Brevet FR2865548A1 — publié le 20050729

DISPOSITIF PERMETTANT DE DEPLACER LE POINT OBJET D'UNE SOURCE OPTIQUE ET SYSTEME PERMETTANT DE DEPLACER LE POINT IMAGE D'UNE SOURCE OPTIQUE. DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention se rapporte à un dispositif permettant de déplacer le point objet d'une source optique. Elle concerne également un système, mettant en oeuvre ce dispositif, pour obtenir le déplacement du point image d'une source optique. L'invention concerne le domaine de la micro-opto-mécanique et celui des microtechnologies pour la fabrication collective de micro-systèmes compacts. L'invention permet de faire varier la position longitudinale d'un point de focalisation lumineux et peut être mise en oeuvre dans différentes applications telles que les micro-endoscopes, les capteurs optiques, les systèmes de stockage optique, les systèmes de communications ou d'interconnexions optiques ou tout système nécessitant la focalisation d'un faisceau lumineux en différents points sur un axe longitudinal. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE La figure 1 représente la structure de base d'un système optique de focalisation selon l'art antérieur. Cette structure comprend une source optique 1 émettant un faisceau lumineux au point objet 2. La source optique 1 peut être une lampe, un laser, une fibre optique ou tout organe susceptible d'émettre un faisceau lumineux. Le point objet 2, issu de la source optique 1, est refocalisé en un point image 3 à l'aide d'un élément optique de focalisation 4. Cet élément optique de focalisation peut être une lentille. On peut définir un axe z comme étant la direction moyenne de la propagation du faisceau lumineux. Afin de déplacer le point image 3 selon l'axe z, on peut déplacer, très souvent mécaniquement l'ensemble de la structure, l'élément optique de focalisation ou la source lumineuse. Déplacer l'ensemble de la structure est le procédé le plus coûteux en terme d'énergie mécanique consommée. C'est dans ce cas que le poids et le volume à déplacer sont les plus importants. Déplacer l'élément optique de focalisation signifie déplacer un seul composant au lieu de l'ensemble de la structure. Cependant, il s'agit souvent du composant le plus encombrant. En effet, l'élément optique refocalise un faisceau lumineux et, en conséquence, c'est à cet endroit que le faisceau lumineux a la plus grosse section. Déplacer la source optique peut être délicat suivant les cas. Si la source optique est une ampoule ou un laser à alimentation électrique, il faut alors prendre en compte le déplacement des contacts électriques permettant d'alimenter cette source ou le déplacement de la source électrique elle-même qui est souvent lourde. Si la source optique est un laser à 2865548 3 autre type l'alimentation, il faut aussi prendre en compte, dans le déplacement, tout ou partie de cette alimentation. Si la source optique est l'extrémité d'une fibre optique, le déplacement est plus facile mais la rigidité de la fibre doit être prise en compte dans la conception du dispositif de déplacement. De plus, le diamètre d'une fibre optique descend rarement en dessous de 125pm. EXPOSÉ DE L'INVENTION La présente invention a été conçue afin de résoudre les problèmes présentés par l'art antérieur, notamment en terme d'encombrement et de masses mécaniques à déplacer. Elle propose un dispositif opto- mécanique, avantageusement intégré, à intercaler entre la source optique et l'élément optique de focalisation. Ce dispositif peut comporter un ou plusieurs guides optiques mobiles intégrés permettant de déplacer le point objet de la source optique dans la direction de propagation du faisceau lumineux, à différentes positions. Selon l'invention, par guide optique on entend aussi bien des guides intégrés dans un substrat que des fibres optiques. L'invention a donc pour objet un dispositif permettant de déplacer le point objet d'une source optique émettant un faisceau lumineux selon un axe de propagation, le déplacement du point objet se faisant sur l'axe de propagation du faisceau lumineux, le dispositif comprenant des moyens de guidage optique et étant caractérisé en ce que les moyens de guidage optique permettent de présenter devant le point objet de la source optique, sous l'action de moyens de commande, des longueurs de moyens de guidage optique différentes, en alignement avec l'axe de propagation du faisceau lumineux. Par longueurs différentes, on entend toutes les valeurs possibles de longueurs, y compris une valeur nulle correspondant à une longueur de moyens de guidage nulle. Selon un premier mode de réalisation, les dites longueurs de moyens de guidage optique comprennent des guides optique de longueurs différentes, présentés séparément devant le point objet de la source optique. Selon un deuxième mode de réalisation, les dites longueurs