Brevet FR2625010A1 — publié le 19890623

ILLUMINATEUR DE FORTE PUISSANCE POUR CAMERA. L'invention concerne un dispositif illuminateur de forte puissance intégré à une caméra pour-effectuer des mesu- res de direction, de distance et d'attitude relative entre deux véhicules sur l'un desquels il est embarqué, ladite camé- ra formant l'image de l'autre véhicule sur un détecteur à tra- vers une optique d'entrée et un filtre optique de bande spec- trale déterminée, ledit dispositif étant constitué de plu- sieurs sources élémentaires comportant chacune une optique de collimation pour ajuster le champ de vue de chacune desdites sources & celui de l'optique d'entrée de la caméra. Un dispositif de ce genre trouve une application par exemple dans les approches de rendez-vous entre deux véhi- cules spatiaux dont l'un appelé chasseur cherche à rejoindre l'autre appelé "cible'. Il faut qu'à l'instant de la jonction, le couplage des deux véhicules puisse se faire avec le choc mécanique le plus faible possible de façon à ne pas trop modifier les con- ditions orbitales de la cible. A cet effet, le chasseur doit prendre en compte suffisamment tôt l'orbite théorique de la cible pour aborder celle-ci avec la bonne vitesse et surtout avec la bonne atti- tude. Cela nécessite un équipement placé dans-le véhicule chasseur et qui mesure la distance entre chasseur et cible (pour l'approche finale, on peut se placer par exemple à a), la direction de la cible dans le repère du chasseur et l'attitude de la cible par rapport au même repère chasseur. Cet équipement est constitué par une caméra munie d'un émetteur de lumière qui émet suivant le même axe et dans le même champ que celui de la caméra un certain cône de lumiè- 2625 0 1 0 re projeté sur la cible o l'on a disposé des rétroflecteurs, c'est-àdire des petits miroirs à trois faces (ou coins cube) qui renvoient le faisceau réfléchi suivant la direction du faisceau incident quelle que soit la position qu'ils occupent dans l'espace. Les diodes laser utilisées habituellement comme émetteur de lumière nécessitent une optique de colliation pour adapter l'angle du cône d'émission au champ de vue de la caméra. Dans le cas d'application au rendez-vous spatial entre deux véhicules, il faut un émetteur suffisamment puis- sant pour que le flux lumineux provenant des rétroflecteurs et qui vient frapper la caméra soit supérieur & celui émis par le soleil. On doit donc mettre en oeuvre l'émission de plu- sieurs sources élémentaires comportant chacune une diode laser et un optique de collimation pour augmenter notablement la puissance de l'émetteur. La disposition de ces sources dans un espace très réduit s'avère alors délicate à réaliser pour ob- tenir une émission de lumière à l'intérieur d'un méme cone. Le but de l'invention est de pallier cette diffi- culté au moyen d'un dispositif assurant le couplage de plu- sieurs sources élémentaires et permettant la modulation de la forte puissance d'émission ainsi réalisée et l'obtention d'une auto-redondance en cas de panne d'une ou de plusieurs de ces sources. A cet effet le dispositif de l'invention est remar- quable en ce que lesdites sources élémentaires se trouvent ré- gulièrement réparties en couronne autour de la pupille de la- dite optique d'entrée, le faisceau lumineux issu de l'optique de collimation de chacune desdites sources étant focalisé par l'intermédiaire d'un miroir de renvoi disposé en vis-à-vis de chaque source sur un miroir à facettes entourant ladite pupil- le de l'optique d'entrée et comportant autant de facettes que de sources lumineuses, chaque facette étant inclinée d'un an- 2625 0 1 0 gle tel que la direction du faisceau réfléchi est colinéaire avec la direction du champ de vue de la caméra, de telle façon que les faisceaux lumineux issus desdites facettes de miroir soient quasiment superposables tout autour de l'axe optique de la caméra. La description suivante en regard.des dessins anne- xés, le tout donné à titre d'exemple fera bien comprendre com- ment l'invention peut étre réalisée. La figure 1 montre le schéma de principe du dispo- sitif de mesure. La figure 2 représente une coupe longitudinale de l'illuminateur de l'invention associé à la caméra. Les mesures de distance, de direction et d'attitude relative entre deux corps peuvent être réalisées au moyen du dispositif dont la figure 1 donne le principe. Sur l'un des corps se trouve la caméra 1 équipée de son illuminateur 2 et sur l'autre se trouvent répartis trois motifs de rétroréflecteurs non coplanaires 3, 4 et 5 dans le cône d'émission 6 de l'illuminateur. Les parties des faisceaux renvoyés sur eux-mêmes par les motifs rétroréflecteurs sont indiquées par des traits sur lesquels on a placé des flèches de directions opposées. Les motifs 3 et 4 sont séparés d'une distance d. Le motif 5 est décalé de h par rapport aux motifs 3 et 