Brevet FR2638245A1 — publié le 19900427

SYSTEME OPTIQUE A TRANSMISSIBILITE TOTALE L'invention concerne les système optiques, et, plus particulièrement, une lentille à transmissibilité totale pour focaliser tout type de faisceau de rayonnement sur un point focal. Dans les systèmes optiques de la technique existante caractéristique, tels que les télescopes ou les microscopes, les moyens pour focaliser un faisceau de lumière peuvent être soit réflecteurs soit réfracteurs. Dans un système réfracteur, une lentille en verre est utilisée, de façon caractéristique, pour focaliser la lumière sur un point focal. Bien qu'une lentille en verre transmette de façon adéquate la lumière visible ainsi qu'une petite région du spectre des rayonnements infrarouges, une lentille en verre ne peut pas focaliser de façon adéquate une large plage de spectre de rayonnements comprenant les fréquences infrarouges les plus basses et les fréquences de radar. De plus, les lentilles en verre sont opaques aux rayonnements à ces fréquences inférieures. De plus, il n'est pas toujours possible d'utiliser une lentille en verre dans des environnements qui sont hostiles au verre. Des exemples de tels environnements comprennent les environnements à radiations nucléaires élevées, dans lesquelles les lentilles en verre peuvent subir des détériorations dues à l'irradiation et o elles risquent de devenir troubles et opaques. D'autres environnements hostiles pour les lentilles en verre comprennent les gradients thermiques extrêmes, et les situations dans lesquelles on rencontre des chocs mécaniques. Dans un système du type réflecteur caractéristique, tel qu'un télescope réfléchissant, une paire de miroirs peut être disposée de telle sorte que les rayons lumineux qui passent autour de la périphérie extérieure du premier miroir soient réfléchis par un deuxième miroir (qui est concave), et redirigés vers le premier miroir, qui est convexe. Les rayons lumineux sont ensuite réfléchis par le premier miroir et amenés à se focaliser sur un point focal. Si le point focal se situe au-delà du deuxième miroir, les rayons lumineux peuvent traverser une ouverture construite dans le deuxième miroir afin de converger en ce point focal. Egalement, les rayons lumineux peuvent tout d'abord se réfléchir sur un miroir convexe courbe, être redirigés en direction du deuxième miroir concave, être amenés à se focaliser en un point focal après être passés autour de la périphérie extérieure du premier miroir. Pour ces dispositions, les rayons lumineux sont arrêtés dans le milieu du faisceau de lumière par au moins l'un des miroirs. Pour un télescope, cette région de rayons lumineux arrêtés n'est pas importante à cause des grandes tailles et des distances élevées des objets observés. De plus, dans le deuxième type de disposition, les rayons au voisinage de l'axe central peuvent passer autour de la première lentille et atteindre un point focal, mais ils doivent accomplir cela avec un écart angulaire final. Il serait par conséquent avantageux de procurer un dispositif de focalisatlon qui fonctionne pour tout type de faisceau de rayonnement.Un tel dispositif devrait être capable de remédier aux limitations d'une lentille en verre, telles que les aberrations chromatiques associées à l'indice de réfraction du verre dans une lentille en verre. Lors du fonctionnement dans les fréquences inférieures, comme par exemple avec un rayonnement infrarouge, il est souhaitable de limiter l'absorption de toute lumière à un minimum. Certains dispositifs, tels que des dispositifs de vision nocturne, fonctionnent dans la plage infrarouge. Par conséquent, l'absorption de la lumière dans un tel dispositif doit être minimale, voire nulle. De plus, un tel dispositif capable de fonctionner dans un environnement hostile sans affecter les qualités focales de la lentille serait souhaitable. Un objet de la présente invention est par conséquent de procurer un système optique à transmissibilité totale qui réfléchira les rayons lumineux et les