de moyens de guidage optique comprennent des guides optiques présentés devant le point objet de la source optique en différentes successions. Les guides optiques peuvent comprendre au moins un guide optique formé dans un support mobile sous l'action desdits moyens de commande. Les moyens de guidage optique peuvent comprendre au moins un guide optique fixe destiné à être présenté devant le point objet de la source optique. Avantageusement, le dispositif est formé dans un substrat, les différentes longueurs de moyens de guidage optique comprenant des moyens de guidage optique déplaçables, sous l'action des moyens de 15 commande, parallèlement et/ou perpendiculairement au substrat. Les moyens de commande peuvent être des moyens de commande choisis parmi les moyens de commande électrostatiques, magnétiques, électromagnétiques, piézoélectriques et/ou thermiques. L'invention a également pour objet un système permettant de déplacer le point image d'une source optique, comprenant une source optique émettant un faisceau lumineux selon un axe de propagation et un élément optique de focalisation, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un dispositif tel que décrit ci-dessus interposé entre la source optique et l'élément optique de focalisation. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS L'invention sera mieux comprise, et d'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre non limitatif, accompagnée des dessins annexés parmi lesquels: -La figure 1, déjà décrite, représente la structure de base d'un système optique de focalisation selon l'art antérieur, -Les figures 2A et 2B représentent deux états de fonctionnement d'un premier système permettant de déplacer le point image d'une source optique, selon la présente invention, -Les figure 3A et 3B représentent deux 30 états de fonctionnement d'un dispositif de déplacement du point objet d'une source optique pour un deuxième système permettant de déplacer le point image d'une source optique, selon la présente invention, -Les figures 4A et 4B représentent deux états de fonctionnement d'un dispositif permettant de déplacer le point objet d'une source optique pour un troisième système permettant de déplacer le point image d'une source optique, selon la présente invention, -La figure 5 représente un autre dispositif permettant de déplacer le point objet d'une source optique, selon la présente invention, -La figure 6 représente encore un autre dispositif permettant de déplacer le point objet d'une source optique, selon la présente invention, -La figure 7 représente encore un autre 15 dispositif permettant de déplacer le point objet d'une source optique, selon la présente invention, -La figure 8 représente encore un autre dispositif permettant de déplacer le point objet d'une source optique, selon la présente invention, -La figure 9 représente encore un autre dispositif permettant de déplacer le point objet d'une source optique, selon la présente invention, -La figure 10 est une vue en coupe transversale d'un substrat permettant la réalisation 25 d'un dispositif selon la présente invention, -La figure 11 est un schéma explicatif du fonctionnement d'une variante d'un dispositif selon l'invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Les figures 2A et 2B sont des vues de dessus illustrant deux états de fonctionnement d'un premier système permettant de déplacer le point image d'une source optique, selon la présente invention. Sur ces figures, la référence 11 désigne une fibre optique qui permet de véhiculer une onde lumineuse jusqu'à son extrémité 12 qui joue le rôle de point objet. La référence 14 désigne une lentille de focalisation. Entre le point objet 12 et la lentille de focalisation 14 est situé un dispositif 20 de déplacement du point objet de la source optique. Le dispositif 20 comprend un guide optique central fixe 21 et un support déplaçable 22 attaché au reste du dispositif par des bras 25. Le support déplaçable 22 comporte, au delà du guide optique 21, deux guides optiques 23 et 24 de longueurs différentes. Le guide optique 21 permet une adaptation des modes de propagation aux guides optiques qui suivront. Dans un premier état de fonctionnement, représenté à la figure 2A, les guides optiques 21 et 23 sont alignés et leur alignement correspond à l'axe de propagation d'un faisceau lumineux émis par la fibre optique 11. La lentille de focalisation 14 est centrée sur l'axe de propagation du faisceau lumineux. La référence 13 représente le point image obtenu. La figure 2B représente un deuxième état de fonctionnement. Sous l'action de moyens de commande non représentés, les bras 25 se déforment, ce qui entraîne un déplacement du support 22 et l'alignement du guide optique 24 sur l'axe de propagation du faisceau lumineux. Le guide optique 24 étant plus petit de az que le guide otique 