Brevet FR2912514A1 — publié le 20080815

B8102 1 SYSTEME OPTIQUE TRANSMISSIF A CARACTERISTIQUES VARIABLES Domaine de l'invention La présente invention concerne le domaine des systèmes optiques à caractéristiques variables et ajustables. Exposé de l'art antérieur On a déjà proposé, par exemple dans l'article de M. Agarwal et al. publié dans J. Micromech. Microeng. 14 (2004) 1665-1673, une lentille variable constituée d'une chambre remplie d'un fluide et munie de deux parois flexibles opposées sensiblement orthogonales à un axe optique. En fonction de la pression (réglable) du fluide, on peut créer une lentille biconvexe ou biconcave. Un avantage de telles lentilles est qu'elles peuvent avoir une pupille de grand diamètre (de l'ordre du centimètre). Toutefois, un inconvénient, comme le représentent les résultats illustrés pour divers grossissements est que ces lentilles présentent des aberrations non négligeables. Résumé de l'invention Un objet de la présente invention est de prévoir une lentille ou plus généralement un système optique transmissif de correction d'un front d'onde incident dans lequel des aberra- tions sont corrigées, pour par exemple réaliser une lentille à B8102 2 profil parabolique, un déviateur de faisceau lumineux, un dispositif présentant un astigmatisme désiré. Pour atteindre tout ou partie de ces objets ainsi que d'autres, il est prévu un système optique comprenant une chambre remplie d'un fluide délimitée par des parois transparentes supérieure et inférieure, au moins une paroi étant flexible, des premiers moyens agencés pour appliquer une force à au moins une partie centrale de la paroi flexible, et des seconds moyens agencés pour appliquer des forces en des emplacements situés à la périphérie de la paroi flexible. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les seconds moyens comprennent des aimants situés à la périphérie de la paroi flexible et des bobines fixées à la monture de la chambre en regard desdits aimants. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les premiers moyens comprennent des moyens pour modifier la pression dans la chambre. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la paroi flexible présente une rigidité non négligeable et les premiers moyens comprennent des moyens pour déplacer un actionneur en contact avec le centre de la paroi flexible. Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'actionneur comprend une tige disposée dans la chambre et actionnée directement ou indirectement par des moyens électro- magnétiques. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le système optique constitue une lentille et les seconds moyens appliquent des forces régulièrement réparties à la périphérie de la paroi flexible. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les seconds moyens appliquent des forces distinctes en différents points de la périphérie de la paroi flexible. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les premiers et seconds moyens sont actionnés par des dispo- B8102 3 sitifs magnétiques dans lesquels circulent des courants proportionnels. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le système optique comprend en outre des capteurs disposés à la 5 périphérie de la paroi flexible. Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif 10 en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1 est une vue en coupe schématique d'un système optique selon un mode de réalisation généralisé de la présente invention ; la figure 2 est une vue en coupe schématique d'un 15 système optique selon un mode de réalisation de la présente invention ; les figures 3A à 3C sont des vues de dessus représentant diverses variantes de dispositions d'aimants dans le système optique de la figure 2 ; 20 la figure 4 est une vue en coupe d'un autre mode de réalisation de la présente invention ; la figure 5 est une vue en coupe d'un autre mode de réalisation de la présente invention ; la figure 6 est une vue en coupe d'un autre mode de 25 réalisation de la présente invention ; la figure 7 est une vue de dessus d'une variante de disposition d'aimants et de capteurs selon