Brevet FR2313689A1 — publié le 19761231

La présente invention concerne un dispositif catadioptre c'està-dire un dispositif optique renvoyant les rayons lumineux selon leur direction d'incidence quelle que soit celle-ci dans un champ donné. De tels dispositifs sont utilisés dans des domaines divers notamment dans celui de la télémétrie optique. On distingue parmi les réalisations connues en-matière de catadioptre des systèmes catadioptriques c'est-à-dire des systèmes optiques qui comportent à la fois un objectif optique et un miroir et les autres modes de réalisation0 Un système catadioptrique conventionnel est formé par l'association d'un objectif optique et d'un miroir réfléchissant placé en un foyer de l'objectif. le rayonnement incident compris à l'intérieur de la pupille d'entrée du système est réfléchi par le miroir et ressort de 11 objectif selon une direction parallèle à la direction incidente pour autant que les conditions d'approximation de Gauss sont préservées ctest-à-dire pour des rayons peu divergents de l'aie optique du système. On peut citer également le système catadioptre de Chrétien qui utilise une optique épaisse partiellement réfléchissante et en ce qui concerne d'autres modes de réalisation, les dispositifs catadioptres utilisant les propriétés optiques du coin de cube ou trièdre trirectangle formé par trois faces adjacentes et réfléchis santes d'un cube. Dans cette dernière version, le rayon incident subit trois réflexions successives sur les faces et le rayon sortant est symétrique du rayon incident par rapport au sommet commun des faces. Ces dispositifs catadioptres connus présentent des inconvénients divers. Dans les systèmes catadioptriques précités, toute lténergie lumineuse n1 est pas généralement renvoyée, ceci est db notamment au fait que le champ de pleine lur- de de l'instrument est réduit à la seule direction de l'aise optique es dispositifs de Chrétien et le trièdre sont du point de vue réalisation onéreux, empruntant pour l'un une optique épaisse et requérant pour l'autre une précision d'usinage élevée, en outre ils ne sont pas réglables après construction. Lorsqu'unie certaine discrétion est désirée, le trièdre est inutilisable car son champ n'est pas réglable par interposition d'un diaphragme. Un but de l'invention est la réalisation dlun dispositif catadioptre précis, mettant en oeuvre des éléments optiques simples et dont le champ annulaire d'utilisation est réglable et autorise une discrétion désirée. Suivant une caractéristique de l'invention il est réalisé un dispositif catadioptre du type comportant un objectif optique de focalisation sur un miroir réfléchissant du rayonnement incident inclus dans le champ optique de réception, dans lequel un dispositif optique placé sensiblement au foyer de l'objectif groupe le miroir et des moyens optiques complémentaires en sorte de renvoyer à travers objectif dans le champ la quasi-totalité du rayonnement incident focalisé. les particularités et avantages de l'invention apparaîtront dans la description qui suit donnée à titre d'exemple à l'aide des figures annexées où les mimes éléments sont référencés avec les mêmes repères et qui représentent - la figure 1, un schéma du dispositif catadioptre destiné à illustrer plus particulièrement le principe mis en oeuvre à l'aide des figures suivantes 2 et 3 - les figures 2 et 3, des schémas équivalents à icelui de la figure 1 en vue d'illustrer le trajet optique et le fonctionnement - les figures 4, 5, 6, des schémas respectifs de divers modes de réalisation du dispositif catadioptrique - les figures 7 et 8, des schémas de variantes de réalisations suivant lesquelles l'élément miroir du dispositif catadioptre est du type semi-réfléchissant. Le dispositif catadioptre représenté sur le schéma de la figure I est destiné plus particulièrement à exposer le principe mis en oeuvre avec l'aide des figures 2 et 3 suivantes. le dispositif catadioptre comporte un objectif optique 1 symbolisé par une lentille biconvexe de diamètre D1 et de distance focale dl et un dispositif optique 2 positionné au foyer image F1 de la lentille. le rayonnement lumineux incident pénétrant par la gauche de la figure dans la pupille d'entrée de diamètre D1 et situé à 1 intérieur du champ couvert par 1 ensemble 1-2 est focalisé par la lentille 1 dans la zone focale centrée sur le foyer P1 et qui peut être assimilée à un plan pour des rayons peu inclinés sur l'axe optique Z de l'ensemble. le rayonnement incident est donc focalisé sur le dispositif optique 2 symbolisé par une lentille biconvexe 3 de diamètre D2 et de distance focale également de valeur dl et qui est immédiatement suivi par un miroir plan réfléchissant 4. Le fonctionnement de ce dispositif catadioptrique est mis en évidence à l'aide des figures 2 et 3 qui suivent. Sur la figure 2, le miroir 4 est remplacé par les lentilles 5 et 6 respectivement identiques aux éléments 3 et 1 afin de déplier le trajet optique et montrer séparément la marche des moyens incident et ceux des rayons réfléchis par le miroir. les lentilles 5 et 6 correspondent aux images