Brevet FR2392441A1 — publié le 19781222

La présente invention concerne un systeme de pointage optique d'un faisceau laser permettant d'obtenir un pointage de haute précision. Pour fixer les idées, le système de pointage optique de l'invention permet d'obtenir une précision de pointage meilleure que 50 microradians avec un temps de réponse de l'ordre de 5 ms. Les applications des lasers nécessitent l'obtention d'une précision de pointage très élevée, d'une part pour rendre les lasers plus efficaces et, d'autre part, corrélativement, pour en diminuer la puissance. Les systèmes mécaniques classiques de tourelle ne peuvent guère permettre d'obtenir des précisions de pointage meilleures qae quelques centaines de microradians. On connais, dans l'art antérieur, des moyens piézoélectriques de faire vibrer un miroir d'un appareil de pointage autour de deux axes rectangulaires et à des fréquences différentes. Ces moyens comprennent des transducteurs piézoéleetriques vibrant en flexion ou en torsion qui sont connectes au miroir vibrant par des barros de connexion et sont alimentés par des tensions alternatives Les transducteurs piézoélectriques ne sont utilises que pour la vibration du miroir et ne servent pas au pointage. En outre, dans l'art antérieur, le faisceau laser est considéré comme l'axe de pointage lui-même et la distribution de l'énergie dans une section droite du faisceau n'est pas prise en compte pour élaborer un signal d' erreur de pointage. I1 en résulte que le diamètre du faisceau est une cause de l'imprécision de pointage. Conformément à llinvention, un signal dibrreurde pointage tenant compte de la distribution gaussienne d'énergie dans le faisceau est élaboré et ce signal est ajouté au signal alternatif de vibration pour strie appliqué aux commandes piézoélectriques de vibration du miroir. Conformément à une autre caractéristique de l'invention, le miroir de pointage est fixé à une embase par des empilements piézoélectriques comprenant chacun un premier élément piézoélectrique auquel est applique le signal d'erreur de pointage et un second éléments piézoélectrique auquel est rappliqué le signal de vibration, les deux éléments drun même empilage agissant tous les deux sur la rotation du miroir autour d'un même axe et les deux empilages agissant sur la rotation du miroir autour de deux axes rectangulaires. Un laser TEX00 délivre à l'omission une intensité I à distribution gaussienne en fonction de la distance radiale par rapport--à l'axe du faisceau laser où p est la distance radiale à l'axe du faisceau laser et or la largeur à 1/e2 de la courbe de distribution gaussienne. La courbe gaussienne est supposée tronquée à la valeur e = La puissance e à l'émission est alors : où P est la puissance du laser. La distribution de l'éclairement E dans le plan de la cible est peu perturbée par cette troncature et reste donc gaussienne en première approximation : avec où #' est la distance au centre de la tache laser, A la longueur d'onde du laser et L la distance de propagation. Soit x et y les coordonnées du centre de la tache laser dans des axes Ox, Oy liés à la cible. Le signal d'erreur nécessaire à l'asservissement est obtenu en faisant effectuer à la tache laser deux déplacements périodiques simultanés autour d'une position d'équilibre (xo, yO) suivant les axes Ox et Oy x = xO + A sin#1t y = yO + B sin #2t où A et B sont les amplitudes des vibrations effectuées et 1 et les fréquences angulaires des deux mouvements. L'asservissement consiste à corriger xO et yO afin de les annuler.Les fréquences angulaires wl et u12 sont prises différentes afin de pouvoir découpler l'asservissement en xO de celui en yO. On suppose, dans ce qui suit que Â = B, ce qui permet d'obtenir une meme précision de pointage sur les 2 axes, mais il est bien entendu possible que A et B soient inégaux pour obtenir une précision différente sur chacun des axes. Le