un mode de réalisation de la présente invention ; et la figure 8 est une vue en coupe d'un autre mode de 30 réalisation de la présente invention. Dans ces diverses figures, par souci de commodité, aucune échelle n'est respectée entre les diverses dimensions. De plus, de mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures. B8102 4 Description détaillée La figure 1 est une vue en coupe constituant une représentation généralisée d'un système optique selon la présente invention. Ce système optique comprend une chambre 1 délimitée par une plaque rigide inférieure 3, une entretoise périphérique 4, et une plaque flexible supérieure 5. Cette chambre est remplie d'un fluide 6, par exemple un liquide. Des moyens sont prévus pour réguler la pression dans la chambre. Par exemple, la chambre communique par une ouverture 8 avec un réservoir (non représenté) à pression constante ou à pression ajustable selon les modes de réalisation de la présente invention. De préférence, le fluide dans la chambre est un liquide de même indice que le ou les matériaux des plaques supérieure et inférieure de façon à éviter toute réflexion parasite aux interfaces. Des moyens sont prévus pour appliquer une force F1 au moins à la partie centrale de la plaque flexible 5 et des forces f2 en divers points répartis à la périphérie de la plaque flexible 5. Selon les modes de réalisation de l'invention, on 20 choisira une plaque flexible 5 de rigidité très faible, faible ou forte. Formation d'une interface parabolique Tout d'abord, on va montrer que dans le cas d'une plaque flexible de relativement forte rigidité, en appliquant 25 une force F1 au centre de la plaque flexible et des forces f2 à la périphérie, on peut obtenir une courbure de forme strictement parabolique autour de la région centrale de la plaque flexible, d'où il résulte que l'on obtient une lentille dont les aberrations de sphéricité sont complètement corrigées. 30 Si on désigne par y la direction de l'axe optique, perpendiculaire au plan principal de la structure, et par x une direction orthogonale, une courbe parabolique y(x) se caractérise par le fait que sa dérivée seconde y"(x) est une constante. Dans le cas d'un matériau ayant un module de rigidité 35 E relativement élevé, la dérivée seconde du déplacement vertical B8102 est liée au moment total M(x), au module de Young E du matériau et au moment d'inertie I du système mécanique par l'équation : y (x)=ù EI M(x) (1) Dans le cas d'une plaque flexible circulaire, le 5 moment d'inertie de deux sections angulaires infinitésimales délimitées par deux droites passant par le centre d'un cercle et par le contour du cercle est donné par : I - da e3x (2) 12 où . x représente la distance du centre de la plaque au point courant, e représente l'épaisseur de la plaque, et Aa représente une constante angulaire. En injectant (2) dans (1), on obtient : 12 y (x) = 3 M(x) (3) EAae x Une lentille à profil parabolique est obtenue si le membre de droite de l'équation (3) ne dépend pas de x, c'est-à-dire si M(x) est proportionnel à x. En appliquant une force centrale F1 sur la plaque, de diamètre 21, la force de réaction au niveau d'un couple de points opposés de la périphérie d'un arc de cercle infinitésimal 1*Aa est égale à F1/2*A&n. En appliquant un couple K sur chacun de ces points opposés, l'équation du moment M(x) s'écrit sous la forme : M(x) = FI * da (l -x)+ FI ù x + K 2 , z (4) FI Aa M(x) = 2 --(l + x) + K où K désigne le couple résultant de l'application d'une force f2 sur une couronne de la plaque située à une distance d de la périphérie. Si on choisit : 30 K= f2ddad--Fl dal 2z 2 1z (5) B8102 6 c'est-à-dire si : f2 = - F1/d, (6) le moment M(x) est égal F1*x*Aa/2n et est proportionnel à x. On obtient donc une déformation parfaitement parabolique de la plaque flexible. Il est dès lors possible de réaliser une lentille à focale variable rigoureusement parabolique dont la distance focale est fixée par des couples de forces f2 aux bords de la plaque et une force centrale F1 dont les valeurs sont propor- tionnelles. Divers moyens peuvent être envisagés par l'homme de l'art pour