Brevet FR2645261A1 — publié le 19901005

DISPOSITIF DE MELANGE ET DE LECTURE POUR GYROMETRE A LASER. La présente invention concerne un dispositif de mélange et de lecture pour gyromètre à laser. Un tel dispositif peut être utilisé sur tous types de gyrolaser pour en diminuer l'encombrement et le prix. Il peut notamment être adapté sur les gyrolaser munis de trois miroirs mobiles piézoelectriques, aJustables aussi bien linéairement qu'angulairement. L'invention s'applique à tous les gyromètres à laser, triangulaires ou carrés, monoaxes ou multiaxes. Les gyromètres à laser, appelés dans ce qul va suivre gyrolasers, comportent généralement: - un bloc optique, en matériau isolant et à faible coefficient de dilatation, dans lequel est aménage un parcours optique, le plus souvent triangulaire ou carré, délimité par trois ou quatre miroirs, l'ensemble constituant une cavité optique résonnante, - un milieu ampliflcateur générant, dans la cavité optique, deux ondes lumineuses tournant en sens inverses l'une de l'autre, les interférences entre ces deux ondes permettant la mesure de la rotation du gyromètre autour d'un axe perpendiculaire au plan du parcours optique, - un dispositif de mélange des ondes lumineuses, pour créer des franges d'interférences sur un ensemble de cellules photoélectriques, le défilement desdites franges représentant la rotation angulaire du gyrolaser, et étant transformé par lesdites cellules photoélectriques en signaux électriques utilisables, - éventuellement, des moyens d'activation mécanique permettant de faire osciller le bloc optique par rapport à son support pour éviter les effets bien -2- connus de blocage entre les deux ondes lumineuses, - des moyens d'asservissement de la longueur de cavité agencés de telle sorte que la fréquence de résonnance de la cavité optique corresponde à celle pour laquelle le gain du milieu amplificateur de lumière est maximum, - un boîtier. De très nombreuses solutions ont été proposées ou utilisées pour faire le mélange des deux ondes lumineuses, créer les franges d'interférences et lire le défilement de ces franges. Certains systèmes permettent de compenser le :5 défilement parasite des franges, dQ au mouvement d'activation mécanique, en plaçant un ou plusieurs éléments du dispositif sur la structure fixe du support du gyrolaser. Ces systèmes utilisent des prismes de mélange plus ou moins complexes et sont généralement assez encombrants et difficiles à régler. Ils ne sont le plus souvent pas utilisables sur des gyrolasers munis de trois miroirs piézoélectriques. Pour réduire la taille des gyrolasers, sans en diminuer les performances, il devient nécessaire d'utiliser systématiquement trois miroirs mobiles piézoélectriques afin de minimiser la zone aveugle et de conserver les performances des gyrolasers de taille supérieure. L'intéret de la présente invention réside dans le fait que la place supplémentaire qu'il nécessite à l'extérieur des dimensions du gyrolaser est très réduite, qu'il peut facilement être utilisé associé à un miroir piézoélectrique et que, dans l'une de ses variantes, il peut également compenser les defilements parasites de franges dus à l'activation. -3- Le principe de l'invention consiste à réfléchir, & l'aide de miroirs ou d'un prisme étroit, les deux faisceaux, issus de l'un des miroirs fermant la cavité du gyrolaser, pour les faire converger sur une cellule photoélectrique, munie d'un réseau, et placée très prés du bloc optique ou dudit miroir de sortie. L'invention concerne donc un dispositif de mesure de position de faisceaux lumineux pour laser et pour gyrolaser : du type susdit, caractérisé en ce qu' il comporte, f:_: sur un substrat servant de support au miroir d'o sortent les faisceaux laser, deux éléments refléchissant, préferentiellement des miroirs, places devant lesd:ts faisceaux et formant avec les dits faisceaux un angle tel qu'après réflexion lesdits faIsceaux soient sensiblement parallèles au plan formé par la face extérieure dud!t substrat et qu'ils se rencontrent en un point sZtué au voisinage de la périphérie dudit substrat. Des modes de réalisation de l'invention seront décrits ci- après, à titre d'exemples non lîmitatlfs, avec référence aux dessins annexés dans lesquels: La figure 1 est une vue de dessus d'un gyrolaser selon l'art antérieur, La figure 2 lllustre en vue de côté et en coupe axiale du principe de l'invention appliqué à un miroir plan de gyrolaser, La figure 3 illustre en vue de face le principe de l'invention présenté sur la figure 2, La figure 4 illustre en vue de côté et en coupe axiale une réalisation pratique de l'invention appliqué & -un miroir plan