FR2775794A1 - Convertisseur d'intensite lumineuse - Google Patents
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Abstract
Le convertisseur d'intensité lumineuse (10) comprend un corps transparent (14) incluant des première et seconde surfaces incurvées opposées (16, 18). Le corps est entouré par une surface périphérique externe (20) qui s'étend entre les première et seconde surfaces incurvées. Le corps du convertisseur est agencé de telle sorte que la lumière incidente arrive en incidence sur le corps au niveau de la première surface incurvée (16) et émerge depuis la seconde surface incurvée (18). La lumière incidente diverge dans une certaine zone et converge dans une autre zone, par réfraction, de telle sorte que la distribution d'intensité lumineuse de la première surface incurvée incidente (16) soit convertie selon la distribution d'intensité lumineuse différente tandis que la lumière se déplace au travers du convertisseur et qu'elle sorte par conséquent depuis la seconde surface incurvée (18).
Description
ARRIÈRE-PLAN DE L'INVENTION
1. Domaine de l'invention La présente invention concerne un convertisseur d'intensité lumineuse permettant de convertir la distribution d'intensité lumineuse d'une lumière incidente et d'émettre la lumière convertie. La présente invention concerne également un dispositif optique et une unité de
disque optique qui utilisent un tel convertisseur d'intensité lumineuse.
La présente invention propose un élément optique dans lequel un faisceau laser présentant une distribution d'intensité lumineuse suivant la direction perpendiculaire à l'axe optique est converti selon un faisceau laser présentant une intensité de front d'onde uniforme dans une ouverture donnée et l'aberration de front d'onde de transmission (RMS ou valeur quadratique) est réduite jusqu'à 0,07 X ou moins, ce qui rend possible d'améliorer le diamètre du faisceau et la forme du faisceau dans un système de traitement par faisceau laser, dans un système optique de microscope et dans un système optique à support
d'enregistrement d'information, utilisé dans divers domaines.
2. Description de l'art antérieur
Le procédé classique de modification de la distribution d'intensité de faisceau utilise un réseau de diffraction dont l'efficacité de diffraction est modifiée d'une position à une autre, un filtre de concentration présentant une distribution de transmission inversement proportionnelle à la distribution d'intensité et une fente pour extraire une zone de faible distribution d'intensité de faisceau. Divers autres procédés ont également été proposés, y compris un procédé
permettant de superposer des faisceaux laser au moyen d'un demi-
miroir ou similaire, un procédé permettant de générer une source de lumière secondaire au moyen d'un réseau de diffraction ou similaire, un procédé permettant de remplacer des distributions d'intensité interne et externe l'une par l'autre par réfraction au travers d'un prisme ou similaire ainsi qu'un procédé permettant d'utiliser un effet antireflet d'un
objectif zoom.
Les publications de brevets non examinés du Japon nos 3-75612 et 3- 92815 par exemple décrivent un procédé permettant de convertir une lumière incidente présentant une distribution d'intensité gaussienne selon une lumière de sortie présentant une distribution d'intensité sensiblement uniforme en utilisant des premier et second
groupes de lentilles, chaque groupe incluant deux lentilles.
Les procédés mentionnés ci-avant qui utilisent le réseau de diffraction, le filtre de concentration ou la fente ne peuvent pas fondamentalement permettre d'obtenir l'efficacité d'utilisation de la
lumière de 100 % et sont toujours accompagnés d'une perte optique.
Par ailleurs, le procédé de superposition de faisceaux laser et le procédé de génération d'une source de lumière secondaire génèrent une aberration de front d'onde et ne permettent pas de réduire le
faisceau laser jusqu'à la limite de diffraction.
Selon le procédé qui utilise la réfraction, par ailleurs, les chemins lumineux sont croisés sur des côtés interne et externe de telle sorte que les chemins lumineux sont différents et qu'une aberration de front d'onde est développée. Par ailleurs, le procédé qui utilise l'objectif zoom permet d'obtenir une intensité uniforme au prix d'une aberration de front d'onde augmentée. Les technologies classiques décrites dans les documents JP-A-3-75612 et JP-A-3-92815 utilisent au moins quatre
lentilles tout en conservant la fonction de zoom.
Par conséquent, dans l'art antérieur, I'accent est placé sur le fait d'assurer une distribution d'intensité prédéterminée d'un spot de faisceau au lieu de réduire la dimension du spot de faisceau. Les procédés mentionnés ci-avant pourraient être utilisés pour un équipement d'usinage par laser ou similaire pour lequel une dimension de spot d'environ plusieurs micromètres est autorisée et o la perte de quantité de lumière ne pose pas de problème. Cependant, les procédés mentionnés ci-avant ne peuvent pas être utilisés pour un système optique qui inclut une source de lumière à sortie faible pour lire des données à partir d'un support d'enregistrement d'information du fait de
l'aberration de front d'onde et du taux d'utilisation de la lumière.
RÉSUMÉ DE L'INVENTION
L'objet de la présente invention consiste à proposer un convertisseur d'intensité lumineuse présentant une épaisseur faible et une configuration simple permettant de faire émerger un faisceau lumineux tout en modifiant la distribution d'intensité lumineuse ainsi qu'un dispositif optique et qu'une unité de disque optique qui utilisent un
tel convertisseur d'intensité lumineuse.
Un convertisseur d'intensité lumineuse selon la présente invention comprend un corps incluant un axe central, une première surface incurvée s'étendant transversalement à l'axe central, une seconde surface incurvée s'étendant transversalement à l'axe central et une surface périphérique externe s'étendant entre la première surface incurvée et la seconde surface incurvée, et dans lequel le corps est construit de telle sorte qu'une lumière présentant une première distribution d'intensité lumineuse arrive en incidence sur le corps au niveau de la première surface incurvée, que la lumière incidente diverge dans une première zone dans le corps et qu'elle converge dans une seconde zone dans le corps, par réfraction, lorsque la lumière entre dans le corps depuis la première surface incurvée, et que la lumière émerge depuis le corps au niveau de la seconde surface incurvée, la lumière émergente présentant une seconde distribution d'intensité lumineuse différente de la première distribution d'intensité
lumineuse.
