Brevet FR2949573A1 — publié le 20110304

Dispositif de collimation pour une source de rayonnement en vue de fournir un faisceau émergent La présente invention concerne un dispositif de collimation pour une source de rayonnement en vue de fournir un faisceau émergent, dispositif formé d'une plaque fixe pour maintenir ladite source, et d'une plaque mobile sur laquelle est fixé un agencement optique de collimation dont sa position est définie par son centre optique, la plaque mobile étant mue par trois moyens de coulissement rattachés à la plaque fixe. Ce genre de dispositif trouve d'importantes applications dans le domaine de l'optique et notamment la formation d'un faisceau bien dirigé à partir d'une diode laser. Des exemples d'applications sont la projection d'images, la lecture de codes-barres ou le couplage du laser à d'autres composants optiques tels qu'une cavité optique ou une fibre optique. En effet la structure émettrice des diodes laser est d'une taille de l'ordre de la longueur d'onde, la diffraction crée une grande divergence de la lumière partant du semi-conducteur vers l'espace libre. L'angle de divergence peut atteindre 30°. Un faisceau d'une telle divergence a peu d'utilité car son intensité diminue rapidement après quelques millimètres de propagation. Pour récolter toute la lumière émise, il est donc nécessaire de prévoir un dispositif de collimation constituée à partir d'une lentille de grande ouverture numérique, placée à proximité de la face de la diode laser. Ce genre de lentille présente pratiquement une distance focale de quelques millimètres, longueur choisie pour limiter la taille physique de la lentille tout en gardant une grande ouverture numérique. A cause de la courte distance focale de la lentille, la direction, la collimation, voire même les propriétés du faisceau sortant dépendent fortement de la position de la lentille. Un déplacement de la lentille le long l'axe optique change la divergence du faisceau, alors qu'un déplacement transversal change sa direction. Par exemple, pour une longueur focale de 3 mm, le faisceau collimaté de sortie est défléchi de 2° si la lentille est déplacée transversalement de 0.1 mm. Une telle sensibilité nécessite un très bon contrôle du positionnement de la lentille, ce qui implique la nécessité d'avoir un déplacement facile de la lentille pendant la procédure d'alignement et, une fois l'alignement atteint, il est important que la structure de fixation présente une grande stabilité mécanique et thermique. 2949573 -2 Les exigences imposées à de tels dispositifs de collimation sont les suivantes. Le positionnement de la lentille pendant la procédure d'alignement doit permettre son déplacement le long l'axe optique pour régler la divergence du faisceau émergeant mais également son déplacement transversal. Même une conception mécanique parfaite 5 nécessite cette liberté de mouvement car même la position de la structure émettrice à l'intérieur de la diode n'est connue par rapport à sa monture qu'à 1 ou 2 dixièmes de mm près, typiquement. Il découle de toutes ces exigences, qu'une structure mécanique qui relie la diode laser et la lentille doit être particulièrement robuste. Un dispositif de collimation du genre mentionné dans le préambule est décrit dans 10 l'article � Improved external cavity design for cesium Dl (894 nm) diode laser � de A.Andalkar, S. K. Lamoreaux et R.B. Warrington, paru dans la revue REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENT dans le volume 71, le numéro 1, daté du mois de novembre 2006. Ce dispositif connu comporte trois moyens de coulissement constitués par trois vis 15 de réglage portant sur la plaque mobile, situés pratiquement à 120° autour de l'agencement optique de collimation aux sommets d'un triangle équilatéral. En outre, le faisceau émergent est finalement réfléchi par un réseau optique. Pour les applications envisagées par la présente invention, la présence du réseau réfléchissant est considérée comme un élément optique superflu, ce qui, donc, constitue 20 un premier inconvénient. En outre, le réglage par les vis disposées tout autour de l'agencement optique à 120° n'est pas toujours adapté à certaines applications. La présente invention vise à fournir un dispositif de collimation qui ne présente pas les inconvénients précités. Conformément à l'invention, un dispositif de collimation du genre cité dans le 25 préambule est remarquable en ce que les moyens de coulissement sont répartis selon les sommets d'un triangle rectangle et en ce qu'il est prévu une ouverture au niveau de la plaque mobile pour le passage du faisceau émergent. Ainsi, par les mesures préconisées par l'invention, le réseau miroir n'est plus nécessaire et le positionnement des moyens