Brevet FR2254029A1 — publié le 19750704

La présente invention concerne un autocollimateur à grand champ et à grande portée, et plus particulièrement un autocollimateur destiné à mesurer à distance l'angle entre un plan de référence su: une cible et un plan de visée passant par l'axe optique d'un faisceau de rayons laser. On connatt des autocollimateurs de différèntes sortes, mais ces formes de réalisation de l'art antérieur sont toutes soumises à llune et/ou 1? autre des deux limitations suivantes: - un champ de mesure faible - une distance de travail admissible entre l'autocollimateur et la cible limitée. En conséquence, la présente invention fournit un dispositif qui permet de staffranchir de ces deux limitations en mesurant des angles importants à grande distance et qui comprend un émetteur laser, une lentille, une lame semi-transparente, un objectif dont l'axe optique constitue une ligne de visée de l'appareil, une cellule sensible au foyer de l'objectif, sur cet axe optique, de i: autre cEté par rapport à la lame semi-transparente, une cible comprenant un plan de référence et au moins un dièdre rectangle réfléchissant tournant, autour d'un axe perpendiculaire à l'arête du dièdre, le faisceau dirigé sur - la cible étant réfléchi en général sur l'objectif deux fois par cycle, ltécart de temps entre deux impulsions sur la cellule sensible étant la mesure de l'orientation d'un plan de visée défini par ladite ligne de visée et ledit axe de rotation par rapport audit plan de référence. Dans une forme de réalisation préférée la cible comprend un miroir et un dièdre rectangle réfléchissant tournant autour d'un axe perpendiculaire à ltarête du dièdre et parallèle au-plan du miroir, le faisceau laser dirigé sur la cible étant réfléchi sur 11 objectif deux fois par cycle, lorsque ltarezte du dièdre est perpendiculaire au miroir et lorsque l'arAte du dièdre est perpendiculaire au plan défini par son axe de rotation et la ligne de visée du faisceau d'émission, la mesure du temps qui sépare les deux impulsions correspondantes reçues sur la cellule sensible étant alors une mesure de l'an- gle que fait ledit plan de visée avec le plan du miroir. Dfautres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va suivre,faite en regard du dessin annexé, et donnant à titre indicatif mais nullement limitatif une forme de réalisatio) de l'invention. Sur ce dessin La figure 1 est une vue en perspective de la cible d'un collimateur suivant l'invention; la figure 2 est une vue du dispositif de visée de la cible par un faisceau laser; la figure 3 est une vue schématique en plan du dispositif de la figure 1; la figure 4 est une vue analogue d'une variante; la figure 5 est une vue analogue d'une autre variante. On voit sur la figure 1 une cible désignée dans son ensemble par 10 qui reçoit le faisceau expansé peu divergent Il dtun émetteur laser. La cible 10 comprend un miroir plan 1 dont on désire mesurer l'orientation par rapport à un plan contenant la direction de visée du faisceau 11. Au voisinage de ce miroir plan 1 est placé un dièdre rectangle réfléchissant 2 qui peut tourner à vitesse constante autour d'un axe x y, parallèle au plan du miroir 1 et perpendiculaire à l'arête 12 du dièdre 2, lequel est entraSné par un moteur 3. Le faisceau 11 provient d'un émetteur laser 4 dont le faisceau est focalisé en 6 par une lentille 5. Le foyer 6 est aussi le foyer de l'objectif 8. Entre 6 et 8 est placée la lame semi-transparente 7. Sur l'axe optique 11 de l'objectif 8, axe optique qui constitue la ligne de visée du collimateur suivant l'invention dans la direction de la flèche f1, et de l'autre c8té par rapport à la lame semi-transparente 7, on voit une fente 9 à travers laquelle une cellule sensible 13 reçoit éventuellement les signaux de retour renvoyés par la cible 10 dans la direction de la flèche 2. La cellule sensible peut être par exemple un photomultiplicateur ou une cellule photoélectrique. Lorsque le faisceau expansé peu divergent émis par l'émetteur laser autour de la ligne de visée 11 est dirigé sur la cible constituée par le miroir 1 et le dièdre réfléchissant 2 ce faisceau est renvoyé par la cible dans la direction de