Ce convertisseur d'intensité lumineuse peut être formé en tant que corps mince et il permet de convertir positivement la distribution d'intensité lumineuse de la lumière incidente selon une distribution
d'intensité lumineuse uniforme.
De préférence, la lumière incidente qui entre depuis la première surface incurvée diverge dans la zone centrale autour de l'axe central
du corps et converge au niveau de la zone périphérique dans le corps.
De préférence, la valeur d'inclinaison de la partie périphérique la plus externe des première et seconde surfaces incurvées et la valeur d'inclinaison en un point o l'inclinaison passe d'une pente ascendante à une pente descendante ou d'une pente descendante à une pente ascendante présentent des signes opposés et sensiblement les mêmes
valeurs absolues.
De préférence, I'épaisseur du corps est telle que la valeur RMS ou quadratique moyenne de l'aberration de front d'onde de la lumière sortante par rapport à la lumière incidente n'est pas supérieure à 0,07 X. De préférence, la forme des première et seconde surfaces incurvées dudit corps sont déterminées de la manière qui suit, si l'on considère qu'un rayon lumineux arrive en incidence sur le corps en un point d'incidence (A) à une première distance (ri) de l'axe optique et émerge du corps en un point de sortie (B) à une seconde distance (r2) de l'axe optique: la seconde distance (r2) est déterminée en divisant la quantité P1 de la lumière qui sort dans la plage qui va depuis l'axe optique jusqu'à ladite première distance (rn) par l'intensité I qui est obtenue en divisant la quantité totale de la lumière incidente par une aire prédéterminée de la lumière émergente; la distance linéaire entre le point d'incidence (A) et le point de sortie (B) est donnée par hypothèse afin d'ainsi déterminer la direction de déviation du rayon lumineux qui traverse le point d'incidence (A); les inclinaisons des plans passant par le point d'incidence (A) et par le point de sortie (B) sont déterminées conformément à la loi de réfraction; les inclinaisons des plans passant par le point d'incidence (A) et par le point de sortie (B) ainsi déterminées sont intégrées sur la distance radiale depuis ledit axe central afin d'ainsi déterminer les surfaces incurvées sur les côtés d'incidence et de sortie; la surface incurvée sur le côté de sortie est déterminée à partir de la surface incurvée sur le côté d'incidence, de la direction de déviation pour chaque distance arbitraire (rn) et de la distance déterminée par hypothèse (L); la distance (L) associée à chaque distance arbitraire (rl) est modifiée de telle sorte que la surface incurvée sur le côté de sortie déterminée par intégration coïncide avec la surface incurvée sur le côté de sortie déterminée à partir de la surface incidente; et les inclinaisons des surfaces incidente et de sortie sont déterminées de façon répétée de manière à faire converger la distance (L). Selon la présente invention, on propose en outre un dispositif optique et une unité de disque optique qui utilisent le convertisseur
d'intensité lumineuse mentionné ci-avant.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
La présente invention apparaîtra de façon davantage évidente
au vu de la description qui suit des modes de réalisation préférés, par
report aux dessins annexés parmi lesquels: la figure 1 est une vue qui représente un convertisseur d'intensité lumineuse selon le premier mode de réalisation de la présente invention; la figure 2 est une vue avant du convertisseur d'intensité lumineuse de la figure 1, tel que vu depuis son côté d'incidence de lumière; la figure 3 est une vue qui représente un dispositif optique qui inclut le convertisseur d'intensité lumineuse; la figure 4 est une vue qui permet d'expliquer un procédé de fabrication du convertisseur d'intensité lumineuse des figures 1 et 2; la figure 5 est une vue qui représente un convertisseur d'intensité lumineuse selon le second mode de réalisation de l'invention; la figure 6 est une vue qui représente un convertisseur d'intensité lumineuse selon le troisième mode de réalisation de I'invention; la figure 7 est une vue qui représente la relation entre le rayon et l'inclinaison de surface du convertisseur d'intensité lumineuse; les figures 8A et 8B sont des vues qui représentent un convertisseur d'intensité lumineuse selon le quatrième mode de réalisation de l'invention; la figure 9 est une vue qui représente un convertisseur d'intensité lumineuse selon le cinquième mode de réalisation de l'invention; la figure 10 est une vue qui représente un convertisseur d'intensité lumineuse selon le sixième mode de réalisation de l'invention; la figure 11 est une vue qui représente la distribution d'intensité lumineuse de la lumière émergente dérivée à partir d'une lumière incidente présentant une distribution d'intensité lumineuse différente d'une distribution prédéterminée et qui entre dans le convertisseur d'intensité lumineuse; la figure 12 est une vue qui représente la définition de la distribution d'intensité lumineuse large utilisée sur la figure 11; et la figure 13 est une vue qui représente une unité de disque
optique incluant un convertisseur d'intensité lumineuse.
DESCRIPTION DES MODES DE RÉALISATION PRÉFÉRÉS
Les figures 1 et 2 sont des vues qui représentent un convertisseur d'intensité lumineuse ou un élément de conversion d'intensité lumineuse 10 selon le premier mode de réalisation de la présente invention. La figure 1 est une vue en coupe transversale du convertisseur d'intensité lumineuse 10 et la figure 2 est une vue avant du convertisseur d'intensité lumineuse 10. En outre, la figure 1 représente une multiplicité de chemins optiques s'étendant au travers
du convertisseur d'intensité lumineuse 10 pour des rayons lumineux.
Comme on peut le voir au vu des chemins optiques des rayons lumineux, le convertisseur d'intensité lumineuse 10 convertit des rayons lumineux parallèles présentant une distribution d'intensité lumineuse gaussienne selon des rayons lumineux parallèles présentant une
distribution d'intensité uniforme.
