FR3069332B1 - Dispositif d’illumination diffractif a angle de diffraction augmente - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un dispositif optique pour générer une image diffractée sur un support (S), ledit dispositif comprenant un élément optique diffractif (5) agencé pour diffracter un faisceau optique de manière à générer une figure de diffraction. Le dispositif comprend en outre un miroir (7.1; 7.2; 7.3; 7.4; 7.5) à puissance optique, le miroir étant placé par rapport à l'élément optique diffractif de manière à projeter la figure de diffraction vers le support pour obtenir une version agrandie de l'image diffractée.

Description

DISPOSITIF D’ILLUMINATION DIFFRACTIF A ANGLE DE DIFFRACTION AUGMENTE

La présente invention se situe dans le domaine de l'optique diffractive et concerne plus particulièrement un dispositif d’illumination optique à base d'éléments optiques diffractifs adapté à générer une image diffractée de taille agrandie sur un support de projection. L’invention trouve une application privilégiée pour l'illumination d'un objet ou d'une scène par une image diffractée telle qu'un motif lumineux structuré dans le cadre de l'acquisition et la reconnaissance d’objets en trois dimensions, par exemple pour l’identification biométrique à partir d’un téléphone portable. L'invention peut également servir à générer un marquage lumineux projeté au sol depuis un appareil volant, tel qu'un hélicoptère, un avion ou un drone, pour indiquer et sécuriser une zone d’atterrissage de l'appareil.

Dans le domaine des télécommunications, l'invention peut également servir à distribuer un ensemble de faisceaux laser dans des matrices de fibres optiques de réseaux de communication optiques.

Par ailleurs, l'invention peut être aussi utile à une mise en forme de faisceaux laser adaptée pour l’usinage, la découpe ou la soudure de pièces mécaniques.

Par la suite, on désignera par élément optique diffractif dit EOD ou DOE {Diffractive Optical Elément), tout type de composant optique synthétique ayant pour fonction de façonner le front d'onde d'un rayonnement optique incident, de manière à le transformer en un front d'onde désiré. Cette transformation est basée sur le phénomène de diffraction optique obéissant à des lois de diffraction connues, telles que les lois de Fraunhofer ou de Fresnel.

En pratique, un élément optique diffractif est généralement constitué d'un substrat, tel qu'une plaque en verre, sur ou dans lequel sont profilés des microstructures ou nanostructures configurées pour diffracter un faisceau lumineux incident de manière à générer un motif lumineux souhaité constituant une image diffractée. Ce motif lumineux peut être constitué par exemple par une matrice de points lumineux formant une grille lumineuse.

De manière connue, les dimensions de l'image diffractée ou de manière équivalente, l'angle de diffraction maximum am de l'élément optique diffractif dépend de la taille et en particulier de la profondeur des micro ou nanostructures gravées à la surface de cet élément. En général, une réduction de la taille de ces structures induit une augmentation de l'angle de diffraction am, ce qui se traduit par un agrandissement du motif lumineux souhaité en sortie de l'élément optique diffractif.

Dans de nombreuses applications, l'obtention d'angles de diffraction élevés est très recherchée, notamment pour permettre de produire des motifs lumineux étendus dans des systèmes optiques à encombrement réduit. Ainsi, le critère de compacité joue un rôle critique, en particulier pour la conception des systèmes biométriques ou de reconnaissance morphologique destinés à être mis en oeuvre sur des terminaux mobiles, tels que des téléphones portables pour authentifier leurs utilisateurs.

Il est reconnu que la conception et la fabrication de ces micro/ nanostructures de tailles réduites (ou de manière équivalente à angles de diffraction élevés) sont problématiques notamment pour les raisons suivantes. D'une part, la théorie et les modèles de diffraction scalaires les plus simples ne sont plus valides pour des éléments diffractifs optiques comportant des microstructures dont la taille est proche de la longueur d’onde de la lumière utilisée (soit de l’ordre de 1pm dans le spectre visible). Dans ce cas, des modèles de diffraction vectoriels très exigeants en termes de puissance de calcul deviennent nécessaires. Ceci a pour inconvénient majeur d'accroître le coût et le temps nécessaires à la conception d'éléments optiques diffractifs à angle de diffraction augmenté. D'autre part, pour des tailles de structures inférieures à 1 pm, les technologies de fabrication conventionnelles, telles que l'écriture directe par laser ou la photolithographie dans le domaine ultraviolet proche, et les moyens de métrologie optique tels que les microscopes optiques deviennent insuffisants. Il s'en suit que des moyens de fabrication et métrologie plus coûteux tels que des microscopes à balayage électronique et des moyens d'écriture directe par faisceau d'électrons ("e-beam direct-write") deviennent nécessaires pour augmenter l'angle de diffraction des éléments optiques diffractifs.

De manière empirique, en considérant des longueurs d'onde dans le domaine du spectre visible et en utilisant des éléments optiques diffractifs basés sur des modèles de diffraction scalaires et des techniques de fabrication optiques limitées à des tailles de structures de l'ordre de 1 pm, le demi-angle de diffraction maximal am pouvant être obtenu est environ égal à 15° par rapport à l'axe optique de l'élément optique diffractif, soit un angle total de diffraction environ égal à 30°.

Par définition, le demi-angle de diffraction maximum est l'angle formé par l'intersection de l'axe optique de l'élément optique diffractif et un rayon diffracté présentant une divergence maximale par rapport à cet axe optique.

