Brevet FR2155923A1 — publié le 19730525

La présente invention concerne un dispositif optique comprenant un système catadioptrique, peu sensible ou même insensible aux déformations de flexion de son support. I1 est connu que les systèmes catadioptriques sont des systè- mes centrés formée de lentilles et de dioptres dirigeant la lumière émise par une source sur un miroir de forme appropriée de telle manière que la lumière réfléchie par ce miroir retraverse en sens inverse le même système centré. Les caractéristiques propres à chacun des composants optiques d'un tel système et leurs dispositions relu, tives déterminent les propriétés particulières aux divers systèmes catadioptriques réalisables. Lorsque de tels systèmes sont très longs, une dizaine de mètres et au-delà, alors que l'image finale de la source, de 11 ordre du millimètre, doit être située dans une zone de dimensions réduites, par exemple la surface active d'une cellule photosensible occupant une position fixe, toute déformation du support des composants vé hiculant la lumière conduit, par les déplacements de ces composants, au déport de l'image finale hors de la zone où elle doit être formée et même à l'interception de la lumière au cours de son trajet. Divers dispositifs ont été décrits tendant à immobiliser 1'sima, ge finale, indépendamment de certaines déformations localisées des supports. Ces dispositifs font appel aux propriétés optiques de sys- tèmes dans lesquels il y a formation d'une image intermédiaire au centre de courbure d'un miroir sphérique, palliant ainsi les déformations des supports qui correspondent à des rotations autour d(a- xes passant par ce centre de courbure et autour d'axes passant par les points où se forment les diverses images de ce centre, données par les divers dioptres du système catadioptrique. L'image finale est alors à peu près immobile et sa brillance sensiblement constante lors de telles déformations très localisées des supports. Salis il n'en est plus de même si les supports, formant banc d'optique, se déforment par flexion, c'est-à-dire par rotation autour de chaque point consécutif de la fibre moyenne du banc, et de tels dispositifs n'assurent alors plus du tout une fixité relative suffisante de l'image finale, en position ni en brillance, cette image disparaissant même totalement pour des flèches qui peuvent être couramment prises par le banc d'optique. Un tel inconvénient est apparu, plus particulièrement, dans les bancs d'optique équipant les transformateurs de courant dleotri- que à haute tension qui utilisent l'effet magnéto-optique connu sous le nom d'effet Faraday, constitués d'une source de lumière monochromatique, à potentiel électrique voisin de celui de la terre et dont le faisceau émis par la source traverse successivement deux éléments transparents à constante de Verdet élevée, situés l'un dans un champ magnétique créé par le courant à haute tension, l'autre dans un champ magnétique destiné à compenser la rotation du plan de polarisation du faisceau lumineux introduite par le premier champ. De la mesure du courant créant le champ de compensation, on déduit alors, par comparaison des ampères-tours, la valeur du courant qui parcourt la ligne à haute tension. L'élément supérieur, généralement disposé à proximité des conducteurs de transport de l'énergie et placé dans un enroulement de quelques spires parcouru par le courant à mesurer, se trouve, pour des raisons d'isolement, distant de près d'une dizaine de mètres de l'élément inférieur, disposé vers le sol et placé dans un autre enroulement créant le champ de compensation. Un ensemble de quatre composants optiques constitue généralement l'instrument conduisant la lumière émise par la source jusqu'à l'élément supérieur formant catadioptre, la face postérieure de cet élément étant réfléchissante, généralement un miroir concave sphérique, cet élément supérieur constituant le dernier composant du banc d'optique. La présente invention a pour but d'éviter les déplacements inacceptables de l'image finale de la source et d'éliminer les variations considérables de la brillance de cette image finale sous l'effet des déformations de flexion d'un banc d'optique considéré comme une poutre encastrée à une de ses extrémités et soumise soit à une force fortuite constante ou variable à l'autre extrémité, soit à une charge fortuite constante ou variable répartie tout le long de la poutre. L'invention a pour objet un dispositif optique comportant