La figure 3 représente un dispositif optique 50 incluant le convertisseur d'intensité lumineuse 10 des figures 1 et 2. Ce dispositif optique 50 inclut une source de lumière laser 52, une lentille de collimation 54, le convertisseur d'intensité lumineuse 10 et une lentille objet 56. La source de lumière laser 52 émet une lumière divergée présentant la distribution d'intensité lumineuse gaussienne typique. Le faisceau laser émis depuis la source de lumière laser 52 est converti selon des rayons lumineux parallèles présentant la distribution d'intensité lumineuse gaussienne par la lentille de collimation 54. Les rayons lumineux parallèles présentant la distribution d'intensité lumineuse gaussienne sont convertis selon des rayons lumineux parallèles présentant une distribution d'intensité lumineuse uniforme par le convertisseur d'intensité lumineuse 10 et sont condensés par la
lentille objet 56 pour arriver en incidence sur un objet 58.
Un exemple du dispositif optique 50 est un équipement d'usinage par laser permettant de découper l'objet 58 au moyen d'un faisceau laser. Selon la présente invention, le convertisseur d'intensité lumineuse 10 permet de convertir des rayons lumineux parallèles présentant la distribution d'intensité lumineuse gaussienne selon des rayons lumineux parallèles présentant une distribution d'intensité uniforme, qui peuvent être condensés selon un spot de lumière plus petit par la lentille objet 56. Par conséquent, le dispositif optique 50 peut être utilisé pour une application qui nécessite un faisceau laser davantage condensé que celui dans l'équipement d'usinage par laser et de préférence, le dispositif optique 50 peut être utilisé dans une unité
de disque optique ou dans un système de microscope.
Sur les figures 1 et 2, le convertisseur d'intensité lumineuse 10 inclut un corps transparent 14 comportant un axe central 12. Le corps 14 est réalisé en un matériau transparent (tel que du verre) présentant un indice de réfraction isotrope. Le corps 14 inclut une première surface incurvée 16 qui s'étend transversalement par rapport à l'axe central 12, une seconde surface incurvée 18 qui s'étend de façon similaire transversalement par rapport à l'axe central 12 sur le côté opposé du corps 14 par rapport à la première surface incurvée 16 et une surface périphérique externe cylindrique 20 qui s'étend entre la première surface incurvée 16 et la seconde surface incurvée 18. Le convertisseur d'intensité lumineuse 10 est formé de telle sorte que les rayons lumineux parallèles qui présentent la distribution d'intensité lumineuse gaussienne arrivent en incidence sur le corps 14 au niveau de la première surface incurvée 16. La lumière qui traverse le corps 14 émerge depuis la seconde surface incurvée 18. Le convertisseur d'intensité lumineuse 10 est configuré de telle sorte que la lumière incidente qui arrive en incidence sur le corps au niveau de la première surface incurvée 16 diverge dans une certaine zone dans le corps 14 et converge dans une autre zone dans le corps 14 et émerge ensuite depuis la seconde surface incurvée 18 en tant que lumière présentant une distribution d'intensité lumineuse différente de celle de la lumière incidente. Les chemins optiques des rayons lumineux sont agencés de manière à ne pas se croiser les uns les autres. Plus spécifiquement, les chemins optiques des rayons lumineux qui traversent le convertisseur d'intensité lumineuse 10 s'étendent parallèlement les uns aux autres dans la zone Z. Dans la zone centrale X sur le côté interne de la zone Z, les rayons lumineux divergent tandis que les rayons lumineux convergent dans la zone périphérique Y à I'extérieur de la zone Z. En tant que résultat, les rayons lumineux qui présentent une intensité plus élevée au niveau de la partie centrale dans la distribution d'intensité lumineuse gaussienne, comme représenté au niveau de l'extrémité gauche de la figure 1, divergent lorsqu'ils traversent le convertisseur d'intensité lumineuse 10 et I'intensité afférente est réduite lors de l'émergence depuis le convertisseur d'intensité lumineuse 10. A l'opposé, les rayons lumineux présentant une intensité faible au niveau de la partie périphérique convergent et l'intensité est augmentée lorsqu'ils traversent le convertisseur d'intensité lumineuse 10. De cette façon, la lumière incidente présentant la distribution d'intensité lumineuse gaussienne est convertie par le convertisseur d'intensité lumineuse 10 selon une lumière émergente présentant globalement une distribution d'intensité
lumineuse uniforme.
Le corps 14 est formé selon la forme de symétrie de révolution autour de l'axe central 12. Par exemple, la première surface incurvée 16 du corps 14 comporte une protubérance annulaire P. Cette protubérance annulaire P est située sur un cercle formé autour de l'axe central. Des dépressions concentriques sont situées à l'intérieur et à l'extérieur de la protubérance annulaire P de la première surface incurvée 16. La seconde surface incurvée 18 présente une forme qui est en gros similaire à celle de la première surface incurvée 16 et elle est munie d'une dépression au niveau de sa partie qui correspond
sensiblement à la protubérance de la première surface incurvée 16.
Cependant, la seconde surface incurvée 18 ne correspond pas
exactement à la première surface incurvée 16.
Dans ce mode de réalisation, le convertisseur d'intensité lumineuse 10 est adapté pour convertir les rayons lumineux incidents présentant la distribution d'intensité lumineuse gaussienne et une ouverture d'incidence w1 selon des rayons lumineux émergents présentant une distribution d'intensité lumineuse uniforme et une ouverture de sortie w2. On a la relation consistant en ce que l'ouverture
d'incidence wl est supérieure à l'ouverture de sortie w2 (w1 > w2).
Selon le mode de réalisation de la figure 1, w1 est égal à 4,0 mm, w2
est égal à 3,4 mm et Lo décrit ultérieurement est égal à 1,5 mm.
