Brevet FR2517078A1 — publié le 19830527

SYSTEME DE BALAYAGE OPTIQUE La présente invention concerne les systèmes de ba- layage optiques. Dans de nombreux domaines, comme la reconnaissance optique de caractères, le balayage par laser ou la thermogra- phie, il est nécessaire de déplacer un faisceau optique de façon qu'il balaye rapidement et répétitivement une cible ou une scène On accomplit habituellement ceci au moyen d'un ro- tor réfléchissant à facettes multiples qui est placé dans le chemin du faisceau de façon que chaque facette successive dé- vie le faisceau sur la m 4 me trajectoire de balayage, ou sur des trajectoires différentes, pour balayer une surface au lieu d'une seule ligne, si les angles pyramidaux de facettes successives diffèrent L'efficacité de tels systèmes, définie par le rapport entre la période de balayage actif et la pé- riode totale, est habituellement limitée à des valeurs rela- tivement faibles, du fait qu'une efficacité élevée implique un rotor de grande taille, et ceci est irréalisable en prati- que à cause de la faible vitesse de balayage possible et des pertes aérodynamiques élevées la limitation de l'efficacité de tels rotors de balayage classiques est due au mouvement des facettes du rotor par rapport au faisceau incident qui est fixe dans la direction du mouvement du rotor Pendant la période du balayage actif, la même facette du rotor doit ré- fléchir la totalité du faisceau incident, ce qui fait que-la largeur de chaque facette doit 8 tre supérieure à celle du faisceau, avec un écart qui dépend de l'efficacité de balaya- ge désirée. Des systèmes de balayage optiques visant à surmon- ter cette limitation ont été décrits dans le brevet DE-OS 3 022 365 et le brevet GB 1 419 940, dans lesquels on fait en sorte que le faisceau qui tombe sur la facette du rotor suive la facette mobile afin de demeurer centré en permanence sur la facette pendant une période de balayage, et passe ra- pidement à la facette suivante en préparation de la période correspondant à la facette suivante On obtient ceci en ré- fléchissant le faisceau sur un élément qui tourne en synchro- nisme avec le rotor, avant que le faisceau soit projeté sur le rotor On utilise une optique telle que le faisceau soit aussi étroit que possible au moment de cette réflexion anté- rieure, tandis qu'au moment de la réflexion sur le rotor ré- fléchissant, la largeur du faisceau est égale à celle de la facette du rotor. Ces systèmes à double réflexion souffrent de deux défauts Premièrement, l'élément tournant qui produit la pre- mière réflexion du faisceau est placé d'une manière telle qu'il doit avoir des surfaces réfléchissantes courbes presque centrées sur son axe de rotation, pour contraindre le mouve- ment angulaire du faisceau réfléchi à 9 tre égal au mouvement angulaire durotor réfléchissant, afin d'obtenir l'effet de poursuite désiré, et il est donc difficile et coeteux de fa- briquer cet élément avec la qualité de surface exigée Se- condement, et de façon plus fondamentale, si la qualité de l'image est importante, le système ne peut 9 tre utilisé qu'avec un détecteur (ou une source de rayonnement) ponctuel. Ceci vient du fait que l'image intermédiaire du détecteur (ou de la source de rayonnement) est formée sur la surface courbe sur laquelle le faisceau est réfléchi en premier, ou très près de cette surface la courbure de cette surface a deux effets: elle introduit une courbure du champ de l'image du détecteur, et elle fait diverger les rayons principaux cor- respondant à des éléments de détection différents dans le ré- seau détecteur Plus le réseau détecteur est grand, plus la courbure du champ et la divergence des rayons principaux sont grandes,et pour tous les réseaux détecteurs, sauf les plus petits, ces défauts doivent être corrigés par l'adjonction d'éléments optiques de compensation complexes, tandis que pour de grands réseaux détecteurs, une telle correction de- vient irréalisable en pratique du fait que la divergence est si grande (éventuellement dissymétrique) qu'il devient im- possible de plier les chemins optiques de manière à permettre le libre passage du rayonnement. Un but de l'invention est de réaliser un système de balayage optique à double réflexion qui