Dans les systèmes de projection à base d’éléments optiques diffractifs, il est connu qu’une partie de la lumière non diffractée par l'élément optique diffractif, dite lumière diffractée à l'ordre 0, est transmise à travers l'élément optique diffractif, de telle sorte que cette lumière se retrouve dans l'image diffractée.

En fonction de la nature de la lumière utilisée et de sa longueur d'onde, la lumière diffractée à l’ordre 0 est potentiellement dangereuse pour l'œil humain. Ceci est notamment le cas des systèmes utilisant des sources de lumière de type laser, par exemple pour des applications biométriques de reconnaissance faciale pour lesquelles l'image diffractée (e.g. une grille lumineuse) est projetée sur le visage d'un individu. Il existe donc un besoin de réduire ou supprimer la lumière diffractée à l’ordre 0 en sortie de ces systèmes, de manière à accroître le degré de sécurité oculaire des utilisateurs.

Les solutions proposées jusqu’à présent pour réduire ou supprimer la lumière diffractée à l'ordre 0 s’appuient principalement sur l’utilisation de filtres optiques ou tout autre composant de filtrage dédié venant accroître la complexité et le poids des systèmes actuels. Toutefois, ces solutions ne sont pas adaptées aux besoins de miniaturisation ou de compacité accrue auxquels les systèmes sont désormais confrontés notamment au vu des applications biométriques destinées à être déployées sur des téléphones portables ou des terminaux embarqués.

Un des buts de la présente invention est de résoudre au moins l'un des inconvénients précités. A cet effet, l’invention propose un dispositif optique pour obtenir une image diffractée sur un support, ledit dispositif comprenant un élément optique diffractif agencé pour diffracter un faisceau optique de manière à générer une figure de diffraction, ledit dispositif comprenant en outre un miroir à puissance optique, le miroir étant placé par rapport à l’élément optique diffractif de manière à projeter la figure de diffraction vers le support pour obtenir une version agrandie de ladite image diffractée sur le support.

Par la suite, on désignera par puissance optique le degré auquel le miroir fait converger ou diverger la lumière.

Ainsi, le dispositif d’illumination diffractif selon l'invention est capable de fournir une image diffractée agrandie compatible avec l’utilisation d’éléments optiques diffractifs aux dimensions conventionnelles.

Contrairement à l'approche conventionnelle qui vise à réduire la taille des micro/nanostructures pour accroître l'angle de diffraction maximum des éléments optiques diffractifs, le principe de la présente invention consiste à adjoindre en sortie de l'élément optique diffractif, un miroir à puissance optique. Dans le cadre de l'invention, le miroir a pour effet global de faire diverger le faisceau lumineux en sortie du dispositif.

Il s'en suit que l'angle de diffraction effectivement vu en sortie du dispositif est accru par rapport à l'angle de diffraction intrinsèque de l'élément optique diffractif. L'adjonction d'un tel miroir permet avantageusement d'atteindre un demi-angle de diffraction effectif largement supérieur à 15° par rapport à l’axe optique de l'élément optique diffractif, soit un angle total de 30° de part et d’autre de l’axe optique. L’invention permet ainsi d’accroître la taille des images diffractées, tout en relâchant la contrainte relative à la taille des micro/nanostructures des éléments optiques diffractifs, rendant ainsi possible l'utilisation de technologies de fabrication moins coûteuses et plus rapides.

En pratique, la présente invention permet l’utilisation d’éléments optiques diffractifs conventionnels, conçus à partir de modèles de diffraction scalaires simples et fabriqués avec des paramètres de dimension des microstructures supérieurs à 1 pm.

Le miroir à puissance optique a pour effet global d’élargir le faisceau de lumière en sortie du dispositif optique, ce qui revient à augmenter l'angle de diffraction effectif du dispositif optique. Il s'en suit que l'image diffractée projetée sur le support est agrandie. L'utilisation d'un tel miroir est particulièrement avantageuse notamment par rapport à l'utilisation d'une ou plusieurs lentilles réfractives en particulier pour les raisons suivantes.

Premièrement, le miroir permet de replier le chemin optique du dispositif par réflexion à sa surface. Cette particularité de l’invention rend l'ensemble du dispositif plus compact, par rapport à un montage opérant en transmission, dans lequel le faisceau serait amené à traverser une ou plusieurs lentilles pour obtenir un élargissement du faisceau en sortie des lentilles.

Deuxièmement, un miroir présente l'avantage de fonctionner de manière identique quelle que soit la longueur d'onde que le miroir réfléchit car la distance focale d'un miroir ne dépend pas de la longueur d’onde d’utilisation. Par conséquent, le grandissement obtenu par le miroir est indépendant de la longueur d’onde du faisceau optique incident, contrairement au cas d'une lentille réfractive dont l’indice de réfraction est fonction de la longueur d’onde de la lumière incidente.

Ainsi, l'invention peut être avantageusement utilisée pour la diffraction d'images en couleurs, par exemple dans un système optique à multiples longueurs d'ondes de type RGB (Red, Green, Blue) comprenant trois sources laser de longueur d'ondes distinctes ou une source laser polychromatique.

Troisièmement, l'utilisation d'un tel miroir peut être particulièrement avantageuse pour occulter la lumière indésirable diffractée à l'ordre 0 (non diffractée), tout en assurant une architecture plus simple et plus compacte qu'une solution à base de lentilles. En effet, après réflexion sur le miroir, le passage de cette lumière est bloqué par la présence de la source de lumière.