Maintenant, un procédé de fabrication du convertisseur d'intensité lumineuse 10 sera décrit par report aux figures 1 à 4. Ici, P est la quantité de lumière totale de la lumière incidente présentant la distribution d'intensité lumineuse gaussienne et de l'intensité de la lumière émergente présentant une distribution d'intensité lumineuse uniforme. Puisque la quantité de lumière incidente est identique à la quantité de lumière émergente, I'intensité 12 de la lumière émergente est déterminée au moyen de l'équation (1): 12 = P/w2 (1) Par ailleurs, r1 est la distance (le rayon) depuis l'axe central 12 jusqu'à un point d'incidence arbitraire A, B est le point depuis lequel le rayon lumineux qui passe par le point d'incidence A émerge et r2 est la distance (le rayon) depuis l'axe central 12 jusqu'au point de sortie B. Par ailleurs, L est la longueur du chemin optique qui s'étend au travers du convertisseur d'intensité lumineuse 10, c'est-à-dire la distance depuis le point d'incidence A jusqu'au point de sortie B (ci-après appelée la longueur de chemin lumineux). La longueur de chemin lumineux le long de l'axe central 12 est donnée par Lo. Si l'on suppose que P1 est la quantité de lumière totale dans la partie depuis le centre jusqu'au point d'incidence A (la région dans le cercle présentant un rayon rn), r2 est déterminé à partir de l'équation (2)
ci-après o 12 est déterminé à partir de l'équation (1) mentionnée ci-
avant: r2 = Pl/12 (2) Si l'on considère que les rayons de laser à semiconducteur présentant l'angle de divergence 0 (la moitié d'un angle complet) sont convertis selon des rayons lumineux parallèles par la lentille de collimation présentant une distance focale de f, l'intensité I1 de la lumière incidente dans la plage du rayon rn est déterminée au moyen de l'équation (3): I = exp (-C x [rl]2) (3) o: C = In(2)/(f x sin(O /2)2) En utilisant l'équation (3), la quantité de lumière totale P et la quantité de lumière P1 dans la plage de r1 sont déterminées à partir des équations qui suivent (4) et (5): P1 = (7/C) x (1 - exp(-C x [r1]2)) (4) P = (7c/C) x (1 - exp(-C x [w1/2]2)) (5) L'intensité lumineuse 12 de l'équation (1) est exprimée au moyen de l'équation (6) ci-après: 12 = P/(7 x (w212)2) (6) Par conséquent, l'équation (2) peut être exprimée au moyen de l'équation qui suit (7): r2= (7) p X 12 Comme représenté sur la figure 4, puisque la lumière incidente et la lumière émergente sont toutes deux des rayons lumineux parallèles, I'angle a de la lumière qui arrive en incidence sur la première surface incurvée 16 est égal à l'angle ca de la lumière émergente qui émerge depuis la seconde surface incurvée 18. On suppose que P est l'angle de déviation de la lumière incidente et que n est l'indice de réfraction du corps 14 du convertisseur d'intensité lumineuse 10. A partir de la loi de Snell, les équations qui suivent (8) et (9) sont obtenues: tan(c) = (n x sin(")) / (n x cos(f3) - 1) (8) sin(13) = (r2- rj)/L (9) Dans l'équation (8), tan ca représente la valeur d'inclinaison des première et seconde surfaces incurvées 16, 18. Afin de calculer tan a de l'équation (8), f3 calculé dans l'équation (9) est substitué dans l'équation (8). L'équation (9) est calculée en substituant la relation entre le rayon r2 et le rayon rn de l'équation (7) et une valeur par hypothèse de la longueur de chemin optique L. Une fois que les valeurs d'inclinaison des première et seconde surfaces incurvées 16, 18 ont été calculées, la forme d'une surface incurvée est obtenue à partir d'inclinaisons successives. A cette fin, le rayon r2 est augmenté depuis O jusqu'à des valeurs respectives de telle sorte qu'une forme incurvée en continu peut être obtenue. Cependant, I'utilisation du procédé
d'approximation qui suit est plus avantageuse.
De façon générale, la forme des première et seconde surfaces incurvées 16, 18 du convertisseur d'intensité lumineuse 10 est exprimée au moyen d'un polynôme asphérique représenté au niveau de l'équation qui suit (10): Z X2/R i- AX4 + BX6+CX8 + DX10o+... (1 0) 1+1 -(1+ K)x(X/R)2 o X est la distance radiale, z est la position de la surface incidente, R est le rayon de courbure au niveau du centre et K est la constante parabolique. Cette équation (10) est différentiée en fonction du rayon
afin d'obtenir l'inclinaison en fonction du rayon.
Au vu de cela, la forme de la première surface incurvée 16 sur le côté d'incidence est déterminée de telle sorte que les données numériques de tan 1 pour les valeurs radiales ri pour chaque rayon lumineux jusqu'au rayon d'ouverture de w2/2 du convertisseur d'intensité lumineuse 10 soient calculées à partir de l'équation (9) et soient approximées à partir de l'équation différentielle (10). Ce polynôme est intégré sur le rayon r1 afin ainsi d'obtenir une équation
qui représente la forme de la surface.
Il y a deux procédés permettant de déterminer la forme de la seconde surface incurvée 18 sur le côté d'émergence. Le premier procédé consiste à intégrer la forme de la surface incurvée sur r2 comme lors du calcul de la forme de la première surface incurvée 16 sur le côté d'incidence. Dans ce cas, le calcul est similaire à celui
mentionné ci-avant et par conséquent, il ne sera pas décrit en détail.
Le second procédé consiste à calculer la forme de la seconde surface incurvée 18 sur le côté d'émergence à partir de la position de la surface incurvée sur le côté d'incidence, de la direction de déviation 3 et de la longueur de chemin optique L. Ce procédé peut être utilisé pour calculer la position de la surface incurvée sur le côté d'émergence à partir de l'équation qui suit (11) en supposant que Z1 est une position suivant la direction de l'axe central 12 pour le rayon r1 sur le côté d'incidence et que Z2 est une position suivant la direction de l'axe central 12 pour le rayon r2 sur le côté de sortie: Z2 = (r2- rl)/tan (1) + Z1 (11) En utilisant la valeur ainsi calculée Z2, Z est approché au moyen de l'équation (10). La forme de la seconde surface incurvée 18 sur le côté d'émergence déterminée en intégrant l'inclinaison ne coïncide de façon générale pas avec la forme de la seconde surface incurvée sur le
côté d'émergence déterminée au moyen du calcul de l'équation (11).