des lentilles 3 et 1 dans le miroir 4. En faisant abstraction de ltépaisseur selon l'axe optique Z de la lentille 3 et en négligeant corrolairement la distance d2 séparant les éléments 3 et 4 de la figure 1, le dioptre optique 3-5 de la figure 2 peut autre remplacé par une lentille 7 de diamètre D2 et de convergence double c'est-à- dire de distance focale d1/2 comme représenté sur le schéma équivalent de la figure 3 où la marche des rayons est figurée.Un rayon tel AC par exemple ressort par la lentille 7 et passe par le point 31 conjugué de A dans la lentille 7, de merde le rayon BC est dirigé par la lentille 7 vers le point AI conjugé de B et le rayon C1C passe ensuite par le point C2 conjugué de C1, C1 et C2 étant les centres optiques respectifs des lentilles 1 et 6. Ainsi, quel que soit l'angle d'incidence X, dans la limite ou le rayonnement est situé dans le champ c'est-à-dire pour toute valeur de e intérieure ou au plus égale à définie par tg#M = D2/2d1, tout rayon incident ressort parallèlement à luig e. Il n'y a plus de champ de contour comparativement au premier dispositif de type connu cité dans le préambule formé par la simple association de la lentille 1 et du miroir 4 de la figure 1 pour lequel le champ de pleine lumière ne comprend que la direction Z, dès qu'une inclinaison apparaît une fraction des rayons réfléchis ne peut ressortir par la lentille d'entrée 1 ce qui constitue le champ de contour, l'énergie lumineuse perdue s'y trouve être ainsi d'autant plus importante que l'inclinatison # est plus élevée et devient totals au-delà de la valeur #M. Par contre, dans le dispositif catadioptre de la figure 1 et dans les conditions d'approximation faites, tout le rayonnement lumineux reçu est renvoyé parallèlement à lui-même lorque l'angle # varie de zéro à #M. Un autre avantage résulte de ce que le dispositif catodioptre peut comporter un dispositif de réglage du champ angulaire d'exploitation permettant lorsque l'application le requiert d'assurer à la demande une certaine discrétion au système par rétrécissement du diaphragme de champ. Le dispositif de réglage du champ peut à cet effet consister en un dispositif diaphragme associé au dispositif optique 2. Le champ peut ainsi etre rendu aussi faible qu'on le désire. Le dispositif catadioptre fonctionne par tout ou rien, selon que les directions de rayonnement sont intérieures cu extérieures au champ toute l'énergie ou aucune énergie lumineuse est renvoyée. Dans le concept représenté à la figure 1, le positionnement de la lentille 3 est effectué en sorte que le centre optique a-e cette lentille coîncide avec le foyer image F1 de l'objectif 1 et le miroir 4 est positionné au plus près compte tenu de l'épaisseur axiale de la lentille 3. la distance d2 entre le foyer Pi et le miroir n1intro- duit pas de changement de direction des rayons lumineux sortant du dispositif mais introduit un décalage lequel est d'autant moins accusé que la distance d2 et les angles d'incidence des rayons lumi- neux sont faibles. Ainsi une fraction de l'énergie incidente peut être perdue.Si l'on tient compte de la figure 3 on s'aperçoit que le dispositif optique 2 de la figure I peut autre commodement réalisé à l'aide d'un unique élément optique tel une lentile biconvexe rendue réfléchissante sur une face, la fraction d d'énergie lumineuse perdue est lors due essentielement aux aberrations géométriques dn dispositif optique et sa valeur peut être très aisément limitée à moins de quatre pour cent. les figures 4 à 8 suivantes illustrent d'autres modes de réalisation du dispositif catadioptre. Selon le mode de réalisation représenté sur la figure 4, le dispositif optique 2 est constitué par un miroir convexe réfléchissant 20 de rayon de courbure dl. le dispositif de réglage d'ouver- ture du champ est un diaphragme 10 associé au miroir 20 et positionné au plus proche de celui-ci. Dans le mode de réalisation selon la figure 5 le dispositif optique 2 est constitué par une lentille plan convexe 21 dont la face arrière convexe est réfléchissante et dont le centre optique coïncide avec le foyer F1. le rayon de courbure de la face convexe est égal à d1/(n-1), n étant l'indice de réfraction du matériau constituant la - lentille 21. A titre d'exemple, pour un verre d'in- dice n voisin de 1,5 le rayon sera de l'ordre de 2d1. Suivant un autre mode représenté sur la figure 6, la lentille -plan-convese précédente est inversée en 22, la face arrière plane étant réfléchissante. Bes éléments 20, 21 et 22 sont équivalents au dispositif optique 2 de la figure 1. il va de soi que d'autres variantes peuvent être réalisées en utilisant par exemple des groupements de lentilles pour constituer ce dispositif optique 2 et éventuellement l'objectif d'entrée 1 ceci, au préjudice de la simplicité et du court de l'ensemble. En l'absence de réglage par diaphragme, l'exploitation s'effectue à champ constant qui peut être délimité par utilisation d'une optique 2 de diamètre D2 déterminé ou par tout autre moyen approprié tel que, notamment dans le cas des figures 5 et 6, par interposition d'un cache