Brevet FR2379083A1 — publié le 19780825

La présente invention concerne un dispositif de déviation et de stabilisation d'un faisceau optique, applicable notamment toutes les fois que l'on doit lui donner un support susceptible d'être soumis à des vibrations d'originels diverses. Dans certaines expériences ou encore dans certains systèmes de montages optiques, il arrive que l'on ait à dévier un faisceau optique supposé fixe dans l'espace dans une autre direction de l'espace qui doit entre elle-même fixe. I1 existe, on le sait, divers dispositifs permettant l'obtention d'un pareil résultat, mais il arrive souvent que le dispositif ou l'organe déviateur soit solidaire d'un montage susceptible de se déplacer angulairement, par exemple à cause de vibrations et qu'ainsi la direction du faisceau déviée soit constamment modifiée et qu'au lieu de rester fixe, comme souhaité, varie de manière non contrtlée. La plupart des déviateurs de faisceaux optiques sont essentiellement constitués par un jeu de miroirs, généralement plans, en nombre pair-ou impair. Lorsqu'un déviateur de ce type n'est susceptible d'effectuer de rotations qutautour d'un même axe fixe, il est bien connu de constituer ledit déviateur au moyen d'un ensemble rigide de deux miroirs plans, faisant entre eux un angle fonction de l'angle de déviation désiré pour les deux faisceaux optiques considérés, ce dernier pouvant Aetre modifié en faisant varier l'angle des deux miroirs, résultat que l'on obtient en les articulant sur un axe de rotation commun.Il est alors clair, pour tout homme de l'art, qu'une rotation de l'ensemble rigide des deux miroirs présentant entre eux un ecart angulaire donné, autour de cet-axe commun, ntentratne aucune variation dans l'écartement angulaire des deux faisceaux et que Si la direction du faisceau incident reste fixe dans l'espace, celle du faisceau dévié le restera aussi, et qu'ain- si, l'ensemble des deux miroirs constitue un invariant pour toute rotation dudit ensemble autour de cet axe commun. Mais il est également non moins clair que pareil dispositif est d'efficacité et par suite d'emploi limité, car il ne peut réaliser la stabilisation directionnelle du faisceau de sortie pour les rotations de cet ensemble rigide autour d'un axe perpendiculaire à l'axe commun aux deux miroirs et recoupant ce dernier. La présente invention obvie à cet inconvénient majeur en fournissant un dispositif optomécanique de déviation d'un faisceau optique fixe en direction dans l'espace, insensible aux déplacements angulaires auxquels il peut ttre soumis en meme temps que son support, du fait notamment des vibrations, et se produisant simultanément autour de deux axes de rotation perpendiculaires entre eux, et fournissant de ce fait un faisceau optique de sortie dévié mais lui aussi fixe en direction. le dispositif selon l'invention de déviation et de stabilisation drun faisceau optique fixe dans l'espace, pour le maintien de la stabilité dans l'espace du faisceau dévié, malgré les rotations éventuelles, autour de deux axes d'orientations différents de l'espace du support dudit dispositif, est essentiellement caractérisé par le fait qu'il comporte en combinaison - Un premier système optique d'entrée et de réception du faisceau fixe formant déviateur, mobile en rotation autour d'un axe de rotation parallèle à la première orientation et lié au support dudit système - un deuxième système optique de réception du faisceau émergeant du premier système formant déviateur et constitué par un système optique afocal cylindrique. ledit deuxième système étant disposé sur le meme support que le premier et étant mobile en rotation par rapport audit support par rapport à un axe de celui ci parallèle à la seconde orientation, et ayant un grossissement égal à l'inverse du sinus de l'angle de déviation du faisceau fixez Dans une forme de réalisation avantageuse, le premier déviateur est un déviateur à deux miroirs plans, dont l'ensemble est mobile autour d2un axe formés par la droite intersection de leurs plans, l'angle que font entre ewr lesdits miroirs étant réglable. De manière préférée, le système optique afocal cylin- drique formant second déviateur et coopérant avec le déviateur du système optique de réception du faisceau émergeant du système optique d'entrée est à grossissement variable et comporte à cet effet trois lentilles dont deux3convergentes,somt mobiles par rapport à une lentille médiane divergente fixe2et autairst l'invariance de la direction du faisceau d'entrée est conservée malgré l'angle dont ledit faisceau d'entrée est dévié à la sortie dudit