de coulissement résout dans de grandes - 3 proportions les difficultés de réglage de la position de l'agencement optique pour des applications diverses. Un avantage important de l'invention est que le réglage de la position de cet agencement permet d'obtenir une déviation du faisceau collimaté que l'on peut facilement maitrisé, en admettant toutefois une certaine aberration de coma. Ainsi, par ces mesures proposées par l'invention, le dispositif permet de régler la collimation, la focalisation, la divergence ainsi que la déflection du faisceau. Ceci permet d'avoir de trouver d'importantes applications dans le domaine de visualisation de motifs lumineux dans une salle sans utiliser de moyens de balayages optico-mécaniques coûteux tels que miroirs tournants etc. La description suivante accompagnée des dessins ci-annexés, le tout donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Dans les dessins : - la figure 1 montre une première variante de réalisation d'un dispositif de collimation conforme à l'invention, - la figure 2 montre une coupe du dispositif de collimation montré à la figure 1, - la figure 3 montre la structure de la plaque mobile faisant partie du dispositif de l'invention, - la figure 4 montre une deuxième variante de réalisation d'un dispositif de collimation conforme à l'invention, - la figure 5 montre une troisième variante de réalisation d'un dispositif de collimation conforme à l'invention, - la figure 6 montre une quatrième variante de réalisation d'un dispositif de collimation conforme à l'invention, - la figure 7 est un premier schéma explicatif du fonctionnement du dispositif de l'invention, - la figure 8 est un deuxième schéma explicatif du fonctionnement du dispositif de l'invention, - la figure 9 montre une autre variante de réalisation du dispositif de l'invention. Sur les figures représentées, les éléments communs portent les mêmes références. 2949573 -4 A la figure 1, le dispositif de collimation porte la référence 1. Il est formé d'une plaque mobile 5 et d'une plaque fixe 7 reposant sur un support 10. Sur cette plaque fixe 7 sont disposés trois moyens de coulissement formés par des vis de réglage 11, 12 et 13. La plaque mobile 5 est munie d'une ouverture 15 qui permet le passage d'un faisceau 5 émergent en vue d'être injecté dans une fibre optique 18 rendue solidaire du support 10. Au moins deux ressorts 16 et 17 sont prévus pour maintenir la plaque mobile 5 en dépendance avec la plaque fixe 7 et fournissent une force qui amène cette plaque mobile vers la plaque fixe. Cette force est contrecarrée par les moyens de coulissement 11, 12 et 13. 10 Le faisceau émergent est un faisceau collimaté, c'est à dire, peu divergent ou peu convergent, qui est obtenu par un agencement de collimation 20 montré à la figure 2. Cet agencement 20 est placé au niveau de l'ouverture 15 pour collimater le rayonnement d'une diode laser 25. Cet agencement de collimation est formé essentiellement par une lentille dont le centre optique porte la référence CO. La diode laser 25 est solidaire de la 15 plaque fixe 7 et donc du support 10. En faisant varier l'enfoncement des moyens de coulissement 1l, 12 et 13, on peut rapprocher ou éloigner la plaque mobile 5 vis à vis de la diode laser 25. On peut ainsi régler la distance entre la lentille et la diode. On peut apporter aussi une déviation du faisceau en changeant l'angle d'inclinaison 0 de la plaque mobile 5, ceci provoque un 20 déplacement transversal de la lentille, comme cela est montré à la figure 2. Il est à noter que la structure de base du dispositif de collimation de l'invention peut être construite à partir de composants du commerce, tels que ceux fabriqués par la société THORLABS. Selon une caractéristique de l'invention, les points d'appui T 11, T12 et T13 des moyens de coulissement 11, 12 et 13 forment un triangle rectangle, comme cela est 25 explicité à la figure 3 au moyen de traits mixtes. Cette figure 3 montre la face de la plaque mobile, dite face d'appui 27, sur laquelle viennent s'appuyer les moyens de coulissement. Les points d'appui Tl, T2 et T3 se déplacent sur cette face en fonction des enfoncements des vis 1l, 12 et 13. Le déplacement de l'appui de la vis 11 est limité par une surface S11, l'appui de la vis 12, reste fixé dans un logement S12 et le déplacement 30 de la vis 13 est limité par une rainure S13. 