focalisera sur un point focal similaire à celui d'une lentille en verre ordinaire. Un objet principal de la présente invention est de procurer un système optique de focalisation qui focalisera tout type de faisceau de rayonnement, tel qu'un faisceau de rayonnement infrarouge. Un avantage de la présente invention est qu'elle procure un système optique qui transmettra tout le faisceau de rayonnement et qui n'absorbera aucune partie du faisceau ou qui ne transmettra aucun rayon tendant à entraîner une aberration chromatique loin du point focal. Les objets ci-dessus sont atteints par la présente invention, selon laquelle, brièvement énoncé, un appareil pour focaliser un faisceau de rayonnement globalement parallèle en un point focal comporte un ensemble de quatre réflecteurs coopérant pour focaliser le faisceau de rayonnement en un point. Les quatre réflecteurs se composent de: un premier réflecteur ayant une surface réfléchissante extérieure globalement en forme de cône orientée de telle sorte que l'axe de celle- ci soit globalement parallèle au faisceau; un deuxième réflecteur ayant une surface réfléchissante intérieure globalement paraboloide qui entoure globalement le premier réflecteur et qui possède une ouverture pour admettre le faisceau de rayonnement vers le premier réflecteur; un troisième réflecteur butant contre le deuxième réflecteur et ayant une surface réfléchissante intérieure globalement en forme de cône, le troisième réflecteur ayant une ouverture formée par le retrait de son sommet pour la transmission du faisceau de rayonnement focalisé à travers celui-ci, et les deuxèleme et troisième surfaces réfléchissantes ayant une marge contiguë; et un quatrième réflecteur ayant une surface réfléchissante extérieure globalement en forme de cône, lequel est globalement entouré par le troisième réflecteur et bute contre le premier réflecteur et l'axe de celui-ci étant globalement parallèle au faisceau, les première et quatrième surfaces réfléchissantes ayant une marge contiguë. Divers autres objets, caractéristiques, et avantages de l'invention vont apparaître de façon plus évidente en lisant la description détaillée qui suit prise conjointement avec les dessins, qui sont montrés à titre d'exemple uniquement, dans lesquels: la figure 1 est une vue de bout de la lentille à transmissibilité totale de la présente invention; la figure 2 est une vue latérale du dispositif de la présente invention prise le long de la ligne II-II de la figure 1; la figure 3 est une vue de bout d'une deuxième réalisation de la présente invention; la figure 4 est une vue latérale du dispositif de la figure 3 prise le long de la ligne IV-IV; et la figure 5 est une représentation schématique d'un exemple de l'utilisation du dispositif de la présente invention lors de l'inspection d'une cuve de réacteur nucléaire. Si l'on se réfère à présent aux dessins en détail, les figures I et 2 montrent une réalisation de la présente invention, un système optique 10 à transmissibilité totale. Le système optique ou lentille 10 comporte un ensemble de réflecteurs courbes ou miroirs disposés de telle sorte qu'un faisceau parallèle 12 de rayonnement, comme représenté en figure 2 par les rayons A et B, se réfléchisse à travers la lentille et viennent se focaliser en point focal 14 sur le côté opposé. La totalité des mirois individuels comporte des courbes de révolution, courbés symétriquement autour d'un axe central. Dans la première réalisation 11, un élément extérieur 17 se compose d'un premier réflecteur 20 ayant globalement la forme d'un segment creux de paraboloide de révolution et d'un deuxième réflecteur 23 ayant globalement la forme d'un tronc de cône creux. La base 26 des deux réflecteurs 20, 23 est réunie de telle sorte que deux ouvertures 29, 32, respectivement soient pratiquées aux extrémités opposées de l'élément extérieur 17. Coaxialement disposé à l'intérieur de l'élément extérieur 17 se trouve un élément intérieur 35. L'élément intérieur se compose de plus de deux