signal reçu par le détecteur a la forme suivante S = So e et, en décomposant S = SO e x e xe Dans le cas opérationnel où une précision inférieure a' 50 microradians est recherchée, A est petit devant ' et le signal se décompose en une somme Les termes d'ordre supérieur (en A/#'4 et plus) sont négligés. Les composantes du signal aux fréquences 0,# 1/2#,#2/2#,#1/#, sont sont donc, en première approximation, égales à Si l'une des coordonnées (xo, yo) est négative la composante du signal à la fréquence correspondante est en phase avec l'excita- tion. Elle est en opposition de phase si la coordonnée est positive. La phase des composantes aux fréquences #1/# et ne dépend pas de XOJ y0. Dans une première utilisation de l'appareil de pointage, les signaux aux fréquences angulaires 1 et w2 sont détectés synchroni- quement en les multipliant par le signal de référence six #1t ou sin -2t pendant un nombre N de périodes de ce signal.Il est bien connu que Les signaux d'erreur après détection synchrone sont donc égaux à Les courbes (3) et (4) ont, en fonction de respectivement x0 et yo, la forme d'une dérivée de courbe de Gauss avec des maxima positif et négatif pour, respectivement, xo = + '/2 et YO = t 2- Il en résulte que S1 (ou S2) tend vers zéro quand x0 (ou yO) tend vers l'infini. L'asservissement n'a lieu que pour |xo| Au lieu d'une détection synchrone, on peut diviser l'amplitude des signaux détectés aux fréquences de modulation par la composante continue, c'est--dire que l'on forme les signaux d'erreur Ces signaux sont proportionnels respectivement à Xo et yO pour toutes valeurs de xO et yO. L'invention va être maintenant décrite en détail en relation avec les dessins annexés, dans lesquels - les Figs. 1A et 1B représentent schématiquement et sous la forme d'un diagramme de blocs le système de pointage de l'invention - les Figs. 2A et 2B représentent d'une façon détaillée le miroir et les dispositifs de vibration et d'asservissement de pointage - la Fig. 3 est un schéma électrique d'un premier circuit d'élaboration et de traitement du signal d'erreur de pointage ; et - la Fig. 4 est un schéma électrique d'un second circuit d'élaboration et de traitement du signal dlerreur de pointage. En se référant aux Figes. 1A, 13 et SA, 2B, le dispositif de pointage comprend un laser 1, un télescope de focalisation 2, un miroir plan 3 et un dispositif de vibration et d'asservissement 4 du miroir. Le miroir 3 est fixé sur une monture orientable 44 reliée à un support 5 par une fixation à trois points. L'un des points est une rotule élastique 40 servant de pivot. Les deux autres points de fixation sont constitués par des empilements de céramiques piézoélectriques 41 et 42. Chaque empilement (un seul, 41, est vu sur la Fig. 2A) comprend une colonne tubulaire 411 en céramique piézoélectrique servant au calage angulaire d'asservissement et un disque 412 en céramique piézoélectrique servant à imprimer au miroir une vibration autour d'un axe, respectivement référencés 412 et 422 sur l'empilement 42.Les disques 412 et 422 sont reliés à la monture 44 par des joints universels du type rotule 45 et 46. Comme on le voit sur la Fig. 2B, les axes des colonnes et les centres des disques forment avec le centre de la rotule élastique 40 un angle droit, de façon que les rotations imprimées au miroir par les deux colonnes tubulaires piézoélectriques et par les deux disques s'effectuant autour de deux axes 47 et 48 rectangulaires. Les disques piézoélectriques 412 et 422 sont commandés par deux amplificateurs 96 et 96' amplifiant les signaux fournis par deux oscillateurs à quartz 95 et 95' et fournissant des tensions de 2000 volts environ, respectivement aux fréquences #1/2# et X 2/2çr. Les colonnes tubulaires piézoélectrique 411 et 421 sont commandées par deux amplificateurs 94 et 94' amplifiant les signaux d'erreur convenablement traités jusqu'à un niveau moyen de 