogie avec la transformation de Fourier. La figure 5 est une vue schématique d'un mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention. Le dispositif de la figure 5 comprend un objet diffractant qui forme un élément de phase 6. Il s'agit par exemple d'un MOEMS auquel cas le dispositif est reconfigurable. A titre purement indicatif et nullement limitatif, ce MOEMS comprend 256x256 éléments sur une surface environ égale à 1 cm2. Le dispositif de la figure 5 comprend aussi un réseau ( array ) 8 de microlentilles 10 qui permet la répétition périodique du motif de l'élément de phase 6. Sur la figure 5 les axes respectifs des microlentilles 10 ont la référence X. Ces axes X sont parallèles les uns aux autres. De plus, on note Y l'axe optique du dispositif. On a en outre représenté l'image aérienne 12 de l'élément de phase 6 qui est fournie par le réseau de microlentilles lorsque l'élément de phase 6 est éclairé par un faisceau de lumière cohérente F. Par image aérienne on entend une image réelle, non visible mais susceptible d'être matérialisée si nécessaire (par opposition à une image virtuelle qui est non réelle et qui ne peut pas être matérialisée). On voit que cette image aérienne 12 est un ensemble de motifs 14 correspondant chacun au motif de l'élément de phase 6. De plus, dans l'image fournie par le réseau de microlentilles, les motifs 14 ont une taille inférieure à celle du motif de l'élément de-phase 6. Le dispositif de la figure 5 comprend aussi une lentille principale 16 qui est disposée entre le réseau 8 de microlentilles et l'élément de phase 6. Le réseau de microlentilles est en position de Fourier par rapport à cette lentille principale 16. Cela signifie que la distance entre le réseau de microlentilles et cette lentille principale est égale à la somme de la distance focale de cette lentille principale et de la distance focale commune aux microlentilles. Sur la figure 5 l'angle de diffraction correspondant à l'élément de phase 6 est noté [alpha]. L'angle de diffraction (3 à la sortie du réseau 8 de microlentilles est supérieur à l'angle a. Le réseau de microlentilles et la lentille principale permettent donc une multiplication de l'angle de diffraction dans le rapport des distances focales. Le dispositif optique conforme à l'invention, qui est représenté sur la figure 5, permet d'engendrer l'image d'un objet diffractant de manière simple et avec un bon rendement de diffraction. On rappelle que ce rendement de diffraction est le rapport de la puissance lumineuse dans les directions de diffraction par rapport à l'ordre de diffraction 0 c'est-à-dire par rapport à la lumière non diffractée. Ce rendement diffraction dépend de la taille des motifs élémentaires de l'objet diffractant ou de l'image de ce dernier. Il est d'autant meilleur que cette taille est proche de la longueur d'onde de la lumière qui interagit avec l'objet diffractant. Le dispositif de la figure 5 permet justement de réduire la taille du motif de l'élément de phase 6 et de répéter ce motif pour disposer d'une image à nombreux petits motifs. Ainsi, dans la présente invention, à partir d'un objet diffractant initial relativement simple, comprenant peu de motifs élémentaires et donc intrinsèquement à faible efficacité de diffraction on est capable d'engendrer par réplication optique une image qui, quant à elle, offre une bonne efficacité de diffraction. On reporte donc la complexité d'un objet diffractant sur le réseau de microlentilles. Il convient de noter qu'un tel réseau de microlentilles est maintenant un composant commun. La configuration utilisée (configuration en position de Fourier) permet une restitution de conditions cohérentes de diffraction en champ lointain. La figure 6 est une vue schématique d'un autre exemple du dispositif objet de l'invention. Ce dispositif de la figure 6 comprend encore l'élément de phase 6 utilisé dans le dispositif de la figure 5. On note encore Y l'axe optique du dispositif de la figure 6. Ce dispositif comprend en outre un éclateur de faisceau ( beam fanout ) 18 qui est réalisé en optique diffractive. Cet éclateur de faisceau 18-est utilisé pour la répétition du motif de l'élément de phase 6 (motif de phase). On voit encore l'image aérienne 12 qui est fournie par cet éclateur de faisceau lorsque l'élément 6 est éclairé par un faisceau laser F. Cette image aérienne est formée d'un grand nombre de motifs élémentaires 14 qui sont des répliques du motif de l'élément de phase 6 mais ont une taille inférieure à celle de cet élément 6. On note encore l'amplification de l'angle de diffraction : l'angle P de diffraction obtenu à la sortie de l'éclateur de faisceau 18 est nettement supérieur à l'angle [alpha] de diffraction obtenu à la suite de l'élément de phase. Un dispositif optique conforme à l'invention, plus complet que celui de la figure 5, est schématiquement représenté sur la figure 7. Dans l'exemple de la figure 7 (comme d'ailleurs dans les exemples des figures 5 et 6) il s'agit d'un dispositif optique fonctionnant par réflexion. Il convient toutefois de noter que l'invention pourrait être mise en #uvre avec un dispositif fonctionnant par transmission. Dans ce cas, on utiliserait un objet diffractant apte à transmettre et diffracter un faisceau