réflecteurs 38, 41 globalement coniques qui sont également réunis en leurs bases respectives 44. Avec cette disposition, les réflecteurs coniques 38, 41 ont leurs axes globalement parallèles au faisceau 12 et les sommets respectifs 47, 50 de l'élément intérieur 35 sont directement opposés, de telle sorte que chacun des sommets 47, 50 des réflecteurs coniques 38, 41 est disposé au voisinage de l'une des ouvertures 29, 32 du premier réflecteur 20 et du deuxième réflecteur 23 de l'élément extérieur 17. On dispose comme moyen pour fixer l'élément intérieur 35 à l'intérieur de l'élément extérieur 17 une pluralité d'éléments fins ou palettes d'araignée 53. De préférence, trois de ces palettes d'araignée 53 sont fixées entre l'élément intérieur 35 et l'élément extérieur 17, de telle sorte qu'une quantité minimale de rayons dans le faisceau 12 de rayonnement soient arrêtés. En figure 2, le faisceau 12 de rayonnement globalement parallèle, tel qu'un faisceau infrarouge, est montré, entrant dans l'appareil sur un côté 56 adjacent au réflecteur paraboloide 20 de l'élément extérieur 17. Le faisceau 12 pénètre dans l'appareil 11 et est réfléchi par un premier réflecteur, l'un des réflecteurs coniques 38 de l'élément intérieur 35, dans la direction se dirigeant vers le réflecteur paraboloide 20 de l'élément extérieur 17. Après s'être réfléchi sur le deuxième réflecteur 20, le faisceau 12 est ensuite réfléchi à partir de celui-ci dans une direction se dirigeant vers un troisième réflecteur, le réflecteur 23 en tronc de cône de l'élément extérieur 17. Les rayons sont ensuite réfléchis vers un quatrième réflecteur, l'autre réflecteur conique 41 de l'élément intérieur 35, et ils sont finalement réfléchis par l'autre réflecteur conique 41 à travers l'autre des ouvertures 32 de l'élément extérieur 17 de façon à être focalisés en un point focal 14 sur le côté opposé 59. La figure 2 montre également que les rayons A au voisinage de l'axe central 62 de l'ensemble 11 atteignent le point focal 14 sans aucun écart angulaire final. Cet ensemble 11 se comporte optiquement de la même façon qu'une lentille de verre, parce que pratiquement la totalité du rayonnement ou de la lumière le traverse, à l'exception de celle qui peut être bloquée par les palettes d'araignée 53 fines, et parce que les rayons A et B convergent sur un point focal 14 de la même façon que si ils traversaient une lentille de verre mais sans aucune aberration chromatique. Les figures 3 et 4 montrent une deuxième réalisation d'un système optique ou lentille 111 de la présente invention dans lequel le faisceau de rayonnement 12 ayant des rayons, de façon caractéristique, de toutes radiations, comme représenté par les rayons A' et B', est focalisé en un point focal 114. Dans cette réalisation 111, le réflecteur fait du segment creux paraboloide de révolution 120 de l'élément extérieur 117 a été tourné de ' de telle sorte que le faisceau 12 de rayonnement pénètre dans l'élément extérieur 117 à travers l'ouverture 132 adjacente au réflecteur tronconique creux 123 de l'élément extérieur 117. Comme dans l'autre réalisation, les réflecteurs 120, 123 de l'élément extérieur 117 ont une marge contiguë 126 à leurs bases. Dans cette réalisation 111, l'élément intérieur 135, au point 136 o les bases respectives 144 des réflecteurs coniques 138, 141 sont réunies, est raccourci ou coupé à cause de la façon dont les rayons du faisceau 12 de rayonnement sont réfléchis à l'intérieur de la lentille 111. Dans cette réalisation, le faisceau 12 de rayonnement pénètre dans la lentille par l'ouverture 132 sur un côté 156 adjacent au réflecteur tronconique 123 et est d'abord réfléchi par l'un des réflecteurs coniques 141 de l'élément intérieur 135 dans une direction dirigée vers le deuxième réflecteur, le réflecteur extérieur tronconique 123. Les rayons sont ensuite réfléchis dans une direction dirigée vers le troisième réflecteur, le réflecteur paraboloide 120 de l'élément extérieur 117, et réfléchis dans une direction dirigée vers