Brevet FR2596938A1 — publié le 19871009

- SYSTEME DE GENERATION DE BALAYAGE TRAME A FAISCEAU LASER, EN PARTICULIER POUR PRO3ECTION D'IMAGES La présente invention se rapporte à un système de génération de balayage trame à faisceau laser, en particulier pour projection d'images, telles que des images d'objets mobiles sur une image à grand angle. Elle se rapporte, entre autres, à la simulation de l'environnement visuel des pilotes durant leur entraînement au combat aérien. Celui-ci est pratiqué dans des simulateurs comportant une ou plusieurs sphères de grands diamètres (figure 1) dont la surface 10 intérieure constitue un écran réflecteur 16 concave et à grand angle. Une reproduction du cockpit 15 d'avion de combat, dans lequel est placé un pilote à former, est situé au centre de chaque sphère. La vue du sol ainsi que celle du ciel sont simulées, par 15 exemple, par deux images projetées sur la sphère et produites par un dispositif 14 de projection, placé au-dessus du cockpit et qui comprend deux objectifs du type "fish-eye" orientés en opposition. Des images de cibles sont obtenues au moyen de systèmes de projection placés au-dessus et en arrière du pilote. Chacun d'eux 20 fournit l'image d'une cible et comprend un générateur d'image 10 à "light valve", un système de transport d'image 11 et une canne de projection orientable 13 comprenant un système d'adaptation et un déviateur optique. Deux systèmes de projection fournissent ainsi deux images de cibles dans de bonnes conditions de luminosité et de 25 définition. Un plus grand nombre d'images est possible en fournissant à chaque générateur une image vidéo formée elle-même de plusieurs images de cibles. Un séparateur répartit alors ces images sur autant de cannes de projection. Néanmoins, le nombre d'images de cibles reste limité, d'une part, en raison des diminutions, de la luminosité et de la définition des images, et qui sont dues à l'utilisation du séparateur, et d'autre part, en raison de l'occultation possible des cannes entre elles et de la complication des systèmes d'adaptation et de transport d'images vers celles-ci. Par ailleurs, les systèmes de projection par leur 5 emplacement et leur encombrement, réduisent le champ de visibilité du pilote alors que ce champ sur l'avion réel tend à s'agrandir constamment. Ainsi, la solution optimum avec ce type de projection et du point de vue de la qualité des images, semble être fournie par un seul système de projection projetant quatre images de cibles. Ce 10 nombre apparaît néanmoins comme étant insuffisant et semble ne pouvoir être augmenté que par la mise en oeuvre de moyens nouveaux. Le but de la présente invention est ainsi la génération et la projection simultanée, par la technique laser, d'une dizaine d'images 15 de cibles. Cette technique permet déjà la projection d'images d'objets représentés par un contour filiforme, en balayage cavalier, mais ces images manquent de réalisme. Elles conviennent à l'affichage publicitaire. Les déviations du faisceau laser sont obtenues au moyen de 20 deux galvanomètres standard identiques, nécessitant entre eux du fait de leur espacement, un système optique de conjugaison à courte focale qui détruit la géométrie du faisceau laser. Les images de cibles sont des images vidéo, pleines, devant donc être résolues à toutes distances et conserver, entre autres, le contraste et l'absence 25 de halo propres à une image de bonne qualité. Elles exigent un balayage par trame et une profondeur de champ infinie, ce qui n'est possible qu'au moyen de déflecteurs appropriés, si possible sans optique de conjugaison qui impose en aval une correction de mise au point. On connaît des systèmes déflecteurs à miroirs multifaces tournants, d'une résolution supérieure à celle qui est demandée pour la simulation mais qui sont coûteux et encombrants. De plus, leur fonctionnement est délicat. Ils nécessitent un asservissement de vitesse, une synchronisation de lignes et une adaptation de la vidéo à la géométrie des facettes. Les systèmes dits "scanners" à inertie importante, dans lesquels un miroir solidaire d'un noyau en fer doux oscille dans un champ magnétique, sont des systèmes dont la résolution temporelle 5 reste limitée. Dans les conditions d'utilisation demandées, ils sont trop bruyants et manquent de linéarité. Les déviateurs acousto-optiques se caractérisent par une déviation angulaire de l'ordre de 2 , insuffisante pour une image de cible, et nécessiteraient d'être complétés par un agrandissement 10 d'image au moyen d'une optique spéciale. Leur rendement lumineux est faible et demanderait des lasers de plus grande puissance. Enfin les déviateurs électro-optiques à cristaux et à effet Kerr ont des angles de déviation de quelques minutes, beaucoup trop faibles pour la génération d'une image de cible. L'objet du