un système catadioptrique, précédé d'au moins deux composants optiques, destiné à pallier les conséquences des déformations de flexion de son support formant un banc dtoptique très long, de l'ordre dtune dizaine de mètres, considéré comme une poutre encastrée à une de ses extrémités et libre à l'autre, caractérisé en ce que le composant réfléchissant d'extrémité du banc d'optique est placé de telle sorte que le centre de courbure du miroir concave équivalent à ce composant se trouve situé entre la surface de ce miroir et le plan principal image du dernier composant optique dudit système qui précède immédiatement ce miroir. D'autres caractéristiques de l'invention ressortiront de la description qui suit, faite en regard des dessins annexés concernant une forme de réalisation donnée à titre d'exemple non limitatif et dans lesquels - la fig. 1 est un schéma optique de l'appareil. - la fig. 2 est une vue schématique, de profil et en coupe, de la réalisation du même appareil dans une application à la mesure d'une intensité de courant électrique à très haute tension par transformateur optique astatique, à deux trajets optiques parallèles dont un seul est représenté sur cette figure, selon les dispositions décrites dans la demande de brevet français numéro 71/10.568 déposée le 25 mars 1971 par la demanderesse. Sur les fig. 1 et 2, une source de lumière monochromatique polAr risée et modulée I constituée d'éléments connus, envoie son faisceau sur un premier composant optique 2 qui forme l'image de la source 1 dans le plan principal objet d'un composant 3. Ces deux premiers composants 2 et 3 sont rassemblés vers une extrémité d'un banc d'optique d'une certaine longueur. le banc d'optique est supposé encastré à cette extrémité, l'autre extrémité étant supposée libre. le composant 3 forme l'image de la pupille de sortie du composant 2 dans le plan de la pupille d'entrée dlun composant 4 formant véhicule, lequel composant 4 fournit une image du plan principal image du composant 3 dans le plan principal objet d'un composant 5.La distance entre ces deux plans principaux est représentée par la lettre t dans l'expression ci-après. le plan pro cipal objet du composant 4 est à une distance du plan principal image du composant 3 représentée par la lettre m dans cette expression et la distance focale de ce composant 4 y est représentée par le symbole f4. Cette distance focale est déterminée en fonction de la position du composant 4 par rapport aux composants 3 et 5 afin d'obtenir la conjugaison désirée ci-dessus des deux plans principaux des composants 3 et 5. Ce composant 4 peut être déporté de l'axe commun sur lequel les composants 3 et 5 sont centrés, suivant les dispositions décrites dans la demande de brevet nO 71/09.979 déposée le 22 mars 1971 par la demanderesse. le composant 5 fournit une image de la pupille de sortie du composant 4 dans le plan de la pupille d'entrée d'un composant catadrioptrique 6 représenté sur la fig. 1 par le miroir concave fictif qui lui est équivalent et, sur la fig.4 tel qu'il est pratiquement constitué, c'est-à-dire d'un barreau à effet Faraday important, dont la face antérieure 6t est plane et transparente ; la face postérieure 63 est sphérique et réfléchissante, formant miroir concave. Dans l'expression ci-après, la lettre d représente la distance entre le plan principal image du composant 5 et le sommet du miroir fictif 6. L'invention est caractérisée par le fait que le centre de courbure de ce miroir concave est situé entre le plan principal image du composant 5 où se forme une image intermédiaire de la sous ce et la surface réfléchissante dudit miroir 6, de telle sorte que ce miroir 6 fournisse, en 7, une image réelle de la source placée quelque part entre le foyer du miroir 6 et le plan principal image du composant 5 et aussi entre ce plan principal image et le situé vers le miroir 6,de ce composant 5, ces grandeurs images de ce composant 5 étant relatives au trajet d'aller de la lumière0 Ce dernier composant 5 donne une image virtuelle de la source, au cours du trajet de retour de la lumière. Cette image virtuelle est reprise par le composant 4 qui donne, à son tour, une image réelle 8 de la source 1. Par ailleurs, l'ensemble des composants 5 et 6 donne de la pupille de sortie du composant 4 une image confondue avec elle-même et ne se déplaçant que peu ou même pas du tout lors d'une flexion du banc. Cette image de pupille est reprise par un composant 9 qui en forme