le troisième réflecteur, l'autre réflecteur conique 138 de l'élément intérieur 135. Le faisceau 12 de rayonnement est ensuite amené à se focaliser au point focal 114 après avoir été dirigé à travers l'autre ouverture 129 sur le côté opposé 159 de la lentille 111 par le quatrième réflecteur, l'autre réflecteur conique 138. A cause de la façon dont les rayons voisins de l'axe central 162 de la lentille 111, comme représenté par le rayon A', sont réfléchis par le premier réflecteur 138 au voisinage de son sommet 147 et par le quatrième réflecteur 141 au voisinage de son - sommât 150, les extrémités 165 des bases 144 des réflecteurs coniques 138, 141 doivent être raccourcies. De cette façon, la totalité des rayons du faisceau 12 de rayonnement peuvent être amenés à se focaliser au point focal 114, et il est possible que seuls les rayons arrêtés par les palettes d'araignée 153 fines soient arrêtés. Dans les réalisations 11, 111 de l'invention 10, l'emplacement du point focal 14, 114 va se déplacer vers la gauche, par rapport aux figures, au fur et à mesure que la taille du paraboloide augmente, parce que, au fur et à mesure que la taille du paraboloide augmente, sa courbure va décroître. Cependant, l'augmentation de la taille de la parabole ne nécessite pas le déplacement du réflecteur paraboloide 20, 120 de l'élément extérieur 17, 117 radialement vers l'extérieur. Le système optique 10 à transmissibilité totale de la présente invention a comme principal avantage par rapport à une lentille en verre le fait qu'il fonctionne sur tout le spectre de rayonnement. De plus, le dispositif de la présente invention possède un deuxième avantage par rapport à une lentille en verre du fait de l'absence de toute aberration chromatique associée à l'indice de réfraction d'une lentille en verre. De plus, aucune lumière n'est absorbée par la lentille 10 à transmissibilité totale; seuls les rayons lumineux qui peuvent être arrêtés par les palettes d'araignée 53, 153 fines (qui sont montrées agrandies par rapport aux éléments pour la clarté des figures) peuvent ne pas être transmis. De préférence, la lentille 10 à transmissibilité totale sera faite en un matériau métallique hautement poli, tel que l'acier inoxydable ou le chrome, qui ne sera pas affecté par son utilisation dans un environnement hostile. Par conséquent, un environnement irradié n'affectera pas la transmissibilité de la lentille à cause du fait que sa surface ne deviendra pas opaque comme le deviendrait celle d'une lentille en verre. Des environnements hostiles similaires, tels que ceux comportant des gradients thermiques ou dans lesquels des chocs mécaniques sont présents, n'affecteront pas la lentille 10 à transmissibilité totale faite en un tel matériau métallique durable. On peut trouver un exemple d'une telle utilisation à l'intérieur d'un microscope ou d'une caméra, ou d'un quelconque dispositif optique similaire, utilisé pour examiner l'intérieur d'une cuve 200 de réacteur (voir figure 5). La cuve 200 de réacteur est située à l'intérieur d'un bâtiment 203 de confinement en béton caractéristique. Comme une cuve 200 de réacteur, et le bâtiment 203 de confinement, définissent un environnement irradéle, les inspections à l'intérieur de ceux-ci sont de préférence effectuées à partir d'un emplacement éloigné. Ceci est possible avec la lentille 10 à transmissibilité totale de la présente invention. Une caméra 206 ayant un système optique 209 à transmissibilité totale associé avec celle-ci est descendue dans la cuve 200 de réacteur, qui est généralement maintenue sous l'eau à l'intérieur d'une cavité 212 de réacteur du bâtiment 203 de confinement durant des opérations de maintenance caractéristiques telles que le rechargement en combustible, au moyen d'un outil 215 à long manche qui peut être manipulé par une grue située au-dessus de celui- ci (non représentée). L'image reçue par la caméra 206 sera envoyée à un dispositif de visualisation tel qu'un écran de télévision (non représenté) en un emplacement