ait une structure re- lativement simple et qui supprime ou atténue les inconvénients précédents, tout en conservant une efficacité de balayage élevée. Conformément à l'invention, un dispositif de ba- layage optique comprend une structure de rotor ayant des pre- mière et seconde zones réfléchissantes, chacune d'elles com- prenant un certain nombre (N) de facettes contiguës à la cir- conférence de la structure de rotor, les facettes de la pre- mière zone s'étendant sur les mêmes angles que des facettes respectives' de la seconde zone et passant successivement par des premier et second emplacements de réflexion successifs sous l'effet de la rotation de la structure de rotor autour de son axe de rotation des moyens de focalisation statiques conçus de fa- çon à diriger le rayonnement en un faisceau entre un réseau de détecteurs ou d'émetteurs de rayonnement et le premier emplacement de réflexion, avec le réseau et le premier empla- cement de réflexion situés à des foyers conjugués des moyens de focalisation, et des moyens optiques statiques conçus de façon à diriger le rayonnement en un faisceau entre les premier et second emplacements de réflexion, et, dans ce dispositif: (a) chaque facette de la première zone réfléchis- sante est plane et comporte une normale orientée sous un an- gle tp par rapport à l'axe de rotation de la structure de rotor, (b) les faisceaux de rayonnement incident et réflé- chi au premier emplacement de réflexion ont chacun un demi-angle au sommet cg et le rayon principal des faisceaux incident et ré- fléchi sous-tend un angle P/2 par rapport à la normale de chaque facette au premier emplacement de réflexion lorsque chaque normale est située dans le même plan que les rayons principaux, et (c) les angles d, ( et -t satisfont la relation: sint cos /2 =C N (t exprimé en degrés). 3 = 3- Du fait que les facettes de la première zone réflé- chissante sont planes, l'invention supprime les inconvénients des systèmes de l'art antérieur, dans la mesure o il est re- lativement simple et économique de fabriquer des facettes planes avec une grande qualité de surface Ia courbure de champ de l'image du réseau est éliminée par le fait que les facettes sont planes, et il en est de même pour la divergence des rayons principaux correspondant à différents éléments dans le réseau, m 9 me lorsque le réseau est grand, et il n'est donc pas nécessaire d'utiliser des composants optiques supplémen- taires tels que des compensateurs, lorsqu'on emploie un grand réseau. Bien que les facettes de la première zone réfléchis- sante soient planes, conformément à l'invention, il n'est pas obligatoire que les facettes de la seconde zone réfléchissante soient planes, du fait que, pour des applications particuliè- res, il peut 8 tre obligatoire ou avantageux que la seconde zone réfléchissante ait des facettes courbes, avec une cour- bure cylindrique ou sphérique De plus, les moyens optiques statiques qui dirigent le rayonnement entre les deux emplace- ments de réflexion peuvent 4 tre conçus de façon à accepter un rayonnement correspondant à un faisceau divergent, conrver- gent ou parallèle, réfléchi au second emplacement de réfle- xion. Il est évident qu'on peut mettre en oeuvre l'inven- tion en présélectionnant les angles o( et Y et en disposant ensuite les moyens de Localisation par rapport à la structure de rotor de façon que l'angle f satisfasse la relation pré- cédente En particulier, il est possible d'unifier les facet- tes respectives des première et seconde zone réfléchissantes sur des surfaces réfléchissantes planes individuelles (auquel cas les facettes de la seconde zone réfléchissante sont né- cessairement planes), ce qui simplifie encore davantage la fabrication de la structure de rotor Cette configuration est possible à condition que les facettes de la seconde zone ré- fléchissante soient planes, et sans qu'il soit nécessaire que ces facettes soient parallèles à l'axe de rotation de la structure de rotor. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre de modes de réalisation, données à titre d'exemples non limitatifs, La suite de la description se réfère aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 représente l'art antérieur; Ia figure 2 représente schématiquement un premier mode de réalisation de l'invention; La figure 3 représente schématiquement un second mode de réalisation de l'invention; La figure 4 représente une version modifiée du pre- mier mode de réalisation de l'invention, en association avec un dispositif de balayage par trame; et Ia figure 5 représente une version modifiée diffé- rente du mode de réalisation de la figure 2, pour montrer la relation des composants avec un détecteur à réseau de grande taille. Le système de l'art antérieur-représenté sur la figure 1 comprend une structure de rotor 10 qui peut tourner autour d'un axe 11 et qui comporte une première zone réflé- chissante 12 constituée par des facettes courbes 12 A, 12 B, , etc, et une seconde zone réfléchissante 13 constituée par des facettes planes 13 A, 13 B, 13 C, etc Un faisceau de 17078 rayonnement parallèle 9 A tombe sur une lentille convergente 14 qui focalise ce rayonnement à un premier emplacement de réflexion par lequel les facettes 12 A, 12 B, 120 passent suc- cessivement, ce qui fait que le c 8 ne de rayonnement réfléchi 9 B pivote autour de cet emplacement de réflexion Ce c 8 ne de rayonnement réfléchi 9 B est recueilli par un miroir concave allongé 15 dont le foyer principal coïncide avec le sommet du cône de rayonnement réfléchi 9 B, ce qui produit un fais- ceau de rayonnement parallèle qui est dirigé vers un second emplacement de réflexion par lequel les facettes 13 A, 13 B, 13 C passent successivement, ce qui fait que le faisceau pa- rallèle réfléchi 90 parcourt une trajectoire de balayage 16. Diverses considérations pratiques déterminent la nature du système de la figure 1 et certaines d'entre elles sont également applicables à des-systèmes de balayage clas- siques à une seule réflexion Parexemple, la capacité d'ache- minement d'information du système est directement proportion- nelle au diamètre (D) de la zone réfléchissante 13 et inver- sement proportionnelle au carré du nombre (N) de facettes dans cette zone, tandis que les pertes aérodynamiques qui se manifestent pendant la rotation de la structure 10 sont pro- portionnelles à la cinquième puissance du diamètre (D) Pour obtenir un compromis satisfaisant dans lequel les pertes aé- rodynamiques soient faibles mais la capacité d'acheminement d'information soit élevée, les structurespratiques ont une dimension diamétrale (D) limitée et un petit nombre (N) de facettes Par exemple, N est habituellement de l'ordre de dix ou moins. Dans le système de balayage à double réflexion de la figure 1, une considération supplémentaire résulte du mou vement de poursuite que la zone réfléchissante 12 impose au faisceau 9 B Si on désigne par e c 8 ne de rayonnement formé par la lentille 14, le rayon prin- cipal du faisceau de rayonnement 9 B effectue un balayage sur un angle 2 C si on suppose que les facettes 12 A, 12 B, 120, etc, sont planes, et du fait que le faisceau 9 B est lui-même un c 8 ne de demi-angle au sommet d, le miroir 15 doit s'éten- dre sur un angle de 4 ( À Ainsi, la valeur maximale théorique de ( est 21 r /4 ( 90 ), ce qui donne au miroir 15 une éten- due angulaire de 2 r Cependant, des considérations pratiques font qu'on ne peut fabriquer le miroir 15 qu'avec une étendue angulaire de l'ordre de l W/2 ou moins, et qu'on ne peut fa- briquer la lentille 14 qu'avec C de l'ordrede W/4 ou moins, et cette combinaison de limitations pratiques et théoriques conduit à la restriction selon laquelle CK est de l'ordre de tr/8 ou moins, si on suppose que les facettes 12 A, 12 B, etc, sont planes. Cependant, comme il a été expliqué dans le brevet DE- ôs 3 022 365, la poursuite effective des facettes mobiles 13 A, 13 B, 130, etc, impose que la courbure des facettes 12 A, 12 B, , soit conforme à une relation prédéterminée et, compte tenu des limitations pratiques envisagées ci-dessus, la solu- tion dans laquelle les facettes 12 A, 12 B, etc, sont planes, c'est-àdire ont une courbure infinie, est irréalisable en pratique Par conséquent, les systèmes de balayage qu'on peut réaliser en pratique sur la base de la description faite dans les brevets DE-OS 3 022 365 et GB 1 419 940, doivent nécessaire- ment utiliser en pratique des facettes 12 A,12 B, 120, etc, de forme courbe, et