Ceci est dû au fait que la longueur de chemin optique L' qui est calculée à partir de l'équation déterminée en intégrant l'inclinaison est différente de la longueur de chemin optique supposée L.. Les longueurs de chemin optique L' et L doivent originellement coïncider l'une avec l'autre. Au vu de cela, la longueur de chemin optique L' dans le convertisseur d'intensité lumineuse 10 est calculée à partir des équations sur les côtés d'incidence et de sortie déterminées en intégrant l'inclinaison: L= |(r2 - rl)2 +(Z2 - Z1)2 (12) La longueur de chemin optique L' calculée pour chaque rayon r1 est redéfinie en tant que nouvelle longueur de chemin optique L pour chaque rayon ri et le calcul des équations (8) à (12) est répété jusqu'à ce que la différence (A = L L') converge jusqu'à 0 pour chaque rayon rl. De cette façon, la forme souhaitée du convertisseur d'intensité lumineuse 10 peut être déterminée. Cependant, le convertisseur d'intensité lumineuse 10 calculé de cette façon ne peut toujours pas être appliqué à tous les systèmes micro-optiques. Ceci est dû au fait que l'aberration se produit entre la partie d'extrémité et le centre de l'axe optique en fonction des rayons lumineux qui se déplacent, tel que dans la lentille plan-convexe. Par conséquent, l'aberration de front d'onde quadratique moyenne ou RMS du convertisseur d'intensité lumineuse 10 est activée et si la valeur RMS n'est pas supérieure à 0,07 X, il peut être considéré qu'un élément optique idéal est déterminé, lequel satisfait la valeur limite de Rayleigh. La valeur RMS est une valeur moyenne de la différence de chemin optique pour tous les
rayons lumineux incidents dans une zone.
Pour que la valeur RMS soit réduite, les longueurs de chemin optique des rayons lumineux passant par chaque rayon du convertisseur d'intensité lumineuse 10 doivent être égales les unes aux autres. Conformément à ce mode de réalisation, des rayons lumineux parallèles sont convertis selon des rayons lumineux parallèles et par conséquent, plus la différence en termes de longueur de chemin optique est faible, plus la différence de déviation des rayons lumineux due à la réfraction est faible. La déviation peut être réduite en réduisant l'angle d'incidence des rayons lumineux incidents. La valeur RMS peut être réduite en sélectionnant de façon appropriée les exigences internes en termes de diamètre d'ouverture d'incidence et en termes de diamètre d'ouverture de sortie associés à une valeur absolue minimum d'inclinaison dans la zone de conversion d'intensité effective du convertisseur d'intensité lumineuse 10 ou en augmentant l'épaisseur du convertisseur d'intensité lumineuse 10. Pour la même épaisseur, plus la valeur absolue de l'inclinaison est faible, plus la valeur RMS est faible. Pour certaines équations d'approximation cependant, l'approximation pour les parties périphériques peut être non satisfaisante. La valeur RMS est une valeur moyenne dans une zone et lorsque le poids des parties périphériques devient plus important, la valeur RMS est détériorée même du fait d'une faible différence en termes de longueur de chemin de rayon lumineux. Au vu de ce qui précède, la valeur RMS peut être réduite en masquant les parties périphériques. Dans le cas du convertisseur d'intensité lumineuse 10 de la figure 1, la forme de la surface incurvée a été approchée par le polynôme à dix termes, lerésultat étant que l'aberration de front d'onde maximum était de 0,044 X et que la valeur RMS était de 0,012 X. Selon le mode de réalisation de la figure 1, l'épaisseur L0 de la partie centrale du convertisseur d'intensité lumineuse 10 est égale à 1,5 mm, le diamètre d'ouverture d'incidence w1 est égal à 4 mm et le diamètre d'ouverture de sortie w2 est égal à 3,4 mm. A l'aide d'une technique similaire, la relation entre le diamètre d'ouverture d'incidence w1 et le diamètre d'ouverture de sortie w2 peut être modifiée, comme
représenté sur les figures 5 et 6.
La figure 5 représente un exemple selon lequel le diamètre d'ouverture d'incidence Wl et le diamètre d'ouverture de sortie w2 sont égaux à 4 mm et sont égaux l'un à l'autre. L'épaisseur L0 est égale à 1,5 mm. La figure 6 représente un cas dans lequel le diamètre d'ouverture d'incidence w1 est égal à 4 mm et le diamètre d'ouverture
de sortie w2 est égal à 5 mm. L'épaisseur L0 est égale à 4 mm.
Également sur les figures 5 et 6, le convertisseur d'intensité lumineuse convertit les rayons lumineux parallèles présentant la distribution d'intensité lumineuse gaussienne selon des rayons lumineux parallèles
présentant une distribution d'intensité lumineuse uniforme.
L'épaisseur des convertisseurs d'intensité lumineuse 10 représentés sur les figures 1 et 5 est égale à 1,5 mm tandis que l'épaisseur du convertisseur d'intensité lumineuse 10 représenté sur la figure 6 est égale à 4 mm. L'épaisseur est augmentée sur la figure 6 afin d'empêcher qu'une partie des rayons lumineux dans le convertisseur n'excède l'angle critique, ce qui peut être le cas lorsque
l'épaisseur est égale à 1,5 mm.
La figure 7 est un graphique qui représente la relation qui lie le rayon r2 et l'inclinaison des surfaces incurvées. La courbe en trait plein H représente le cas pour lequel le diamètre d'ouverture d'incidence est supérieur au diamètre d'ouverture de sortie et la courbe en pointillés I représente le cas pour lequel le diamètre d'ouverture d'incidence est inférieur au diamètre d'ouverture de sortie. Le diamètre d'ouverture d'incidence est égal à 4 mm dans les deux cas tandis que le diamètre d'ouverture de sortie est égal à 3,4 mm pour la courbe en trait plein H et à 5 mm pour la courbe en pointillés I. Ce graphique démontre que la valeur absolue d'inclinaison peut être réduite pour la courbe en trait plein H qui représente le cas pour lequel l'ouverture de sortie est inférieure à l'ouverture d'incidence. Ceci peut être dit également pour d'autres diamètres d'ouverture, et la valeur absolue de l'inclinaison peut être réduite lorsque l'ouverture de sortie est inférieure à l'ouverture d'incidence. La valeur absolue de l'inclinaison peut par conséquent être minimisée lorsque la valeur absolue de l'inclinaison au niveau de la position de fond de la courbe en trait plein H de la figure 7 (position (1) au niveau de laquelle l'inclinaison passe de la pente descendante à la pente ascendante) est égale à la valeur absolue de l'inclinaison au
niveau de la partie périphérique la plus externe (position (2)).