Le blocage de la lumière à l'ordre 0 est particulièrement avantageusement pour assurer la sécurité oculaire, notamment dans le cas où l'image diffractée est projetée sur le visage d'un individu dans le cadre d'une application de reconnaissance faciale.

Selon une caractéristique de l'invention, le dispositif comprend en outre une source de lumière et une lentille convergente agencée pour focaliser un faisceau de lumière issu de ladite source de lumière, dans un plan image intermédiaire, l'élément optique diffractif étant agencé pour diffracter le faisceau de lumière.

Ainsi, le dispositif permet de générer une image diffractée.

Selon un mode de réalisation de l'invention, le miroir est concave à savoir présentant une surface de réflexion courbée creuse vue de la lentille convergente.

Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le miroir est convexe à savoir présentant une surface de réflexion bombée vue de la lentille convergente.

Le miroir convexe présente les mêmes avantages que le miroir concave par rapport à l'utilisation de lentilles. Le caractère convexe permet en outre de réduire l'encombrement du dispositif par rapport au cas d'une forme concave.

Selon une autre caractéristique de l'invention, la source de lumière, l’élément optique diffractif et la lentille convergente sont tous trois alignés le long d'un axe optique commun.

Selon une autre caractéristique de l'invention, le miroir est placé, par rapport à la lentille convergente, de sorte que ledit plan image intermédiaire soit situé entre ledit miroir et le plan focal du miroir.

Selon une autre caractéristique de l'invention, le miroir comprend une zone non-réfléchissante, par exemple transparente ou absorbante, ladite zone étant située au niveau de l’intersection entre l’axe optique commun et le miroir.

Cette zone absorbante ou non-réfléchissante fait en sorte que les rayons diffractés à l'ordre 0 issus de l'élément optique diffractif ne sont pas réfléchis par le miroir, mais absorbés ou transmis à travers le miroir le long de l'axe optique au niveau de la zone centrale du miroir.

De cette façon, le faisceau diffracté désiré comporte uniquement des composantes diffractées d'ordre supérieur à 0 permettant ainsi d'assurer plus facilement la sécurité oculaire des utilisateurs (nécessaire par exemple pour la projection de l'image diffractée sur le visage d'un individu destiné à être analysé par un algorithme de reconnaissance faciale).

Selon une autre caractéristique de l'invention, l'élément optique diffractif est mobile le long de l'axe optique commun.

Le déplacement de l'élément optique diffractif le long de l'axe optique commun a pour effet d'ajuster la taille ou l'étendue du faisceau de lumière en sortie du miroir, permettant ainsi d'ajuster l'angle de diffraction effectif du dispositif. Ainsi, il est possible d'augmenter ou de réduire la taille de l'image projetée sur le support à une distance fixe de la source de lumière.

Selon une autre caractéristique de l'invention, le miroir est mobile le long de l'axe optique commun.

Ce degré de mobilité permet avantageusement d'ajuster la valeur de l'angle de diffraction effectif du dispositif selon l'invention.

Selon une autre caractéristique de l'invention, le miroir a un axe optique distinct de l'axe optique commun et forme un angle non nul avec l'axe optique commun. L’orientation du miroir permet avantageusement de projeter l’image diffractée désirée en dehors de l'axe optique commun, c’est-à-dire dans une direction différente de celle du faisceau incident, tout en évitant la présence de lumière diffractée à l'ordre 0 dans l’image projetée.

Selon une autre caractéristique de l'invention, le dispositif comprend moyens pour orienter l'axe optique du miroir selon un degré de liberté en rotation autour d’au moins un axe perpendiculaire audit axe optique commun.

Le caractère mobile du miroir est particulièrement avantageux pour balayer une image diffractée désirée.

Selon une autre caractéristique de l'invention, le miroir et l’élément optique diffractif sont fournis sur un même composant, l’élément optique diffractif et le miroir étant formés sur deux faces opposées dudit composant. L'utilisation d'un miroir rend possible et facilite l'obtention d'un dispositif optique diffractant monobloc hautement compact, dans lequel l'élément optique diffractif et le miroir sont conjointement réalisés sur un même élément « moulable >> obtenu par injection ou nano-imprint.

Selon une autre caractéristique de l'invention, le miroir présente une courbure de forme sphérique.

Le miroir sphérique a pour effet d’amplifier efficacement l’angle de diffraction effectif du dispositif, permettant ainsi de projeter des images réelles de taille augmentée en utilisant des éléments optiques diffractifs présentant intrinsèquement des angles de diffraction plus faibles. Ainsi, en relâchant la contrainte sur la taille des structures diffractantes, il est possible d’utiliser des éléments optiques diffractifs plus faciles à concevoir et à fabriquer.

Selon une autre caractéristique de l'invention, le miroir présente une courbure de forme asphérique.

Selon une variante de réalisation, la courbure est de forme parabolique. Autrement dit, le miroir est parabolique.

Un miroir asphérique, tel qu'un miroir parabolique, permet avantageusement de corriger les aberrations et distorsions dues à une projection de l’image et particulièrement dues à une projection en dehors de l’axe optique tout en optimisant la compacité du dispositif.

Selon une autre caractéristique de l'invention, le dispositif comprend en outre des moyens pour appliquer au miroir des vibrations.