2949573 -5 La figure 4 montre une variante de réalisation de l'invention. Selon ce mode, la face d'appui 27 de la plaque 5 ne fait plus face à la diode laser 25, mais est placée de l'autre côté de cette plaque mobile. Donc, les moyens de coulissement sont disposés à une certaine distance de la diode laser. Cette variante présente l'avantage que la diode 5 laser est ainsi mieux dégagée de l'environnement ce qui permet une meilleure ventilation et de ce fait, on peut alors utiliser une diode de haute puissance. En outre, les vis sont rendus plus facilement accessibles. La figure 5 montre une deuxième variante de réalisation de l'invention. Selon cette variante, l'agencement de collimation comporte un agencement de rallonge constitué par 10 un tube 50 qui permet un éloignement substantiel de la plaque mobile 5 vis à vis de la diode laser 25. Les moyens de coulissement 1l, 12 et 13 sont en contact avec la surface d'appui 27 qui est en vis à vis de la diode 25. Seuls sont représentés sur la figure les moyens de coulissement 12 et 13. La figure 6 montre une troisième variante de réalisation de l'invention. Cette 15 variante comporte aussi le tube 50, mais là, les moyens de coulissement 12 et 13 sont situés à l'extérieur. La face d'appui 27 est à l'opposé de la diode 25. Une plaque mobile 5 d'une grande épaisseur peut constituer aussi un agencement de rallonge. On peut chiffrer les déplacements apportés par les moyens de coulissement. La figure 7 explicite les différents paramètres mis en jeu dans le cadre où le plan de la 20 lentille de collimation 20 et son centre optique CO sont dans le plan d'appui 27. On admet que l'axe optique de la lentille passe dans le plan médian des deux vis 12 et 13 quand les deux vis sont enfoncées de la même distance. D est la distance entre les vis. Si en manoeuvrant la vis 13, on l'enfonce d'une distance Ax, on incline la plaque mobile 5 d'un angle 0=arctan Ax/D . Ayant admis que l'axe optique de la lentille passe 25 dans le plan médian des deux vis 12 et 13, le déplacement Ax1L du centre optique de la lentille qui, après le déplacement, est référencé par CO' est : Axl~ = 2 (1) 2949573 -6 Il en découle aussi un déplacement transverse Ayl L du centre optique de la lentille ce qui se détermine en faisant une approximation du deuxième ordre par les considérations suivantes : AylL =D(1ùcosO) 5 Ayl L = D 02 ( 4x)2 (2) Ceci peut être comparé à la situation caractéristique de l'invention lorsqu'on utilise le tube 50 ou une plaque mobile épaisse, telle qu'il y a une longueur L entre le plan d'appui 27 et le plan de la lentille. On se reporte alors à la figure 8. Lorsqu'on déplace la vis 13 de la même quantité Ax on obtient un déplacement Ax2L et Ay2L respectivement 10 du centre optique référencé alors par CO'. Ax2L s'évalue de la façon suivante : Ax2L = 4x/2 + LsinO ù L Ay2L se détermine en considérant que : Ay2L =LsinO+D(1ùcose) 15 En faisant un développement limité au deuxième ordre : Ax2L = Ax/2 Ay2L L Dx + (4x) 2 Dans cette dernière formule on voit deux termes : le dernier est à rapprocher de la valeur Ayl L tandis que le premier qualifie le gain obtenu par la mesure de l'invention consistant 20 à rajouter le tube 50 ou une plaque mobile épaisse. La distance L détermine le gain. Elle détermine également l'angle de rotation O nécessaire pour obtenir un déplacement transversale Ay2L voulu : (3) (4) sin0 = 4y2' L Plus L est grand, plus 0 est petit, ce qui permet de réduire les aberrations de coma. Seuls limites à L sont l'encombrement et la stabilité mécanique. D'autres modes de réalisation de l'invention peuvent être envisagés. Ainsi, il peut être prévu de faire varier à distance, par exemple en faisant appel à des moteurs agissant sur les moyens de coulissement, la plaque mobile et ainsi la lentille. Ceci amène l'avantage de pouvoir régler la lentille à distance (applications sous environnement extrême, par exemple l'espace). Il est aussi possible de faire varier sa position rapidement (application dans les projections par laser) ou d'ajuster sa positon très finement (application dans la microscopie ou les lecteurs de media de stockage d'information). Pour cela, on peut utiliser des montures de miroir où les vis sont tournées par des moteurs, voir notamment le site : http://www.thorlabs.de/NewGroupPage9.cfm?ObjectGroup ID=793. Une telle motorisation ouvre une grande plage de possibles positions, limitée seulement par la longueur des vis. Par contre une variation de la position reste assez lente (de l'ordre de 1s). De même, une ou plusieurs vis peuvent être remplacées par une cale piézo-électrique. Dans ce cas la plage de déplacement est inférieure au millimètre, par contre une variation rapide de l'ordre lms devient possible. La variation rapide peut trouver des applications pour un balayage laser dans les salles de spectacle ou dans les lecteurs de code bar. Une combinaison entre une vis et une cale piézoélectrique permet un alignement grossier manuel et un ajustement fin actif rapide. Un exemple de réalisation est montré à la figure 9. Dans cet exemple la plaque fixe 7 est faite en un matériau