Brevet FR2530830A1 — publié le 19840127

TRIEDRES DEFORMABLES La présente invention concerne des réflecteurs déforma- bles et, plus particulièrçment, des réflecteurs déformables du type trièdre optique composés de trois miroirs plans for- mant deux à deux des dièdres orthogonaux à 900 E De tels réflecteurs éclairés par un faisceau en provenance d'une source de lumière ont la propriété de réfléchir la lumière en direction de la source après une réflexion sur chacune de leurs trois faces, l'orientation du trièdre pouvant varier dans de larges limites. Le faisceau de lumière réfléchie est un cône, centré sur la source, d'ouverture 26 sensiblement proportionnelle au défaut d' orthogonalité e des dièdres L'éclairement par la lumière réfléchie, d'un récepteur photoélectrique placé auprès de la source, est donc inversement proportionnel au carré e 2 du défaut d'orthogonalité des dièdres Une variation de E se traduit par une variation de l'éclairement. Il existe des dispositifs capables de déformer des surfaces optiques en fonction d'un signal électrique de faible énergie (cf brevet français N O 91-24205 du 24 Décembre 1981 au nom de l'actuel demandeur) Ces dispositifs font varier la courbure d'une surface optique à laquelle ils appliquent des contraintes au moyen de céramiques piézoélectriques Ils ne conviennent pas à la variation de l'ouverture du cône de réflexion d'un trièdre optique conventionnel. On connaît par le brevet des Etats-Unis d'Amérique n O 3 873 191 délivré le 25 Mars 1975 et qui a fait l'objet d'une cession au présent demandeur un procédé pour fabriquer en série des trièdres optiques de haute précision dans l'orthogonalité Ce procédé consiste à réaliser d'abord une empreinte tétraédrique en creux dans un matériau (moule) à l'aide d'un poinçon, puis à utiliser un tétraèdre modèle en verre, silice ou autres matériaux durs, usiné par les moyens classiques à la précision 900 + E souhaitée Les trois faces du trièdre du modèle sont dorées par vaporisa- tion sous vide dans des conditions spéciales Ce modèle mâle est ensuite introduit dans l'empreinte du moule en interposant une résine Après la polymérisation de la résine, il suffit d'extraire le modèle; la résine et la couche d'or restent fixées dans l'empreinte On obtient ainsi par 1 o réplique un trièdre en creux ayant rigoureusement la même forme que le modèle. Généralement on cherche à obtenir un trièdre de forme stable et le moule est en métal stabilisé Pour les utilisa- tions courantes, les trièdres fabriqués par ce procédé ont une ouverture 26 comprise entre 8 et 50 seconde d'arc. L'invention concerne destrièdres trirectangles réflec- teurs déformables en forme de pyramide triangulaire qui sont constitués au moins partiellement en matériau piézoélectrique et comprenant -des moyens de faire varier la contraction ou l'allongement de la partie en matériau piézoélectrique. Pour modifier les angles dièdres de la pyramide triangulaire tout en conservant la planéité des-faces du trièdre, les couches de matériau piézoélectrique sont perpendiculaires à l'axe de la pyramide triangulaire et les efforts piézoélec- triques sont parallèles à cet axe. L'invention va être maintenant décrite en détail en relation avec les dessins annexés dans lesquels: la Fig 1 est une représentation géométrique du trièdretri- rectangle déformable expliquant le calcul de la variation des angles dièdres du trièdre en fonction d'un allongement du matériau piézoélectrique; la Fig 2 représente un trièdre réflecteur faisant varier la conicité d'un faisceau laser réfléchi; la Fig 3 représente un trièdre déformable conforme à l'invention dans lequel le tétraèdre est formé en creux dans un matériau piézoélectrique; les Figs,4 et 5 représentent des trièdres déformables conformes à l'invention dans lesquels le tétraèdre est formé partiellement en matériau piézoélectrique et partiel- lement en métal; la Fig 6 représente une courbe donnant l'ouverture du- réflecteur en fonction de la tension de commande piézoélectri- que; la Fig 7 représente sous la forme d'un diagramme de blocs un système de télémesure optique portant application de trièdres réflecteurs déformables; et la Fig 8 représente sous la forme d'un diagramme de blocs un système de brouillage d'optiques adaptatives. En se référant à la Fig 1, on a représenté un trièdre trirectanqle sous la forme d'une pyramide triangulaire O,PQR dont les arêtes sont OP,OQ,OR, l'axe est OS et les projec- tions de l'axe sur les faces sont OT,OU,OV Il est connu que l'angle Y entre l'axe OS et chaque arête OP,OQ,OR est tel que cos f = /2/ V sinf = 1/i tg F=/ l soit f = 35016 ' et que l'angle entré