23, le point image obtenu 13' s'est rapproché de az du point objet 12. Les moyens de commande permettent à volonté de passer d'un état de fonctionnement donné à un autre état de fonctionnement. Le dispositif 20 peut être une puce en silicium et les guides optiques peuvent être en silice. Les figures 3A et 3B sont des vues de dessus illustrant deux états de fonctionnement d'un dispositif 30 de déplacement du point objet d'une source optique, selon l'invention, pris séparément. Le dispositif 30, réalisé à partir d'un substrat, comprend un guide optique central fixe 31 et un support déplaçable 32 attaché au reste du dispositif par un bras 35. Le support déplaçable 32 comporte, au delà du guide optique 31, un guide optique 33. Dans un premier état de fonctionnement, représenté à la figure 3A, les guides optiques 31 et 33 sont alignés. Un faisceau lumineux véhiculé par le guide optique 31 sera également véhiculé par le guide optique 33. La figure 3B représente un deuxième état de fonctionnement. Sous l'action de moyens de commande non représentés, le bras 35 se déforme parallèlement au substrat, ce qui entraîne un déplacement du support 32 et l'écartement du guide optique 33. Un faisceau lumineux véhiculé par le guide optique 31 ne sera donc pas véhiculé par le guide optique 33. Les figures 4A et 4B sont des vues en coupe longitudinale et de côté illustrant deux états de fonctionnement d'un dispositif 40 de déplacement du point objet d'une source optique, selon l'invention, pris séparément. Le dispositif 40, réalisé à partir d'un substrat, comprend un guide optique fixe 41 et un support déplaçable attaché au reste du dispositif par un bras (le support déplaçable et le bras ne sont pas représentés). Le support déplaçable comporte, au delà du guide optique 41, un guide optique 43. Dans un premier état de fonctionnement, représenté à la figure 4A, les guides optiques 41 et 43 sont alignés. Un faisceau lumineux véhiculé par le guide optique 41 sera également véhiculé par le guide optique 43. La figure 4B représente un deuxième état de fonctionnement. Sous l'action de moyens de commande non représentés, le guide mobile 43 est déplacé perpendiculairement au substrat. Un faisceau lumineux véhiculé par le guide optique 41 ne sera donc pas véhiculé par le guide optique 43. Les moyens de commande permettent à volonté de passer d'un état de fonctionnement donné à un autre état de fonctionnement. La figure 5 est une vue de dessus d'un dispositif 50 de déplacement du point objet d'une source optique, selon l'invention, pris séparément. Le dispositif 50 comprend un guide optique central fixe 51 et un support déplaçable 52 attaché au reste du dispositif par des bras 55. Le support déplaçable 52 comporte, au delà du guide optique 51, trois guides optiques 53, 54 et 56 de longueurs différentes. Au repos, les guides optiques 51 et 53 sont alignés et leur alignement correspond à l'axe de propagation d'un faisceau lumineux entrant dans le guide optique 51. Sous l'action de moyens de commande, les bras 55 peuvent se déformer et entraîner le support 52 vers la droite de la figure de façon à aligner les guides optiques 51 et 54. Ceci aura pour effet d'éloigner un point image puisque le guide optique 54 est plus long que le guide optique 53. Sous l'action de moyens de commande, les bras 55 peuvent se déformer et entraîner le support 52 vers la gauche de la figure de façon à aligner les guides optiques 51 et 56. Ceci aura pour effet de rapprocher un point image puisque le guide optique 56 est plus court que le guide optique 53. Dans le cas ou les guides sont compatibles avec les fibres optiques, le dispositif peut ne pas comporter de guide optique fixe, mais présenter un emplacement permettant d'y loger une fibre optique directement devant les guides optique mobiles. C'est ce que représente la figure 6 qui est une vue de dessus d'un dispositif 60 de déplacement du point objet 72 d'une source optique constituée par une fibre optique 71. Le dispositif 60 comprend un support déplaçable 62 attaché au reste du dispositif par des bras 65. le support déplaçable 62 comprend, au delà de la fibre optique 71, trois guides optique 63, 64 et 66 2865548 11 de longueurs différentes. Le fonctionnement de ce dispositif est analogue à celui de la figure 5. A la place d'un guide fixe, le dispositif peut aussi prévoir un emplacement pour une source lumineuse amenée directement devant l'un des guides mobiles ou un ensemble composé d'une source et d'éléments optiques permettant de refocaliser cette source sur l'entrée de l'un des guides mobiles. C'est ce que représente la figure 7 qui utilise le dispositif 60 de la figure 6. Sur la figure 7, une source lumineuse 81 émet un faisceau lumineux vers une lentille de refocalisation 83 qui focalise ce faisceau au point objet 82 à l'entrée de l'un des guides optiques 