éloigné au moyen d'un câble 218 et enregistrée pour l'analyse et l'évaluation de la cuve 200 de réacteur. De cette façon, l'intérieur de la cuve 200 de réacteur, ainsi que les composants associés tels que les équipements internes du réacteur et les assemblages combustibles (non représentés) peuvent être inspectés à partir d'un emplacement éloigné, sans qu'il soit besoin de retirer périodiquement la caméra 206 pour remplacer une lentille en verre classique qui peut être devenue opaque à cause de son utilisation dans un environnement irradié. On doit comprendre qu'un tel système optique peut également être utilisé pour observer d'autres opérations de maintenance qui sont exécutées, telles que le rechargement en combustible du coeur du réacteur, en plus de l'inspection de la cuve 200 de réacteur elle-même; ainsi que d'autres composants d'une installation qui peut être située à l'intérieur d'un environnement dangereux. Lorsqu'on l'utilise dans un télescope, le système optique ou lentille 10 à transmissibilité totale a, comme avantage par rapport à une lentille en verre, le fait que substantiellement la totalité de la lumière visible est réfléchie et amenée à se focaliser au point focal 14, 114. Comme l'observation de la plupart des objets célestes doit nécessairement être effectuée la nuit, la réflexion de substantiellement toute la lumière disponible à partir d'un tel objet distant est importante. Egalement, pour avoir une vue claire d'un tel objet distant, la focalisation de la lentille du télescope doit être telle qu'aucune aberration ne doit être présente dans l'image produite. Une autre situation dans laquelle la lentille 10 à transmissibilité totale de la présente invention est avantageuse est son utilisation dans un dispositif de vision nocturne. Dans un tel dispositif, le rayonnement infrarouge émis par des objets peut être utilisé pour visualiser ces objets. Comme la lentille 10 à transmissibilité totale peut être utilisée dans une large plage de spectre de rayonnement, elle offre un avantage significatif par rapport à une lentille en verre. Tout type de faisceau de rayonnement peut être amené à se focaliser en un point focal par sa réflexion à l'intérieur de la lentille 10 à transmissibilité totale. La variété d'applications pour différents types de lentilles est énorme. La lentille 10 à transmissibilité totale offre des avantages significatifs, tels que pour l'utilisation dans un microscope, par rapport aux lentilles en verre du fait qu'elle n'absorbera pas une partie significative de la lumière dans une lentille en verre comme cela est commun avec les lentilles caractéristiques de la technique existante. Bien que les réalisations spécifiques de l'invention aient été décrites en détail, l'homme de l'art appréciera le fait que différentes modifications et altérations pourront être développées à la lumière des enseignements généraux de la description. En conséquence, les dispositions particulières exposées le sont dans un but uniquement illustratif et non pas limitatif, l'étendue d'applicabilité de l'invention devant avoir la pleine étendue des revendications jointes, ainsi que de n'importe lequel ou que de la totalité des équivalents de celle-ci. REVENDICATIONS 1. Appareil (10) pour focaliser un faisceau (12) de rayonnement globalement parallèle en un point focal (14), caractérisé en ce que ledit appareil de focalisation (10) comporte: un premier reflecteur (38) ayant une surface réfléchissante extérieure de forme globalement conique, la surface réfléchissante conique étant orientée de telle sorte que l'axe de celle-ci solt globalement parallèle au faisceau; un deuxième réflecteur (20) ayant une surface réfléchissante intérieure globalement paraboloide qui entoure globalement le premier réflecteur et qui possède une ouverture (29) pour transmettre le faisceau (12) de rayonnement à travers celle-ci; un troisième réflecteur (23) butant contre le deuxième réflecteur et ayant une surface réfléchissante intérieure de forme globalement