Brevet FR2511163A1 — publié le 19830211

La présente invention est relative à un dispo- sitif permettant de commander la direction d'un faisceau de rayonnement optique sans nécessiter le déplacement de la source du rayonnement. Il est fréquemment nécessaire de commander la direction d'un faisceau de rayonnement, et le procédé le plus simple est de déplacer solidairement la source elle- même et les éventuels éléments optiques, tels que des lentilles, qui lui sont associés Toutefois, dans cer- tains cas, ceci n'est pas toujours commode, notamment si la source est de grandes dimensions Il est connu de faire appel à une paire de miroirs pouvant tourner autour d'axes perpendiculaires, ou à un miroir unique monté sur cardan Cependant, ces solutions tendent elles- mêmes à être relativement encombrantes Le brevet britan- nique N O 1 521 931 au nom de la présente Demanderesse décrit une autre technique qui met en oeuvre deux coins optiques pouvant tourner autour d'un axe commun le long duquel le rayonnement pénètre dans le dispositif Ceci permet de déplacer le faisceau en l'amenant dans n'im- porte quelle direction à l'intérieur d'un cône Toute- fois, les petits mouvements du faisceau à proximité du centre du champ de visée nécessitent des mouvements angulaires relativement grands des coins Comme la vitesse à laquelle les coins peuvent être déplacés est limitée, ceci conduit à des temps de réponse importants aux ordres de déplacement du faisceau Ceci rend cette technique impropre à la réalisation d'un dispositif sta- bilisateur de faisceau à commande asservie, bien qu'elle puisse néanmoins convenir au pointage d'un faisceau dans une direction requise lorsque la vitesse de réponse n'est pas de la plus haute importance. L'un des buts de l'invention est de fournir un dispositif optique de commande de la direction d'un fais- ceau de rayonnement optique qui est exempt de ces incon- vénients. Selon la présente invention, il est proposé un dispositif optique de commande de la direction d'un faisceau de rayonnement optique tombant sur le disposi- tif suivant l'axe optique de celui-ci, lequel comporte une première et une deuxième lentille présentant chacune une face plane et une face à courbure sphérique et dispo- sées de façon que leurs faces courbes soient mutuelle- ment adjacentes et séparées par un intervalle de largeur sensiblement uniforme qui est petite comparativement au rayon de courbure de chaque face courbe, et des moyens propres à établir un déplacement relatif entre les deux lentilles autour d'axes passant par les centres de cour- bure des faces courbes, ces axes étant perpendiculaires à l'axe optique et formant un angle entre eux. Les moyens de mise en oeuvre d'un déplacement relatif peuvent être établis pour réagir automatiquement à un ordre d'entrée définissant une direction de faisceau demandée. Le terme "rayonnement optique" est à entendre ici comme couvrant non seulement un rayonnement apparte- nant à la partie visible du spectre, mais aussi le rayonnement appartenant aux régions voisines du spectre qui obéissent aux lois de l'optique Ceci englobe le rayonnement infrarouge et le rayonnement ultraviolet. Les caractéristiques et avantages de l'inven- tion ressortiront plus amplement de la description détaillée qui est donnée ci-après à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une vue en perspective mon- trant la disposition des deux lentilles; les figures 2 et 3 sont des vues en coupe montrant les lentilles dans différentes positions rela- tives; les figures 4 et 5 illustrent l'effet du déplacement de l'une ou l'autre des lentilles; les figures 6 et 7 représentent une forme de réalisation du dispositif; la figure 8 est un schéma d'un circuit de commande asservie; la figure 9 représente une variante de système asservi. La figure 1 montre une première lentille 10 et une deuxième lentille 11 centrées sur un axe optique 12 La lentille 10 présente une face plane et une face convexe, tandis que la lentille il présente une face plane et une face concave Les faces courbes des lentil- les sont placées face à face l'une près de l'autre Les lentilles sont déplaçables l'une par rapport à l'autre, chacune d'elles pouvant tourner autour d'un axe perpen- diculaire à l'axe optique 12 Ainsi, la lentille 10 peut tourner autour d'un axe 13, tandis que la lentille 11 peut tourner autour d'un axe 14 Les axes 13 et 14 sont