système selon l'invention est la génération et la projection d'une image laser, suivant un champ angulaire d'une douzaine de degrés, avec une définition maximum correspondant au moins à 256 lignes de 256 pixels, sans mise au point, contrastée, sans halo, avec un haut rendement lumineux, et ceci en ne mettant en 20 oeuvre que des moyens simples, de faible encombrement et de faible coût. Une caractéristique du système selon l'invention est de comprendre un système déflecteur à deux galvanomètres crayons sans optique de conjugaison intermédiaire. Une autre caractéristique du système selon l'invention est que le trajet optique image entre les deux galvanomètres est réduit par un rotateur à prismes, à 90 et de dimensions minimales, et qu'ainsi l'écartement entre ces deux galvanomètres à axes parallèles, est réduit à moins de 7 mm. Une autre caractéristique du système selon l'invention est que l'image du col du laser constituant la source lumineuse, est conjuguée par une lentille sur le miroir du galvanomètre de lignes. Une autre caractéristique du système selon l'invention est que le faisceau issu de la source laser traverse un modulateur multi- faisceaux. Une autre caractéristique du système selon l'invention est que le rotateur est formé par deux prismes à réflexion totale, et que de ce fait, les galvanomètres sont décalés axialement l'un par rapport à l'autre, d'une distance égale au côté d'une base de prisme. D'autres caractéristiques du système selon l'invention apparaîtront dans la description d'un exemple de réalisation, qui fait suite et qui est illustrée par un ensemble de figures dans lequel: - la figure 1 déjà mentionnée représente -ine installation de 10 simulation de combat aérien, d'un type connu; - la figure 2 représente le schéma de principe du système selon l'invention; - la figure 3 représente les signaux de commande de balayage appliqués aux galvanomètres; - les figures 4 et 4A représentent les dispositions relatives des galvanomètres et du rotateur sur son support; - la figure 5 représente le rotateur à prismes; - les figures 6 à 6C représentent le support du rotateur et du miroir de renvoi; - les figures 7, 8 et 9 représentent le système déflecteur, et - les figures 10 à 12 représentent un rotateur à trois prismes, respectivement en vue de côté, de dessus, et en vue éclatée en perspective. Un générateur laser LA (figure 2) émet un faisceau laser 25visible 20, d'un diamètre. Apres avoir traversé une lentille convergente L, ce faisceau est modulé en intensité par un modulateur MO, à transducteur piézo et cristal optique, à deux voies par exemple. Un diaphragme D est placé en sortie de celui-ci, de manière à ne laisser passer que les 30 deux faisceaux diffractés 22 d'ordre 1. Ces deux faisceaux, apparemment confondus mais modulés de manières distinctes, ne sont séparés que par un écart angulaire de 2'. Le double faisceau ainsi formé est dirigé sur un système déflecteur représenté en détail sur les figures 6 à 9 mais dont seule la partie optique est schématisée sur la figure 2. Cette dernière comprend principalement deux galvanomètres GL et GT ainsi qu'un rotateur R, à 90 . Leur fonction, décrite plus loin, est d'imposer au double faisceau laser deux déviations angulaires à angle droit, 5 définies respectivement par deux signaux de balayage ST et SL appliqués aux galvanomètres. En raison des faibles dimensions et des faibles distances entre les éléments optiques, et compte tenu des dispositions relatives du système déflecteur, de l'écran EC et des dispositifs de génération du faisceau laser, ce dernier ne peut 10 atteindre le miroir ML qu'après réflexion dans un miroir de renvoi auxiliaire M. La distance focale de la lentille L, de un mètre environ, est telle que le conjugué optique du col du laser est situé sur le miroir ML. Les signaux de balayage ST et SL (figure 3) sont analogues à 15 des signaux de télévision, à la différence cependant qu'ils ne comportent aucune impulsion de synchronisation ni de suppression. De plus, le signal de trame ST présente par rapport au signal de ligne SL un retard ajustable de 50 >s environ qui n'apparaît pas sur la figure. Les images ont une période Ti de 40 ms et les deux demi20 trames entrelacées comprennent chacune pratiquement N balayages de lignes utiles. Ce qui conduit en raison de l'existence du double faisceau laser, à un tracé effectif de 2 x 2 N lignes, soit 256 lignes par image si N = 64. Le galvanomètre GL présente ainsi une fréquence naturelle, par exemple, de 5500Hz tandis que celle-ci est de 25 1400Hz, pour le galvanomètre GT. Les signaux de balayage sont produits par un ensemble EN (figure 2) formé par des circuits numériques classiques. Cet ensemble fournit également un signal d'horloge 25 et un signal de début de trame 26. Il va de soi qu'en utilisant un modulateur