63, 64 ou 66, en l'occurrence à l'entrée du guide 63. La figure 8 est une vue de dessus d'un autre dispositif 90 permettant de déplacer le point objet d'un source optique, selon la présente invention. Le dispositif 90 comprend un guide optique fixe 91 (ou un point source ramené par d'autres moyens décrits plus haut) et deux guides optiques mobiles 93 et 94 de longueurs différentes et situés au delà du guide optique fixe 91. Le guide optique 93 est rattaché au dispositif 90 par un bras 95 déformable sous l'action de moyens de commande non représentés. Le guide optique 94 est rattaché au dispositif 90 par un bras 95' déformable sous l'action de moyens de commande non représentés. Lorsque les guides optiques 93 et 94 sont 30 écartés, comme cela est représenté sur la figure 8, le point objet de la source optique est reporté jusqu'à 2865548 12 l'extrémité libre du guide optique 91 (extrémité droite du guide sur la figure 8). Lorsque le guide optique 93 est placé en alignement du guide optique 91, le guide optique 94 restant écarté, le point objet de la source optique est éloigné sur l'axe de propagation d'un faisceau lumineux. Lorsque le guide optique 94 est placé en alignement du guide optique 91, le guide optique 93 restant écarté, le point objet de la source optique est encore plus éloigné sur l'axe de propagation d'un faisceau lumineux. La figure 9 est une vue de dessus d'un autre dispositif 100 permettant de déplacer le point objet d'une source optique, selon la présente invention. Le dispositif 100 comprend un guide optique fixe 101 et deux guides optiques mobiles 103 et 104 de longueurs identiques ou différentes. Le guide optique 103 est situé au delà du guide optique fixe 101. Le guide optique 104 est situé au delà du guide optique mobile 103. Les guides optiques 103 et 104 sont rattachés au dispositif 100 par des bras respectivement 105 et 105' déformables sous l'action de moyens de commande non représentés. Lorsque les guides optiques 103 et 104 sont écartés, comme cela est représenté en traits pleins sur la figure 9, le point objet de la source optique est reporté jusqu'à l'extrémité libre du guide optique fixe 101 (l'extrémité droite du guide sur la figure 9). Lorsque le guide optique 103 est placé en alignement du guide optique 101, le point objet de la source optique est éloigné sur l'axe de propagation d'un faisceau lumineux. Lorsque le guide optique 104 est placé en alignement des guides optiques 101 et 103, le point objet de la source optique est encore plus éloigné sur l'axe de propagation d'un faisceau lumineux. L'invention permet de réaliser le déplacement longitudinal d'un point lumineux en n'utilisant que des parties mobiles extrêmement petites. L'énergie mécanique à dépenser est alors faible et peut être réalisée avec un actionneur de taille réduite. Le dispositif selon l'invention peut avantageusement être réalisé par des procédés bien connus dans les microtechnologies. La figure 10 est une vue en coupe transversale d'un substrat permettant la réalisation d'un dispositif selon la présente invention. Le dispositif peut être réalisé à partir d'un substrat 110 en silicium. Sur le substrat 110 on forme successivement une couche 111 en silice, un coeur de guide 112 et une couche 113 en silice. Les couches 111 et 113 forment gaine pour le guide optique. En considérant un guide optique en silice (indice environ égal à 1,45) ayant un écart d'indice an de 0,01 environ (technologie standard), on obtient une ouverture numérique en sortie de guide de l'ordre de sin a = 0,17, soit un angle de divergence du faisceau de 10 . Les guides doivent avoir une dimension de c ur d'environ 1,5 pm x 1,5 pm pour être monomodes à 0,5 m de longueur d'onde et les épaisseurs de gaine doivent être d'environ 4 pm. L'épaisseur totale de la 2865548 14 structure formant le dispositif selon l'invention est donc d'environ 10 pm. La figure 11 est un schéma explicatif du fonctionnement d'une variante d'un dispositif selon l'invention. Cette variante est celle où le dispositif comprend deux guides d'ondes 123 et 124, de longueurs différentes et placés parallèlement entre eux. Pour obtenir un déplacement selon l'axe de propagation z de 100 pm, il faut fournir un déplacement transversal: d = L.tga + h avec L: différence de longueur entre les guides optiques 123 et 124 : angle de divergence du faisceau lumineux h: distance séparant l'axe du guide optique 123 du bord du guide. Avec L = 100 pm, a = 10 et h = 5 pm, on obtient d = 22,5 pm. Ceci pour une géométrie de guide raisonnable. Les technologies de réalisation de ce type de structure ont été longuement étudiées dans le cadre du développement des commutateurs optiques. Dans le cas de dispositifs à guides mobiles, et contrairement aux commutateurs, la partie mobile peut être reliée à la partie fixe par des bras moins larges et