la flèche e à deux instants seulement au tours de la rotation du dièdre - une première fois quand l'arête 12 du dièdre 2 est perpendiculaire au miroir 1.En effet,dans ce cas ltensemble (1, 2) constitue un trièdre tri-rectangle qui jouit de la propriété de renvoyer la lumière dans la direction de l'émission quelle que soit l'orientation de la ligne de visée; - une deuxième fois quand l'arête 12 du dièdre 2 est perpendiculaire au plan P défini par l'axe de rotation x y et la ligne de visée 11 du faisceau d'émissions; On voit sur la figure 3, qui représente la cible 10 suivant un plan perpendiculaire à l'axe de rotation x y passant par exemple par le pivot 14, que le plan P perpendiculaire au plan de la figure comprend la ligne de visée 11. la première impulsion reçue par la cellule 13 en retour de la cible 10 correspond à la position en trait plein de l'a rote 12 perpendiculaire à la trace du miroir 1. La seconde impulsion correspond à la position en trait interrompu 112 perpendiculaire au plan P. L'angle ai dont a tourne le dièdre 2 entre les traits 12 et 112 se retrouve en a 2 entre le plan du miroir 1 et le plan P. Le temps qui sépare la deuxième impulsion de la pre mière est une mesure de cet angle en fonction de la vitesse angulaire de rotation du dièdre 2. Cette vitesse angulaire est connue si le moteur 3 qui entrain le dièdre 2 est piloté à une figure stable et connue. Dans le cas où la vitesse de rotation du moteur 3 n'est pas connue d'avance elle peut se déterminer au courant de la visée par la fréquence de répétition des mesures obtenues à chaque tour du dièdre. Si F est cette fréquence on en tire la vitesse angulaire X = 2 it F, et si t est llespace de temps qui sépare les deux impulsions angle a cherché est égal à X t. On peut donc mesurer avec le dispositif suivant l'inven- tion 1' angle que fait le miroir 1 de la cible avec un plan P passant par la ligne de visée et parallèle à l'axe de rotation du dièdre 2 dans un angle total ou champ de mesure qui peut atteindre près de 90 degrés, et à des distances qui ne sont limitées que par la puissance mise en Jeu, la détection des impulsions de retour dans la direction de la flèche f2 ne dépendant que de l'énergie fournie par le laser émetteur. On voit sur la figure 4 une variante de l'invention suivant laquelle le moteur dont l'axe a pour trace le point 24 entratne un tambour 15 portant trois dièdres régulièrement répartis dont les faces réfléchissantes ont des arêtes 16, 17 et 18 qui sont calées à t200 l'une de l'autre. Cette variante permet, pour une vitesse de rotation du tambour donne, de -multiplier par trois la fréquence des mesures. Suivant une autre variante l'invention prévoit également de séparer dans l'autocollimateur la voie émission de la voie réception. Suivant encore une autre variante (figure 5) on peut disposer pour cible de deux dièdres tournants d'arêtes 19 et 20, les axes de rotation étant parallèles et représentés par leurs traces respectives A et 3 sur la figure, et le plan- de référence de la cible étant cette fois le plan dont la trace est A B sur la figure 5. En effet, on voit que si le plan Q contenant la direction de visée fait un angle &alpha;3 avec ce plan de référence A B et si le mouvement des deux dièdres est synchronisé en sens inverse de telle sorte que les deux argues 19 et 20 soient symétriquement disposées par rapport au plan de symétrie de la figure et déterminent à chaque instant avec AB un triangle isocèle, on obtient une première impulsion quand l'arête 19 est dans la position en trait interrompu 119 perpendiculaire au plan Q et une seconde impulsion quand l'arEte 20 est dans la position en trait interrompu 120 également perpendiculaire au plan Q. Lorsque l'arete 19 est en position 119 l'arête 20 symétrique est en position 121. On voit sur la figure que P = 2y d'où l'on tire par rapport à l'espace de temps entre deux impulsions donnant une mesure de l'angle P la valeur de l'angle a = 900 - JL 2 On obtient ainsi l'orientation du plan de visée parallèle aux axes de rotation des deux dièdres rectangles d'artels 19 et 20 par rapport au plan commun AB des axes de rotation autour desquels tournent ces arêtes à l'instant