Brevet FR2275750A1 — publié le 19760116

La présente invention est relative à un pointeur de précision, en particulier un pointeur optique. Les récents progrès enregistrés non seulement dans le domaine des ondes lumineuses, visibles et invisibles, ainsi que dans celui des ondes électromagnétiques telles que les ondes centimétri quels, ont rendu nécessaire de disposer d'appareils permettant de mesurer de très faibles déviations angulaires, et d'obtenir des faisceaux de référence ayant une très grande stabilité en direction, la précision dans les deux cas pouvant être de tordre du centième de seconde d'arc. L'appareil selon l'invention permet de détecter de très faibles déviations angulaires d'un faisceau par rapport à une direction de référence, il permet de mesurer ces déviations ou, par un asservissement simple, de les annuler pour obtenir un faisceau stable en direction. Il comprend un dioptre plan recevant le faisceau sur sa race ayant l'indice le plus élevé et sous un angle d'incidence voisin de l'angle limite, et des moyens pour comparer les intensités de la fraction transmise et de la fraction réfléchie du faisceau. De préférence,les moyens pour comparer les intensités de la fraction transmise et de la fraction réfléchie comprennent un récepteur unique sur lequel sont envoyées les deux fractions ou une partie de chacune d'elles. De préférence aussi,l'appareil selon l'invention comprend des moyens pour atténuer la fraction réfléchie de façon qu'au voisinage du point de fonctionnement les flux provenant des deux fractions reçues par le récepteur aient des valeurs voisines, ces moyens pouvant etre des moyens réglables tels que, dans le cas où l'appareil est destiné à être utilisé dans le domaine des ondes lumineuses, un coin photométrique déplaçable par translation. Suivant une réalisation avantageuse le récepteur émet un signal électrique lorsqu'il reçoit un flux, par exemple une photodiode, et il reçoit alternativement les deux fractions du faisceau. Ceci peut être obtenu par un modulateur mécanique placé devant le récepteur et qui arrête alternativement l'une ou l'autre des deux fractions du faisceau. Dans ce cas, on peut prévoir que le signal électrique émis par le récepteur est traité par un amplificateur à démodulation synchrone dont la fréquence de travail est réglée sur la fréquence de modulation d'arrivée des fractions du faisceau sur le récepteur, et qui émet une tension dont le signe change selon que l'angle dincidence du faisceau sur le dioptre s'écarte dans un sens ou dans le sens opposé d'une valeur repère fixée à l'avance. On peut également dans une version simplifiée utiliser l'oeil comme récepteur, soit en faisant une égalisation photométrique entre deux plages correspondant aux fractions transmises et réfléchies, soit en détectant1 au papillottement, la fréquence de modulations,ces deux fractions étant alors choisies en conséquence. Dans le cas où l'on désire non seulement détecter les déviations du faisceau mais encore les mesurer, ou bien obtenir un faisceau stable en direction, pour l'étalonnage de l'appareil, la mesure des déviations et/ou le maintien de la constance de la direction, il est avantageux de prévoir, sur le trajet du faisceau et avant le dioptre, un système afocal comprenant une lame à faces planes et parallèles susceptibles de tourner autour d'un axe non parallèle à la direction du faisceau et dont on peut mesurer et/ou commander la rotation. Une réalisation intéressante consiste en ce que la rotation de la lame à faces parallèles est commandée par un bilame piézo-électrique, et qu'on mesure la tension électrique appliquée à ce bilame à faces parallèles. Dans ce cas l'appareil peut comprendre un dispositif d'asservissement de la position de la lame à faces parallèles, disposé de telle sortie que le faisceau tombe sur le dioptre sous une incidence constante fixée à l'avance. I1 peut alors tre facilement adapté à fournir un faisceau stabilisé en direction, il comprend alors avantageusement des moyens pour diviser la fraction du faisceau réfléchie par le dioptre, en envoyer une partie vers les moyens destinés à comparer son intensité avec celle de