Les figures 8A et 8B représentent un convertisseur d'intensité lumineuse 30 selon un autre mode de réalisation. Le convertisseur d'intensité lumineuse 30 comprend une lame biréfringente 32 présentant des indices de réfraction différents (no, ni) suivant deux axes perpendiculaires à un axe central 31 et des lames 34, 36 pour prendre en sandwich la lame biréfringente 32 et présentant le même indice de réfraction nO que l'un des indices de réfraction de la lame biréfringente 32. Le convertisseur d'intensité lumineuse 30 présente une structure munie de surfaces d'incidence et de sortie verticales. La lame biréfringente 32, qui est formée selon une conformation similaire à celle du convertisseur d'intensité lumineuse 10 du mode de réalisation précédent, fonctionne de telle sorte que lorsqu'un faisceau lumineux polarisé qui coïncide avec l'un des axes arrive en incidence, la conversion d'intensité lumineuse est réalisée pareillement au cas du convertisseur d'intensité lumineuse 10, comme représenté sur la figure 8A tandis que lorsqu'un faisceau lumineux polarisé qui coïncide avec I'autre axe arrive en incidence, la conversion d'intensité lumineuse n'est
pas réalisée de façon substantielle, comme représenté sur la figure 8B.
Les surfaces des lames 34, 36 sont planes afin de faciliter la
manipulation du convertisseur d'intensité lumineuse 30.
Le convertisseur d'intensité lumineuse 30 représenté sur les figures 8A et 8B peut être appliqué tout particulièrement de façon efficace à un système optique (par exemple l'unité de disque optique) pour un appareil d'enregistrement d'information ou similaire. Plus spécifiquement, dans le cas o un faisceau lumineux polarisé arrive en incidence suivant une direction donnée, I'effet de conversion de lumière est si élevé que les rayons lumineux dirigés sur un support d'information peuvent être hautement condensés et les rayons lumineux
réfléchis depuis le support d'information ne sont pas convertis.
L'information sur le support d'information peut par conséquent être
produite telle quelle.
Bien que la description mentionnée ci-avant ne se réfère pas à
la dimension, le convertisseur d'intensité lumineuse selon la présente invention peut bien entendu être appliqué efficacement à la lumière d'incidence présentant une distribution d'intensité lumineuse bidimensionnelle, comme représenté sur la figure 9, ainsi qu'à une distribution d'intensité lumineuse monodimensionnelle. Par ailleurs, indépendamment de l'incidence et de la sortie de rayons lumineux parallèles comme décrit ci-avant, la présente invention peut être appliquée avec un effet équivalent à l'incidence et à la sortie de rayons
lumineux divergents.
La figure 10 représente un convertisseur d'intensité lumineuse selon encore un autre mode de réalisation. La distribution d'intensité
lumineuse d'un laser à semiconducteur est de conformation elliptique.
Afin de faire passer la distribution d'intensité lumineuse elliptique à la distribution d'intensité lumineuse d'une conformation arbitraire, le procédé classique utilise un prisme de correction complètement ronde
sur lequel des rayons lumineux arrivent en incidence en diagonale.
L'utilisation du convertisseur d'intensité lumineuse tel que représenté sur la figure 10 en lieu et place du prisme rend possible de convertir la distribution d'intensité lumineuse elliptique selon une distribution d'intensité lumineuse complètement ronde. Par conséquent, l'encombrement non nécessaire pour une incidence en diagonale sur le prisme est réduit, d'o un poids réduit, une épaisseur réduite et une
longueur réduite du système optique.
La figure 11 représente la distribution d'intensité de la lumière émergente lorsque la lumière présentant la distribution d'intensité lumineuse autre que celle conçue arrive en incidence sur le convertisseur d'intensité lumineuse 10. Une distribution d'intensité lumineuse large et une distribution d'intensité lumineuse étroite sont respectivement définies par des courbes R et Q sur la figure 12. La courbe en trait plein Q présente une crête plus élevée et des queues plus faibles que la courbe en pointillés R. Dans ce cas, la courbe en pointillés R est supposée représenter une distribution d'intensité lumineuse plus large que celle de la courbe en trait plein Q. La ligne droite J sur la figure 11 représente la distribution d'intensité de la lumière émergente lorsque la lumière incidente présentant la distribution d'intensité lumineuse conçue arrive en incidence sur le convertisseur d'intensité lumineuse 10. La courbe K représente la distribution d'intensité de la lumière émergente lorsque la lumière incidente présentant une distribution d'intensité lumineuse plus large que celle conçue arrive en incidence sur le convertisseur d'intensité lumineuse 10. Dans ce cas, la distribution d'intensité lumineuse est en forme de coupelle, I'intensité étant plus élevée au niveau de la partie périphérique qu'au niveau de la partie centrale. La courbe L représente la distribution d'intensité de la lumière émergente lorsque la lumière incidente présentant une distribution d'intensité lumineuse plus étroite que celle conçue arrive en incidence sur le convertisseur d'intensité lumineuse 10. Dans ce cas, la distribution d'intensité lumineuse est en forme de dôme, I'intensité étant élevée au niveau de la partie centrale et faible au niveau de la partie périphérique. Dans le cas o la lumière incidente présentant une distribution d'intensité lumineuse telle que représentée sur la figure 11 est condensée, il est connu que le faisceau peut être condensé de manière davantage satisfaisante selon l'ordre des distributions d'intensité en forme de coupelle, du type uniforme et du type gaussien. Lorsque le convertisseur d'intensité lumineuse 10 est utilisé pour convertir la lumière émise depuis une source de lumière telle qu'un laser à semiconducteur présentant un angle large et des variations selon une intensité uniforme, le convertisseur d'intensité lumineuse est réglé de manière à s'adapter à la distribution d'intensité lumineuse qui correspond à l'angle d'étalement le plus étroit du laser à semiconducteur de telle sorte que la distribution d'intensité lumineuse de la lumière émergente provenant du convertisseur d'intensité lumineuse 10 soit uniforme même au minimum et soit en forme de coupelle de façon normale. Ainsi, la convergence du faisceau est améliorée. Par ailleurs, ce système optique élimine la nécessité d'un prisme de correction complètement ronde et par conséquent, le
dispositif optique est amélioré.
