Brevet FR2669427A1 — publié le 19920522

DISPOSITIF DE CONTROLE D'ALIGNEMENT DE DEUX VOIES OPTIQUES ET SYSTEME DE DESIGNATION LASER EQUIPE D'UN TEL DISPOSITIF DE CONTROLE L'invention se rapporte au domaine de la désignation d'objectif par guidage laser pour les systèmes d'armes, et a plus particulièrement pour objet un dispositif de contrôle de l'alignement de deux voies optiques d'un système de désignation laser ou "pod" (ce terme signifiant nacelle en langue anglo-saxonne) de désignation de cible par guidage laser; à savoir une voie optique infrarouge (de longueurs d'onde de 8 à 12 micromètres) et une voie laser ( 1 à 2 micromètres), et un système de désignation laser équipé d'un tel dispositif de contrôle. Dans des conditions d'environnement sévères, notamment de température et de vibration, la désignation de cible par guidage laser du projectile est avantageusement effectuée grâce à un "pod" disposé en emport externe de l'aéronef et comportant une voie d'imagerie à détection infrarouge permettant de localiser la cible et une voie laser "verrouillée" sur la voie d'imagerie Ce verrouillage suppose le parfait alignement entre les deux voies, c'est-à-dire le parfait parallélisme de leurs axes optiques définissant alors une même ligne de visée Or cette harmonisation, effectuée sur banc de test en usine, doit pouvoir être contrôlée en cours de mission. Pour aligner les axes optiques d'un laser et d'un détecteur infrarouge d'un système optron Ique de désignation de cible, le brevet US 4 422 758 met en oeuvre, tel qu'illustré figure 1, un dispositif optique composé de miroirs 1 à 5; ce dispositif est destiné à focaliser le faisceau laser FL sur une céramique réfractaire 6 pour y créer un point chaud et à collimater le rayonnement infrarouge FI Issu de ce point chaud sur la voie d'imagerie La position de l'image du point chaud sur la voie d'imagerie permet de mesurer les erreurs d'alignement des deux voies. Un premier inconvénient majeur de cette solution réside dans le type de matériau utilisé pour la mettre en oeuvre, à savoir une céramique réfractaire: ce matériau présente une faible rémanence et ne s'échauffe ni facilement ni rapidement, ce qui nécessite la Localisation d'une énergie importante sur la céramique Ces conditions d'utilisation le rendent difficilement applicable du fait: de la nature impulsionnelle du faisceau laser, nécessitant une rémanence de luminosité entre deux impulsions; de la mise en oeuvre, dans les caméras thermiques à balayage, d'un système de déflexion de la ligne de visée n'adressant la mosaïque de détecteurs que pendant un temps très bref; et de la durée du test d'alignement, qui ne doit pas dépasser quelques secondes alors que le matériau utilisé s'échauffe avec difficulté. Un autre inconvénient majeur résulte des erreurs de parallélisme des voies laser et infrarouge engendrées par les erreurs d'inclinaison des supports des miroirs du dispositif optique; pour résoudre ce problème, l'art antérieur propose un procédé de réglage au sol en trois étapes faisant intervenir notamment, un télescope Un tel réglage est fragile et ne peut être conservé dans les conditions de contraintes évoquées. Un dernier inconvénient est relatif à l'organisation des miroirs 1 à 5 du système optique qui confère à l'ensemble un encombrement en fait incompatible avec l'espace disponible. Pour pallier ces inconvénients, l'invention propose un dispositif de contrôle de l'alignement des deux voies optiques, laser et infrarouge, conçu de façon à n'introduire aucune erreur de parallélisme et reposant sur la formation d'un point chaud par échauffement localisé d'un film polyamide disposé dans un dispositif d'avancée fiable. Plus précisément, l'invention a pour objet un dispositif de contrôle de l'alignement de deux voies optiques, une voie de visée à faisceau laser et une voie d'imagerie infrarouge, comprenant des moyens de conversion du faisceau laser en un faisceau infrarouge parallèle et des moyens pour aligner la voie d'imagerie infrarouge sur le faisceau converti, caractérisé en ce qu'il se présente sous la forme d'un boîtier optique portant les moyens de conversion et en ce que ces moyens de conversion sont constitués d'une cassette contenant un film polyimide en bande et d'un ensemble d'éléments réfléchissants. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui suit en référence aux figures annexées représentant respectivement: la figure 1, le dispositif d'alignement de l'Art Antérieur la figure 2, le schéma d'implantation général du système selon l'invention; la figure 3, le trajet optique des faisceaux laser et infrarouge; la figure 4, un premier mode de réalisation du boîtier de contrôle d'alignement; la figure 5, un second mode de réalisation du boîtier de contrôle d'alignement. La figure 2 illustre le schéma d'implantation du système de contrôle selon l'invention dans un "pod" de désignation laser elle représente un capot suiveur contenant une tête optique 12 d'orientation de la ligne de visée, constituée de dispositifs afocaux 7 et 8, respectivement pour la voie laser et de la voie infrarouge, les faisceaux FL et FI des rayonnements laser et infrarouge, FL émergeant du dispositif afocal 7 pour venir sur le boîtier de contrôle d'alignement 9 et FI sortant du boîtier 9 pour retourner parallèlement à FL vers le dispositif afocal 8, le boîtier 9 contenant un système optique 10 de focalisation et de collimation et un film polylmide 11 La tête optique 12 est retournée afin de faire face au boîtier 9 Ainsi, le système optique 10 se