multifaisceaux à plus de deux voies (V>2) 30 dont le cristal est anisotrope, on peut porter la définition, par exemple, à 1024 lignes pour V = 8. Le modulateur MO et les circuits électroniques de commande EC sont adaptés l'un à l'autre et forment un ensemble disponible dans le commerce. L'image à projeter est stockée dans un magnétos- cope MA ou dispositif équivalent tel que vidéo-disque. Elle est transmise (29) à des circuits de mémoires numériques MV qui la numérisent et la stockent en deux mémoires correspondant respectivement aux lignes paires et impaires de 256 pixels. Ces mémoires 5 sont lues en synchronisme avec les signaux 25 et 26 et fournissent les signaux de modulation 27 et 28 aux circuits EC qui modulent le double faisceau laser 22. La période du signal 25 varie durant le balayage de lignes, en fonction de la vitesse du galvanomètre GL. Le rotateur R (figure 5) se compose de deux prismes à 10réflexion totale, identiques, assemblés l'un à l'autre par collage, par une de leurs bases et de façon que l'autre base soit orientée à 90 de celle de l'autre prisme. Le rayon lumineux moyen normal à la base d'entrée 51 d'un des prismes, ressort par la base 54 de l'autre, en ayant subi une déviation de 90 et un déplacement vertical égal au lSc8té d'une base. De plus, un déplacement angulaire éventuel du rayon incident dans un plan parallèle aux bases en contact, est transformé en un déplacement du rayon sortant, dans un plan perpendiculaire à celles-ci. Ces propriétés permettent d'une part de renvoyer en direction 20du miroir MT, le faisceau lumineux réfléchi par le miroir ML, en réduisant au maximum le trajet optique entre ces deux miroirs et en évitant de ce fait toute optique de conjugaison et, d'autre part, d'obtenir un faisceau laser 23 dont l'orientation résulte de deux déviations angulaires distinctes à angle droit, au moyen des deux 25miroirs ML et MT oscillant tous les deux suivant des axes parallèles verticaux. Il est néanmoins nécessaire pour cela que l'un des miroirs, c'est-à-dire l'un des galvanomètres, le galvanomètre ML par exemple, soit décalé verticalement par rapport à l'autre. La déviation angulaire provoquée par le miroir ML correspond 30au balayage de lignes tandis que celles qui est provoquée par le miroir MT correspond au balayage de trames. Les deux galvanomètres sont situés à une distance de d effectivement par un support S (figure 6). Le rotateur est fixé au support par collage de ses faces triangulaires 51 et 53 respectivement aux deux faces 610 et 680 d'tun fraisage 600, à 90 . Un perçage 620 de dégagement permet un appui correct du rotateur contre le support. Le miroir de renvoi M est collé au fond d'une encoche usinée 633 dans un axe 631 (figure 6B). 10 Celui-ci est logé dans un perçage 630 et orienté convenablement au moyen d'une fente-tournevis 632, de manière que le faisceau laser 22, arrivant sur le miroir M par un perçage 640 soit réfléchi convenablement à travers un perçage 670 sur le miroir ML. L'axe 631 est bloqué par une vis passant dans le perçage taraudé 690. Le support S est fixé à une pièce polaire 710 du système déflecteur (figures 7, 8 et 9) par une vis passant dans le perçage 650 de la partie 660 de ce support. Les galvanomètres GL et GT sont des appareils du commerce mais leurs caractéristiques: fréquence, dimensions du miroir et orientation de celui-ci par rapport à 20 l'enroulement, doivent être déterminées à la demande, de façon évidente pour l'homme de l'art. Dans les enregistreurs à rayons ultra-violets, un certain nombre de ces galvanomètres sont placés côte-à-côte, d'une manière identique par rapport aux pièces polaires d'un même circuit magnétique. Dans le système selon l'invention, les deux galvanomètres sont décalés l'un par rapport à l'autre verticalement. Ce qui impose, pour que leurs enroulements soient placés dans la zone de flux magnétique maximum, que ces galvanomètres aient chacun leur propre circuit magnétique ou au moins leur propre paire de pièces polaires 30 et que celles-ci soient décalées par rapport à celles de l'autre. Ceci peut être obtenu, par exemple, par une découpe de chacune des pièces polaires du circuit du commerce, symétriquement et perpendiculairement à l'entrefer et par un décalage des deux paires de pièces polaires ainsi obtenues l'une par rapport à l'autre. Le bloc magnétique du système selon l'invention (figures 7, 8 et 9), est ainsi formé de deux aimants 730 et 800 de 10.000 Gauss, d'une pièce de jonction 740, de deux paires de pièces polaires 710 et 820, 750 et 940 déplacées l'une par rapport à l'autre par des cales S 720 et 810. Ces dernières pièces étant toutes en fer doux. Les galvanomètres sont chacun tenus par enfichage dans un support cylindrique 870, 920 percé, orientable entre les pièces polaires usinées également de manière cylindrique. Leur