appliquer des forces F1 et f2 choisies. Par exemple, pour générer la force F1, on pourra prévoir une tige centrale poussant à partir de l'intérieur de la chambre 1 sur la plaque flexible 5. Divers moyens pourront être envisagés pour déplacer de façon souhaitée la tige de poussée. Des exemples en seront donnés ci-après, notamment en relation avec la figure 2. Pour appliquer les forces f2, on pourra prévoir de fixer à la périphérie de la plaque flexible 5 des aimants et de disposer en regard de ces aimants des bobines solidaires du système optique transmissif. Toutefois, on pourra également prévoir des tiges ou autres systèmes mécaniques mobiles permet-tant d'appliquer ces forces f2, ainsi que tout autre moyen d'actionnement (dispositifs piézoélectriques, bimorphes, etc.). Autres modes de réalisation de l'invention Par ailleurs, bien que l'on ait montré ci-dessus que le système optique décrit permet d'obtenir une lentille parfai- tement parabolique, on notera que ce système optique permet plus généralement de réaliser avec un nombre réduit d'actionneurs (au centre et à la périphérie) un système optique transmissif per- mettant d'effectuer diverses corrections d'un front d'onde. Par exemple on pourra obtenir un déviateur en inclinant la plaque flexible supérieure par rapport à la plaque flexible inférieure, cette inclinaison étant réglable selon l'action sur les action- neurs appliquant les forces f2. On pourra de façon générale B8102 7 réaliser un système de correction d'aberrations du premier ordre, par exemple un système constituant un dispositif astigmatique, ou de correction d'astigmaticité, en modulant les forces f2 appliquées à la périphérie pour réaliser la correction souhaitée. On va maintenant décrire divers exemples de réalisation de la présente invention. La figure 2 représente un système comprenant comme précédemment une plaque inférieure rigide 3 et une plaque supé- rieure flexible 5 séparées par une entretoise 4, le fluide 6 contenu dans la chambre communiquant avec une ouverture 8. Dans l'exemple représenté, la plaque rigide inférieure est solidaire d'un bâti 11 sur lequel repose l'entretoise 4. Egalement, dans le bâti 11 est prévu un premier ensemble de bobines B en regard d'aimants M disposés sur la plaque supérieure, destinées à appliquer à la plaque flexible des forces f2 (de répulsion ou d'attraction). La force F1 est appliquée grâce à une tige 12 sensiblement orthogonale aux plaques rigide et flexible 3 et 5. Cette tige 12 est montée sur une plaque orthogonale 13 suscepti- ble de coulisser dans la direction de l'axe optique en étant guidée par des guides 14. Le déplacement de la plaque 13 peut par exemple être assuré par un deuxième ensemble de bobines B1 et d'aimants en regard M1 fixés sur la plaque intermédiaire 13. L'utilisation de champs magnétiques pour générer les forces F1 et f2 ne constitue qu'un exemple de réalisation de l'invention mais présente un avantage dans le cas où on veut réaliser une lentille à surface parabolique. En effet, dans ce cas, comme le montre l'équation (6) ci-dessus, la force F1 est proportionnelle à f2 et il suffit donc de faire passer des courants proportion- nels dans les bobines B1 et B, ou de faire passer un même courant dans des bobines convenablement dimensionnées. L'obtention d'une variation de la distance focale est alors particulièrement simple. On pourra choisir comme matériau pour l'ensemble 35 d'application de la force F1 (plaque intermédiaire 13, tige 12 B8102 8 et guides 14) un matériau transparent de même indice que celui du liquide dans lequel cet ensemble est placé. Même si la portion de tige 12 est peu transparente, ceci ne constitue pas un inconvénient dans de nombreuses applications dans lesquelles, par exemple en astronomie, la région centrale de la lentille n'est pas utilisée. Les figures 3A, 3B et 3C représentent en vue de dessus des exemples de répartition des aimants M de la figure 2. Dans ces figures, la courbe 20 représente la pupille et le trait noir les positions des aimants. On peut prévoir un aimant M en anneau, comme l'illustre la figure 3A ; une succession