de préférence, mais non obligatoirement, perpendiculaires l'un à l'autre. La figure 2 est une vue en coupe des deux len- tilles dans leur position normale, dans laquelle un fais- ceau de lumière traversant les lentilles n'est pas dévié. On peut voir sur la figure que les deux lentilles sont disposées de façon à ménager un petit intervalle 15 de largeur uniforme entre leurs faces courbes Cet inter- valle doit être petit par rapport au rayon de courbure de chaque face courbe Pour que l'on puisse obtenir un intervalle de largeur uniforme, il faut que les deux lentilles aient le même centre de courbure, et la conser- vation de l'uniformité de l'intervalle lorsque les len- tilles se déplacent l'une par rapport à l'autre impose de faire passer les axes de rotation 13 et 14 par ce centre de courbure On peut cependant noter que de légers écarts par rapport à un intervalle parfaitement uniforme peuvent être tolérés, en fonction des dimensions mises en jeu Le degré d'écart admissible par rapport à un intervalle uniforme dépend d'un certain nombre de facteurs, parmi lesquels l'angle de déviation maximal exigé, l'indice de réfraction de la matière des lentil- les et la longueur d'onde du rayonnement Si la largeur de l'intervalle s'écarte trop d'une largeur uniforme, les lentilles tendent à se comporter comme telles Un intervalle trop large est susceptible de créer des pro- blèmes d'aberration sphérique. On peut voir en considérant la figure 2 que lorsque les lentilles sont disposées symétriquement par- rapport à l'axe optique 12, leur effet est celui d'un bloc de verre à faces parallèles De ce fait, un fais- ceau lumineux passant par les deux lentilles ne se trouve pas dévié de sa direction. La figure 3 représente la lentille 10 ayant tourné autour de l'axe 13 de sorte que les faces planes des lentilles ne sont plus parallèles De ceci s'ensuit une déviation d'un faisceau lumineux de la façon qui sera décrite plus loin On peut faire subir en même temps à l'autre lentille 11 une rotation autour de l'axe 14 afin de produire une déviation dans un deuxième plan. La figure 4 représente la situation qui se trouve réalisée si l'on fait tourner la lentille plan- convexe 10 autour de l'axe 13 L'effet obtenu est de créer un prisme dont les flancs sont formés par les faces planes des deux lentilles La face plane de la lentille l 1 est perpendiculaire à l'axe optique 12, et il ne se produit donc pas de réfraction pour cette surface. La lentille 10 est représentée avec une déviation qui est telle que l'angle compris entre les deux surfacés planes soit " Le faisceau lumineux frappe l'autre face sous un angle d'incidence i, et il la quitte sous un angle de réfraction r On peut voir que l'angle de dévia- tion du faisceau lumineux est donc (r-i) L'angle d'incidence i est égal à l'angle a du prisme équivalent, et les angles d'incidence et de réfraction vérifient l'expression sin r/sin-i = j, i étant l'indice de réfrac- tion du matériau des lentilles par rapport à l'air On peut donc montrer que l'angle de déviation D du faisceau lumineux est donné par l'expression: D = sin 1 j(Isina) a Si la déviation de la lentille 10, de même donc que l'angle aest faible, on a alors approximative- ment: D = a La déviation est donc directement liée au dépla- cement de la lentille 10. S'il y a déplacement de la lentille plan- concave, la situation est légèrement différente, comme on le voit sur la figure 5 L'effet est encore de créer un prisme formé par les surfaces planes des lentilles. Toutefois, c'est dans ce cas la face plane de la lentille qui est perpendiculaire à l'axe optique 12 De ce fait, il y a réfraction au niveau de la face plane de la lentille 11, comme on le voit sur le dessin Comme le faisceau lumineux frappe la surface plane de la lentille sous un certain angle, il y a également réfraction pour cette surface Cependant, on peut voir que la dévia- tion du faisceau lumineux n'est déterminée que par l'an- gle de réfraction r 2 à la seconde surface. L'angle d'incidence i 1 sur la première surface est égal à l'angle a du prisme, et l'angle d'incidence i 2 sur la seconde surface a pour expression: i 2 =i 1 -r 1 r 1 étant l'angle de réfraction au franchisse- ment de la seconde surface. On a par conséquent i 2 = " ri. Or sin r 2/sin i 2 = Pl p étant l'indice de réfraction relatif de l'air par rapport au verre. On a donc sin r 2 sin i 2 sin (a r 1) De