Par ailleurs, dans un système optique qui inclut une partie optique mobile suivant la direction perpendiculaire à l'axe central et une partie optique immobile, le convertisseur d'intensité lumineuse est situé sur le côté de la partie optique immobile et il comporte une ouverture de sortie plus large que la combinaison de l'ouverture et de la course de déplacement de la partie optique mobile. De cette façon, même lorsque la partie mobile est déplacée, le convertisseur d'intensité lumineuse peut appliquer des rayons lumineux parallèles présentant
une intensité lumineuse convertie au travers de la partie mobile.
La figure 13 représente un exemple d'une unité de disque optique 60 incluant le convertisseur d'intensité lumineuse 10. L'unité de disque optique 60, tout comme le dispositif optique 50 de la figure 3, inclut une source de lumière laser 62, une lentille de collimation 64, un convertisseur d'intensité lumineuse 10 et une lentille objet 66. L'unité de disque optique 60 inclut en outre un séparateur de faisceau 68, une lame quart d'onde 70, un miroir suiveur 72, une lentille de condenseur
74 et une photodiode 76.
Le convertisseur d'intensité lumineuse 10 est interposé entre la lentille de collimation 64 et le séparateur de faisceau 68. La lentille de collimation 64 et le convertisseur d'intensité lumineuse 10 sont montés sur un châssis commun et sont intégrés l'un avec l'autre. En tant que résultat, même dans le cas o d'autres lentilles (telles que la lentille objet 66) sont déplacées, la focalisation de la lumière peut être compensée indépendamment de la déviation de la lentille mobile par
rapport à l'axe optique.
La présente invention comprend en outre les caractéristiques
qui suivent.
Les première et seconde surfaces incurvées sont conformées selon une conformation de symétrie de révolution. Les première et seconde surfaces incurvées permettent de convertir une distribution d'intensité lumineuse elliptique selon une distribution d'intensité lumineuse circulaire. Le corps est réalisé en un matériau biréfringent comportant deux axes optiques par rapport à l'axe central. Le corps est pris en sandwich par un matériau qui présente le même indice de réfraction que celui de l'un des axes optiques du matériau biréfringent et comporte une surface traitée suivant la direction perpendiculaire de
l'axe optique.
L'aberration de front d'onde est réduite en masquant le bord du convertisseur d'intensité lumineuse. Une lumière incidente présentant une distribution d'intensité lumineuse plus large qu'une distribution d'intensité prédéterminée est amenée à entrer de telle sorte qu'une lumière qui présente une intensité plus élevée émerge au niveau du bord le plus externe qu'au niveau de la partie centrale. Dans un système optique incluant une partie optique mobile suivant la direction perpendiculaire à l'axe central et une partie optique immobile, le convertisseur d'intensité lumineuse est situé sur le côté de la partie immobile et il présente une ouverture de sortie plus large que la valeur combinée du diamètre d'ouverture et de la distance de déplacement de la partie mobile. Le convertisseur d'intensité lumineuse est formé en un matériau biréfringent comportant deux axes optiques par rapport à l'axe central et en un matériau qui prend en sandwich le matériau biréfringent et qui présente le même indice de réfraction que l'un des axes optiques du matériau biréfringent. Le convertisseur d'intensité lumineuse est agencé avant la lentille de collimation et la distribution d'intensité est modifiée en commutant la direction de déviation, ce qui modifie le diamètre du faisceau et la distribution d'intensité. Le dispositif optique comprend une source de lumière, une lentille de collimation et un convertisseur d'intensité lumineuse o la lentille de collimation et le convertisseur d'intensité lumineuse sont intégrés l'un à l'autre. Comme décrit ci-avant, selon la présente invention, un dispositif optique qui utilise un convertisseur d'intensité lumineuse simple ne présente pas de perte de lumière, résiste à une lumière de sortie élevée, présente une aberration faible et permet de contrôler arbitrairement la distribution d'intensité lumineuse. La performance peut par conséquent être aisément améliorée. Par ailleurs, le convertisseur
d'intensité lumineuse qui utilise la réfraction présente une perte faible.
En outre, la distribution d'intensité lumineuse de la lumière sortante et la conformation de l'ouverture de sortie peuvent être déterminées librement, ce qui rend possible de réduire le nombre de parties du
dispositif optique.
Claims (8)
1. Convertisseur d'intensité lumineuse (10) caractérisé en ce qu'il comprend: un corps (14) incluant un axe central (12), une première surface incurvée (16) s'étendant transversalement audit axe central, une seconde surface incurvée (18) s'étendant transversalement audit axe central et une surface périphérique externe (20) s'étendant entre ladite première surface incurvée et ladite seconde surface incurvée; et dans lequel ledit corps (14) est construit de telle sorte qu'une lumière présentant une première distribution d'intensité lumineuse arrive en incidence sur ledit corps au niveau de ladite première surface incurvée (16), que la lumière incidente diverge dans une première zone dans ledit corps et qu'elle converge dans une seconde zone dans ledit corps, par réfraction, lorsque la lumière entre dans ledit corps depuis ladite première surface incurvée (16), et que la lumière émerge depuis ledit corps au niveau de ladite seconde surface incurvée (18), la lumière émergente présentant une seconde distribution d'intensité lumineuse différente de ladite première distribution d'intensité lumineuse.