La soumission du miroir à de faibles vibrations mécaniques permet avantageusement de réduire le bruit de type "speckle" prenant l'aspect de tavelures ou chatoiement dans l'image diffractée projetée par le miroir, améliorant ainsi la qualité de l'image de l'image projetée.

Selon une autre caractéristique de l'invention, le miroir est déformable.

La déformation du miroir peut avoir pour effet de modifier la longueur focale du miroir et par conséquent le grandissement de l’image diffractée projetée sur le support. Ainsi, l’angle de diffraction effectif peut être adapté sans déplacer le miroir ou en limitant le déplacement de l’élément optique diffractif pour assurer une meilleure compacité. Au contraire, pour des solutions basées sur l’utilisation de lentilles en tant que moyen de divergence optique, un déplacement des lentilles est généralement nécessaire pour modifier la taille de l’image projetée.

Selon une autre caractéristique de l'invention, la source de lumière est un laser à semi-conducteur.

Il existe des modules laser à semi-conducteur actuellement disponibles sur le marché hautement compacts permettant de réduire l’encombrement du dispositif selon l’invention.

La présente invention vise également un ensemble comprenant le dispositif selon l'invention et un support sur lequel est destiné à être projetée une image diffractée générée et/ou obtenue par ledit dispositif. D’autres caractéristiques, avantages et détails de la présente invention ressortiront à la lecture de la description suivante de plusieurs exemples de réalisation de l’invention, donnés à titre illustratif et non limitatif, ladite description étant réalisée en référence avec les dessins joints, parmi lesquels : la figure 1 est une représentation schématique de l’architecture du dispositif de l’invention selon un premier mode de réalisation, la figure 2 est une représentation schématique de l’architecture du dispositif de l’invention selon un deuxième mode de réalisation, la figure 3 est une variante du deuxième mode de réalisation, la figure 4 est une représentation schématique de l’architecture du dispositif de l’invention selon un troisième mode de réalisation, la figure 5 est une représentation schématique de l’inclinaison d’un miroir.

Comme illustré aux figures 1 à 4, le dispositif selon l’invention comprend une source de lumière 1, une lentille convergente 3 disposée en sortie de la source, un élément optique diffractif 5 disposé en sortie de la lentille et un miroir 7.1 ; 7.2 ; 7.3 ; 7.4 disposé en sortie de l’élément optique diffractif 5.

Dans les exemples qui vont être décrits ci-après, on considère que la source de lumière 1 est constituée par un module laser apte à émettre un rayonnement cohérent et monochromatique (i.e. faisceau laser).

Bien évidement, la nature et les propriétés d’émission de la source de lumière 1 pourront être adaptées en fonction de l’application visée. Ainsi, la source 1 peut être une source de lumière cohérente monochromatique ou polychromatique. Par exemple, pour la projection d’images diffractées en couleurs, la source de lumière 1 pourra être polychromatique comprenant trois sources laser adaptées à émettre respectivement un rayonnement laser à des longueurs d'ondes distinctes. De manière alternative, la source de lumière polychromatique pourra être constituée par un seul module laser accordable en longueur d’onde. Un tel module peut être piloté pour émettre séquentiellement un rayonnement laser à des longueurs d’ondes distinctes.

Selon une caractéristique préférentielle de l’invention, la source de lumière 1 est constituée par un module laser à semi-conducteur. On notera qu'il existe actuellement sur le marché des modules laser à semi-conducteur très compacts, typiquement de l'ordre de quelques mm3 à quelques cm3, permettant ainsi avantageusement de rendre très compact le dispositif selon l’invention. La compacité du dispositif est particulièrement recherchée dans le cadre d’applications biométriques destinées à être mises en oeuvre sur des téléphones portables. A titre d'exemple illustratif, l'élément optique diffractif 5 est obtenu, de manière classique, par écriture directe d'un faisceau laser dans une couche de matériau photosensible déposée sur un substrat. L’écriture est réalisée suivant un modèle obtenu en fonction de l’image désirée que l'on souhaite projeter sur le support par application d’un algorithme de calcul inverse et de quantification. L'EOD résultant présente des microstructures d'une dimension critique de l'ordre de 1 pm.

De manière générale, la source de lumière 1 est agencée de manière à illuminer l’EOD 5 à travers la lentille convergente 3. La source 1, l'EOD 5 et la lentille 3 étant tous trois alignés le long d’un axe optique O commun.

Dans le cas où la source de lumière 1 est constituée par un module laser à semi-conducteur, la lentille convergente 3 présente un intérêt tout particulier pour corriger la divergence du faisceau laser issu de ce module 1, étant donné que les modules laser à semi-conducteur compacts émettent en pratique un faisceau laser divergent.

Ainsi, la lentille convergente 3 située entre la source de lumière 1 et l’EOD 5 forme une image de la source de lumière à travers l'EOD dans un plan image P3 de la lentille convergente 3. Par la suite, ce plan image P3 sera désigné par plan intermédiaire P3. Cette image dite image intermédiaire correspond à la figure de diffraction générée par l’EOD 5. Comme illustré sur les figures 1, 2 et 3, ce plan intermédiaire P3 est situé entre le miroir 7.1; 7.2; 7.3 et un plan focal du miroir P7, à une distance f3 de la lentille convergente 3 qui correspond à la distance conjuguée image de la lentille 3.

