Brevet FR2580390A1 — publié le 19861017

Gyrosystème à laser de type cylindrique L'invention concerne un gyrosystème à laser de type cylindrique construit en utilisant un gyrosystème pousvant tourner autour de l'axe du cylindre. Des gvrosystèmes à laser d'un très grand nombre de types, basés sur l'effet Sagnac, ont été proposés dans l'art antérieur. La vue en plan d'un gyrosystème à laser realisée suivant le système annulaire à laser, est représentée sur la figure 1. Quatre tubes à gaz 11 à 14 sont disposés de manière a former un carré de un mètre de c8té. Le chemin optique du carré est déterminé par les tubes à gaz 11 à 14, les miroirs plans 16 et 17, le miroir courbe 18, et le miroir de sortie 19. Un miroir de couplage est identifié par la référence 20 et un détecteur est identifié par la référence 22. Le gyrosystème à laser constitue un interféro- mètre tel que l'interféromètre de Sagnac, comme indiqué sur la figure 2. Une partie du faisceau de lumière émis par la source de lumière A passe par C et suit le chemin optique C. D3, D2 et D1 en tournant dans le sens des aiguilles d'une montre, et le reste du faisceau de lumière émis par la source de lumière A est réfléchi par C et suit le chemin optique C, D1, D2 et D3 en tournant dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. Quand le gyrosystème à laser tourne dans le sens des aiguilles d'une montre ou en en sens inverse des aiguilles d'une montre, on peut obte- nir entre les deux chemins optiques ure différence de phase optique correspondant à la vitesse angulaire de rotation. Les franges d'interférence produites par la différence de phase entre les deux chemins optiques. se déplacent de manière à détecter la vitesse angulaire. La figure 3 représente une vue plane d'un autre exemple de gyrosystème à laser dans lequel on utilise une fibre optique et un oscillateur à laser. La fibre optique est enroulée, sur deux tours ou plus, sur un tambour, pour améliorer l'efficacité de détection. Plus le nombre de tours augmente plus la sensi- bilité de détection augmente. Ainsi, le tambour sur lequel la fibre optique est enroulée sur deux tours ou plus, est utilisé pour former un gyrosystème. Cependant, le gyrosystème réalisé selon les techniques classiques est lourd et mal adapté aux applica- tions de commande du mouvement d'une machine tournant à grande vitesse. L'invention a donc pour but de créer un type nouveau de gyrosystème à laser léger de petite taille. A cet effet, I'invention concerne un gyrosystème à laser de type cylindrique, caractérisé en ce qu'il com- prend un réflecteur optique dont la surface est cylindrique et se trouve formée sur la surface extérieure d'un matériau optique transparent, une gyrostructure principale dans laquelle sont formés les plans d'entrées et de sortie du faisceau laser, un séparateur de faisceau placé entre les plans d'entrée et de sortie, un oscillateur à laser uti- lisé pour émettre le faisceau de lumière dans la gyrostruc- ture principale, à travers le séparateur de faisceau, de manière à faire circuler le faisceau de lumière suivant une trajectoire circulaire tournant dans le sens des aiguilles d'une montre, et un détecteur destiné à détecter la différence de phase optique entre le faisceau laser dans le plan d'entrée et le faisceau laser dans le plan de sortie, ce faisceau laser sortant de la gyrostructure principale en passant par le réflecteur, avec des réflexions multiples le long de la trajectoire circulaire tournant dans le sens des aiguilles d'une montre ou en sens inverse des aiguilles d'une montre. L'invention sera décrite en détail en se réfé- rant aux dessins ci-joints dans lesquels: - la figure 1 représente le schéma d'un gyro- système à laser de type carré, - la figure 2 représente le principe de fonc- tionnement de l'interféromètre de Sagnac, - la figure 3 représente le schéma d'un gyro- système à fibre optique, - la figure 4 est une vue en perspective d'une forme de réalisation d'un gyrosystème à laser de type à cylindre réalisé selon l'invention, - la