donc plus souples. Il en résulte que l'on peut réaliser des actionneurs inférieurs au mm 2 dans le plan et permettant un déplacement d'une dizaine de}gym avec des tensions de commande acceptables ( de l'ordre de 10 V).Ce type d'actionneur peut donc être envisagé pour des déplacements longitudinaux jusqu'à une centaine de pm avec de faibles tensions de commande. On peut cependant obtenir des déplacements plus importants si l'on envisage des tensions de commande plus importantes. Par ailleurs, on peut envisager quelques positions intermédiaires. La distance interguide doit être suffisante pour éviter le couplage de puissance lumineuse d'un guide à l'autre. Aux longueurs d'onde visible, on ne saurait descendre au dessous de 5 pm. Avec un débattement latéral de 10 gm, on peut donc obtenir une structure à 5 positions (une centrale, une à chaque extrémité latérale, et une intermédiaire de chaque côté). Si l'on se permet des déplacements transverses de 20 pm, on peut envisager une structure à 9 guides, donc au total 9 positions longitudinales. Dans le cas de structures tout ou rien empilées (cas de la figure 9), les limites seront fixées par la transmission globale du dispositif qui diminuera avec le nombre de structures mobiles suivant la qualité de réalisation technologique. Les applications industrielles de l'invention se situent dans le domaine des capteurs optiques ou des sondes optiques (type endoscopes) où l'encombrement doit être réduit au minimum. Plus généralement, l'invention peut être appliquée à tout dispositif opto-mécanique où il est nécessaire de faire varier la position longitudinale d'un point de focalisation. Pour réaliser le dispositif selon l'invention, on peut par exemple utiliser la technologie employée pour réaliser des commutateurs optiques et décrite dans les documents FR-A-2 660 444 (correspondant au brevet américain N 5 078 514), FR-A-2 726 905 (correspondant au brevet américain N 848 206), FR-A-2 729 232 (correspondant au brevet américain N 5 612 815) et FR-A-2 769 380. On peut également utiliser la technologie d'implantation dans un substrat tel que le verre. De même, les moyens de commande peuvent être du même type que ceux utilisés pour les commutateurs. Ils peuvent être électrostatiques, magnétiques, électromagnétiques, piézoélectriques, thermiques ( notamment à partir de bilames), etc. REVENDICATIONS 1- Dispositif (20) permettant de déplacer le point objet d'une source optique émettant un faisceau lumineux selon un axe de propagation, le déplacement du point objet se faisant sur l'axe de propagation du faisceau lumineux, le dispositif comprenant des moyens de guidage optique et étant caractérisé en ce que les moyens de guidage optique (21, 23, 24) permettent de présenter devant le point objet de la source optique, sous l'action de moyens de commande, des longueurs de moyens de guidage optique différentes, en alignement avec l'axe de propagation du faisceau lumineux. 2- Dispositif (60) selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites longueurs de moyens de guidage optique comprennent des guides optique de longueurs différentes (63, 64, 66), présentés séparément devant le point objet de la source optique. 3- Dispositif (100) selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que lesdites longueurs de moyens de guidage optique comprennent des guides optiques (101, 103, 104) présentés devant le point objet de la source optique en différentes successions. 4- Dispositif (20) selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que les guides optiques comprennent au moins un guide optique (23, 24) formé dans un support (22) mobile sous l'action desdits moyens de commande. 5- Dispositif (20) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens de guidage optique comprennent au moins un guide optique fixe (21) destiné à être présenté devant le point objet (12) de la source optique (11). 6- Dispositif (40) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il est formé dans un substrat, les différentes longueurs de moyens de guidage optiques comprenant des moyens de guidage optique (43) déplaçables, sous l'action des moyens de commande, parallèlement et/ou perpendiculairement au substrat. 7- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les moyens de commande sont des moyens de commande choisis parmi les moyens de commande électrostatiques, magnétiques, électromagnétiques, piézoélectriques et/ou thermiques. 8- système permettant de déplacer le point image (12) d'une source optique (11), comprenant une source optique (11) émettant un faisceau lumineux selon un axe de propagation et un élément optique de focalisation (14), caractérisé en ce qu'il comprend en outre un dispositif (20) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 interposé entre la source optique (11) et l'élément optique de focalisation (14).