En pratique, cette distance f3 est typiquement de l'ordre de quelques mm ou cm et supérieure à la distance focale de la lentille. Par exemple, pour des systèmes compacts tels que des téléphones portables de type smartphone, cette distance f3 peut être inférieure à 1 cm. De manière connue, la distance conjuguée image est liée à la distance séparant la lentille de la source de lumière par les relations de conjugaison classiques communément utilisées en optique géométrique.

Dans les modes de réalisation particuliers tels qu'illustrés aux figures 1,2 et 3, le miroir 7.1 ; 7.2; 7.3 est agencé de manière à être aligné avec l'ensemble formé par la source de lumière 1, la lentille convergente 3 et l'élément optique diffractif 5, le long de l'axe optique commun O. Dans ces cas de figure, le dispositif optique selon l’invention est optiquement centré autour de l'axe optique O qui est commun à chacun de ses éléments constitutifs (i.e. source de lumière 1, lentille convergente 3, EOD 5).

Un premier mode de réalisation de l’invention va maintenant être décrit en référence à la figure 1, selon lequel le miroir est un miroir convexe 7.1.

La forme convexe du miroir est définie de telle sorte que sa surface de réflexion présente une courbure tournée en direction de la surface de l'élément optique diffractif 5 vue de la lentille convergente 3. Autrement dit, la surface de réflexion du miroir 7.1 est bombée dans le sens de propagation de la lumière entre la source 1 et le miroir 7.1.

Dans ce mode de réalisation, le miroir convexe 7.1 est agencé le long de l'axe optique commun O, entre la lentille convergente 3 et le plan intermédiaire P3, c'est-à-dire en amont de ce plan par rapport au sens de propagation de la lumière entre la source de lumière 1 et le miroir 7.1.

Une image intermédiaire virtuelle générée par l’élément optique diffractif 5 est formée par la lentille convergente 3 dans le plan intermédiaire P3 situé en aval du miroir par rapport au sens de propagation de la lumière entre la source de lumière 1 et le miroir.

Cette image intermédiaire correspond à la figure diffractée par l’élément optique diffractif 5. Ainsi, le miroir convexe 7.1 transforme l’image intermédiaire contenue dans le plan intermédiaire P3 en une image réelle agrandie destinée à être projetée sur un support S.

Ainsi, le faisceau réfléchi par le miroir convexe 7.1 et projeté sur le support S est avantageusement élargi par rapport au faisceau incident comme illustré sur la figure 1.

Par exemple, un tel support peut être le visage d’un individu à identifier dans le cadre d’une reconnaissance faciale ou bien la surface d’une zone d’atterrissage d’un appareil volant, ou encore un mur servant d’écran de projection.

De manière avantageuse, l’image réelle projetée sur le support S ne contient pas de lumière diffractée à l’ordre 0. En effet, la lumière qui n'a pas été diffractée par l’élément optique diffractif 5 a été réfléchie en direction de la source lumineuse 1 le long de l'axe optique commun O mais ne parvient pas jusqu'au support S étant donné que le module laser 1 se trouvant dans l'alignement de l'axe optique commun O fait obstacle à la propagation de ces rayons à proximité de l’axe optique commun O.

Ainsi, les rayons diffractés à l’ordre 0 sont avantageusement filtrés par la présence du module laser 1, sans nécessiter de composants de filtrage additionnels, permettant ainsi de simplifier l’architecture globale du dispositif.

Un deuxième mode de réalisation de l’invention va maintenant être décrit en référence à la figure 2. Ce deuxième mode diffère du premier mode de réalisation décrit ci-avant en référence à la figure 1 en ce que le miroir est un miroir concave 7.2 au lieu d’être convexe.

Par la suite, on caractérisera de concave un miroir dont la surface de réflexion présente une courbure creuse vue de la lentille convergente 3. Autrement dit, la surface de réflexion du miroir concave 7.2 est creuse dans le sens de propagation de la lumière entre la source de lumière 1 et le miroir.

Dans ce mode de réalisation, le miroir concave 7.2 a la particularité d'être agencé le long de l'axe optique O, en aval du plan intermédiaire P3 par rapport au sens de propagation de la lumière entre la source 1 et le miroir.

En raison de sa forme concave, le plan intermédiaire P3 où l’image intermédiaire est formée se situe en amont du miroir concave 7.2 par rapport au sens de propagation de la lumière entre la source de lumière 1 et le miroir. Comme décrit précédemment, la distance f3 qui sépare la lentille convergente 3 de ce plan intermédiaire P3 est égale à la distance conjuguée image de la lentille convergente 3.

Comme pour le premier mode de réalisation, le miroir concave 7.2 génère une image réelle agrandie sur le support S, de telle sorte que le dispositif selon l’invention présente un angle de diffraction effectif augmenté par rapport à l'angle de diffraction maximal intrinsèque à l'élément optique diffractif 5.

Comme pour le premier mode de réalisation, les rayons diffractés à l’ordre 0 par l'élément optique diffractant 5 puis réfléchis par le miroir sont physiquement occultés par la présence du module laser 1 à proximité de l’axe optique commun O.

Selon une variante de réalisation du premier mode de réalisation, le miroir convexe 7.3 comprend une zone non-réfléchissante 9 comme illustré sur la figure 3 pour éviter que la lumière diffractée à l’ordre 0 ne soit projetée sur le support S.