figure 5 représente une vue en plan du chemin optique de la gyrostructure principale, - la figure 6 représente la relation entre l'angle incident et le chemin optique, et - la figure 7 est un schéma illustrant les angles d'incidence et de réflexion du faisceau de lumière. La figure 4 des dessins représente une vue en perspective d'une forme préférée de gyrosystème à laser de type à cylindre réalisé selon l'invention. La gyrostructure principale 1 est réalisée eh quartz transparent, et un film réflecteur la est formé par évaporation d'aluminium sur la surface extérieure du cylindre, de manière à réflechir efficacement le faisceau de lumière. La gyrostructure principale 1 forme un plan d'entrée lb pour le faisceau de lumière tournant dans le sens des aiguilles d'une montre, ce plan lb pouvant éga- 258039( lement servir de plan de sortie pour un faisceau de lumière tournant en sens inverse des aiguilles d'une montre, et un autre plan d'entrée lc pour le faisceau de lumière tournant en sens inverse des aiguilles d'une montre, ce plan lc pou- vant également servir de plan de sortie pour un faisceau de lumière tournant dans le sens des aiguilles d'une montre. Un séparateur de faisceau 2 est placé dans le plan situé à égale distance des plans lb et l de la gyrostructure principale. Le faisceau de lumière émis par la source de faisceau laser 3 vient tomber sur le gyro- structure principale 1. Un faisceau de lumière vient tomber sur le plan d'entrée lb du faisceau de lumière tournant dans le sens des aiguilles d'une montre, et sort par le plan le après que le faisceau de lumière ait tourné dans le sens des aiguilles d'une montre avec des réflexions multiples sur le réflecteur la. Ce faisceau de lumière peut être détecté par le détecteur 4 destiné à détecter le faisceau de lumière tournant dans le sens des aiguilles d'une montre. Un autre faisceau de lumière vient tomber sur le plan d'entrée lc.du faisceau de lumière tournant en sens inverse des aiguilles d'une montre et sort par le plan lb après que le faisceau de lumière ait tourné en sens inverse des aiguilles d'une montre avec des réflexions multiples sur le réflecteur la. Ce faisceau de lumière peut être détecté par le détecteur 5 permettant de détec- ter le faisceau de lumière tournant en sens inverse des aiguilles d'une montre. Les données détectées par les détecteurs 4 et 5 sont comparées par ALU 6 de manière à calculer l'accélé- ration appliquée au gyrosystème. La figure 5 représente un exemple du chemin optique suivi à l'intérieur de la gyrostructure principale. - Le faisceau de lumière circulant le long de la trajectoire circulaire tournant dans le sens des aiguilles d'une montre sur la figure 5, suit le chemin a + 2 (réfléchi) + lb i M3 > M4... Mll + lc. Le faisceau de lumière circulant le long de la trajectoire circulaire tournant en sers inverse des aiguilles d'une montre sur la figure 5, suit le chemin a + 2 (transmis) ± Mll + M3 - lb. Si le g>rosystème est placé dans un système à repos, aucune différence de phase ne peut se produire dans la g>rostructure principale 1 entre les faisceaux de lumière circulant suitant les trajectoires circulaires tournant respectivement dans le sens des aiguilles d'une montre et en sens inverse des aiguilles d'une montre. Si la gyrostructure principale 1 est placée dans un système tournant dont l'axe de révolution correspond à l'axe du cylindre de la gyrostructure principale 1, une certaine différence de phase optique peut être détectée dans la gyrostructure principale 1 du fait de l'effet Sagnac. La différence de phase des chemins optiques du faisceau laser peut être utilisée pour détecter la itesse angulaire de rotation du système tournant. La figure 6 représente un exemple de gyrosystème dans lequel l'angle d'incidence peut varier suivant la position du faisceau de lumière. Les tangentes à la circonférence du cylindre au point d'entrée et au point de sortie forment respectivement les angles a et y par rapport à la direction d'incidence, et les angles B et 6 par