conique, le troisième réflecteur ayant une ouverture (32) formée par le retrait de son sommet pour la transmission du faisceau de rayonnement focalisé à travers celle-ci et lesdites deuxième et troisième surfaces réfléchissantes ayant une marge contiguë (26); et un quatrième réflecteur (41) globalement entouré par le troisième réflecteur butant contre le premier réflecteur et ayant une surface réfléchissante extérieure globalement en forme de cône, l'axe de celle-ci étant globalement parallèle au faisceau, et lesdites première et quatrième surfaces réfléchissantes ayant une marge contiguë (44), les quatre réflecteurs coopérant de façon à focaliser le faisceau de rayonnement en un point. 2. Appareil de focalisation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le sommet (45) du premier réflecteur (38) est orienté en direction du faisceau parallèle (12) non focalisé, et en ce que le sommet (50) du quatrième réflecteur (41) est orienté en direction du point focal (14) du faisceau focalisé (62). 3. Appareil de focalisation (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le sommet (50) du quatrième réflecteur (41) est orienté en direction du faisceau parallèle (12) non focalisé, et en ce que le sommet (47) du premier réflecteur (38) est orienté en direction du point focal (14) du faisceau focalisé (62). 4. Appareil de focalisation (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits quatre réflecteurs (20,23,38,41) sont construits en un matériau métallique. 5. Dispositif d'inspection pour une cuve (200) de réacteur nucléaire, caractérisé en ce que ledit dispositif d'inspection comporte une caméra (206) ayant un système optique pour transmettre et focaliser substantiellement la totalité d'un faisceau de lumière à travers celle-ci et construit en un matériau qui est substantiellement résistant aux radiations, des moyens (215) pour positionner la camera (206) à l'intérieur de la cuve de réacteur (200), et des moyens pour visualiser les images reçues par la caméra (200) en un emplacement éloigné, dans lequel ledit système optique à transmissibilité totale comporte de plus: un premier réflecteur (38) ayant une surface refléchissante extérieure de forme globalement conique, la surface réfléchissante conique étant orientée de telle sorte que l'axe de celle-ci est globalement parallèle au faisceau de lumière; un deuxième réflecteur (20) ayant une surface réfléchissante intérieure globalement paraboloide qui entoure globalement le premier réflecteur et qui possède une ouverture (29) pour transmettre le faisceau lumineux à travers celle-ci; un troisième réflecteur (23) butant contre le deuxième réflecteur et ayant une surface réfléchissante intérieure globalement en forme de cône, le troisième réflecteur ayant une ouverture (32) formée par le retrait de son sommet pour la transmission du faisceau de lumière focalisé à travers celle-ci et lesdits deuxième et troisième surfaces réfléchissantes ayant une marge contiguë (26); et un quatrième réflecteur (41) globalement entouré par le troisième réflecteur butant contre le premier réflecteur et ayant une surface réfléchissante extérieure globalement en forme de cône, l'axe de celle-ci étant globalement parallèle au faisceau de lumière, et lesdites première et quatrième surfaces réfléchissantes ayant une marge contiguë (44), les quatre réflecteurs coopérant de façon à focaliser le faisceau de lumière en un point. 6. Dispositif d'inspection de cuve de réacteur nucléaire selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits réflecteurs du système optique à transmissibilité totale sont construits en acier inoxydable. 7. Dispositif d'inspection de cuve de réacteur nucléaire selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits réflecteurs du système optique à transmissibilité totale sont construits en chrome. 8. Dispositif d'inspection de cuve de réacteur nucléaire selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte de plus des moyens pour mémoriser lesdites images reçues par la caméra.