Cette zone dite zone centrale 9 se situe au niveau d'un point d'intersection de la surface du miroir et de l’axe optique commun O. La zone centrale 9 est préférentiellement centrée sur ce point d'intersection.

La zone non-réfléchissante fait en sorte que les rayons diffractés à l'ordre 0 issus de l'élément optique diffractif 5 ne sont pas réfléchis par le miroir, mais absorbés par cette zone ou transmis à travers cette zone le long de l'axe optique O.

Ainsi, la zone non-réfléchissante peut être constituée d’un matériau absorbant adapté à absorber tout ou partie des rayons diffractés à l’ordre 0.

Par exemple, cette zone peut être constituée d'un matériau transparent à la lumière incidente, de telle sorte que le faisceau incident soit intégralement transmis à travers cette zone, i.e. sans pertes optiques. De manière alternative, cette zone peut être constituée d’une ouverture adaptée à laisser passer la lumière à travers le miroir.

Par exemple, l'ouverture peut être remplie d’un matériau optiquement transparent adapté à laisser à transmettre tout ou partie de la lumière.

La transmission intégrale de la lumière diffractée à l’ordre 0 en sortie du miroir présente un intérêt particulier pour caractériser en temps réel les propriétés d’émission du module laser 1.

La même variante et exemples de réalisation ci-dessus s'appliquent également au deuxième mode de réalisation de la figure 2. Dans ce cas (non représenté), le miroir concave 7.2 comprend la même zone centrale non-réfléchissante 9, telle que décrite précédemment en référence à la figure 3. Elle présente les mêmes effets et avantages que ceux déjà décrits.

De manière générale, cette zone centrale 9 peut être pourvue sur tout type de miroir à puissance optique prévu dans le cadre de la présente invention.

Selon une caractéristique de l'invention, l'élément optique diffractif 5 est mobile le long de l'axe optique O par rapport au miroir 7.1; 7.2; 7.3. Cette caractéristique s'applique notamment aux modes de réalisation décrits en référence aux figures 1, 2 et 3 et de manière plus générale à tout mode ou toute variante de réalisation où l'élément optique diffractif 5 n'est pas formé de manière monobloc avec le miroir comme cela est décrit ci-après en référence à la figure 4.

En ajustant la distance Y57 entre l’élément optique diffractif 5 et le miroir à puissance optique, il est possible de modifier le facteur d’agrandissement de l’image réelle projetée par le miroir. De manière équivalente, un tel déplacement permet de modifier l’angle de diffraction effectif du dispositif. Ainsi, la taille de l'image réelle projetée sur l'écran S peut être dynamiquement ajustée, i.e. augmentée ou diminuée, selon l'usage.

Il convient de noter que l'angle de diffraction effectif pourra être ajusté sans modifier la position du support de projection S. Ainsi, il est possible d’obtenir un grandissement variable de l’image réelle projetée sur le support en maintenant une distance de projection D fixe entre la surface du miroir et le support S.

Ainsi, en rapprochant ou en écartant de manière continue (ou progressive) l'élément optique diffractif 5 par rapport au miroir le long de l'axe optique O, il est possible de fournir un dispositif d’illumination capable de projeter une image diffractée réelle dont la taille peut être augmentée ou réduite de manière continue, avec la possibilité de projeter à une distance fixe de ce dispositif.

Ce déplacement pourra être réalisé au moyen d'une plateforme (non représentée) montée coulissante sur un rail le long de l'axe optique et sur laquelle sera fixé l'élément optique diffractif 5. L'actionnement de la plateforme pourra être effectué manuellement ou bien automatiquement au moyen d'un moteur piloté par un module de contrôle selon les spécificités de l'application visée.

Un troisième mode de réalisation de l’invention va maintenant être décrit en référence à la figure 4. Ce mode de réalisation diffère du deuxième mode de réalisation en ce que l'image réelle est projetée en dehors de l’axe optique commun O. A cet effet, le miroir 7.4 est orienté de telle sorte que son axe optique propre M (ou de manière équivalente son axe de symétrie) forme un angle non nul avec l’axe optique commun O comme illustré à la figure 5. Autrement dit, l’axe optique du miroir M n’est pas confondu avec l’axe optique commun O contrairement aux modes de réalisation décrits en référence aux figures 1 à 3.

La figure 5B illustre de manière plus générale en trois dimensions, l’orientation du miroir selon au plus deux degrés de liberté en rotation définis par les angles Θ et φ respectivement par rapport aux axes X et Z d’un repère orthonormé X, Y, Z, ces deux axes étant perpendiculaires à l'axe optique commun O. La valeur des angles Θ et φ pourra être ajustée en fonction de l'application visée. Par exemple, un angle de 90° est particulièrement utile pour simplifier l’inclusion d’un dispositif de ce type dans l’épaisseur d’un smartphone ou tablette.

Selon une particularité de l’invention, le dispositif selon l'invention comprend des moyens pour orienter le miroir selon un degré de liberté en rotation θ,φ autour d’au moins un axe perpendiculaire X ; Z à l’axe optique commun O.

Selon un premier exemple de réalisation, ces moyens sont réalisés à base de MEMS (MicroElectroMechanical Systems) permettant de piloter électriquement l’orientation d’un micro-plateau sur lequel est fixé le miroir.

Selon un deuxième exemple de réalisation, ces moyens sont réalisés à base de scanners à miroir galvanométrique ("scanning galvo mirror Systems").