2. Convertisseur d'intensité lumineuse selon la revendication 1, caractérisé en ce que la lumière incidente qui entre dans ledit corps (14) au niveau de ladite première surface incurvée (16) diverge dans la zone centrale autour dudit axe central (12) dans ledit corps et converge
dans la zone périphérique dans ledit corps.
3. Convertisseur d'intensité lumineuse selon la revendication 1, caractérisé en ce que, dans lesdites première et seconde surfaces incurvées (16, 18), la valeur d'inclinaison dans la partie périphérique la plus externe et la valeur d'inclinaison en un point o l'inclinaison passe d'une pente ascendante à une pente descendante ou d'une pente descendante à une pente ascendante présentent des signes opposés
et sensiblement les mêmes valeurs absolues.
4. Convertisseur d'intensité lumineuse selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit corps (14) présente une épaisseur qui est telle que la valeur quadratique moyenne de l'aberration de front d'onde de la lumière émergente par rapport à la lumière incidente n'est pas supérieure à 0,07 R.
5. Convertisseur d'intensité lumineuse selon la revendication 1, caractérisé en ce que, en ce qui concerne la lumière qui traverse une petite zone dudit corps (14), I'angle d'incidence est sensiblement le
même que l'angle d'émergence.
6. Convertisseur d'intensité lumineuse selon la revendication 1, caractérisé en ce que les formes des première et seconde surfaces incurvées (16, 18) dudit corps (14) sont déterminées de la manière qui suit, si l'on considère qu'un rayon lumineux arrive en incidence sur le corps en un point d'incidence (A) à une première distance (r1) de l'axe optique et émerge du corps en un point de sortie (B) à une seconde distance (r2) de l'axe optique: la seconde distance (r2) est déterminée en divisant la quantité P1 de la lumière qui sort dans la plage qui va depuis l'axe optique jusqu'à ladite première distance (rn) par l'intensité I qui est obtenue en divisant la quantité totale de la lumière incidente par une aire prédéterminée de la lumière émergente; et la distance linéaire entre le point d'incidence (A) et le point de sortie (B) est donnée par hypothèse afin d'ainsi déterminer la direction de déviation du rayon lumineux qui traverse le point d'incidence (A); les inclinaisons des plans passant par le point d'incidence (A) et par le point de sortie (B) sont déterminées conformément à la loi de réfraction; les inclinaisons des plans passant par le point d'incidence (A) et par le point de sortie (B) ainsi déterminées sont intégrées sur la distance radiale depuis ledit axe central afin d'ainsi déterminer les surfaces incurvées sur les côtés d'incidence et de sortie; la surface incurvée sur le côté de sortie (18) est déterminée à partir de la surface incurvée sur le côté d'incidence (16), de la direction de déviation pour chaque distance arbitraire (rn) et de la distance déterminée par hypothèse (L); la distance (L) associée à chaque distance arbitraire (r1) est modifiée de telle sorte que la surface incurvée sur le côté de sortie déterminée par intégration coïncide avec la surface incurvée sur le côté de sortie déterminée à partir de la surface incidente; et les inclinaisons des surfaces incidente et de sortie (16, 18) sont déterminées de façon répétée de manière à faire converger la distance (L).
7. Unité de disque optique (60) caractérisée en ce qu'elle comprend une source de lumière (62), une lentille de collimation (64), un convertisseur d'intensité lumineuse (10) et une lentille objet (66), ledit convertisseur d'intensité lumineuse (10) incluant un corps (14) comportant un axe central (12), une première surface incurvée (16) s'étendant transversalement audit axe central, une seconde surface incurvée (18) s'étendant transversalement audit axe central et une surface périphérique externe (20) s'étendant entre ladite première surface incurvée et ladite seconde surface incurvée et dans lequel ledit corps (14) est construit de telle sorte qu'une lumière présentant une première distribution d'intensité lumineuse arrive en incidence sur ledit corps au niveau de ladite première surface incurvée (16), que la lumière incidente diverge dans une première zone dans ledit corps et converge dans une seconde zone dans ledit corps, par réfraction, lorsque la lumière entre dans ledit corps depuis ladite première surface incurvée et que la lumière émerge depuis ledit corps au niveau de ladite seconde surface incurvée (18), la lumière émergente présentant une seconde distribution d'intensité lumineuse différente de ladite première distribution d'intensité lumineuse; et ladite lentille de collimation (64) et ledit convertisseur d'intensité lumineuse (10) sont intégrés l'un à l'autre pour ainsi compenser une focalisation de la lumière indépendamment de la déviation de la lentille
objet (66) mobile par rapport à l'axe optique.
8. Unité de disque optique (60) caractérisée en ce qu'elle comprend une source de lumière (62), une lentille de collimation (64), un convertisseur d'intensité lumineuse (10), un séparateur de faisceau (68) et une lentille objet (66), ledit convertisseur d'intensité lumineuse incluant un corps (14) comportant un axe central (12), une première surface incurvée (16) s'étendant transversalement audit axe central, une seconde surface incurvée (18) s'étendant transversalement audit axe central et une surface périphérique externe (20) s'étendant entre ladite première surface incurvée et ladite seconde surface incurvée et dans laquelle ledit corps est construit de telle sorte qu'une lumière présentant une première distribution d'intensité lumineuse arrive en incidence sur ledit corps au niveau de ladite première surface incurvée (16), que la lumière incidente diverge dans une première zone dans ledit corps et converge dans une seconde zone dans ledit corps, par réfraction, lorsque la lumière entre dans ledit corps depuis ladite première surface incurvée, et que la lumière émerge depuis ledit corps au niveau de ladite seconde surface incurvée, la lumière émergente présentant une seconde distribution d'intensité lumineuse différente de ladite première distribution d'intensité lumineuse; et ledit convertisseur d'intensité lumineuse (10) étant agencé entre
ledit séparateur de faisceau (68) et ladite lentille de collimation (64).
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