dispositif. Suivant une forme de réalisation également préférée, les déplacements relatifs des. lentilles ou groupements de lentilles constituant le système afocal cylindrique du système optique de réception du faisceau émergeant du système optique de réception du faisceau d'entrée, sont obtenus au moyen d'un dispositif mécanique du type inverseur de Peaucellier ne comportant que des liaisons par leviers et engrenages, dont les longueurs de levier ont deJ valeurs déterminées pour que les déplacements relatifs des deux lentilles extrêmes du système afocal par rapport à la troisième lentille médiane les maintiennent constamment conjuguées par rapport à cette dernière. En outre, le système focal cylindrique du système optique de réception du faisceau émergeant du premier système optique est couplé à l'un des miroirs du système déviateur du deuxième système optique et ils sont liés entre eux par un dispositif mécanique constitué uniquement par des leviers et des engrenages coopérant entre eux et avec l'un des mirois du premier déviateur. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux de la description qui en est faite ci-après, à titre d'exemple non limitatif, et en regard des dessins annexés, sur lesquels la figure 1 représente schématiquement un dispositif déviateur de faisceau optique monté sur une suspension à la cardan; la figure 2 représente une vue schématique d'un dispositif déviateur de type connu la figure 3 représente une vue en coupe du dispositif de la figure 1 par l'axe X-X de cette figure, et montrant la loi de variation de la déviation d'un rayon optique lorsque le dispositif de la figure 1 tourne autour de l'axe Y-Y de cette figure d'un angle e ;; la figure 4 représente schématiquement un dispositif déviateur de faisceau optique selon l'invention la figure 5 représente schématiquement les éléments constitutifs d'un système optique afocal à grossissement variable; la figure 6 représente schématiquement le système de la figure 5 muni d'un dispositi pour les déplacement de ses éléments les uns par rapport aux autres ; et la figure 7 représente schématiquement le dispositif de la figure 6 amené dans une position particulière. Sur ces différentes figures, les mêmes références représentent les mimes éléments En se référant tout d'abord aux figures 1, 2, 3 et 4 Sur la figure 1, on a représenté de manière très schématique un déviateur figuré par l'ensemble 1, monté sur un bâti support 2, ledit déviateur étant suspendu à la Cardan et étant, à cet effet, mobile en rotation autour de l'axe X-X,tandis que le support 2 est mobile en rotation autour de l'axe Y-Y.Lorsqu'un faisceau optique 3, fixe en direction dans l'espace, vient frapper le déviateur 1, il est dévié par ce dernier suivant un faisceau émergent 4, qui lui aussi reste fixe dans l'espace pour autant que ledit déviateur ne subisse pas de mouvement de rotation, par exemple sous l'effet de vibrations autour de l'axe de rotation Y-Y du bâti support 2, perpendiculaire au précédent X-X, alors que des rotations, par exemple aussi sous l'effet de vibrations du déviateur autour de l'axe X-XS restent sans effet sur l'angle de de déviation a du faisceau optique par ce mme déviateur0 Ce dernier peut etre constitué, de manière connue, par un jeu de miroirs plans en nombre pair ; en partic1l- lier, il peut être constitué, comme représenté sur la figure 2, par deux miroirs plans la et lb dont les plans se recoupent suivant l'axe X-X et formant un ensemble rigide. Cet ensemble forme comme déjà indiqué plus haut un invariant pour toute rotation autour de l'axe X-X, ctest-à-dire que tout faisceau optique d'axe moyen 3 placé dans un plan d'incidence perpendiculaire à l'axe X-X frappant le miroir la ressort du déviateur est réfléchi par le miroir lb suivant un faisceau d'axe moyen 4 dont le plan de réflexion est lui aussi perpendiculaire à l'axe X-X et dont la direction dans l'espace est fixe et ne dépend, pour une direction fixe donnée du faisceau incident, que de la valeur de l'angle dièdre que font les plans des deux miroirs, angle dont, d'ailleurs, on peut régler leur valeur, suivant la déviation a souhaitée. Si, comme représenté sur la figure 3, l'ensemble déviateur à deux miroirs ci-dessus, tourne globalement autour de l'axe Y-Y d'un angle e supposé de valeur faible, comme c'est le cas pour des rotations dues à des vibrations, c'est-à-dire tel que la valeur dudit angle puisse entre assimilée à celle de sin e sans que l'on commette une erreur importante, un calcul bien connu de lthomme de l'Art, montre que le faisceau dévié émergent 4, subit, d'une part, une