constitué par une densité opaque ou bien par délimitation de la zone arrière réfléchissante. Par souci de simplification, les moyens mécaniques utilisés pour supporter et positionner les éléments optiques 1-2, pour actionner le diaphragme 10 et pour isoler la partie interne du diz- positif du rayonnement ambiant n'ont pas été figurés et sont conci- dérés réalisés selon des techniques connues. le dispositif catadioptre peut entre rendu sélectif pour un rayonnement de longueur tonde situé dans une bande de longueur d'onde prédéterminée pour l'exploitation. Ceci peut être obtenu en utilisant des dépôts de couches réfléchissantes sélectives pour constituer le miroir2 les autres faces des lentilles étant complémentairement traitées anti-reflet pourles longueurs d'ondes de la bande d'exploitation envisagée. le dispositif catadioptre peut en outre être aménagé pour réfléchir une partie de l'énergie lumineuse incidente, l'autre partie étant transmise à un dispositif récepteur situé à l'arrière du miroir pour exploitation en fonction de l'application envisagée. Dans ce concept, le miroir du dispositif optique 2 (figure 1) qui il soit sélectif ou non, est constitué par un miroir semi-réfléchissant. le coefficient de réflexion est déterminé en fonction du taux de transmission envisagé. le dispositif ontique 2 peut consister en une lentille plan-convexe 23 dont la face plane est rendue semiréfléchissante par un dépôt approprié 24 comme représenté sur les figures 7 et 8, le dépôt pouvant entre limité à l'aire de diamètre D2 correspondant au champ maximal utile (figure 8). A titre d'exemple, le récepteur comporte un dispositif photodétecteur 30 associé à des circuits de traitement et d'exploitation 31 (figure 7) ; un tel dispositif associé à un émetteur sondes lumineuses situé à distance permet d'assurer en sus de la fonction télémétrie optique la fonction récepteur de signaux d'exploitation. Suivant une deuxième réalisation, le récepteur comporte un dispositif optique 32 tel un groupement de lentilles pour former par exemple une lunette de visée permettant d'obtenir de manière aisée par un opérateur l'alignement du dispo situé catadioptre sur une source de lumière située à distance et rayonnant dans la bande d'exploitation envisagée. En sus des avantages déjà mentionnés pour le dispositif catadioptre résultant de la quasi absence de champ de contour et de la possibilité de répondre à un besoin éventuel de discrétion, il y a lieu de remarquer qu'il peut être réalisé au moyen d'éléments optiques simples et que doublet optique constitue constitué par les lentilles 1 et 3, ou des éléments équivalents, présente les propiétés d'achromatisme apparent car la somme des distarces focales est égale à dieux fois la distance séparant les centres optiques. Il y a iieu de remarquer en outre que le dispositif optique 2 peut autre déplacé selon l'axe optique Z relativement à l'objectif optique d'entrée 1 afin de parfaire le positionnement et répondre à un fonctionnement optimal de l'ensemble, ainsi le dispositif catadioptre est réglable après fabrication de ses constituants ce qui s!avère exclus pour des dispositifs catadioptres de Chrétien ou du type coin de tube. R E V E N D I C A T I O N S 1. Dispositif catadioptre du type comportant un objectif optique de focalisation sur un miroir réfléchissant du rayonnement incident inclus dans ie champ optique ce réception ej un dispositif optique comportant ledit miroir pour renvoyer à travers ledit cèjectif dans ledit champ la quasi-totalité du rayonnement incident, caractérisé en ce que ledit dispositif optique comporte des moyens de réglage de l'ouverture dudit champ et que ledit miroir est semi-réfléchissant pour transmettre une fraction de l'énergie lumineuse incidente à un dispositif annexe. 2. Dispositif catadioptre selon la revendiaation 1, caractérisé en ce que ledit dispositif optique comporte une lentille plan-convexe (22) placée sensiblement dans le plan focal image (F1) dudit objectif (1), la face plane de la lentille étant placée vers 1 arrière selon le trajet incident optique et étant redue réflechissante pour forner ledit miroir. 3. Dispositif catadioptre selon la revendication 2, caracterisé en ce que lesdits moyens de réglage d'ouverture de champ comportent un diaphragme (io) associé a' la face avant convexe de ladite lentille. 4. Dispositif catadioptre selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit dispositif annexe est un récepteur optique comportant un dispositif photodétecteur (30) suivi de circuit de traiement et d'exploitation (31). 5. Dispositif catadioptre selon l'une quelconque des revendications t à 3, caractérisé en ce que ledit dispositif annexe comporte un dispositif de visée optique (32). 6. Dispositif catadioptre selon rune quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de filtrage des ondes lumineuses dans une bande de longueur d'onde prédétermines pour l'exploitation et que ledit objectif de focalisation comporte une lentille biconvrxe, 7. Système comportant un dispositif catadioptrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6.