Brevet FR2530831A1 — publié le 19840127

DISPOSITIF DE DEVIATEUR OPTIQUE VARIABLE, APPLICATION A UNE OPTIQUE D'AUTODIRECTEUR. L'invention concerne un dispositif de déviateur optique variable permettant des dévier un faisceau de lumière parallèle de façon cont mûment variable è l'intérieur d'un ctne dont le sommet est au point de convergence des rayons moyens du faisceau incident et du faisceau dévié, ce dernier restant parallèle à la direction d'un organe mécanique de commande, articulé autour dudit point de convergence. Un tel dispositif trouve une application dans une optique d 'autodirecteur. L'invention ne concerne pas le déviateur optique dont le principe est déjà connu mais les moyens mis en oeuvre pour le commander et obtenir les propriétés mentionnées dans le préambule. Conformément à l'invention, l-'articulation dudit organe de commande est obtenue par des accouplements mobiles centrés sur le point de convergence desdits rayons moyens, ledit déviateur étant constitué par un prisme à angle variable en un matériau d'indice de réfraction n, 1 'une des faces dudit prisme étant solidaire dudit organe de commande et perpendiculaire - la direction de celui-ci a description suivante en regard des dessins annexés, le tout donné a titre d'exemple, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure 1 donne la fonction que l'on désire obtenir. La figure 2 représente une première forme de réalisation du déviateur optique conforme à l'invention pour un indice de réfraction du prisme égal à 2. La figure 3 représente une seconde forme de réalisation du déviateur optique conforme à l'invention pour un indice de réfraction du prisme égal à 2. La figure 4 représente une variante de la seconde for- me-de réalisation du déviateur optique conforme à l'invention pour un indice de réfraction du prisme un peu différent de 2. La figure 5 représente la coupe d'un autodirecteur utilisant un déviateur optique variable. Sur les figures l à 5, les éléments identiques sont référencés de la même manière. Le déviateur optique dont la fonction est donnée sur la figure l permet de dévier un faisceau incident 1 de lumière parallèle à l'intérieur d'un cQne de sommet C, de demi angle au sommet Y et dont la trace est en 2 sur le plan de la figure. Le faisceau dévié 3 est continûment variable. Le faisceau incident centré sur XX' et le faisceau dévié centré sur XlX'l passent toujours par le point C. Le faisceau dévié est toujours parallèle à la direction de l'organe mécanique de commande 4 lui-même articulé autour du point C. Le déviateur conforme à l'invention est constitué par un prisme d'indice de réfraction n et d'angle au sommet variable, réalisable suivant différentes formes. La réalisation suivant sa forme la plus simple est représentée sur la figure 2. L'organe mécanique de commande 4 est monté sur des cardans de centre C. Il est incliné de l'angle a par rapport à l'axe XX' passant par C. Le déviateur optique-est constitué par une cuve 5 d'angle variable dont l'indice de réfraction est n. L'une des faces 6 de la cuve est fixe et perpendiculaire à XX', l'autre face 7 est solidaire de l'organe de commande 4 et perpendiculaire à l'axe X1X'1 de celui-ci, de sorte que l'angle A de la cuve est égal à l'an- gle d'inclinaison a de l'organe de commande. Les conditions pour qu'un faisceau parallèle incident 1 centré sur l'axe XX' soit centré après déviation en 3 sur l'axe X1X' sont : a) le point C se trouve sur la bissectrice de l'angle A de la cuve, b) la déviation de la cuve est égale à l'angle A de la cuve. Ceci im pose que l'indice de réfraction du déviateur soit égal à 2 car la déviation D = (n - l)A. Cette formule approchée n'est valable que lorsque l'angle A n'est pas trop grand. On remarque que le prisme travaille au minimum de déviation puisque C se trouve sur la bissectrice du prisme. La figure 3 représente une autre forme de réalisation pour laquelle le prisme est- composé de deux lentilles d'indice n 2 séparées par un très petit intervalle d'air. La lentille divergente 8 est solidaire de l'organe de commande 4-; la face plane est perpendiculaire b l'axe X1X'1. Le centre de courbure est en O sur l'axe XlX'l L'organe de commande est monté sur des cardans de centre C. La lentille convergente 9 est montée sur un parallélogramme articulé autour de points fixes tels que E et F auxquels correspondent respectivement les bras Eb et FH, la longueur des trois bras du parallélogramme étant égale à CO (le troisième bras n'est pas représenté sur la figure). La face plane de la lentille -convergente est ainsi toujours perpendiculaire à l'axe XX' > . L'angle A du prisme formé par les faces planes des deux lentilles est ainsi égal à l'angle a for mé par les axes XX' et X1X'1. Dans ces conditions, le faisceau parallèle incident l centré sur l'axe