de gyrolaser, La figure 5 est une vue de dessus et en coupe axiale du miroir et du dispositif de la figure 4, La figure 6 illustre en vue de côté et en coupe axiale' une réalisation pratique de l'invention appliquée & un miroir mobile piézoélectrique de gyrolaser, La figure 7 est une vue de dessus et en coupe axiale du miroir et du dispositif de la figure 6, o10 La figure B illustre en vue de face le dispositif et le miroir de la figure 6, La figure 9 illustre en vue de côté et en coupe axiale une variante de l'invention appliqué à un miroir mobile piézoélectrique de gyrolaser et qui assure la compensation du mouvement d'activation, et La figure 10 illustre en vue de face le dispositif et le miroir de la figure 9, Comme précédemment mentionné, et ainsi que le montre la figure 1, un gyrolaser comprend notamment: 2S - un bloc optique 1, réalisé dans un matériau isolant et étanche à l'hélium, généralement une céramique vitrifiée du genre "zerodur", dans lequel sont percés des conduits 2, fermés par des miroirs 3 dont un au moins est mobile et qui forment avec lesdits conduits 2 un parcours optique, triangulaire dans le cas de la figure 1, mais qui peut prendre toute autre forme, un même bloc optique pouvant comporter plusieurs parcours optiques. Un tel parcours optique forme une cavité optique résonnante. - des miroirs 3 dont l'un au moins est mobile dans une direction perpendiculaire à son plan. Ces miroirs sont généralement composés d'un substrat poli sur lequel est déposé un empilement de couches multîdielectriques pour constituer la partie réfléchissante du miroir lui-même. - un système de sortie des informations placé sur l'un des miroirs 3 et comportant au moins un prisme de mélange 6 S et un ensemble de cellules photoélectriques 7, ledit miroir étant légèrement transmettant, c'est-adire pouvant laisser passer une partie de la lumière qu'il doit réfléchir. - une ou deux cathodes 4 fixées sur le bloc optique 1. - une ou deux anodes 5 également fixées sur le bloc optique 1. Ces cathodes et anodes constituent les electrodes du gyrolaser et sont reliées aux conduits 2 par des conduits de raccordements 7. Le bloc optique I est rempli d'un mélange gazeux généralement à base d'hélium et de néon. Un courant électrique passant entre les électrodes excite ce melange gazeux et crée un plasma dans les conduits de raccordement 7 et dans les conduits 2,. plasma qui, en amplifiant la lumière, génère par effet laser, deux ondes lumineuses tournant en sens inverse dans la cavité optique. Ce bloc optique 1 est monté oscillant autour d'un axe 8 grâce a une roue d'activation. Celle-ci est composée, par exemple, d'une couronne extérieure 9, d'un moyeu central 10 et de lames élastiques 11il sur lesquelles sont collées des céramiques piézoélectriques 12. Le moyeu central 10 est solidaire d'un boîtier non représenté, destiné à le protéger et de moyens de fixation sur un support extérieur. Les figures 2 et 3 illustrent le principe de l'invention. On y voit, en vue de côté et en vue de face, un substrat 13 ayant une face extérieure 38 et une face intérieure 48 sur laquelle est placé un miroir 3, ledit substrat étant fixé sur le bloc optique 1. Ce miroir 3 est constitué d'un -6- empilement de couches multidiélectriques tel que son coefficient de réflexion soit proche de 1 et qu'il ne laisse passer au travers desdites couches qu'une très faible partie de la lumière qu'il reçoit. Deux faisceaux lumineux 14, formant entre eux un angle de 30 degrés s'il s'agit d'un gyrolaser triangulaire équilatéral, tombent sur ce miroir 3 et sont réfléchis. Une partie de la lumière traverse ledit miroir formant des faisceaux 15 et 16 dont un seul est représenté sur la vue en coupe de la figure 2. Deux mirolrs 17 et 18, sensiblement symétriques par rapport au plan de la figure 2, sont placés sur le trajet de ces faisceaux, et inclinés de telle sorte qu'ils les réfléchissent parallèlement au plan du substrat 13 en formant deux nouveaux faisceaux 19 et 20 qui convergent l'un vers l'autre en un point 21 également situé dans le plan de la figure 2 et au voisinage du plan que forme l'une des faces principales 25 du bloc optique 1, ladite face étant parallèle à un plan formé par les faisceaux 14. Du fait de l'angle important fait par les deux faisceaux 19 et 20, ceuxci génèrent, au point 21, des franges d'interférences dont le pas est très fin, de l'ordre de 0.5 & 2 i suivant les diverses dimensions. Il n'est donc pas possible de mesurer directement leur défilement à l'aide de cellules photoélectriques classiques. Selon une technique bien connue, on place, au point d'interférence 21, un réseau 23 dont le