une dernière image sur une surface sensible 10 d'un photorécepteur 11 recevant le faisceau modulé et pouvant faire partie d'un ensemble de traitement de l'information ainsi recueillie, ensemble non représenté sur les figures. Suivant une caractéristique plus particulière de l'invention, le centre de courbure du miroir concave fictif 6 est placé à une distance du plan principal image du composant 5 représentée par la lettre a dans l'expression ci-après déduite des considérations sur l'optique géométrique et sur la théorie de l'élasticité pour ce qui concerne les déformations de flexion du banc d'optique. Ces considérations permettent d'établir les relations mathématiques entre la valeur du déplacement de l'image 8 de la source sous l'effet de flexions du banc et les diverses données d'optique et de mécanique de ce banc.Ces relations font également intervenir le rapport k entre la grandeur du déplacement latéral de l'extrémité du banc recevant les composants 5 et 6 considérés liés régidement et la grandeur du déplacement latéral du composant 4 lors de telles fle xions. Ces relations mathématiques permettent de déterminer la valeur optimale à donner à la distance a pour que le déplacement de l'image 8 soit minimal, ou même nul, sous l'effet des flexions du banc. Ces considérations conduisent à l'expression : où les divers symboles et lettres ont les significations données ci-dessus. Dans le cas particulier d'un banc d'optique de 7 mètres de long environ, par exemple, où la distance du plan principal image du composant 3 au plan principal objet du composant 5 est de l'or- dre de 5 mètres, les distances entre les plans principaux image du composant 3 et objet du composant 4 d'une part et des plans princi paux image du composant 4 et objet du composant 5, d'autre part, étant égales, la distance a du centre du miroir concave fictif 6, équivalent au dernier catadioptre du banc, au plan principal image du composant 5, doit avoir une valeur égale à 181 millimètres environ, le rayon de courbure R6 du miroir fictif pouvant avoir une valeur de 144 millimètres environ, ce qui assure une image intermédiaire fournie par ce miroir placée entre son foyer et le plan principal image du composant 5 et aussi placée entre ce plan principal image et le foyer image de ce composant 5, ces grandeurs images de ce composant 5 étant relatives au trajet d'aller de la lumière. REVENDICÂTIONS 1) Dispositif optique comportant un système catadioptrique précédé d'au moins deux composants optiques, destiné à pallier les conséquences des déformations de flexion de son support formant un banc d'optique très long, de 11 ordre d'une dizaine de mètres, considéré comme une poutre encastrée à une de ses extrémités et libre à l'autre, caractérisé en ce que le composant réfléchissant d'extrémité du banc d'optique est placé de telle sorte que le centre de courbure du miroir concave équivalent à ce composant se trouve situé entre la surface de ce miroir et le plan principal image du dernier composant optique dudit système qui précède immédiatement ce miroir. 2) Dispositif optique suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la distance a séparant le centre de courbure du miroir concave équivalent et ledit plan principal image est déterminée par une relation de la forme a = d - f (d, t, m, f4, k), dans laquelle f est une fonction des différentes quantités suivantes d est la distance séparant ledit plan principal image du sommet dudit miroir équivalent;;t est la distance séparant le plan principal objet dudit dernier composant, ce plan principal objet recevant une image intermédiaire de la source de lumière, du plan principal image d'un composant antérieur où se forme également une image intermédiaire de ladite source, ces deux images intermédiaires étant conjuguées par rapport à un véhicule précédant immédiatement ledit dernier composant m est la distance séparant le plan principal objet dudit véhicule du plan principal image dudit composant antérieur f4 est la distance focale dudit dernier composant k est le rapport des déplacements latéraux de l'extrémité du banc recevant les deux composants extrêmes du banc, d'une part et, d'autre part, du véhicule. 3) Dispositif optique selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite fonction f est telle que ladite relation soit de la forme 4) Dispositif optique selon une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le véhicule est déporté de l'axe du banc d'optique.