rapport à la direction de raNonne- ment. Si l'angle de tangence passe progressivement de l'angle a à l'angle y, le faisceau de lumière au point d'erntrée suit un chemin optique variable avec un certain nombre de réflexions multiples, et tourne d'un certain nombre de cycles multiples. Les propriétés des faisceaux de lumiere suivant des chemins optiques différents, sont résumées ci-après. *1 M2 *3 *4 *5 DEG M N DIS ADIS5 450 1 5 1,41 5.66 460 11il 46 1,39 62,52 470 3 s151 1,36 245,52 45 6 31 1,34 40,15 *1 DEC: Angle du faisceau de lumière incident par rapport à la normale à la surface au cylindre supposé au point d'incidence. *2 M: Nombre de cycles multiples dont le faisceau de lumière suivant la trajectoire circulaire, tourne sur la surface du cylindre tandis que le faisceau de lumière passe du plan d'entrée au plan de sortie. *3 N 3: Nombre total de réflexion multiple plus deux. *4 DIS4: Longueur du chemin optique entre points de réflexion adjacents sur l'arc correspondant à un rayon supposé égal à l'unité. *5 ADIS ': Distance totale du chemin optique entre le plan d'entrée et le plan de sortie du faisceau de lumière. La figure 7 représente un exemple du chemin optique correspondant à un angle d'incidence de 480. Le faisceau de lumière tombant sous un angle de 43 (90 -47 ) par rapport à la tangente à un disque de 100 mm de rayon, dans un système de repos, est réfléchi 179 fois (=N-2) et tourne 43 tours (=M). Le faisceau de lumière revient ensuite à une position écartée de 0,05 mm ou moins du point d'incidence. Le point de retour est écarté du point d'incidence de 1/1000 ou moins du rayon. Le faisceau de lumière peut parcourir, à l'inté- rieur du gyrosystème, une distance d'environ 24 500 Mm. Si l'angle d'incidence est convenablement réglé, on peut augmenter le nombre de réflexions multiples ou le nombre de cycles multiples à l'intérieur d'un disque. Cela conduit à la réalisation d'un gyrosystème à laser de haute sensibilité. Si le faisceau laser vient tomber sur le plan perpendiculaire à l'axe central du cylindre, sous un petit angle d'inclinaison, le faisceau de lumière peut suivre une trajectoire en hélice le long du chemin tournant autour de la circonférence de la gyrostructure principale 1. Ainsi, le faisceau de l1umière apparaît en un point de sortie dif- férent du point d'entrée dans le sens de la hauteur. C'est la raison pour laquelle l'axe optique du détecteur est incliné par rapport à celui du faisceau laser sur la figure 1. Comme décrit ci-dessus, le gyrosystème à laser de type à cylindre réalisé selon l'invention, utilise un système optique simple, stable et léger et présente une sensibilité aussi élevée que le gyrosystème à fibre optique. Le gyrosystème à laser de type à cylindre réa- lisé selon l'invention, peut être utilisé pour contrôler le vitresse des roues d'un véhicule, le mouvement d'un bras de robot ou la hauteur du robot. R E - E NI D I C A T I 0 N G\ros stème à laser de tipe cylindrique, gyro- système caractérisé en ce qu'il comprend un réflecteur optique (la) dont la surface est cylindrique et se trouve formée sur la surface extérieure d'un matériau optique transparent, une gyrostructure principale dans laquelle sont formés les plans d'entrée (lb) et de sortie (lc) du faisceau laser, un séparateur de faisceau (2) placé entre les plans d'entrée et de sortie, un oscillateur à laser utilisé pour émettre le faisceau de lumière dans la gyro- structure principale, à travers le séparateur de faisceau, de manière à faire circuler le faisceau de lumière suivant une trajectoire circulaire tournant dans le sens des aiguilles d'une montre, et un détecteur (4, 5) destiné à détecter la différence de phase optique entre le faisceau laser dans le plan d'entrée et le faisceau laser dans le plan de sortie, ce faisceau laser sortant de la gyrostruc- ture principale en passant par le réflecteur, avec des réflexions multiples le long de la trajectoire circulaire tournant dans le sens des aiguilles d'une montre ou en sens inverse des aiguilles d'une montre.