laser incident. Le dispositif de la figure 7 résulte de l'addition d'une lame séparatrice 20 au dispositif représenté sur la figure 5. Cette lame est placée=en regard du réseau de microlentilles 8. On peut utiliser d'autres moyens de séparation comme par exemple un prisme. La flèche F de la figure 7 représente le faisceau lumineux de lumière cohérente (faisceau laser) avec lequel on éclaire l'élément de phase 6. Ce faisceau se propage suivant l'axe Y et traverse successivement la lame séparatrice 20, le réseau de microlentilles 8 et la lentille principale 16 pour interagir avec l'élément de phase 6. La lumière diffractée par ce dernier est récupérée par la lentille principale 16 puis atteint le réseau de microlentilles 8. La flèche Fl représente la lumière issue du réseau de microlentilles après réflexion de cette lumière sur la lame séparatrice 20. La lame séparatrice 20 permet de récupérer la lumière Fl en la séparant du faisceau incident F. La lame 20 peut être remplacée par un séparateur de polarisation. Des lames quart d'onde non représentées peuvent être ajoutées au dispositif de la figure 7 pour changer l'état de polarisation de l'onde entre F et FI. La lame 20 doit alors être sensible aux deux états de polarisation orthogonaux de la lumière. L'élément de phase utilisé dans les dispositifs des figures 5 à 7 peut comporter une structure micromécanique pour être reconfigurable. Il est avantageusement obtenu grâce aux techniques d'usinage du silicium pour former un MOEMS. Ce MOEMS peut être activé grâce à toutes sortes d'actionneurs, par exemple les actionneurs à force électrostatique, les actionneurs magnétiques, les actionneurs thermiques ou les actionneurs hydrauliques. Un dispositif conforme à l'invention peut être utilisé pour former un projecteur d'images, par exemple un projecteur de logos. Dans ce cas on exploite préférentiellement l'un des ordres de diffraction du dispositif. Pour la mise en #uvre d'une diffraction en champ proche on peut munir le dispositif de la figure 5 ou le dispositif de la figure 6 d'une lentille de focalisation 22 (voir figure 7) que l'on place alors en aval du dispositif. Dans l'exemple de la figure 7 cette lentille 22 est disposée sur le trajet du faisceau FI en regard de la lame 20 et parallèlement à l'axe optique Y. Pour mettre en #uvre une diffraction en champ proche, on peut aussi utiliser un réseau de microlentilles dont le pas et la longueur focale sont variables et calculés pour reconstituer un front d'onde convergent. Au lieu de cela, on peut utiliser un éclateur de faisceau optimisé pour assurer une fonction analogue à celle d'un réseau de microlentilles à pas et focale variables. REVENDICATIONS 1. Dispositif optique, apte à commander, en particulier à mettre en forme, un faisceau (F) de lumière cohérente, ce dispositif comprenant un objet diffractant (6) qui comporte un motif, ce dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens optiques multiplicateurs (8,18) qui sont aptes à donner de l'objet diffractant, lorsque cet objet est éclairé par le faisceau de lumière cohérente, une image (12) dans laquelle le motif de l'objet diffractant est répété plusieurs fois. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l'objet diffractant est un élément d'optique diffractive (6). 3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel cet élément d'optique diffractive (6) est reconfigurable. 4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel cet élément d'optique diffractive est un système micro-opto-électro-mécanique (6). 5. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel cet élément d'optique diffractive (6) est formé dans un matériau semiconducteur. 6. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel cet élément d'optique diffractive est une cellule à cristal liquide commandée électrooptiquement. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel les moyens optiques multiplicateurs comprennent un réseau de microlentilles (8) dont le pas et la distance focale sont fixes. 8. Dispositif selon la revendication 7, comprenant en outre une lentille principale (16) placée entre l'objet diffractant (6) et le réseau de microlentilles (8), à une distance de ce dernier égale à la somme de la distance focale de la lentille principale et de la distance focale des microlentilles. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel les moyens optiques multiplicateurs comprennent un éclateur de faisceau (18) réalisé en optique diffractive. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 et 9, comprenant en outre une lentille (22) de focalisation de la lumière issue des moyens optiques multiplicateurs (8,18). 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel les moyens optiques multiplicateurs comprennent un réseau de microlentilles dont le pas et la distance focale sont variables et une lentille principale placée entre l'objet diffractant et le réseau de microlentilles, à une distance de ce dernier égale à la somme de la distance focale de la lentille principale et de la distance focale des microlentilles. 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel les moyens optiques multiplicateurs comprennent un éclateur de faisceau prévu pour fournir une image de diffraction en champ proche.