la fraction transmise, et une autre partie vers l'extérieur. Avantageusement l'appareil comprend aussi des moyens pour imposer au faisceau une polarisation constante, de préférence rectiligne avant qu'il n'atteigne le dioptre. Une variante de l'appareil, adaptée au cas des faisceaux susceptibles de présenter des déviations angulaires dans deux directions par rapport à la direction de référence, comprend un second dioptre, non parallèle au premier et qui reçoit sur sa face ayant l'indice le plus élevé et sous un angle d'incidence voisin de l'angle limite tout ou partie de la fraction du faisceau qui a été réfléchie par le premier dioptre, des moyens étant prévus pour comparer l'intensité de la fraction transmise et de la fraction réfléchie par ce second dioptre. I1 est possible d'améliorer encore la sensibilité de l'appareil en multipliant le nombre des réflexions au voisinage de l'angle limite. Ceci peut être obtenu par exemple avec un prisme long à 1 'in- térieur duquel la lumière se réfléchit plusieurs fois. Une autre solution pour augmenter la sensibilité consiste à prévoir sur la surface du prisme une ou plusieurs couches parallèles d'indice et d'épaisseur convenable. Enfin, deux appareils conformes à l'invention peuvent être combinés pour fournir un dispositif pour la détection ou la mesure de très faibles déplacements angulaires d'un objet, un premier appareil envoyant-un faisceau stable en direction sur un miroir solidaire de l'objet et un second appareil détectant ou mesurant les déviations du faisceau réfléchi. Le principe de l'invention découle de l'observation de la variation des coefficients de Fresnel, qui régissent les intensités des rayons réfléchis et transmis à travers un.dioptre plan, au voisinage de l'angle limite. Ce principe, ainsi que les détails des réalisations del'in ventionvont être exposés plus en détail en se référant aux figures, parmi lesquelles Fig. 1 est un schéma théorique de la réfraction d'un rayon lumineux sur un dioptra. Fig. 2 montre les variations des facteurs de transmission T en fonction de l'angle d'incidence. Fig. 3 montre la répartition de l'intensité lumineuse dans un faisceau présentant une divergence. Fig. 4 montre la déformation d'une courbe de la figure 2 en raison de la divergence du faisceau. Fig. 5 est un schéma de l'appareil selon l'invention. Fig. 6 est une courbe de l'intensité lumineuse reçue par le détecteur de l'appareil. Fig. 7 est un schéma de appareil déviateur de faisceau. Fig. 8 est un schéma de l'appareil utilisé pour alimenter un enregistreur. Fig. 9 est un schéma de l'appareil modifié pour produire un faisceau stable en direction. On va maintenant exposer plus en détail les bases théoriques de l'invention. Soit un dioptre plan (D) séparant 2 milieux homogènes isotropes transparents nl et n2 et AI un rayon monochromatique arrivant sur D sous l'incidence il (figure 1). Les coefficients de Fresnel déterminent les intensités respectives des rayons réfléchis IR et transmis IT, qui sont d'ailleurs complémentaires. La figure 2 montre les variations du facteur de transmission T en fonction de l'angle d'incidence il dans les trois cas suivants: - lumière polarisée parallèlement au plan d'incidence (T//) - lumière polarisée perpendiculairement au plan d'incidence (TI) - lumière non polarisée (TN) Ces courbes montrent qu'au voisinage de l'angle limite relatif aux deux milieux, déterminé par sin kilim n2/nl,ces coefficients varient très rapidement (pour il = i lim les pentes des trois courbes sont infinies).Donc la mesure des variations des coefficients de Fresnel permet de déterminer des variations d'incidence du rayon sur le dioptre, donc les rotations elles-memes du rayon étudié. En réalité, le faisceau limité par une pupille ne présente pas une seule direction mais a une divergence déterminée; la figure 3 montre la répartition de l'intensité I en fonction de l'angle dtin- cidence i', I = D (i'). Chaque rayon incident est affecté de manière différente par la transmission du dioptre. Si la fonction D est centrée en une incidence i, sur le dioptre on a où T r est le coefficient de transmission réel d'un faisceau présentant une