rotation autour de ltaxe Y-Y dont la valeur est égale au premier ordre près à e (1 - sin a) le terme suivant, du troisième ordre,étant, compte tenu de l'hypothèse faite, négligeable, et d'autre part, mle rotation autour de l'axe X-X dont la valeur exprimée en fonction de e comporte un terme nul au premier ordre et dont le premier terme est du deuxième ordre en e donc négligeable. Si donc, comme représenté sur la figure 3, l'axe X-X se trouve dans le plan de la figure et par suite l'axe Y-Y est perpendiculaire à ce plan de figure, le faisceau 3 rentrant dans le déviateur à deux miroirs, lorsque l'axe X-X ayant tourné de l'angle e vient occuper la position X1-X1, en émerge suivant la direction 4, laquelle fait, avec celle du faisceau 3, un angle de valeur e (1 - sin a) et, par suite, avec la direction normale à la plate-forme qui porte le déviateur 1 à deux miroirs, un angle de valeur e sin a. il est alors clair que, pour réaliser ltinva- riance souhaitée pour l'orientation du faisceau optique 4 à sa sortie du déviateur, il suffit de ramener sa direction dans la direction 5 parallèle à celle du faisceau 7. Pour cela, et comme représenté schématiquement sur la figure 4, il suffit de compléter le déviateur 1 à deux miroirs par un déviateur 6, fixé lui aussi à la plate-forme 2 et qui; de ce fait,tourne lui aussi autour de l'axe Y-Y d'un angle e par rapport à l'espace ; ce déviateur 6- reçoit le faisceau 4 sortant du premier déviateur, dA à la déviation par ce dernier du faisceau fixe 3, lequel faisceau 4, à sa sortie du déviateur 1, fait avec la direction normale à la plate-forme 2, un angle dont la valeur est e sin a et qui, après déviation par le second déviateur 6, fournit à la sortie de ce dernier un faisceau 5, dont l'angle avec cette meme direction a pour valeur e et qui, alors,se trouve orienté dans la même direction que le faisceau de sortie du premier déviateur en l'absence de rotation de la plate-forme support 1 autour de 11 axe Y-Y, le second déviateur du dispositif peut avantageusement atre constitué par un ensemble afocal, d'une part, constitué par des lentilles cylindriques de manière qu'1l n1 agisse pas dans le sens déjà compensé par le premier déviateur et, d'autre part, ayant un grossissement dont la valeur est égale à sin a Il est clair pour lthomme de l'art qu'un système afocal presentant ces caractéristiques apporte une solution au problème de la stabilisation du faisceau de sortie lorsque le support du déviateur est soumis à des vibrations se traduisant par des rotations d'angles e faibles, autour de l'axe Y-Y. Comme l'angle a mesurant la direction du faisceau d'entrée dans le premier déviateur, ainsi que dit plus haut, peut être choisi à toute valeur désirée, et qu'à cet effet il est possible de faire varier l'écartement angulaire des deux miroirs la et puisque 1b formant leditsin déviateur, il en resulte que, le rapport @@@@@ mesure le grossissement du système afocal constituant le second déviateur, il est nécessaire, si l'on désire pouvoir appliquer le dispositif selon l'invention à un éventail de valeurs de déviations aussi étendu que possible, de pouvoir faire varier ledit grossissement afin de pouvoir adapter le système afocal aux différentes valeurs de la déviation du faisceau d'entrée après passage dans le dispositif.Pour cela, le système afocal cylindrique doit Btre également à grossissement variable, c'està-dire entre un système connu sous le nom de "zoom". Il est clair qu'il est impossible de réaliser, du moins de manière commode, un "zoom" permettant de compenser les rotations d'angle e pour toutes les valeurs de l'angle a, mais un zoom dont le grossissement peut varier de 1 à 4 permet déjà, dans le cas présent, de tenir compte de toutes variations de l'angle . comprises entre 14,50 et 900, ce qui représente déjà une très large plage de valeurs angulaires. Mais un zoom permettant de réaliser des variations de grossissement plus étendues permettrait, bien entendu, d'accepter des vari-tions encore plus étendues de l'angle a. les variations de l'angle a étant obligatoirement liées aux variations de ltécart angulaire des deux miroirs du premier déviateur, la commande des variations de grossissement du zoom doit donc dtre obligatoirement liée et couplée à celle de l'un des deux miroirs dudit premier déviateur. Ce résultat peut Qtre obtenu, selon l'invention, au moyen d'un mécanisme décrit ci-après à titre d'exemple non limitatif, mais particulièrement intéressant par sa simplicité. Un zoom est, de manière connue, constitué par trois lentilles ou trois groupements de lentilles d'axe optique