l'axe OS et chacune de ses projections OT,OU,OV sur une face du trièdre est tel que cos ' = 1/ /3 sin È= V/ / tg = D= soit Y= 540441 Soient: A la longueur d'un côté du triangle de base du trièdre; a la longueur d'une arête; b la hauteur d'une face triangulaire du trièdre; h la hauteur axiale de la pyramide formée par le trièdre; dh la variation de la hauteur h sous contrainte piézoélec- trique; H l'épaisseur de la plaque du matériau piézoélectrique; d H la variation de l'épaisseur H sous contrainte piézo- électrique; E la tension appliquée au matériau piézoélectrique par unité de longueur; d 3-3 le coefficient piézoélectrique; Aifla variation piézoélectrique de l'angle; AW la variation piézoélectrique de l'angle; On trouve facilement: a = a/ b ==A/2 h = A//2 x /3 d H = d 33 x E x H ( 1) h Ah = AH h ( 2) AT = Ah cos /a ( 3) AT = Ah sin /b ( 4) ú = Af + AT Application numérique H = 16 mm A = 34 mm a = A/ /2 = 24 mm b = A/2 = 17 mm h = A/ /2 x S = 13,8 mm E = 1000 volts/mm d 33 = 390,x 10-12 Il en résulte, par l'équation ( 1) AH = 390 10 '1 103 x 16 AH 6,2 gm par l'équation ( 2) Ah = 6,2 13,8 5 >m 16 5 Lm et par les équations ( 3) et ( 4) A-? = A 0,17 103 radian Af = AW = 35 '' On a A' + AW = 70 '' (A+ AT) est la variation de l'angle droit POU Pour avoir S qui est la variation de l'angle dièdre droit POQ, il faut tenir compte que le plan POQ est incliné de 45 sur le plan POU; on a donc c =(A + AW) /, = 50 '" La Fige 2 représente une source de lumière 1, telle q{u'un émetteur laser qui produit un faisceau 2 Ce faisceau tombe sur un trièdre réflecteur déformable conforme à l'invention 10 qui renvoie un faisceau de retour 3 superposé au faisceau de départ et d'une ouverture 26 Une tension variable fournie par un géné- rateur 4 permet de déformer le trièdre réflecteur 10 pour faire varier son ouverture 26 On a sensiblement A( 2 c) = 5 e Selon l'ouverture du faisceau 3, le récepteur 5 reçoit un éclairement variable. Sur la Fig 3, le trièdre réflecteur déformable est constitué par un empilage de rondelles en matériau piézoélectrique 11, par exemple en céramique piézoélectrique connue sous le nom commer- cial PXE 21 Les rondelles de l'empilage sont dans des plans perpendiculaires à l'axe du trièdre (OS de la Fig 1) Les rondel- les sont polarisées alternativement en sens inverse et sont ali- mentées alternativement en opposition par le générateur 4 Les rondelles de rang pair-sont alimentées entre leurs faces termi- nales inférieure et supérieure métallisées entre pôles positif et négatif du générateur et les rondelles de rang impair sont alimentées entre leurs faces terminales inférieure et supérieure métallisées entre les pâles négatif et positif du générateur. Le trièdre est fabriqué comme il est expliqué dans là brevet américain visé ci-dessus O Le numéro de référence 12 désigne la couche de résine interposée entre poinçon et empreinte (l'empreinte est faite dans le matériau piézoélectrique) et le numéro de référence 13 représente la coucha d'or qui au moment de la fabrication est transférée du poinçon à l'empreinte. Dans les Figs 4 et 5, le trièdre 10 est en métal, par exemple en aluminium et les rondelles en matériau piézoélectrique, respectivement 6 et 7, ou 8 et 9 sont collées sous le trièdre. Pour que la contrainte piézoélectrique s'exerce sur le trièdre, ce dernier et les rondelles piézoélectriques sont serrées dans un bottier 14 dont la face latérale est rabattue sur le bord du trièdre Les rondelles 6 et 7 sont polarisées dans le même sens et sont alimentées en opposition Les rondelles 8 et 9 sont polarisées en opposition et sont alimentées en série. La Fig 6 représente une courbe donnant l'ouverture 2 du faisceau de retour 3 de la Fia 2 en fonction de la tension appliquée au matériau piézoélectrique. La courbe est linéaire de 2 à 15 k V et a une pente moyenne de 30 " par k V Entre 2000 et 3000 volts par exemple, 2 U varie dans le rapport 1,5 ce qui correspond à une variation d'éclairement de i 752 2,2 Le trièdre réflecteur déformable de l'invention trouve une application générale dans les systèmes de réflexion laser dans lesquelsle faisceau de retour porte une information qui lui est impartie au point de réflexion Cette information prend la forme d'une modulation d'ouverture du faisceau. En se référant à la Fig 7, on a représenté un émetteur de lumière continue 21 et un récepteur photoélectrique 22 situé adjacent à l'émetteur Le faisceau 23 émis par l'émetteur peut subir un balayage dans un secteur angulaire 25 soit que l'émetteur récepteur soit monté tournant soit que le balayage soit obtenu au moyen d'un dispositif acousto-optique Le fais- ceau