divergence D. Ce phénomène modifie les coefficients de transmission de deux façons, comme on peut le voir sur là figure 4 qui permet de comparer les variations de T, coefficient de transmission théori que de Fresnel, et de Trtcoefficient de transmission réel, en fonction de l'incidence i de l'axe du faisceau au voisinage de l'incidence limite kilim ; - il diminue la pente de la courbe représentative Tr(i), cela correspond à une perte de sensibilité par rapport à la limite théorique déterminée à partir des coefficients de Fresnel. - il la linéarise avec une bonne approximation : 1% sur 18" d'arc avec une divergence de 1/1000 de radian pour la fonction D (i'), le dioptre séparant l'air d'un milieu d'indice nl ~ 1,8. Des phénomènes qui ont des conséquences analogues sur la forme de la courbe sont notamment le défaut de monochromaticité, l'absorption irrégulière des milieux traversés, l'imperfection de la surface du dioptre. Dans le cas général, on a donc toujours une forme analogue à celle de la figure 4. La figure 5 illustre le schéma optique dtun pointeur selon l'invention, construit sur les bases théoriques exposées ci-dessus. Le faisceau à pointer entre la fenêtre F. A l'aide du miroir plan M1 orientable on l'envoie sur l'hypoténuse P d'un prisme haut indice sous une incidence proche de l'angle limite. Une partie du faisceau est transmise. On conjugue P sur la surface sensible d'un détecteur R (PIN photodiode) à travers un objectif L. Le faisceau réfléchi par P tombe aussi sur R par réflexion sur le miroir plan N . Il traverse un coin photométrique A déplaçable par trans- lation perpendiculairement au plan de figure. Pour un angle d'incidence io choisi comme point de fonctionnement du pointeur, on règle la position de A de sorte que le faisceau réfléchi atténué ait la meme intensité que le faisceau transmis lorsqu'il atteint le récepteur. Un modulateur M qui peut être optique mais, de préférence,mé- caniquezmodule en alternance et à une fréquence convenable, par exemple 1 kHz, chaque signal réfléchi ou transmis. Le signal électrique sortant du capteur a donc l'allure donnée par la figure 6. C'est-à-dire qu'il est formé d'impulsions successives, correspondant alternativement à un signal transmis et à un signal réfléchi. Si l'angle d'incidence i est égal à i0 > les impulsions successives sont de même hauteur. Cette méthode de zéro ou de comparaison est nécessaire pour s'affranchir des phénomènes gênants que sont les variations d'intensité de la source,car la méthode élémentaire qui relie la varia tion d'incidence d'un faisceau sur P à la variation du flux transmis par le dioptre ne permettrait pas de distinguer une rotation d'une variation d'intensité de la source. Dans le cas où le faisceau fluctue en polarisation dans le temps, il est souvent avantageux de polariser par exemple rectilignement la lumière avant le dioptre de façon à s'affranchir de ces variations, qui se traduiraient par des variations du flux transmis. Le fait que les deux faisceaux modulés alternativement en tout ou rien arrivent sur un même récepteur permet de s'affranchir des inconvénients liés à l'utilisation de 2 détecteurs (dérive, différence de sensibilité, bruits différents). Ce signal est traité par un amplificateur à démodulation synchrone dont la fréquence de travail est réglée sur la fréquence de modulation de chaque signal et dont le signal de référence de phase est réglé en phase par exemple avec le signal transmis. A la sortie de cet appareil, le signal délivré est une tension continue V. V = O Si le faisceau étudié arrive sur le prisme sous l'angle d'incidence io choisi a priori (point de fonctionnement). Si, par exemple, le faisceau incident tourne à partir de io d'un angle di positif, l'intensité du faisceau transmis augmente par rapport au niveau de référence, ce qui donne un signal continu )O ou(O à la sortie de la détection synchronie, le phénomène changeant de sens si di change de sens. L'appareil qui vient d'être décrit permet de détecter avec une très grande précision toute déviation angulaire du faisceau par rapport au plan de référence, cette précision étant d'autant meilleure comme il a