d'aimants régulièrement répartis comme l'illustre la figure 3B ; ou encore une double structure d'aimants, un aimant central M en anneau entouré d'aimants discrets M' régulièrement répartis, des premières bobines étant disposées en regard de l'aimant M et des deuxièmes bobines en regard des aimants M', comme l'illustre la figure 3C. Cette structure est tout particulièrement adaptée à la réalisation d'une lentille à distance focale variable sans aberration de sphéricité et permettant en outre de corriger des aberrations d'astigmatisme grâce à la présence des aimants M', en appliquant aux bobines en regard de ces aimants des intensités différentes pour dissymétriser la structure ou au contraire corriger les erreurs de symétrie de la structure. Cette structure permet également de combiner simplement une variation de focale et une déflexion. La figure 4 représente une variante de réalisation de la présente invention. Il apparaît deux différences principales entre le mode de réalisation de la figure 4 et celui de la figure 2. D'une part, les bobines B, au lieu d'être placées de l'autre côté des aimants M par rapport au liquide 6 sont placées au dessus de ces aimants M en étant fixées à la monture du système optique par une bague 21. D'autre part, au lieu de réaliser une déformation dans la région centrale de la plaque flexible par la poussée d'une tige, on prévoit que la pression du fluide 6, couramment un liquide, est ajustable, de façon que, B8102 9 quand cette pression augmente, la plaque 5 prend une forme convexe, par exemple sphérique, qui peut être corrigée par les forces périphériques appliquées par l'ensemble des bobines B sur les aimants M. La figure 5 représente une structure identique à celle de la figure 4 avec ajout d'une plaque supplémentaire 23, susceptible d'agir sur l'onde incidente ou émergente, par exemple un filtre, un polariseur, une lentille de convergence donnée, ou une combinaison de ces éléments et d'autres composants optiques, éventuellement munis de traitement anti-reflets ou autres. La figure 6 représente une variante d'une structure du type de celle de la figure 4 dans laquelle il est prévu des deux côtés de la chambre une plaque flexible, de sorte que l'on peut obtenir une lentille biconvexe, biconcave, en ménisque. On pourra prévoir que les deux plaques flexibles assurent des fonctions différentes, la plaque supérieure étant par exemple principalement dédiée à réaliser une modification de convergence, et la plaque inférieure étant destinée à réaliser une correction d'astigmatisme, ou une correction d'angle de déflexion. Dans les modes de réalisation dans lesquels la force appliquée sur la plaque flexible, notamment au niveau de sa partie centrale, résulte d'une modification de la pression du liquide, cette plaque tend à prendre un profil sphérique. Les aimants périphériques sont alors utilisés dans le cas où on veut réaliser une lentille pour modifier cette forme sphérique en une forme de paraboloïde de révolution. Les aberrations se produisant principalement sur le bord, un positionnement judicieux d'actionneurs permet de corriger les défauts introduits. En supposant une lentille dont le diamètre est 1 et le déplacement maximal est Ah, les profils sphériques et paraboliques s'écrivent de la manière suivante : B8102 10 Ah l2 .2 Ysphere ù + 2 80h, 12 Ah 8Ah 2 Yparabole 4Ah 12 2 + Ah En conséquence, le calcul montre que l'erreur est minimale en x=0 (centre de la plaque) et est maximale lorsque : 1l2 Ah2 xmax = + 8 4 L'adjonction d'un système d'actionneurs à la distance xmax du centre de la lentille permet de corriger l'essentiel des aberrations de sphéricité produites par la forme sphérique. Des simulations par éléments finis ont montré que ce système permet également de défléchir un faisceau ou de corriger l'astigmatisme d'un faisceau. La figure 7 représente une variante dans laquelle, à l'extérieur de la pupille 20, en plus des aimants M, on prévoit des capteurs S destinés à permettre une mesure de la déflexion impartie à la plaque mobile. Les signaux provenant de ces capteurs peuvent être utilisés pour asservir les déflexions