ceci fait apparattre les limitations envisa- gées précédemment en ce qui concerne-la complexité de fabri- cation, le cout et la courbure du champ. On a découvert qu'il était possible de s'affranchir de ces limitations et de satisfaire les considérations prati- ques avec des facettes planes, à condition que l'orientation angulaire de ces facettes par rapport à l'axe de rotation soit liée au demi-angle au sommet du rayonnement qui tombe sur la facette et à l'angle d'incidence du rayon principal du c 8 ne de rayonnement tombant sur les facettes. la figure 2 représente schématiquement l'orientation des composants conformément à l'invention Ainsi, le rayonne- ment qui traverse la lentille 14 est focalisé comme précédem- ment sur la zone réfléchissante 12, dont les facettes 12 A, 12 B, etc, ont chacune une normale 17 inclinée sous un angle par rapport à l'axe de rotation 11 de la structure 10 Le cône de rayonnement a un demi-angle au sommet " et le rayon principal du faisceau incident comme du faisceau réfléchi sous-tend un angle P/2 par rapport à la normale 17 ' au point d'incidence, lorsque cette normale 17 ' est dans le meme plan que les rayons principaux Conformément à l'invention, ces angles satisfont la relation: esc N sin ccos /2 ( endegrés) d'o il est évident que si-les facettes 12 A, 12 B, etc, sont paral- lèles à l'axe 11, ce qui donne t = 90 , et si on choisit des valeurs pratiques pour O ( et N, telles que Ot _ À /8 -rdocl,a-u (= 180/8 degrés) et N = 8, cette relation devient: os e 2 = 180 = 0,50 d'o il résulte: _/2 =_ 60 et par conséquent rayons principaux du faisceau de rayonnement ayant et après la réflexion dans la zone 12, est égal à 120 degrés. De plus, lorsque la valeur de l'angle t diminue à partir de 900 vers la valeur représentée sur la figure 2 (en- viron 15 ), la valeur de cos ( 3/2 augmente et, par conséquent, la valeur de P/2 diminue, ce qui fait que-si on désire li- miter l'angle de décalage 3 à une valeur faible, conformément à la pratique de l'art antérieur envisagé précédemment, on peut y parvenir conformément à l'invention de la manière re- présentée sur la figure 2 (( étant cependant suffisamment grand pour éviter l'occultation) On notera incidemment que du fait de la disparité considérable entre les angles des facettes 12 A, 12 B et des facettes 13 A, 13 B, par rapport à l'axe 11 sur la figure 2, il est nécessaire d'introduire un miroir de repliement plan, 18, qui, en combinaison avec le miroir concave 15, dirige le rayonnement entre les zones 12, 13. La figure 3 représente schématiquement le disposi- tif de l'invention avec l'angle 4) égal à 900, dans le cas particulier dans lequel les facettes de la zone 13 sont paral- lèles à l'axe 11 Dans ce cas, des paires de facettes 12 A, 13 A, etc, se confondent pour former une seule surface réflé- chissante dont la partie centrale remplit la fonction des - facettes 12 A, etc On voit clairement que cette configuration simplifie la fabrication de la structure 10. Bien que dans la description de l'invention faite en relation avec les figures 2 et 3, les miroirs 15 et 18 fonctionnent conjointement en collimateur, ceci n'est pas obligatoire du fait que ces composants optiques statiques pourraient focaliser le rayonnement soumis au balayage, après réflexion à partir de la zone 13, si ceci était nécessaire, comme c'est fréquemment le cas En outre, il n'est pas obli- gatoire que les composants 15 et 18 prennent la forme parti- culière représentée, et ils pourraient par exemple être asso- ciés à des composants réfringents pour remplir la même fonc- tion A titre d'exemple d'un cas dans lequel les composants- et 18 définissent un foyer pour le rayonnement soumis au balayage, on a représenté sur la figure 4 un dispositif de balayage par trame dans lequel la seconde direction de balaya- ge est obtenue par un miroir oscillant 20 et un second miroir concave 21 disposés de la manière décrite dans le brevet GB 1 586 099, par rapport à la trajectoire circulaire 22 que parcourt le rayonnement focalisé provenant du miroir concave , de façon que le faisceau qui tombe sur le miroir 20 soit parallèle. L'une des applications les plus importantes de l'invention concerne la thermographie et, dans ce cas, le ré- seau