été dit plus haut que le faisceau est moins divergent, qu'il est plus strictement monochromatique, etc... I1 peut être utilisé pour commander un asservissement, agissant soit sur la source du faisceau pour maintenir celle-ci dans une direction stable par rapport au pointeur, soit sur le pointeur pour le maintenir dans une orientation constante par rapport à un faisceau en déplacement. En outre l'appareil peut être utilisé pour mesurer des angles de déviation du faisceau par rapport à une position repère, moyennant des compléments qui vont être maintenant exposés. On peut exploiter le fait que, comme il a été indiqué plus haut, la divergence, les défauts de monochromaticité et autres du faisceau entraînent l'apparition, sur la courbe donnant T r en fonction de l'angle d'incidence, d'une partie rectiligne (cf. figure 4). Toutefois la pente de cette partie rectiligne et sa position dépendent des caractéristiques du faisceau, dont on n'est pas toujours le matte. De plus, le courant émis par le détecteur pour une même intensité lumineuse dépend des caractéristiques de ces détecteurs, qui peuvent varier dans le temps. Toutefois, le problème principal à résoudre est celui de l'étalonnage, il est préférable, dans ce but, de pouvoir créer à volonté des déviations du faisceau d'un angle connu ou mesurable et de mesurer la réponse de l'appareil à une telle déviation. I1 était nécessaire d'utiliser un mécanisme déviateur susceptible de procurer une précision du même ordre que celle du pointeur. Ceci est obtenu à l'aide d'une lame à faces parallèles travaillant en faisceau convergent suivant le principe suivant Soit par exemple un système afocal symétrique de focale f. Une lame à faces planes parallèles L, d'épaisseur optique ne est située dans la partie convergente du faisceau (cf. figure 7). Si la lame perpendiculaire à la direction moyenne du faisceau tourne d'un angle d&commat;, le faisceau émergent du système tourne de da avec da = d. e r (n-l) Ce système permet, suivant le phénomène à étudier, de jouer sur la dynamique et la sensibilité du pointeur, Il est évident qu'on peut utiliser un système afocal non symétrique, ou ne présentant pas de partie convergente. On peut mesurer par tout moyen approprié l'angle dG. De préférence, la rotation de la lame à faces parallèles est commandée par un bilame en céramique piézo-électrique. Si l'on connaît la relation dQ: KV qui lie une tension électrique V, appliquée au bilame en céramique, et l'angle d, l'étalonnage est d'une grande simplicité; il suffit d'appliquer par exemple au bilame céramique une tension sinusoldale d'amplitude V , et de mesurer la tension alternative qui apparaît aux bornes du détecteur; on en déduit immédiatement la constante d'étalonnage qui relie la déviation angulaire du faisceau et ladite tension alternative. Ainsi étalonné, l'appareil peut servir à mesurer des variations angulaires très faibles. Il convient d'observer qu'on dispose en réalité pour cela de deux méthodes : ou bien mesurer les différences des flux reçues par le récepteur en provenance du faisceau transmis et du faisceau réfléchi, après un étalonnage convenable, ou bien mesurer l'angle dont il faut faire tourner le bilame à faces parallèles pour ramener à zéro la tension sortant de l'amplificateur placé derrière le récepteur. Les deux méthodes ne sont pas tout-à-fait équivalentes, la première donne, en principe une plage plus large mais exige que le flux incident ait une bonne constante, le choix est donc une affaire d'opportunité. Une autre application de l'appareil muni de son dispositif d'étalonnage réside dans un procédé d'une grande simplicité pour obtenir un faisceau stable en direction : l'appareil étant disposé pour fonctionner de façon à toujours obtenir une tension nulle à la sortie du détecteur, c'est-à-dire à avoir toujours le faisceau tombant sur le dioptre sous l'angle d'incidence repère io choisi à l'avance, il suffit de diviser le faisceau réfléchi, qui lui aussi a une orientation constante et d'en envoyer une partie à l'extérieur. Ceci peut être réalisé de façon très simple comme indiqué sur la figure 9 en remplaçant le miroir réfléchissant M2 