même, sin i 1/sin ri = p. et on a donc sin ri = sin i 1/1, d'o sin r 2 = p sin{a sin 1 (sin a/p)} L'angle de déviation D a donc pour expression: D = sin 1 psin{a sin (sin a/p)} Lorsque tous les angles sont petits, on a l'ap- proximation: D a (p 1) Cette approximation est la même que celle obte- nue pour un déplacement de l'autre lentille. Rien n'a été dit jusqu'à présent sur les moyens de déplacement des deux lentilles à l'effet d'imprimer une déviation voulue au faisceau lumineux Comme suggéré plus haut, il est possible de faire tourner chaque len- tille par rapport à l'axe optique autour d'un axe perpen- diculaire à l'axe optique De préférence, les deux axes de rotation sont mutuellement perpendiculaires En variante, il est possible d'assigner une position fixe à l'une des lentilles par rapport à l'axe optique et de faire tourner l'autre lentille autour de deux axes mutuel- lement perpendiculaires Les figures 6 et 7 représentent un agencement qui peut être utilisé dans l'une et l'autre de ces voies. Les figures 6 et 7, représentent une monture extérieure 60, formée par une structure globalement tubulaire alignée suivant l'axe optique 12 du dispositif. La monture extérieure porte l'une des lentilles, qui est dans ce cas la lentille plan-concave 11, cette lentille étant retenue en position par une bague de retenue 61. -A l'intérieur de la monture extérieure 60 et coaxiale- ment à celle-ci est monté un élément intermédiaire 62 en forme de tube Celui-ci est monté à rotation autour d'un axe 63 qui passe par l'axe optique 12 perpendicu- lairement à celui-ci en le coupant au centre de courbure de la surface courbe de la lentille 11 Les supports de l'élément intermédiaire 62 sont fournis par un moteur couple 64 et par un capteur angulaire 65. L'élément intermédiaire 62 supporte lui-même une monture intérieure 66 qui porte la lentille plan- convexe 10 La monture intérieure 66 est montée à rota- tion autour d'un axe 67 qui passe par l'axe optique 12 et par le centre de courbure des surfaces courbes des lentilles et est perpendiculaire à l'axe optique 12 et à l'axe 63 Les supports de la monture intérieure 66 sont assurés par un moteur couple 68 et par un capteur angulaire 69. Si l'on veut pouvoir faire tourner l'une et l'autre des lentilles 10 et 11, l'élément intermédiaire 62 est alors fixé à une structure de support, ce qui laisse aux montures 60 et 66 la liberté de tourner autour des axes perpendiculaires 63 et 67 En variante, la monture extérieure 60 peut être fixe, de même que la lentille 11 La monture intérieure 62 et la lentille 10 peuvent alors se mouvoir autour de l'un et l'autre des axes 63 et 67, dans une structure à Cardan. Les moteurs couples et les capteurs angulaires des deux axes ont pour fonction de permettre au disposi- tif d'être commandé automatiquement Comme il est possi- ble de rapporter la déviation du faisceau à l'angle de déviation de l'une ou de chacune des lentilles, un dis- positif de commande automatique peut être aisément réalisé. Comme on l'a vu précédemment, lors du déplace- ment de l'une ou l'autre des lentilles, l'angle de Ai déviation D du faisceau lumineux est donné approximative- ment par l'expression: D = a (p 1) a étant l'angle du prisme formé par les sur- faces planes des deux lentilles Cet angle a est celui dont on fait tourner la lentille à partir de la position de référence, pour laquelle la surface plane est perpen- diculaire à l'axe optique du dispositif Dans un disposi- tif commandé, c'est cet angle a qu'il s'agit de faire varier, et il a pour expression: a = D/("i 1) En conséquence, il s'agit pour tout circuit de commande d'appliquer le rapport 1/(Ii l) à l'entrée pour obtenir la position voulue de lentille(s) suivant l'un des axes Le dispositif des figures 6 et 7 permet de mettre en oeuvre un système asservi, et un schéma d'un tel ensemble est représenté à la figure 8. La figure 8 représente l'application à l'un des axes du dispositif d'un système asservi simple qui met en oeuvre l'approximation précédente L'ordre d'en- trée D est appliqué à travers une résistance Rl à l'en- trée de l'amplificateur d'asservissement 81,-dont la sor- tie commande le servomoteur 82, et donc l'une appropriée des lentilles 10 et 11 Le capteur 83 est accouplé méca- niquement à la lentille, et il fournit un signal d'asser- vissement qui est appliqué à travers une résistance R 2 à l'entrée de