connu Z-Z, dont deux sont mobiles en translation le long de cet axe par rapport à la troisième. C'est ainsi que, par exemple, comme représenté sur la figure 5, il peut comporter une première lentille convergente 11, une seconde lentille convergente 12 et une lentille divergente 13 disposée entre les deux précédentes.En général, dans un zoom, la première lentille, c'est-à-dire ici la lentille 11, est fixe, tandis que les deux autres 12 et 13 sont des lentilles mobiles par rapport à la lentille fixe, l'une étant déplacée au moyen d'un mecanisme de type traditionnel, par exemple à crémaillère,commandé par un bouton actionné par l'utilisateur, tandis que le déplacement de l'au- tre est obtenu au moyen d'une came coopérant avec le premier mé- canisme d'entratnement et dont le profil est étudié et calculé pour que l'ensemble des trois lentilles reste afocal pour tous les grossissements. Dans le cas du système afocal à grossissement variable constituant le second déviateur du dispositif de déviation et de stabilisation d'un faisceau optique selon l'invention, il est au contraire particulièrement avantageux de laisser fixe la lentille 13 divergente et de rendre mobiles les deux lentilles 11 et 12 convergentes. Dans ce cas, en effet, la loi qui fixe le déplacement relatif des lentilles convergentes 11 et 12 doit etre telle que le foyer image de la lentille 11 et le foyer objet de la lentille 12 constituent deux points conjugués dans le système formé'par la lentille divergente 13.La loi de conjugaison,lorsque les origines des abscisses des points conjugués de l'axe op tique du système sont prises aux foyers de cette même lentille 13 est, de manière classiquement connue, son exprimes par la formule classique : #.#' = - f, dans laquelle # et #' désignent les abscisses des points de l'axe conjugués respectivement objet et image, et f désigne la distance focale de la lentille 13. Cette conjugaison peut avantageusement être réalisée sans la came utilisée, comme dit plus haut, dans les zooms de type conventionnel, et cela grâce au mécanisme connu sous le nom d'inverseur de Peaucellier, dont les figures 6 et 7 représentent schématiquement les éléments constitutifs occupant des positions différentes dans les deux figures et correspondant à des positions relatives différentes des lentilles constitutives du zoom. Ce mécanisme comporte un premier levier 14 de longueur entre axes a, dont une extrémité est articulée autour d1un axe fixe 15 placé dans le plan de la lentille 13 et lié à la monture de celle-ci, et l'autre extrémité est articulée sur un axe 16 qui constitue un axe d'articulation et de rotation commun en outre aux premières extrémités de deux autres leviers 17 et 18 d'égales longueurs, b étant la valeur commune de leurs longueurs, les secondes extrémités des deux dits leviers 17 et 18 étant articulées respectivement en A1 et A2 sur les axes de rotation 19 et 20 disposés respectivement sur les montures représentées schématiquement en 21 et 22 des lentilles 12 et 11.Le levier 14 articulé au point 0 aur l'axe fixe 15, lorsqutil est entraîné en rotation autour de cet axe manuellement par l'intermédiaire, par exemple, d'un bouton de commande lié directement ou indi rectement audit axe, entrine à son tour l'axe 16 atticKLE en M suivant une trajectoire circulaire et par suite, puisqu'ils sont rigides, les leviers 17 et 18, donc leurs extrémités opposées à cet axe 16 provoquant ainsi les déplacements des lentilles il et 12. Dans ces conditions, pour que la conjugaison recherchée soit constamment réalisée lors des déplacements du levier 14 et qu'ainsi le système formé par les trois lentilles 11, 12 et 13 reste constamment afocal, il suffit que,la relation : b2 2 a2 f2 soit satisfaite. En effet, la puissance du point 0 par rapport au cercle de centre M et de rayon MAt = MA2 = b est égale à OAç - OA2 = OM2 - AM = -f . Ainsi donc, il suffit de choisir convenablement les longueurs des leviers 14, 17 et 18 pour que lors de ltentraSnement en rotation du levier 14 autour de l'axe fixe 15 la conjugaison entre les lentilles du zoom soit réali sée. La conjugaison entre les lentilles du zoom étant réalisée de la manière qui vient d'être indiquée, il ne reste plus alors qu'à réaliser entre l'tins des lentilles dudit zoom et l'un des deux miroirs du premier déviateur une liaison telle que la loi de grossissement de ce dernier en fonction de l'angle a soit k de la forme sin a où k est un coefficient de proportionnalité de valeur connue. Or, comme on le sait, le grossissement du zoom # f est de la forme f ou #, où #,#' et f ont les significations