4. La caméra mesure la direction angulaire des motifs 3, 4 et 5. L'information angulaire du point milieu fournie par Pos(3)+Pos(4) donne la direction du motif donc la direction du corps sur lequel se trouvent les motifs de rétroréflecteurs. La mesure de l'angle sous lequel est vue la distan- ce d depuis la caméra permet de fournir la distance caméra-mo- tifs de rétroréflecteurs. L'écart de position angulaire entre le motif 5 et le point virtuel milieu de la distance d séparant les motifs 3 et 4 permet de déterminer l'attitude relative entre les deux corps. Une coupe longitudinale du dispositif illuminateur de l'invention est schématisé sur la figure 2 qui représente la tête optique d'une caméra de rendez-vous spatiale. L'optique d'entrée de la caméra proprement dite 1 comporte la pupille d'entrée 7 et lefiltre optique 8 qui fo- calisent l'image de la scène sur un détecteur 9 consistant par exemple en un dispositif CCD maintenu à 20' 3' par effet Peltier. A l'avant de la caméra 1 se trouve le dispositif illuminateur de l'invention 2 dont le principe consiste à fo- caliser les images des surfaces émissives d'un ensemble de diodes laser sur un miroir à facettes concentriques à l'opti- que de la caméra. Ce principe d'association a l'avantage d'éviter toute diffusion de lumière directe dans ladite opti- que de la caméra. Le dispositif conforme à l'invention comporte N sources élémentaires (diode laser continue ou diode laser pul- sée 10) réparties en couronne autour de la pupille d'entrée 7 de l'optique de la caméra. Une optique de collimation 11 par source élémentaire permet d'ajuster le champ de vue d'émission de lumière à celui désiré, (le même pour toutes les sources élémentaires). Le faisceau lumineux issu de l'optique de col- limation 11 est focalisé par l'intermédiaire d'un miroir de renvoi 12 disposé en vis-à-vis de chaque source sur un miroir à N facettes 13 entourant la pupille d'entrée 7 de la caméra. Chaque facette de ce miroir est convenablement inclinée pour renvoyer le faisceau de la source élémentaire correspondante dans une direction colinéaire avec la direction du champ de vue de la caméra. Les faisceaux d'émission sont ainsi quasiment con- centriques à l'axe optique de la caméra. De plus aucun faisceau de forte puissance lumineuse ne tombe sur les composants optiques (pupille d'entrée, fil- 2 62 5010 tre) ou ne les traverse dans le trajet du champ de vue de la caméra, ce qui diminue les risques de diffusion et donc les risques d'injection directe de lumière parasite. Enfin la modulation du niveau d'émission se trouve facilitée par l'utilisation de 1 à N sources élémentaires. L'intérêt de ce dispositif d'illumination est de permettre d'engendrer de forts flux qui assurent le bon fonc- tionnement de la caméra, émme dans une atmosphère très bril- lante (soleil dans le champ de vue pour une application de rendez-vous spatial ou environnement très lumineux pour des applications de robotique). 26250 1 0 REVENDICATIONS 1. Dispositif illuminateur de forte puissance intégré à une caméra pour effectuer des mesures de direction, de dis- tance et d'attitude relative entre deux véhicules sur l'un desquels il est embarqué, ladite caméra formant l'image de l'autre véhicule sur un détecteur à travers une optique d'en- trée et un filtre optique de bande spectrale déterminée, ledit dispositif étant constitué de plusieurs sources élémentaires comportant chacune une optique de collimation pour ajuster le champ de vue de chacune desdites sources à celui de l'optique d'entrée de la caméra, caractérisé en ce que lesdites sources élémentaires se trouvent régulièrement réparties en couronne autour de la pupille de ladite optique d'entrée, le faisceau lumineux issu de l'optique de collimation de chacune desdites sources étant focalisé par l'intermédiaire d'un miroir de ren- voi disposé en vis-à-vis de chaque source sur un miroir à fa- cettes entourant ladite pupille de l'optique d'entrée et com- portant autant de facettes que de sources lumineuses, chaque facette étant inclinée d'un angle tel que la direction du faisceau réfléchi est colinéaire avec la direction du champ de vue de la caméra, de telle façon que les faisceaux lumineux issus desdites facettes de miroir soient quasiment superposa- bles tout autour de l'axe optique de la caméra. 2. Dispositif illuminateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites sources élémentaires sont cons- tituées par des diodes laser continues ou par des diodes laser pulsées. 3. Dispositif illuminateur selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'aucun faisceau issu desdites sour- ces élémentaires ne traverse l'optique d'entrée de la caméra. 4. Dispositif illuminateur selon les revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le niveau d'illumination peut être modulé par l'utilisation de 1 à N sources élémentaires.