Selon le troisième mode de réalisation, les rayons diffractés à l’ordre 0 continuent d’être occultés par le module laser 1 comme décrit pour les autres modes de réalisation décrits ci-avant.

Selon une variante de réalisation de ce troisième de mode réalisation, le miroir convexe incliné 7.4 est formé de manière monobloc avec l’élément optique diffractif 5 comme illustré à la figure 4.

Le miroir permet de rendre le dispositif optique hautement compact, ce qui ne serait pas aisé avec l'utilisation de lentilles comme moyen de divergence optique.

Par exemple, l'élément optique diffractif 5 et le miroir 7.4 sont conjointement réalisés sur un même élément pouvant être moulé, obtenu par injection ou par lithographie par nano-impression. Des microstructures peuvent être gravées sur une première face d'un composant réalisé en verre de manière à former l'élément optique diffractif 5. Une fine couche métallique peut être déposée sur une deuxième face du composant, la deuxième étant disposée à l'opposée de la première face. La deuxième surface peut être formée par moulage. Ainsi un composant monobloc comprenant l’élément optique diffractif et du miroir sur deux de ses faces opposées peut être facilement réalisé par des méthodes de fabrication conventionnelle.

Dans l’exemple d’illustration de la figure 4, un miroir convexe a été représenté. Toutefois, d’autres variantes pourront être envisagées en utilisant tout autre type de miroir à puissance optique tels que ceux déjà décrits (concave, sphérique, parabolique) en tant qu’alternatives de réalisation en fonction des besoins de l’application visée.

On notera que l’utilisation de miroirs convexes ou concaves pour produire l’agrandissement désiré est avantageuse pour procurer une grande flexibilité dans le choix des composants et des montages pour bloquer la lumière diffractée à l’ordre 0.

Selon une particularité de l'invention, la surface du miroir est de forme sphérique. Cette caractéristique s’applique indépendamment du caractère concave ou convexe du miroir et peut s’appliquer de manière générale à l’un quelconque des modes de réalisation tels que déjà décrits en référence aux figures 1 à 4.

Le caractère sphérique a pour effet d’amplifier efficacement l’angle de diffraction effectif, permettant ainsi de projeter des images réelles de taille augmentée, tout en utilisant des éléments optiques diffractifs présentant intrinsèquement des angles de diffraction limités par des contraintes liées aux moyens de conception et/ou de fabrication des micro/nano-structures de ces éléments.

La forme sphérique du miroir est particulièrement bien adaptée pour atteindre des angles de diffraction effectifs de valeur supérieure à 30° (valeur d’angle totale par opposition à la valeur du demi-angle) avec une taille des microstructures de l'ordre de 1 pm.

Ainsi, l'utilisation du miroir de forme sphérique permet avantageusement de projeter des images diffractées de taille augmentée en utilisant des éléments optiques diffractifs peu coûteux et faciles à concevoir et à fabriquer.

Dans les modes de réalisation tels qu'illustrés aux figures 1 à 4, le miroir 7.1 ; 7.2 ; 7.3 ; 7.4 a été sélectionné de forme sphérique.

Toutefois, selon une autre particularité de l’invention, ce miroir pourra être remplacé, dans l'un quelconque de ces modes de réalisation, voire dans d'autres modes non décrits, par un miroir de forme parabolique ou plus généralement asphérique. De la même manière que pour un miroir de forme sphérique, le miroir parabolique ou asphérique pourra présenter une forme convexe ou concave comme décrit précédemment. L'utilisation d'un miroir parabolique est particulièrement bien adaptée pour corriger des aberrations et/ou des distorsions optiques dues à une projection de l’image réelle en dehors de l'axe optique O, tout en optimisant la compacité du dispositif.

De manière générale, l’ajustement de l’angle de diffraction effectif par modification de la distance Y57 séparant l’élément optique diffractif 5 du miroir comme décrit dans le premier mode de réalisation en référence à la figure 1, reste valable pour chacun des modes de réalisation décrits ci-avant, sauf dans le cas où l'élément optique diffractif 5 ne peut pas être déplacé lorsqu'il qu'il est intégré de manière monobloc avec le miroir sur un même composant.

Selon les modes de réalisation décrits en référence aux figures 1,2,4, en positionnant correctement la source de lumière 1, l'élément optique diffractif et le miroir dans l’alignement de l’axe optique O, les rayons diffractés à l’ordre 0 réfléchis à la surface du miroir au niveau de l’axe optique O sont physiquement occultés par le boîtier du module laser 1.

Comme décrit précédemment, ceci permet avantageusement de supprimer dans l’image réelle projetée sur le support S des points lumineux d’ordre 0 dont la puissance peut être relativement et potentiellement dangereuse pour l’œil humain.

Ainsi, le dispositif selon l’invention a pour effet de supprimer les composantes diffractées à l’ordre 0 dans l’image réelle, réduisant ainsi des risques oculaires potentiels, sans pour autant nécessiter de composants de filtrage additionnels. De cette façon, l’architecture du dispositif selon l’invention est grandement simplifiée et bénéficie d’un encombrement relativement réduit, notamment par rapport à des solutions à base de lentilles.

De manière générale, le dispositif selon l'un quelconque des modes de réalisation décrit ci-avant pourra comprendre en outre des moyens pour appliquer au miroir des vibrations (non représentés).