déjà indiquées ci-dessus. De ce fait, il est nécessaire et suffisant que l'un des deux déplacements, celui de la lentille 11 ou celui de la lentille 12, suive une loi, l'exprimant en fonction de sin a.Un tel résultat peut être obtenu en liant le déplacement de la lentille choisie à celui d'un levier de longueur appropriée reliant ladite lentille au miroir choisi du premier déviateur et dont le terme en a de sa loi de rotation soit proportionnel à la rotation de la forme 2 du miroir relié à la lentille. De cette manière, le déplacement en rotation de ce miroir qui permet de régler la valeur de la déviation du faisceau d7en- trée, permet en même temps de provoquer le déplacement, selon la loi voulues d'une des lentilles mobiles du zoom et, par l'inter- médiaire de l'inverseur de Peaucellier, celui de l'autre lentille, de manière que l'afocalité du zoom soit conservée. Ainsi, une seule commande permet de régler par des liaisons-ne comprenant que des engrenages et des leviers la commande simultanée des deux déviateurs. Il est bien entendu que la présente invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter des équivalences techniques à ses éléments constitutifs sans pour autant sortir du cadre de ladite invention lequel est défini dans les revendications annexées REVENDICATIONS 1. Dispositif de déviation et de stabilisation d'un faisceau optique fixe dans l'espace, pour le maintien de la stabilité dans ltespace du faisceau dévié, malgré les rotations éventuelles, autour de deux axes d'orientations différentes de l'espace, du support dudit dispositif, caractérisé par le fait qu'il comporte en combinaisoeqs - un premier système optique d'entrée e de réception du faisceau fixe, formant déviateur, mobile en rotation autour d::un axe de rotation parallèle à la première orieniatiin et lié au support dudit système ; - tui deuxième système optique de réception du faisceau émergeant du premier système, formant déviateur et constitué par un système optique afocal. cylindrique, ledit deuxième système étant disposé sur le mEme support que - premier et étant mobile en rotation par rapport audit support par rapport à un axe de celui-ci parallèle à la seconde crientatLcn, et ayant un grossissement égal à l'inverse du sinus de l'angle de déviation du faisceau fixe. 2. Dispositif de déviation et de stabilisation d'un faisceau optique fixe dans l'espace selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le premier déviateur est un déviateur à deux miroirs plans, dont ensemble est mobile autour d2un axe formé par la droite intersection de leurs plans, l'angle que font entre eux lesdits miroirs étant réglable. 3o Dispositif de déviation et de stabilisation d'un faisceau optique fixe dans l'espace selon l1uns quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que le système optique afocal cylindrique formant second déviateur et coopérant avec le faisceau émergeant du système optique d'entrée est à grossissement variable et comporte à cet effet trois lentilles dont médiane deux, convergentes, sont mobiles par rapport a une lentille/fixe divergente, et qutainsi l'invariance de la direction du faisceau d'entrée est conservée malgre l'angle dont ledit faisceau d'entrée est dévié à la sortie dudit dispositif. 4. Dispositif de déviation et de stabilisation d'un faisceau optique fixe dans l'espace, selon la revendication 3, caractérisé par le fait que les déplacements relatifs des lentilles ou groupements de lentilles constituant le système afocal cylindrique du système optique de réception du faisceau émergeant du système optique de réception du faisceau d'entrée sont obtenus au moyen d'un dispositif mécanique du type inverseur de reaucellier ne comportant que des liaisons par leviers et engrenages, dont les longueurs de levier sont de valeurs déterminées pour que les déplacements relatifs des deux lentilles extr8mes du système afocal par rapport à la troisième lentille médiane les maintiennent constamment conjuguées par rapport à cette dernière. 5. Dispositif de déviation et de stabilisation d'un faisceau optique fixe dans l'espace selon l'une quelconque des revendications 2, 3 ou 4, caractérisé par le fait que le système afocal cylindrique du système optique de réception du faisceau émergeant du premier système optique est couplé à l'un des miroirs du système déviateur dudit premier système optique et qu'ils sont liés entre eux par un dispositif mécanique constitué uniquement par des leviers et des engrenages coopérant entre eux et avec l'un des miroirs du premier déviateur et les deux lentilles mobiles du système afocal.