orientation peut être ajustée par un levier 840, 900 maintenu par un ressort contre 0lOune vis de réglage 830, 950. Les deux supports de galvanomètres sont maintenus l'un contre l'autre par deux barillets en bronze 910, 930 tenus eux-mêmes par deux flasques 731, 732. La hauteur des galvanomètres dans les supports pourrait être réglée également par des moyens simples non représentés. Les signaux de balayage sont ISappliqués respectivement aux galvanomètres au moyen de deux paires de contacts à ressort classiques 850, 860 montés dans un bloc de connexion 760 en matière plastique. Le système selon l'invention, en raison de ses dimensions peut être monté, système déflecteur et ensemble modulateur acousto20optique compris, dans un boitier de 100 x 200 mm. Il est ainsi facile de disposer, à l'intérieur de la sphère de simulation, des boîtiers en nombre voulu, soit de part et d'autre du cockpit, soit au-dessus et en arrière de celui- ci, sans créer de zones d'occultations néfastes à la simulation d'un combat aérien tandis que les lasers peuvent être 25placés en arrière ou en-dessous du cockpit, ou même à l'extérieur de la sphère. A chaque bottier il convient évidemment d'associer en sortie de celui-ci un déviateur optique. Dans une variante de l'invention (voir figures 10 à 12), le rotateur est formé de trois prismes à réflexion totale. Il est obtenu 30en collant respectivement aux deux bases d'un premier prisme Pl, une des deux bases de deux autres prismes P2, P3 de façon que ceuxci aient leur autre base dans un même plan. Cette variante cependant allonge le trajet optique entre les galvanomètres et conduit à une image projetée de dimensions plus petites. Elle évite cependant le décalage en hauteur entre les galvanomètres. Il va de soi que si le système déflecteur selon l'invention, en étant associé entre autres, à un modulateur acousto-optique et à des circuits générateurs de signaux de balayages en lignes et trames, est 5 bien adapté à la génération d'une image laser, il peut également générer une image laser filiforme, propre par exemple, à la simulation d'un tir de D. C.A., en étant associé entre autres à des circuits générateurs de signaux de balayage cavalier. REVENDICATIONS 1. Système de génération de balayage tramé à faisceau laser, en particulier pour projection d'images, caractérisé par le fait qu'il comporte un système déflecteur à deux galvanomètres crayons (GL, GT) coopérant avec un rotateur à prismes (R) à 90 . 2. Système selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le rotateur comporte deux prismes à réflexion totale, assemblés par une de leurs bases, de façon que l'autre Base (51> de l'un soit soit orientée à 90 de celle (54) de l'autre prisme. 3. Système selon la revendication 2 dont les galvanomètres ont 10 leurs axes parallèles, caractérisé par le fait que ces galvanomètres sont décalés axialement l'un par rapport à l'autre d'une distance égale au côté d'une base de prisme. 4. Système selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le rotateur comporte trois prismes à réflexion totale, rotateur 15 réalisé en collant respectivement aux deux bases d'un premier prisme Pl, une des deux bases de deux autres prismes (P2, P3) de façon que ceux-ci aient leur autre base dans un même plan. 5. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le système déflecteur coopère avec un 20 dispositif (LA, L, MO, EC) produisant au moins un faisceau laser modulé, et avec un dispositif générateur (EN) de signaux de balayage (SL, ST) produisant des signaux de balayage de lignes (SL) et de balayage de trame (ST). 6. Système selon la revendication 5, caractérisé par le fait 25 qu'il comporte une mémoire numérique d'images (MV) reliée à une source d'images (MA), recevant du dispositif générateur de signaux de balayage des signaux d'horloge (25) et des signaux de début de trame (26), et commandant un modulateur (EC, MO) de faisceau laser. 7. Système selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé par le fait que l'image du col de la source laser est conjuguée par il une lentille (L) sur le miroir (ML) du galvanomètre de lignes (GL). 8. Système selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé par le fait que le faisceau issu de la source laser traverse un modulateur multifaisceaux. 9. Système selon l'une des revendications 5 à 8, caractérisé par le fait qu'un diaphragme (D) est placé à la sortie du modulateur de faisceaux laser, de manière à ne laisser passer que les faisceaux d'ordre 1. 10. Système selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé 10 par le fait qu'un miroir de renvoi (M) est disposé en amont du système déflecteur, la distance focale de ladite lentille (L) étant telle que le conjugué optique du col de la source laser est situé sur le premier miroir (ML) du système déflecteur.