considéré précédemment comporte un ensemble d'éléments détecteurs refroidis de façon cryogéniques qui sont situés dans un bottier comportant un écran froid placé à une courte distance en avant du réseau et formant un diaphragme Ceci est représenté sur la figure 5, sur laquelle la référence 25 désigne le bottier, la référence 26 le réseau etla référen- ce 27 l'écran ou diaphragme froid Dans ce cas, il est sou- haitable que le réseau 26 ne reçoive que le rayonnement pro- venant de la scène balayée 28, et pour obtenir ceci sans sur- dimensionner la structure de dispositif de balayage 10, le diaphragme 27 et l'ouverture de balayage 24 doivent se trou- ver dans des positions conjuguées, tandis que l'image du ré- seau 26 se trouve sur la zone réfléchissante 12 On parvient à ceci en surdimensionnant suffisamment la lentille 14 pour qu'elle accepte tous les rayons provenant du réseau 26 et traversant le diaphragme 27, et en faisant en sorte que le miroir concave 15 forme l'image du diaphragme 27 à un empla- cement 29 dont la distancé, en avant de la zone réfléchis- sante 13, est égale à la distance de l'ouverture de balayage 24 en arrière de la zone 13, lorsque chaque facette 13 A, 13 B, etc, est au centre du champ balayé Les faisceaux de rayons parallèles correspondant aux différents éléments détecteurs dans le réseau 26 semblent alors diverger à partir d'une po- sition identique à celle de l'ouverture de balayage 24, et on obtient ainsi les avantages décrits dans le brevet US 4 029 389 On notera que dans la configuration de la figure , le miroir de repliement 18 replie-à la fois les co Anes de rayonnement incident et réfléchi par la zone 12 Cette con- figuration permet d'obtenir des angles d:e décalage P très faibles. Il va de soi que de nombreuses modifications peu- vent 9 tre apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. 1 1 REVENDICATIONS 1 Système de balayage optique comprenant une struc- ture de rotor ( 10) qui comporte des première ( 12) et seconde ( 13) zones réfléchissantes, chacune d'elles comprenant un cer- tain nombre (N) de facettes contiguës ( 12 A, 12 B, etc, et 13 A, 13 B, etc) à la circonférence de la structure de rotor, les facettes de la première zone ( 12) s'étendant sur le meme an- gle que des facettes respectives de la seconde zone ( 13), et ces facettes passant successivement par des premier et second emplacements de réflexion successifs sous l'effet de la rota- tion de-la structure de rotor ( 10) autour de son axe de rota- tion ( 11); des moyens de focalisation statiques ( 14) conçus de façon à diriger un rayonnement en un faisceau entre um ré- seau ( 26) de détecteurs ou d'émetteurs de rayonnement et le premier emplacement de réflexion, avec le réseau ( 26) et le premier emplacement de réflexion situés à des foyers conju- gués des moyens de focalisation ( 14); et des moyens optiques statiques ( 15) conçus de façon à diriger le rayonnement en un faisceau entre les prenier et second emplacements de réflexion,caracté- risé en ce que: (a) chaque facette ( 12 A, 12 B, etc) de la première zone réfléchissante ( 12) est plane et comporte une normale ( 17) qui est orientée sous un angle) par rapport à l'axe de rotation ( 11) de la structure de rotor; (b) les faisceaux de rayonnement incident et réfléchi ( 9 A, 9 B) au premier emplacement de réflexion ont chacun un demi-angle au sommet O( et le rayon principal des faisceaux incident et réfléchi sous-tend un angle (/2 par rapport à la normale ( 17 ') de chaque facette ( 12 A, 12 B, etc) au premier emplace- ment de réflexion, lorsque chaque normale ( 17 ') est dans le même plan que les rayons principaux; et (c) les angles C, et Y satisfont la relation: sin co S /2 = (o en degrés). 2 Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque facette ( 13 A, 13 B, etc) de la seconde zone réfléchissante ( 13) est plane. 3 Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que les facettes respectives des première ( 12) et se- conde ( 13) zones réfléchissantes sont formées sur une seule surface réfléchissante plane (figure 3), et la structure de. rotor ( 10) est-formée par un ensemble de ces surfaces réflé- chissantes. 4 Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'angle Y est de 900.