pas est très voisin de celui de l'interfrange. Derrière ce réseau, on place une cellule photoélectrique double classique 22. L'écart entre les deux pas détermine le pas des franges qui tombent sur la cellulle double 22. La cellule double 22 et le réseau 23 sont aisément fixés sur le substrat 13, ou de préférence sur le bloc optique 1 à l'aide d'une pièce intermédiaire 24 qui peut collée sur la face 25 dudit bloc optique 1. -7- Les fiagures 4 et 5 illustrent, en vue de côté et en vue de dessus une réalisation préférée de l'invention o les deux miroirs 17 et 18 des figures 2 et 3 sont remplacés par un prisme 25 directement collé ou fixé par adhérence moléculaire au substrat 13. Ce prisme est taillé dans un bloc de matériau transparent de forme initiale parallepipédique. Il possède à chacune de ses extrémités une face, 26 et 27, inclinée suivant un angle tel qu'il assure la réflexion du faisceau 15 ou 16 qu'elle reçoit vers la direction des faisceaux 19 ou 20 ci-dessus définie. Lesdites faces 26 et 27 peuvent recevoir un traitement destiné à assurer une réflexion à 100 X ou une réflexion plus partielle si l'on veut faire une mesure séparée de l'intensite lumineuse de chaque faisceau 15 et 16. Dans ce cas, on place une cellule photoelectrlque 28 derrière chacune desdites faces. Les figures 6, 7 et 8 montrent la façon dont le dispositif de mélange decrit ci-dessus peut être associé à un miroir mobile en translation et a3ustable en rotation angulaire. Dans cette application, le substrat plein 13 de la figure 2 est remplacé par un substrat 29 qui comporte une membrane mince 30, réalisée à l'aide de deux évidements sensiblement symétriques ou non, 33 et 34, et qui permet à une partie centrale 31, de forme sensiblement cylindrique, de se déplacer et de tourner en fonction des forces que lui applique un bilame de céramiques piézoélectrique 32, selon une technique bien connue. Dans le cas présent, l'évidement 33 situé le plus à l'extérieur, en forme de couronne cylindrique, a un diamètre extérieur plus large que celui de l'évidement 34 situé du côté du bloc optique 1. Le substrat 34 comporte donc, du côté extérieur au gyrolaser, une partie en forme de couronne 35 relativement étroite. La partie extérieure du bilame piézoélectrique 32 peut être collee sur ladite couronne 35 ou fixee par tout autre moyen au substrat 29 ou au bloc optique 1. La partie centrale 31 porte sur sa face plane, du côté intérieur au gyrolaser, le miroir 3. Le bilame est percé de deux conduits 36 et 37, de préférence inclinés, situés de façon à permettre le passage de la lumière des faisceaux laser 15 et 16. Il est de préférence collé en son centre sur la face plane extérieure de la partie centrale 31. Un couvercle 39 est, collé & l'extérieur du substrat 29 mais il pourra avantageusement être fixé directement sur le bloc optique. Ce couvercle 39 est également percé de deux conduits inclinés 44 et 45, situés dans le prolongement des conduits 36 et 37 du bilame 32. i1 comporte une face externe 49. Un prisme 40, analogue au prisme 25 ci-dessus décrit, mais plus long du fait que les points d'impact des faisceaux 15 et 16 sur ses faces 26 et 27 sont plus éloignés l'un de l'autre, est fixé sur la face extérieure 49 dudit couvercle 39. Ce couvercle 39 peut avantageusement être réalisé en matériau transparent et n'être pas percé des conduits 44 et 45. Dans ce cas, il peut recevoir un traitement antireflets sur sa face interne et le prisme 40 peut être fixé sur la face externe 49 par adhérence moléculaire. A noter que, du fait de l'augmentation de la distance séparant les deux faces 26 et 27, l'angle fait entre eux par les faisceaux 19 et 20 au point 21 est plus important dans cette application au miroir piézoélectrique que dans le cas de l'application à un miroir plan. Il en résulte que le pas des franges est plus petit et que le réseau 23 doit être adapté à ce nouveau pas. Dans les applications ci-dessus décrites, la cellule photoélectrique double 22 équipée d'un réseau 23' est toujours fixée sur une pièce solidaire du bloc optique 1 et, dans le cas d'un gyrolaser activé mécaniquement, les signaux de sortie comportent des composantes de rotation dues au mouvement d'activation. Un perfectionnement à l'invention consiste à fixer l'ensemble cellule 22 et réseau 23 directement sur un support solidaire du boútier du gyrolaser. Dans ce cas, les franges d'interférences crées par les deux faisceaux 19 et 20 se déplaceront sur le réseau 23 du fait du mouvement d'activation et ceci en sens inverse du 0 défilement desdites franges provoqué par la rotation dans l'espace du bloc optique. Pour que la compensation solt