par une lame semi-transparente et en envoyant au dehors la partie transmise à travers cette lame. On peut, si on le désire imprimer à volonté à ce faisceau émis à l'extérieur de faibles déviations en agissant sur la lame à faces parallèles. On peut utiliser ainsi modifié un appareilpour mesure faibles déplacements angulaires d'objet : on envoie sur un miroir solidaire de l'objet un faisceau stable en direction, obtenu comme on vient de le dire, et on analyse les déplacements de faisceau réfléchi par le miroir. Cette analyse peut se faire avec un second appareil analogue au premier, mais qu'il est inutile d'équiper pour envoyer un faisceau à l'extérieur. On peut ainsi mesurer de façon simple des déplacements angulaires de très faible amplitude. Dans ce qui précède, on s'est attardé au cas où les déviations possibles du faisceau se situent dans un plan, lequel est défini par les directions du faisceau de référence, et de ses fractions transmise et réfléchie. Si l'on désire s'intéresser à des déviations se situant hors d'un plan fixe, on prévoit, dans un exemple de réalisation, deux dioptres, de plans non parallèles et formant un angle le plus grand possible pour améliorer la sensibilité, lesecond étant placé sur le trajet de la fraction réfléchie par le second et travaillant également au voisinage de l'angle limite. On divise ainsi le faisceau en trois fractions, deux étant transmises dans des plans différents etuneréfléchie deux fois, qu'on peut comparer soit dans un récepteur unique, soit dans deux récepteurs différents de la même façon que décrit plus haut. Ou pourrait évidemment placer le second dioptre sur le trajet de la fraction transmise par la première, mais le flux qu'elle transporte est faible et sujet à des variations importantes ce qui compliquerait le traitement. Au cas où l'on utilise deux dioptres, il convient, évidemment de choisir convenablement le plan de polarisation du faisceau, de façon à éviter les phénomènes parasites. Dans un autre mode de réalisation, on prélève, pour la mesure, une partie du faisceau réfléchi entre les deux dioptres et on l'en- voie sur le récepteur, le reste du faisceau réfléchi étant envoyé sur le second dioptre. La figure 8 représente le schéma théorique d'un appareil selon l'invention et comportant un tel système .A un appareil tel que représenté sur la figure 3 est ajouté à 1 t entrée, un système afocal S comprenant deux lentilles et une lame à faces parallèles L. Celleci est portée par un bilame piézo-électrique B, soumise à une tension variable provenant d'un intégrateur IN alimenté par l'amplifi- -cateur A placé derrière le récepteur R. Le dispositif est donc équipé pour fonctionner "en bande fermée". Un enregistreur 4 placé à la sortie de l'intégrateur permet de connaître la tension appliquée à la lame piézo-électrique L, et donc les déviations du faisceau. REVENDICATIONS 1. Appareil pour détecter de très faibles déviations angulaires d'un faisceau d'ondes électromagnétiques, tel qu'un faisceau lumineux, par rapport à une direction de référence, pour mesurer de telles déviations ou pour obtenir un faisceau stable en direction, caractérisé en ce qu'il comprend un dioptre plan recevant le faisceau sur sa face ayant l'indice le plus élevé et sous un angle d'incidence voisin de l'angle limite, et des moyens pour comparer les intensités de la fraction transmise et de la fraction réfléchie du faisceau. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour comparer les intensités de la fraction transmise et de la fraction réfléchie comprennent un récepteur unique sur lequel sont envoyées les deux fractions ou une partie de chacune d'elles. 3. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour atténuer la fraction réfléchie de façon qu'au voisinage du point de fonctionnement les flux provenant des deux fractions reçus par le récepteur aient des valeurs voisines. 4. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens pour atténuer la fraction réfléchie sont réglables et comprennent par exemple un coin photométrique déplaçable par translation. 5. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les récepteurs émettent un signal électrique lorsqu'ils reçoivent un flux. 6. Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que le récepteur est une photodiode. 7. Appareil selon l'une quelconque des revendications 2 à 4 caractérisé en ce que le récepteur est l'oeil. 8. Appareil selon l'une quelconque des revendications 2 à 7 caractérisé en ce que le récepteur reçoit alternativement les deux fractions du faisceau. 9. Appareil selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend un modulateur mécanique placé devant le récepteur et qui arrête alternativement l'uN ou l'autre des deux fractions du faisceau. 10. Appareil selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que le signal électrique émis par le récepteur est traité par un amplificateur à démodulation synchrone dont la fréquence de travail est réglée sur la fréquence de modulation d'arrivée des fractions du faisceau sur le récepteur, et qui émet une tension dont le signe change selon que l'angle d'incidence du faisceau sur le dioptre s'écarte dans un sens ou dans le sens opposé d'une valeur repère fixée à l'avance. 11. Appareil selon l'une des revendications 1 à 10 et spécialement adapté à la mesure de faibles déviations angulaires d'un faisceau ou à l'obtention d'un faisceau stable en direction caractérisé en ce qu'il comprend, sur le trajet du faisceau, avant le dioptre, un système afocal comprenant une lame à faces parallèles susceptible de tourner autour d'un axe non parallèle à la direction du faisceau et dont on peut mesurer et/ou commander la rotation. 12. Appareil selon la revendication Il, caractérisé en ce que la rotation de la lame à faces parallèles est commandée par une bilame piézoélectrique, et qu'on mesure la tension électrique appliquée à ce bilame pour connaître l'angle de rotation de la îame à faces parallèles. 13. Appareil selon l'une des revendications ll ou 12, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif d'asservissement de la position de la lame à faces parallèles disposé de telle sorte que le faisceau tombe sur le dioptre sous une incidence constante fixée à l'avance. 14. Dnareil selon la revendication 13, et particulièrement adapté à fournir un faisceau stabilisé en direction, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour diviser la fraction du faisceau réfléchi par le dioptre, en envoyer une partie vers les moyens destinés à comparer son intensité avec celle de la fraction transmise, et une autre partie vers l'extérieur. 15. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisé entre qu'il comprend des moyens pour polariser rectilignement le faisceau avant qu'il n'atteigne le dioptre. 16. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, et destiné'à être appliqué à des faisceaux susceptibles de présenter des déviations angulaires par rapport à une direction de référence dans des plans variables, caractérisé en ce qu'il comprend un second dioptre, non parallèle au premier et qui reçoit sur sa face ayant l'indice le plus élevé et sous un angle d'incidence voisin de l'angle limite, tout ou partie de la fraction du faisceau qui a été réfléchi par le premier dioptre, des moyens étant prévus pour comparer l'intensité de la fraction transmise et la fraction réfléchie par ce second dioptre. 17. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour faire subir au faisceau plusieurs réflexions au voisinage de l'angle limite, ces moyens comportant par exemple un prisme long à l'intérieur duquel la lumière se réfléchit plusieurs fois. 18. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 17,caractérisé en ce qu'une ou plusieurs couches parallèles, d'indice et épaisseur convenables sont disposées sur la surface d'un prisme pour augmenter la sensibilité de l'appareil. 19. Procédé pour détecter ou mesurer les très faibles déplacements angulaires d'un objet ,caractérisé en ce qu'on envoie vers un miroir solidaire de l'objet un faisceau stable en direction obtenue dans un appareil selon la revendication 14 et l'une quelconque des revendications 15 à 18, et en ce qu'on détecte ou mesure les déviations du faisceau réfléchi par ce miroir au moyen d'un autre appareil selon l'une des revendications 1 à 18.