XX' a, après déviation en 3, son rayon moyen confondu avec l'axe XlX'l. La lentille convergente est entraînée par le pivotement de 4 autour de C. Ce système peut aussi bien être réalisé en intervertissant l'ordre des lentilles, c'est-à-dire en fixant la convergente sur l'organe de commande et la divergente sur le parallélogramme. Le cas des figures 2 et 3 correspond au cas idéal n 2 qui est celui du chlorure d'argent utilisable en infra-rouge. Pratiquement, des matériaux plus usuels ont des indices un peu différents Si l'on choisit le sulfure de zinc ZnS pour faire un déviateur fonctionnant en infra-rouge, l'indice est de 2,25 pour la bande spectrale de 5 ps Si l'on adoptait le schéma de la figure 3 la déviation serait D = (n - l)A = 1,25A au lieu de A. La déviation du prisme serait donc trop grande de 25 % La figure 4 montre le schéma mécanique permettant d'obtenir la déviation convenable. L'organe mécanique de commande 4 est lié à la pièce lu par un cardan de centre C. La lentille divergente 8 de centre de courbure O sur l'axe X1X'1 est-solidaire de 4. Le barillet 12 de la lentille convergente 9 est fixé sur la pièce 4 par un cardan de centre O et coulisse sur la portée sphérique Il de la pièce 10 qui est une portion de sphère centrée en K sur l'axe XX'. La lentille convergente a son centre de courbure en 0. Si l'on appelle a l'angle de l'axe X1X'1 de l'organe de commande avec l'axe XX' et A l'angle du prisme formé par les deux lentilles, l'axe du faisceau parallèle incident 1 pénètre dans le prisme avec l'incidence i, les angles réfractés à l'intérieur du prisme sont r et r1 et l'angle d'émergence est i'. On a toujours i = a et l'on cherche à obtenir une déviation.D du faisceau telle que D = a de façon que le faisceau émergent ait son axe confondu avec X1X'1. Cette condition est optiquement satisfaite lorsque tgA = sin &alpha; (1) n cos r - 1 M étant la projection orthogonale de K sur l'axe X1X'1, on voit sur le schéma mécanique de la figure 4 que : KM CK.sin a tgA = KM = = DM (2) En identifiant les relations (1-) et (2), on voit que la condition optique est mécaniquement réalisée lorsque OM n cos r - 1 CK = Cette relation permet de calculer la position du point K lorsque les points C et O sont fixés. - On remarque que le point K devrait se déplacer sur l'axe XX' en fonction de l'angle a. Pratiquement, on peut simplifier le système mécanique en calculant la position du point K pour un angle a voisin de sa valeur maximale (0,8 amax par exemple). Dans ces conditions, la déviation D = i + i' - A du prisme est égale à a à mieux de 3 S près pour - 300 Le rayon des lentilles est choisi de telle façon que l'incidence des faisceaux sur les faces courbes des lentilles ne conduisse pas à la réflexion totale. Un liquide d'immersion entre les deux lentilles peut éviter la réflexion totale. Le prisme ne travaille pas rigoureusement au -mimi- mum de déviation et le centre C ntest pas rigoureusement sur la bissectrice de l'angle A du prisme. La dispersion du prisme est faible lorsque le maté- riau des lentilles est peu dispersif ce qui est le cas du ZnS. Ce déviateur peut fonctionner alors dans une bande spectrale relativement large avec un chromatisme acceptable Le schéma mécanique de la figure 4 n'est donné qu'à titre d'exemple non limitatif. La distance CK peut en effet astre commandée au moyen de cames ou de biellettes de manière à respecter exactement la loi de déviation en fonction de o. La figure 4 correspond à un indice supérieur à 2. Le point K se trouve toujours du cOté de la lentille divergente mEme Si l'ordre des deux lentilles est interverti Lorsque l'indice est inférieur à 2, le point K se trouve toujours du c8té de la lentille convergente. Les cardans peuvent évidemment être remplacés par des rotules sphériques ou par tous autres dispositifs mécaniques ayant la meme fonction. La figure 5 représente la coupe d'un autodirecteur utilisant un déviateur optique variable Ce déviateur permet de garder en F' une image fixe située sur l'axe XX' quelle que soit l'orientation de l'axe XlXll de l'optique principale solidaire du gyroscope monté sur les cardans de centre C. Le détecteur et le système d'analyse peuvent être fixes par rapport au missile. Les couples perturbateurs ramenés sur le gyroscope sont alors minimaux, tandis que si le détecteur est solidaire du gyroscope, les fils du détecteur et les canalisations du sys tème cryogénique introduisent des couples parasites sur le gyroscope et en perturbent le fonctionnement. L'autodirecteur représenté sur la figure 5 comprend un gyroscope, une optique principale et un déviateur optique Le gyroscope est monté sur des cardans de centre-C. La partie fixe 13 est solidaire du missile. Le premier anneau de cardan 14 pivote autour de deux roulements 15. Le deuxième anneau