l'amplificateur 81. On peut voir que D/R 1 = a/R 2 mais D = a(p 1) On a donc: a (p-l)/R =-/R 2 ou R 1/R 2 = p-i Ainsi, si les valeurs des résistances Rl et R 2 sont choisies de façon à satisfaire à la relation indi- quée ci-dessus, le système suivra automatiquement la loi imposée. Si l'approximation n'est pas satisfaisante, pour des raisons de précision ou bien parce que l'on a besoin d'excursions angulaires plus fortes, le dispositif simple de la figure 8 n'est alors plus suffisant La figure 9 représente une variante de système asservi à laquelle on peut alors avoir recours. La figure 9 représente un système asservi qui présente une boucle d'asservissement modifiée de façon à prendre en compte la relation non linéaire existant entre la valeur de consigne de l'angle du faisceau lumi- neux et la position de la lentille Comme connu en soi, l'ordre d'entrée ou valeur de consigne D est appliqué à un circuit soustracteur 91 dans lequel le signal d'asser- vissement est retranché pour former le signal d'erreur. Le signal d'erreur est transmis à un amplificateur d'as- servissement 92, puis au moteur couple 93 qui agit sur la lentille Le capteur 94 est accouplé mécaniquement à la lentille, comme représenté par les figures 6 et 7. Si le capteur fournit un signal de sortie analogique, celui-ci est alors transmis à un convertisseur analogique- numérique 95 Le signal de sortie du convertisseur 95 est appliqué à une mémoire morte 96 à laquelle a été préalablement fourni le facteur de correction corres- pondant à toute position instantanée de la ou des lentil- les, pour chaque incrément de position Le facteur de correction est remis sous forme analogique par un conver- tisseur numérique-analogique 97 Le facteur de correc- tion et le signal de sortie d'origine du capteur sont additionnés par un amplificateur sommateur 98 dont la sortie attaque le circuit soustracteur 91. Le circuit de commande peut être modifié Par 2511 163 exemple, la correction peut être appliquée au signal d'entrée de consigne avant son application au circuit soustracteur 91, auquel cas la mémoire morte 96 n'a besoin que de convertir directement l'angle d'entrée de consigne en la position de lentille nécessaire pour obtenir cet angle. Il est bien entendu nécessaire de faire appel à un circuit de commande distinct pour chaque axe de déplacement du système de lentilles, qu'il y ait dépla- cement de l'une des lentilles suivant deux axes ou de chaque lentille suivant son axe de rotation propre. On notera que le dispositif peut être actionné manuellement, sans nécessiter la mise en oeuvre d'aucune sorte d'ensemble de commande. REVENDICATIONS 1 Dispositif optique pour la commande de la direction d'un faisceau de rayonnement optique tombant sur le dispositif suivant l'axe optique de celui-ci, caractérisé par une première et une deuxième lentille présentant chacune une surface plane et une surface à courbure sphérique et disposées de façon que leurs sur- faces courbes soient mutuellement adjacentes et séparées par un intervalle de largeur sensiblement uniforme qui est petit comparativement au rayon de courbure de chaque surface courbe, par des moyens d'entraînement propres à établir un déplacement relatif entre les deux lentilles autour d'axes passant par le centre de courbure commun des surfaces courbes en étant perpendiculaires à l'axe optique et en formant entre eux un angle, par des moyens de détection indiquant l'ampleur d'un tel déplacement, et par des moyens de commande propres à réagir au signal de sortie fourni par les moyens de détection en fournis- sant des signaux destinés à être appliqués aux moyens d'entraînement. 2 Dispositif selon la revendication 1, carac- térisé en ce que les moyens de commande comportent une boucle d'asservissement comprenant une mémoire morte dans le circuit de réaction. 3 Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications 1 et 2, caractérisé en ce que les deux axes autour desquels est établi un déplacement relatif entre les lentilles sont mutuellement perpendiculaires. 4 Dispositif selon la revendication 3, carac- térisé en ce que chaque lentille est mobile autour d'un axe propre perpendiculaire à l'axe optique. Dispositif selon la revendication 3, carac- térisé en ce que l'une des lentilles est fixe par rapport à l'axe optique, l'autre lentille étant mobile autour de deux axes mutuellement perpendiculaires. ORIG"^ ^I