La soumission du miroir à de faibles vibrations mécaniques permet avantageusement de réduire le bruit de type "speckle" prenant l'aspect de tavelures ou chatoiement dans l'image diffractée projetée par le miroir, améliorant ainsi la qualité de l'image projetée. Ces vibrations mécaniques pourront être produites, par exemple, à l’aide d’un dispositif à MEMS ou d’un système de miroir galvanométrique.

Dans les modes de réalisation décrits ci-dessus, l'élément optique diffractif 5 utilisé est un élément optique diffractif dit de Fourier. Dans ce cas, le plan image intermédiaire P3 correspond au plan image de la lentille convergente 3 situé à la distance conjuguée image f3 de la lentille convergente 3.

Toutefois, l'invention s'applique également au cas où l'élément optique diffractif est un élément optique diffractif dit de Fresnel, c'est-à-dire disposant en outre d'une puissance optique qui peut être convergente ou divergente. Dans ce cas, la description ci-dessus reste valable à la différence que le plan image intermédiaire P3 tel que représenté sur les figures 1 à 4 ne correspond pas au plan image de la lentille convergente 3 mais à un plan image intermédiaire qui dépend également de la puissance optique de l'élément optique diffractif. Ainsi, le plan image intermédiaire P3 dans lequel se forme l'image intermédiaire générée par l'élément optique diffractif de Fresnel est située par rapport à la lentille convergente 3, à une distance inférieure ou supérieure (et non pas égale) à la distance image conjuguée f3. L'utilisation d'un élément optique diffractif de Fresnel est particulièrement avantageuse pour dé-focaliser, par rapport au plan de focalisation de l'image générée par l'élément optique diffractif de Fresnel, la lumière diffractée à l'ordre 0 à proximité de l'axe optique commun et ainsi améliorer la sécurité oculaire des utilisateurs vis-à-vis de faisceaux laser transmis à travers l'élément optique diffractif.

Bien entendu, l’invention n’est pas limitée aux seuls exemples de réalisation ci-dessus décrits et représentés, à partir desquels on pourra prévoir d’autres modes et d’autres formes de réalisation, sans pour autant sortir du cadre de l’invention.

Claims (19)

1. REVENDICATIONS 1) Dispositif optique pour obtenir une image diffractée sur un support (S), ledit dispositif comprenant un élément optique diffractif (5) agencé pour diffracter un faisceau optique de manière à générer une figure de diffraction, ledit dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre un miroir (7.1; 7.2; 7.3; 7.4) à puissance optique, le miroir étant placé par rapport à l’élément optique diffractif de manière à projeter la figure de diffraction vers le support pour obtenir une version agrandie de ladite image diffractée sur le support.
2. 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il comprend en outre une source de lumière (1) et une lentille convergente (3) agencée pour focaliser un faisceau de lumière issu de ladite source de lumière, dans un plan image (P3) intermédiaire, ledit élément optique diffractif étant agencé pour diffracter ledit faisceau de lumière.
3. 3) Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le miroir est concave (7.2), à savoir présentant une surface de réflexion courbée creuse vue de la lentille convergente (3).
4. 4) Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le miroir est convexe (7.1; 7.3; 7.4), à savoir présentant une surface de réflexion bombée vue de la lentille convergente (3).
5. 5) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que la source de lumière (1), l’élément optique diffractif (5) et la lentille convergente (3) sont tous trois alignés le long d'un axe optique commun (O).
6. 6) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que ledit miroir est placé, par rapport à la lentille convergente, de sorte que ledit plan image intermédiaire soit situé entre ledit miroir et le plan focal du miroir.
7. 7) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 6, caractérisé en ce que le miroir comprend une zone non-réfléchissante (9), par exemple transparente ou absorbante, ladite zone étant située au niveau de l’intersection entre l’axe optique commun (O) et le miroir.
8. 8) Dispositif selon l’une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que l'élément optique diffractif (5) est mobile le long dudit axe optique commun (O).
9. 9) Dispositif selon l’une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que le miroir (7.1; 7.2; 7.3; 7.4) est mobile le long dudit axe optique commun (O).
10. 10) Dispositif selon l’une quelconque des revendications 5 à 9, caractérisé en ce que le miroir (7.4) a un axe optique (M) distinct de l'axe optique commun (O) et forme un angle non nul avec ledit axe optique commun (O).
11. 11) Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce qu’il comprend des moyens pour orienter l'axe optique M du miroir (7.4) selon un degré de liberté en rotation (θ,φ) autour d’au moins un axe perpendiculaire (X ; Z) audit axe optique commun (O).
12. 12) Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le miroir (7.4) et l’élément optique diffractif (5) sont fournis sur un même composant, l’élément optique diffractif et le miroir étant formés sur deux faces opposées dudit composant.
13. 13) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que le miroir (7.1 ; 7.2 ; 7.3 ; 7.4) présente une courbure de forme sphérique.
14. 14) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que le miroir présente une courbure de forme asphérique.
15. 15) Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce que la courbure est de forme parabolique.
16. 16) Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 15, caractérisé en ce que le dispositif comprend en outre des moyens pour appliquer au miroir des vibrations.
17. 17) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, caractérisé en ce que le miroir est déformable.
18. 18) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 17, caractérisé en ce que la source de lumière (1) est un laser à semi-conducteur.
19. 19) Ensemble comprenant le dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 18 et un support sur lequel est destiné à être projetée une image diffractée obtenue par ledit dispositif.