parfaite, il faut que l'angle formé par les deux faisceaux 19 et 20 soit adapté. A titre indicatif, la compensation est bien réalisée, dans le cas d'un gyrolaser triangulaire équilatéral de 21 cm de périmètre ayant un miroir moblie piézoélectrique d'une épaisseur totale de 9 mm, si l'angle entre lesdits faisceaux est d'environ 49 degrés. Pour obtenir ce résultat, il faudra généralement diminuer la distance séparant l'ensemble réseau 23 cellule 22 du prisme 40 ainsi que le montrent les figures 9 et 10. Sur ces figures 9 et 10, un bottier est schématsé par une paroi epaisse 41 sur laquelle est fixé un support 42 pour la cellule 22 et son réseau 23. Ladite cellule et ledit réseau sont rapprochés du prisme 40 de sorte que l'angle entre les faisceaux 19 et 20 soit de 49 degrés. - 10 - REVENDICATIONS 1. Dispositif de mélange et de lecture pour gyrométre à laser du type comprenant: - un bloc optique l(1) comportant au moins une cavité optique, fermée par, au moins trois miroirs, et à l'intérieur de laquelle sont engendrées, grâce à un milieu amplificateur, deux ondes laser inverse, les dites ondes donnant lieu à l'émission vers l'extérieur de faisceaux laser, au travers d'une face extérieure d'au moins l'un des miroirs formant miroir de sortie, - au moins un miroir mobile à moteur piézoélectrique; des moyens d'activation mécanique; - des moyens d'asservissement de la longueur de cavité; - un boitier extérieur. caractérisé en ce qu' il comporte, fixé sur un substrat servant de support au miroir d'o sortent les faisceaux laser, deux éléments réfléchissant, préférentiellement des miroirs, placés devant lesdits faisceaux et formant avec les dits faisceaux un angle tel qu'après réflexion lesdits faisceaux soient sensiblement parallèles au plan formé par la face extérieure dudit substrat et qu'ils se rencontrent en un point situé au voisinage de la périphérie dudit substrat. 2. Dispositif de mélange et de lecture pour gyromètre à laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens réfléchissants sont réalisés sous la forme d'un prisme (25), fixé de préférence par adhérence moléculaire, sur une face extérieure (38) d'un substrat (13) servant de support à un miroir de sortie (3), ledit prisme étant taillé dans un bareau en matériau - 11 - transparent, de section préférentiellement rectangulaire et ayant, à ses deux extrémités, des faces (26 et 27) orientées selon des angles tels qu'ils assurent la réflexion des faisceaux laser (15 et 16) selon deux faisceaux (19 et 20) sensiblement parallèlement au plan formé par la face extérieure (38) du substrat (13) et qu'ils se rencontrent en un point (21) situé au voisinage de la périphérie dudlt substrat (13). 3. Dispositif de mélange et de lecture pour gyrométre à laser selon la revendication 2, caractérisé en ce que le miroir de sortie est un mobile piézoelectrique comportant un substrat (29), un bilame piézoélectrique (32) et un couvercle (39), ledit b1lame et ledit couvercle étant percés de conduits respectivement (36 et 37) et (45 et 45) inclinés suivant l'angle des faisceaux de sortie, et en ce que le prisme de reflexion est un prisme (25) allongé en fonction de l'épazsseur totale de li'ensemble substrat (12), bilame (32), couvercle (39). 4. Dispositif de mélange et de lecture pour gyromètre à laser selon la revendication 3, caractérisé en ce que le couvercle (39) est réalisé en matériau transparent et en ce que le prisme (40) est adhéré moléculairement sur ledit couvercle. 5. Dispositif de mélange et de lecture pour gyromètre à laser selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les faces (26 et 27) du prisme de réflexion sont recouverte d'un revetement partiellement transmettant et en ce que des cellules photoelectriques (28) sont placées sur lesdites faces. - 12 - 6. Dispositif de mélange et de lecture pour gyrométre & laser selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte, placés au point de convergence (21) des faisceaux (19 et 20), un réseau optique (23) et au moins une cellule photoélectrique (22), ledit réseau et ladite cellule étant rendus solidaire du bloc optique (1) par des moyens de fixations tels qu'une pièce intermédiaire (24). 7. Dispositif de mélange et de lecture pour gyromètre à laser selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'angle formé par les faisceaux (19 -5 et 20) est adapté à la forme et aux dimensions du gyrolaser, ledit angle faisant environ 49 degrés pour un gyrolaser triangulaire équilatéral de 21 cm de périmètre ayant un miroir piézoélectrique de 9 mm d'épaisseur et en ce que le réseau (23) et la cellule (22) sont rendus solidaires du boitier (41) du gyrolaser.