de cardan 16 pivote à l'intérieur du premier anneau 14 autour de deux autres roulements qui ne sont pas vus sur la figure. La toupie 17 du gyroscope est montée sur 16 par deux roulements 18. L'optique principale 19 est un système afocal composé d'un miroir concave 20, d'un miroir convexe 21 et d'un objectif à lentille 22. Son axe optique X1X'1 passe par le centre C des cardans. Cette optique est montée sur l'anneau 16 du cardan. Ce système afocal pourrait aussi être entièrement dioptrique. Le déviateur optique est composé d'une lentille plan concave 8 solidaire de 13 et d'une lentille plan convexe 9 dont le rayon de courbure est très légèrement inférieur à celui de la plan concave. Les deux lentilles ont leurs faces sphériques concentriques de centre O et sont montées mécaniquement de façon à consti iuer-une rotule 23 de centre O situé sur l'axe XX'. La sphère intérieure est solidaire de la pièce 24 dont l'extrémité libre 12 est un cylindre qui s'articule sur une portion de sphère ll de la pièce 19. Cette portion de sphère est centrée en K sur l'axe X1X'1. En choisissant convenablement les distances CD et CK en fonction de l'indice de réfraction des deux lentilles du déviateur, on parvient à couder le faisceau issu du système afocal 19 de façon à ce que l'axe optique soit confondu avec l'axe XX' du missile quelle que soit l'orientation de l'axe XlX'l. La figure correspond à des lentilles en ZnS d'indice 2,25 et à un débattement de l'optique compris à l'intérieur d'un cône de 700 d'angle au sommet. Le faisceau étant parallèle à l'axe XX' du missile, on peut directement le focaliser en F' sur un récepteur à deux dimensions 25 au moyen d'une optique 26. Le récepteur est par exemple un vidicon ou un récepteur de plan focal à couplage de charges. Lorsque le missile est stabilisé en roulis, l'image obtenue en F'- est fixe par rapport au détecteur. Lorsque le missile est animé d-'un mouvement de rou lis autour de son axe, il faut interposer devant 26 un système opti que correcteur de roulis composé par exemple-d'un prisme de Wollaston 27 monté dans un barillet 28 tournant sur deux roulements 29 par rap port à 13. te moteur d'entrainement de 28 n'est pas représenté sur la figure. Ce peut autre un moteur creux dont le rotor est fixé sur 28 et le stator sur 13. La rotation de 1800 de 27 compense une rotation de 3600 du missile. L'optique 26 et le détecteur peuvent autre solidaires et montés directement sur la structure 13. Cettefixation n'est pas représentée sur la figure. La figure 3 s'applique sans modification àun autre mode d'analyse lorsque le récepteur n'est pas uhe mosaïque à deux dimensions. Si par exemple, le détecteur est une mosaique linéaire dont une extrémité est sur l'axe XX' en F', la rotation du prisme 27 fait tourner l'image de la mosaïque dans l'espace objet et réalise une analyse circulaire. L'image de chaque détecteur décrit un cercle autour de l'axe XlX'l. Le.même principe-de déviateur optique s'applique aussi à d'autres modes d'analyse en remplaçant le prisme 27 par d'autres ty pes d'analyseur. Par exemple si à la place du prisme 27 on dispose un diasporamètre composé de deux prismes de petit angle tournant en sens inverse, on peut réaliser une analyse linéaire. Avec une mosalque linéaire de détécteurs placée perpen diculairement à la direction d'analyse > on1peut balayer une- surface dans l'espace objet. C'est un balayage de type parallèle où chaque dé tecteur balaye une ligne. Ce type d'analyse peut convenir à un missile animé d'un mouvement de roulis- car le roulis peut être compensé par le diae- poramètre. Un balayage de type parallèle peut être également obtenu au moyen d'un déviateur angulaire, en opérant par exemple une translation de la lentille 26 suivant une direction perpendiculaire à son axe confondu avec l'axe XX' du missile. Dans ce cas la correction éventuelle du roulis peut être effectuée par exemple au moyen du prisme de Wollaston 27. REVENDICATIONS : 1. Dispositif de déviateur optique variable permettant de dévier'un faisceau de lumière parallèle de façon continOment va riable à liinterieur d'un cane dont le sommet est aupointde convergen- ce des rayons moyens du faisceau incident et du faisceau dévié, ce dernier restant parallèle à la direction d'un organe mécanique de commande articulé autour dudit duditpoint de- convergence, caractérisé en ce que laarticulation dudit organe de commande est obtenue par des accouplements mobiles centrés sur le point de convergence desdits rayons moyens, ledit déviateur étant constitué par un prisme à angle variable en un matériau d'indice de réfraction n, l'une des faces dudit prisme étant solidaire dudit organe de commande et perpendicu laire à la direction de celui-ci. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que L'indice de réfraction n étant égal à 2 > l'autre face dudit prisme est perpendiculaire au faisceau incident et le point de convergence desdits rayons moyens est situé sur la bissectrice de l'angle au sommet du prisme. 3 Dispositif selon les revendications l et 2, caractérisé en ce que ledit prisme est constitué par une cuve à faces planes et transparentes remplie d'un liquide, les deux faces de la cuve étant les faces du prisme et ladite face perpendiculaire au faisceau incident étant fixe. 4. Dispositif selon les revendications l et 2, caractérisé en ce que ledit prisme est constitué par une lentille plan concave et par une lentille plan convexe assemblées suivant leurs faces sphériques séparées par un très petit intervalle dWair et dont le centre de courbure commun est sur l'axe de symétrie de l'organe de commande, ladite lentille plan concave étant solidaire dudit organe de commande, ladite lentille plan convexe étant montée sur un parallélogramme arti- culé agencé pour que la face plane de la lentille plan convexe reste perpendiculaire au faisceau incident. 5. Dispositif selon la revendication i, caractérisé en ce que l'indice de réfraction n étant un peu différent de ledit prisme est constitué par une lentille plan concave et par une lentille plan convexe assemblées suivant leurs faces sphériques entre lesqueiles se trouve soit de l'air, soit un liquide d'immersion et dont le centre de courbure commun est sur l'axe de symétrie de l'organe de commande, ladite lentille plan concave étant solidaire dudit organe de commande, ladite lentille plan convexe étant montée dans un baril let lié à 1organe de commande par d'autres accouplements mobiles centrés sur ledit centre de courbure, ledit barillet coulissant sur la portée spnérique d'une pièce liée à l'organe de commande par lesdits accouplements mobiles centrés sur le point de convergence des rayons moyens, la position du centre de ladite portée sphérique sur le rayon moyen du faisceau incident - étant déterminée en fonction de l'indice de réfraction du prisme et de l'angle formé par le faisceau incident et par le faisceau dévié pour que ce dernier reste parallèle à la direction de l'organe de commande lorsque ledit angle varie entre les limites fixées par l'angle au sommet dudit cane, 6. Dispositif selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que ledit prisme peut être constitué également en intervertissant l'ordre desdites lentilles. 7. Dispositif selon l'ensemble des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que lesdits accouplements mobiles peuvent être constitués par des cardans, par des rotules sphériques ou par tous organes mécaniques ayant la même fonction. 8. Système autodirecteur d'un missile comportant un stabilisateur par gyroscope, ce dernier étant monté sur des cardans cen trés au point de rencontre de l'axe du missile et de l'axe d'une optique principale formant un système afocal, caractérisé en ce que cet autodirecteur utilise un déviateur optique variable du genre décrit dans les revendications 1 et 5 et comporte une optique permettant de focaliser sur un récepteur situé sur l'axe du missile une image fixe quelle que soit l'orientation de l'axe de optique principale, la rotation d'image due au roulis du missile étant -éventuellement corrigée par un système optique de compensation. 9. Système autodirecteur selon-la revendication 8, caractérisé en-ce que ledit récepteur est un récepteur à deux dimensions tel qu'un vidicon ou un récepteur de plan focal à couplage de charges, ledit système optique de compensation étant constitué par un prisme de Wollaston ou par un prisme de Péchan, ou par des lentilles cylin driques ou par tout autre système optique remplissant ladite fonction de compensation. ID. Système autodirecteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit récepteur est un récepteur à une dimension, ledit système optique de compensation étant constitué pàr un prisme de Wollaston ou par un prisme de P6chan ou par des lentilles cylindriques ou par tout autre système optique remplissant ladite fonction de compensation et- assurant également un balayage circulaire du champ. 11. Système autodirecteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit récepteur est un récepteur à une dimension, ledit système optique de compensation étant constitué par un disporamètre assurant également un balayage du champ de type parallèle, 12. Système autodirecteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit récepteur est un récepteur à une dimension, l'analyse de la scène étant effectuée par translation,suivant une direction perpendiculaire à son axe confondu avec l'axe du missilezde ladite optique permettant de focaliser l'image sur le récepteur, ou par tout autre système de déviateur optique assurant un balayage du champ de type parallèle.