émis 23 tombe successivement sur des trièdres réflecteurs déformables 261 à 264 qui réfléchissent le faisceau incident 23 et renvoient vers le récepteur le faisceau réfléchi 24 en en modulant l'ouverture A cet effet des capteurs 271 a 276 de grandeurs à mesurer x 1 à x 6 captent lesdites grandeurs et sont reliés à des convertisseurs amplitude fréquence qui commandent les trièdres réflecteurs Les convertisseurs peuvent être reliés individuellement aux trièdres ou plusieurs convertis- seurs peuvent être reliés à un seul trièdre par l'intermédiaire d'un multiplexeur 29. Le récepteur photoélectrique 22 est relié à un détecteur 30 lui-même relié à un enregistreur 31 On voit que les grandeurs X 1 à x 6 sont enregistrées en séquence et synchroniquement avec le balayage de faisceau incident. La Fig 8 représente une application des trièdres de l'invention à des systèmes de défense contre les optiques adaptatives. Ces optiques ont pour rôle de concentrer une énergie lumineuse sur une cible en compensant l'effet de défocalisation de l'atmosphère Elles sont formées par l'association de plusieurs miroirs mis en vibration chacun par une céramique piézoélectrique à une fréquence différente: F 1, F 2 Fn. Un détecteur receuille la-lumière-retrodiffusée par la cible, et un système sélectionne par filtrage la part-du signal reçu correspondant à chaque miroir Une chaîne d'asservissement corrige la position moyenne de chaque miroir de manière à recevoir un signal maximal correspondant à ce miroir. Un faisceau laser 32 est élargi par un système optique afocal 33 et tombe sur une pluralité de miroirs vibrants 341 à 34 Ces miroirs sont entretenus en-vibration par des- signaux de commande de vibration de fréquences F 1, F 21 Fn produits par des générateurs sinusoïdaux compris dans un dispositif électronique 35 Le faisceau réfléchi par les miroirsainsi modulé en directionfrappe une cible 36 et la lumière rétrodiffusée par la cible 37 tombe sur un récepteur photoélectrique 38 Ce récepteur-est relié au dispositif élec- tronique 35 et ce dernier filtre les composantes de la lumière rétrodiffusée et déphase sélectivement les générateurs des signaux de commande de vibration de façon à maximaliser le signal réfléchi par la cible. Un ou plusieurs trièdres réflecteurs déformables tels que 39 sont placés sur la cible et sont déformés par un signal ou des signaux de commande produitspar le générateur-40. Le signal de commande de déformation est déterminé pour rendre impossible l'asservissement du système Il suffit de commander les trièdres réflecteurs par un signal dont le spectre comprend au moins l'une des fréquences de vibration. L'invention a été décrite avec un trièdre réflecteur défor- mable constitué par un empilement de plaques en matériau piézoélectrique mais on ne sort pas du cadre de l'invention si le trièdre est en matériau piézoélectrique monobloc, les électrodes étant disposées respectivement sur les faces avant et arrière du bloc. Revendications 1 Trièdre réflecteur déformable adapté à la rétro- réflexion d'un faisceau incident d'énergie électromagnétique comprenant un trièdre trirectangle à trois faces réfléchis- santes substantiellement orthogonales deux à deux, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une partie en matériau piézoélec- trique et des moyens d'activer ledit matériau piézoélectrique afin qu'il fasse varier les angles dièdres entre les faces du trièdre au voisinage de l'orthogonalité et conséquemment l'ouverture du faisceau réfléchi. 2 Trièdre réflecteur déformable conforme à la revendi- cation 1, caractérisé en ce que le trièdre réflecteur ( 10) est usiné en creux dans un empilage de plaques ( 11) en matériau piézoélectrique, que lesdites plaques sont perpendiculaires à l'axe de symétrie ternaire du trièdre et que les moyens d'activer le matériau piézoélectrique agissant pour augmenter ou diminuer l'épaisseur des plaques. 3 Trièdre réflecteur déformable conforme à la reven- dication 1, caractérisé en ce que le trièdre réflecteur ( 10) est usiné en creux dans un matériau dur, que le matériau piézoélectrique est en forme de plaques situées au delà du sommet du trièdre et perpendiculaires à l'axe de symétrie ternaire du trièdre et que les moyens d'activer le matériau piézoélectrique agissent pour augmenter ou diminuer l'épaisseur des plaques. 4 Système de modulation de l'angle d'ouverture d'un faisceau réfléchi caractérisé en ce qu'il comprend un trièdre réflecteur déformable conforme à la revendication 1, recevant un faisceau incident et des moyens d'appliquer au matériau piézoélectrique dudit trièdre réflecteur une tension variable de commande.