électriquement isolant. Le moyen de coulissement 11 est, seul, montré sur la figure 9. Le même montage peut être utilisé avec les autres moyens de -7 (5) 2949573 -8 coulissement 12, et 13 non montrés sur cette figure. Le moyen de coulissement 11 est donc formé d'une première partie métallique 100, d'une cale piézoélectrique 105 et d'une deuxième partie métallique 110. Aux parties métalliques 100 et 110 sont associées respectivement deux pièces de contact 120 et 130 collées sur la plaque fixe 7. Il est prévu 5 sur la partie 120 un pas de vis pour le réglage manuel de l'enfoncement du moyen de coulissement 11 et une ouverture dans la pièce 130. Une lame de contact 135 frottant sur la partie 110 assure le contact électrique avec la partie métallique 110. Au moyen de conducteurs électriques 140 et 141, il est donc possible d'appliquer une tension de commande à la cale piézoélectrique 105 pour faire varier rapidement l'enfoncement du 10 moyen 11. Les conducteurs électriques peuvent être constitués par des pistes de circuits imprimés plaqués sur la plaque 7. On peut aussi utiliser un moteur électrique 150 dont l'extrémité de son axe de sortie 155 est rendu solidaire par soudage, par exemple, de la partie 100, pour dégrossir le réglage de la plaque mobile 5. Ainsi, on réalise une commande toute électrique de la 15 collimation. Il est à noter que la course des coulissements est limitée en vue d'obtenir une aberration acceptable pour l'application envisagée. Si on utilise le dispositif de l'invention pour effectuer des balayages de faisceau, il faudra limiter l'amplitude de ce balayage pour que l'erreur de coma soit acceptable pour 20 l'application envisagée. REVENDICATIONS1- Dispositif de collimation (1) pour une source de rayonnement (25) pour fournir un faisceau émergent, dispositif formé d'une plaque fixe (7) pour maintenir ladite source, et d'une plaque mobile (5) sur laquelle est fixé un agencement optique de collimation (20) dont sa position est définie par son centre optique (CO), la plaque mobile étant mue par trois moyens de coulissement (11, 12 et 13) rattachés à la plaque fixe (7) caractérisé en ce que les moyens de coulissement sont répartis selon les sommets d'un triangle rectangle et en ce qu'il est prévu une ouverture (15) au niveau de la plaque mobile (5) pour le passage du faisceau émergent. 2- Dispositif de collimation selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit centre optique est éloigné d'une certaine distance L d'un plan d'appui (27) reposant sur une face de la plaque mobile (5), sur lequel s'appuient les trois moyens de coulissement (11, 12 et 13). 3- Dispositif de collimation selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il est prévu un agencement de rallonge (50) pour maintenir le centre optique (CO) de l'agencement de collimation à une distance L dudit plan d'appui.(27). 4- Dispositif de collimation selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'agencement de rallonge est constitué par un tube. 5- Dispositif de collimation selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'agencement de rallonge est constitué par une plaque mobile (5) épaisse. 6- Dispositif selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que la face d'appui fait face à la source de rayonnement (25). 7- Dispositif selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que la face d'appui est située de l'autre côté de la plaque mobile faisant face à la source de rayonnement. 8- Dispositif de collimation selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il est prévu des moyens de commande pour agir sur les moyens de coulissement en vue de dévier le faisceau . 2949573 - 10 - 9- Dispositif de collimation selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la course des coulissements est limitée en vue d'obtenir une aberration acceptable pour l'application envisagée. 10- Dispositif de collimation selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce 5 que les moyens de coulissement comportent des cales du type piézo-électrique (105). 11- Dispositif de collimation selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les moyens de coulissement comportent un moteur électrique en vue de faire varier par commande électrique l'enfoncement des moyens de coulissement. 12- Dispositif de collimation selon les revendications 9 et 11, caractérisé en ce que 10 la commande effectuée par le moteur est une commande de dégrossissage du réglage tandis que les commandes sur les cales piézo-électriques sont des commandes rapides. 13- Dispositif de collimation selon la revendications 12, caractérisé en ce que les commandes rapides effectuées sur les cales piézo-électriques (105) sont utilisées pour un balayage de faisceau laser. 15