imposées par les forces appliquées sur les aimants M. La figure 8 est une vue en coupe illustrant une autre variante de la présente invention dans laquelle les bobines, au lieu d'être disposées sur une plaque fixe, ou d'être disposées à l'extérieur du système optique sont disposées à l'intérieur de celui-ci sur une plaque intermédiaire 31. On a représenté deux anneaux de bobines B et deux anneaux d'aimants correspondant M. A partir de ces divers exemples, l'homme de l'art pourra prévoir de nombreuses variantes et modifications et réaliser les divers éléments en des matériaux appropriés, transparents aux longueurs d'onde choisies. On notera que dans la présente demande de brevet, le terme transparent doit être interprété comme signifiant transparent à la plage de longueurs d'onde que l'on souhaite que le système optique laisse passer, cette plage de longueurs d'onde n'étant pas nécessairement située dans le domaine du visible. B8102 11 A titre d'exemple de dimensions, on notera, que l'on pourra utiliser par exemple une plaque flexible d'un diamètre de 30 mm avec une pupille de l'ordre de 20 mm. La plaque flexible pourra par exemple être une plaque de silicium d'une épaisseur de 20 à 40 pm, transparente dans le domaine du proche infra-rouge, ou une plaque de silice d'une épaisseur similaire transparente dans le domaine du visible. On saura choisir un liquide ayant dans chaque cas, un indice voisin de celui des plaques extérieures, bien que cela ne soit pas absolument nécessaire. On pourra par exemple choisir un mélange de liquides (par exemple eau et triéthylèneglycol) dans des proportions choisies pour ajuster l'indice de réfraction du mélange. Dans le cas où le système optique comporte une plaque rigide, cette plaque, comme la plaque supplémentaire 23 de la figure 4 pourra avoir toute caractéristique optique souhaitée. Dans la présente description, on a essentiellement décrit des actionneurs constitués de couples aimant/bobine. L'hom e de l'art saura utiliser tout autre système actionneur approprié, par exemple des actionneurs piézoélectriques, des actionneurs à base de matériau magnétostrictifs, des bilames, ou autres. REVENDICATIONS 1. Système optique comprenant : une chambre remplie d'un fluide délimitée par des parois transparentes supérieure (5) et inférieure (3), au moins une paroi (5) étant flexible, des premiers moyens agencés pour appliquer une force (F1) à au moins une partie centrale de la paroi flexible, et des seconds moyens agencés pour appliquer des forces (f2) en des emplacements situés à la périphérie de la paroi flexible. 2. Système optique selon la revendication 1, dans lequel les seconds moyens comprennent des aimants (M) situés à la périphérie de la paroi flexible et des bobines (B) fixées à la monture de la chambre en regard desdits aimants. 3. Système optique selon la revendication 1, dans 15 lequel les premiers moyens comprennent des moyens pour modifier la pression dans la chambre. 4. Système optique selon la revendication 1, dans lequel la paroi flexible présente une rigidité non négligeable et les premiers moyens comprennent des moyens pour déplacer un 20 actionneur en contact avec le centre de la paroi flexible. 5. Système optique selon la revendication 4, dans lequel l'actionneur comprend une tige (12) disposée dans la chambre et actionnée directement ou indirectement par des moyens électromagnétiques (B1-M1). 25 6. Système optique selon la revendication 1, constituant une lentille dans lequel les seconds moyens appliquent des forces (f2) régulièrement réparties à la périphérie de la paroi flexible. 7. Système optique selon la revendication 1, dans 30 lequel les seconds moyens appliquent des forces (f2) distinctes en différents points de la périphérie de la paroi flexible. 8. Système optique selon la revendication 1, constituant une lentille dans lequel les premiers et deuxièmes moyensB8102 13 sont actionnés par des dispositifs magnétiques dans lesquels circulent des courants proportionnels. 9. Système optique selon la revendication 1, comprenant en outre des capteurs disposés à la périphérie de la paroi 5 flexible.