où ces dièdres réfléchissent le faisceau laser incident dans une direction commune perpendiculaire au plan A B. On voit que l'invention sgapplique au cas où l'on désire connaître à distance l'orientation d'un mobile par rapport à un plan de visée, vertical par exemple, passant par le mobile. Il suffit de fixer la cible à bord de ce mobile, le ou les axes de rotation du ou des dièdres étant substantiellement vertical, d'assurer par un moyen connu en soi le pointage permanent du faisceau laser vers la cible et de mesurer les espaces de temps entre les impulsions qui se succèdent sur la cellule sensible. Il va de soi que la présente invention a été décrite ci-dessus à titre indicatif, mais nullement limitatif et que l'on pourra introduire toute équivalence dans ses éléments constitutifs sans sortir de son cadre défini par les revendications annexées. REVENDICATIONS 1 - Autocollimateur à grand champ et à grande portée pour mesurer l'orientation d'un plan de référence sur un mobile par rapport à un plan de visée, caractérisé en ce qu'il comprend un émetteur laser à faisceau expansé faiblement divergent, une cible réfléchissante liée au mobile sur laquelle au moins un axe de rotation d'un système optique réfléchissant défi- nit avec l'axe optique dudit faisceau un plan de visée, un axe optique de retour du faisceau réfléchi par la cible et une cellule sensible sur cet axe, g angle tion entre ledit plan de visée et un plan de référence de la cible étant fourni par ltécart de temps entre deux impulsions de retour du faisceau réfléchi par la cible pendant un cycle de rotation du système optique. 2 - Autocollimateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la cible comprend deux dièdres réctangles tournant symétriquement à la mEme vitesse angulaire en sens inverse autour de deux axes de rotation parallèles, chaque axe de rotation étant perpendiculaire à l'arête du dièdre correspondant, le plan de référence de la cible étant le plan passant par lesdits axes de rotation, et le plan de visée le plan de l'axe optique du faisceau laser parallèle auxdits axes de rotation, les deux impulsions de retour réfléchies par les deux dièdres suivant le plan de visée étant confondues lorsque le plan de visée est perpendiculaire audit plan de référence et séparées pour toute autre position de ce plan par un espace de temps caractéristique dtun angle dont la moitié est complémentaire à 90" de l'angle du plan de visée avec un plan passant par les deux axes de rotation. 3 - Autocollimateur suivant la revendication 1, carac- térisé en ce que la cible comprend un dièdre rectangle tournant autour d'un axe de rotation perpendiculaire à son arAete et un miroir plan parallèle audit axe de rotation, le plan de réSé- rence de la cible étant le plan du miroir et l'angle d'orientation entre un plan de visée défini par l'axe optique du faisceau laser et ledit axe de rotation et le miroir étant fourni par l'écart de temps entre deux impulsions de retour consécutives réfléchies par la cible suivant la plan de visée au cours d'un cycle de rotation du dièdre. 4 - Autocollimateur suivant l'une des revendications 1 à 3.. caractérisé en ce que le faisceau laser est fourni par un émetteur laser, le système optique de cet émetteur comprenant successivement une lentille, une lame semi-transparente, un objectif, le foyer de la lentille étant aussi le foyer de l'objectif aprèst4flexion sur la lame semi-transparente, l'axe optique de l'objectif passant par la lame semi-tranparente constituant l'axe de visée de l'autocollimateur et comprenant au foyer de l'objectif de l'autre côté de la lame semi-transparente une fente et une cellule sensible, le trajet de retour des rayons laser pouvant eztre réfléchi par la cible dans des conditions définies suivant ledit axe optique de l'objectif et les impulsions de retour détectées par la cellule sensible. 5 - Autocollimateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le faisceau laser est automatiquement pointé sur la cible, l'écart entre deux impulsions consécutives sur la cellule sensible donnant ainsi de façon continue l'angle d'orientation entre le plan de visée et le plan de référence de la cible.