1500 volts. Des capteurs 431 et 432, dont les armatures sont portées par la monture 44 du miroir et les bobinages par le support 5, permettent de recueillir les signaux de référence aux fréquences 01/2t et w2/2n: Le récepteur du ra:;onnement réfléchi est commun aux deux voies en x et en y. Il comprend (Fit 3),un détecteur de rayonnement 80 et un préamplificateur 81.Ce pléamplificateur 81 est connecté, d'une part à un comparateur de seuil 82 qui commande l'arrêt du dispositif de pointage au-dessous d'une certain niveau du rayonnement réfléchi et,d'autre part,à deux filtres passe-bande amplificateurs 83 et 83' respectivement accordés sur les fréquences angulaires -1 et #2 qui séparent les signaux d'erreur-en xo des signaux d'erreur en yo. De chacun de ces filtres an::plificateurs part une chaîne de traitement du signal d'erreur, respectivement 10 pour le sismal d'erreur en xO et lot pour le signal d'erreur en yO. Une seule de ces deux chaines, celle relative au signal xO, va être décrite; la seconde est identique et ses composants ont les mêmes numéros de référence que ceux de la première chaine nais assortie d'un "prime". La chaine de traitement du sigial d'erreur en xO comprend un amplificateur 84 du signal de référence de fréquence 1/2D en provenance du capteîir 431, un multiplicateur analogique du signal d'erreur filtré et du signal de référence 85, un intégrateur 86, un échantillonneur à mémoire 87, un oscillateur conitrandé par tension 88, un détecteur de signe 89 dont la fonction est de connaitre la polarité du signal d'erreur détecté synchroniquement, un compteur-décompteur 90 précédé de deux portes ET 91 et 92 qui donnent accès aux entrées de comptage et de dé c omptage du compteur-décompteur et sont comnan- dées par le détecteur de signe, un convertisseur numérique analogique 93 et un amplificateur haute tension 94. C'est cet amplificateur haute tension 94 qui commande la colonne piézoélectrique 411. Les signaux issus des capteurs 431 et 432 amplifiés dans les aplificateurs 84 et 84 t sont mis sous forme d'impulsions rectangulaires dans les circuits de mise en forme 97 et 97' et sont ensuite appliqués à un circuit logique 100. La sortie du comparateur à seuil 82 est reliée à ce circuit logique pour l'inhiber quand le signal réfléchi détecté est inférieur au seuil.Le circuit logique commande la durée d'intégration pendant laquelle opèrent les intégrateurs 86 et 86t ainsi que la décharge de ces intégrateurs, les instants d'échantillonnage des échantillonneurs 87 et 87' ainsi que le vidage des mémoires associées à ces éehandAlonneurs, enfin la durée d'ouverture des portes 91 91 l,92,92 t etla remise à zéro des compteurs-décompteurs. En se référant à la Fig. 4, le signal sortant du préamplificateur 81 est appliqua à un filtre passe-bas 98 et à deux filtres passe-bande, respectivement 83 accordé à la fréçuence angulaire 1 et 83t accordé à la fréquence angulaire 2. Les sortie des filtres 98 et 83 d'une part, et 98 et 83' d'autre part, sont reliées à des diviseurs analogiques 99 et 99' qui produisent les signaux T1 et T2 définis cidessus. Les sorties des diviseurs analogiques 99 et 99' sont reliées respectivement aux échantillonneurs à mémoire 87 et 87t. Le reste des chaines de traitement est le même que dans la Fig. 3. Dans une réalisation du système de pointage faite par le demandeur, les éléments du système de pointage avaient les dimenskns et les caractéristiques suivantes - distance entre l'axe des céramiques et la rotule élastique 40 : 5 cm - Tubes 411-421 en céramique piézoélectrique : - longueur : 9 cm - épaisseur : 2 mm - rayon extérieur : 7 uin - densité : 7,1 - constante diélectrique : 1600 - module d'Young : 55 109 N/m2 - allongement relatif S -200 10~12m/V - Disques piézoélectriques 412 - 422 - épaisseur : 3 mm - rayon extérieur : 8 mm - densité : 7,1 - constante diélectrique : 1600 - module d'Young : 50 109 N/m2 - allongement relatif : 480 10-12 m/V - Miroir : - épaisseur : 1 cm - rayon s 5 cm - matériau : verre optique - Rotule élastique 40 s - couple de rappel : 1,15 104 m.N/rad - matériau t acier - Fréquence de résonance du miroir seul - 800 Hz environ - Canteurs-accéléromètres 431-432 servant à obtenir la référence s Hexagone de 23 mm de long et 10 de large - gamme 50000 - 20000 g - sensibilité 0,06 g - fréquence propre 40 kHz - temps de montée 10 - Photodétecteurs 80 - bande passante 1 équivalent de bruit (NEP) 10-13W/(Hz)1/2 R E V E N D I o A T I O N S 1 - Procédé de pointage d'un faisceau laser à distribution d'énergie gaussienne sur une cible comprenant la rotation d'un miroir de déviation dudit faisceau laser par application de deux signaux alternatifs ayant des fréquences de référence à deux dispositifs piézoélectriques de commande du miroir, la réception du signal réfléchi par la cible, le filtrage des composantes du signal réfléchi aux fréquences de référence et la détection desdites composantes, caractérisé en ce que les composantes détectées sont additionnées aux signaux alternatifs dans les dispositifs piézoélectriques de façon que le miroir ait un double mouvement de rotation autour d'une position de repos dépendant desdites composantes détectées. 2 - Procédé de pointage d'un faisceau laser conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que les dispositifs piézoélectriques comprennent chacun deux éléments en série et quton applique les signaux alternatifs aux fréquences de référence aux premiers éléments et les composantes détectées du signal réfléchi aux seconds éléments. 3 - Système de pointage d'un faisceau laser à distribution d'énergie gaussienne sur une cible comprenant un miroir, un pivot pour ledit miroir, deux dispositifs piézoélectriques reliés au miroir pour le faire tourner autour de deux axes rectangulaires, deux générateurs de signaux alternatifs de fréquences de référence, des moyens d'appliquer lesdits signaux alternatifs auxdits dispositifs piézoélectriques, un détecteur du faisceau laser réfléchi par la cible délivrant un signal de réception, des moyens d'isoler et de détecter les composantes du signal de réception aux fréquences de référence, caractérisé en ce que lesdites composantes détectées sont appliquées auxdits dispositifs piézoélectriques pour caler le miroir sur la cible. 4 - Système de pointage d'un faisceau laser conforme à la revendication 3, caractérisé en ce que les dispositifs piézoélectriques comprennent des colonnes piézoélectriques auxquelles sont appliqués lesdits signaux alternatifs aux fréquences de référence et des disques piézoélectriques en série avec lesdites colonnes auxquels sont appliquées lesdites composantes détectées. 5 - Système de pointage d'un faisceau laser conforme à la revendication 4, caractérisé en ce que les colonnes piézoélectriques sont des tubes ayant une électrode externe et une électrode interne. 6 - Système de pointage d'un faisceau laser conforme à la revendication 3 caractérisé en ce que les dispositifs piézoélectriques sont reliés au miroir par l'intermédiaire de rotules0 7-Système de pointage d'un faisceau laser conforme à la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de détecter les composantes du signal de réception aux fréquences de référence consistent en un détecteur synchrone fonctionnant pendant un nombre prédéterminé de périodes. 8 - Système de pointage d'un faisceau laser conforme à la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de détecter les composantes du signal de réception aux fréquences de référence consistent en un filtre passe-bas destiné à recueillir la composante continue dudit signal de réception, deux filtres passe bande accordés respectivement à chacune des fréquences de référence et des circuits de division d'amplitude divisant respectivement les composantes aux fréquences de référence par la composante continue.