comporte comme un coin de cube en convertissant le faisceau laser incident FL en un faisceau infrarouge FI qui émerge, collimaté, strictement parallèlement au faisceau FL Le faisceau FI forme l'image du point chaud sur le film 11 par focalisation sur le détecteur d'une caméra thermique 13 L'erreur d'alignement entre les deux voies est alors mesurée par écartométrie, c'est-à-dire par l'écart entre la position de cette image ainsi détectée et sa position théorique située, en cas de parallélisme parfait des 2 voies, au point de référence du détecteur. Le boîtier de contrôle d'alignement 9 est disposé avantageusement dans la zone o la ligne de visée se trouve lors de l'impact du projectile sur la cible, c'est-à-dire à l'arrière de la tête optique d'orientation de la ligne de visée 12 contenant les optiques de tête 7 et 8 et en avant de l'ensemble caméra thermique 13 et laser 14 formant un banc optique Afin de corriger le défaut d'harmonisation, l'orientation de l'axe optique de la voie infrarouge est modifiée au moyen d'un miroir de renvoi (non représenté) jusqu'à annuler l'écart mesuré Un tel miroir peut être monté classiquement sur cales piézoélectriques entre la tête optique 8 et la caméra thermique 13. L'agencement des différents miroirs du système optique 10, définissant le trajet optique entre le faisceau laser incident FL et le faisceau infrarouge émergeant FI, et du film polyimide 11 est représenté sur la figure 3: le faisceau incident EL est d'abord coudé par un miroir d'entrée 18, puis traverse un miroir dichroique 19, transparent dans la bande 1-2 pm; il est ensuite focalisé sur le film polyimide 11, après réflexion successivement sur des miroirs plans 15 et 16 et sur un miroir sphérique de focalisation 17 qui renvoie le faisceau sur le miroir 16 avant de traverser le miroir 15 grâce à un trou central T destiné à laisser passer le faisceau laser, le film 11 étant situé en arrière du miroir 15 L'échauffement du film polylmide provoque l'apparition d'un point chaud dont le rayonnement infrarouge est collimaté, pour former le faisceau infrarouge FI transmis par la succession inverse des miroirs 16-17-16-15; le faisceau FI est enfin dévié vers un miroir de sortie infrarouge 21 après réflexion sur le miroir dichroique 19, qui réfléchit les radiations de la bande 8-12 pim, et sur un miroir 20. Cependant, un film polyimide d'épaisseur quelconque n'est pas utilisable pour une telle application L'épaisseur du film est en effet une caractéristique fondamentale qu'il convient d'ajuster avec précision car elle commande la rapidité d'apparition de la tache formant l'impact du laser sur le film (encore appelé "point chaud"), l'intensité du rayonnement infrarouge émis, la rémanence et la durée d'exploitation de cette tache Un film trop fin (typiquement d'épaisseur inférieure à 25 pim) brûle trop vite (après moins d'une seconde d'exposition) pour pouvoir être exploitable; d'un autre côté, un film trop épais (typiquement d'épaisseur supérieure à 100 Pim) s'échauffe lentement, et forme une tache qui présente une luminosité et une rémanence insuffisantes (moins de 20 ms) Un film de polyimide d'épaisseur comprise entre 25 et 100 pim, en particulier de 50 pum, est un bon choix car il remplit les qualités requises (rémanence, durée d'exploitation, luminosité). Un mode de réalisation du boîtier de contrôle d'alignement selon l'invention, dans lequel sont montés les éléments décrits en référence à la figure 3, est représentée schématiquement à la figure 4 Il se présente structurellement sous la forme de 2 demi-boîtiers I et II de forme complémentaire, de façon à s'emboîter l'un dans l'autre, et d'une cassette III contenant le film polylmide Sur le premier demi-boîtier I sont prévus des plans de pose pour supporter les éléments (miroirs 15 à 17 et film polyimide 11) communs aux deux trajets optiques, à savoir le trajet du faisceau laser et le trajet du faisceau infrarouge (symbolisés respectivement sur la figure 2 par une simple et une double flèche); sur le second demi-boîtier II, sont prévus des plans de pose pour supporter les éléments optiques (miroirs 18 à 21) non communs aux deux voies, c'est-à-dire propres soit au trajet du faisceau infrarouge, soit au trajet du faisceau laser. Pour minimiser les défauts introduits par le positionnement approximatif des éléments optiques non communs aux deux voies, deux impératifs sont ainsi respectés grâce au boîtier selon l'invention: le nombre d'éléments non communs est minimal dans l'exemple de réalisation, et compte-tenu de la nécessité d'un encombrement minimal obtenu grâce au coudage des faisceaux d'entrée et de sortie, il est de quatre (un miroir d'entrée laser 18, trois miroirs de sortie infrarouge 19 à 21), les miroirs non communs aux deux voies sont montés sur la même pièce mécanique (demi-boîtier II), ce qui permet d'usiner ensemble les plans de pose des miroirs 19 et 20, d'une part, et ceux des miroirs 18 et 21, d'autre part Une grande précision d'alignement de ces miroirs est ainsi obtenue (de l'ordre de 100 Tgrd), fournissant un parallélisme entre les voies optiques d'entrée et de sortie quasi parfait. Le souci de précision qui commande à l'élaboration du demi-boîtier II n'est plus de rigueur avec l'élaboration des plans de pose des éléments optiques du demi-boîtier I: en effet, les faisceaux FL et FI restent parfaitement parallèles dans cette partie du fait que les éléments optiques intervenant ne font que définir un seul et même trajet géométrique pour les deux voies laser et infrarouge, seuls les sens de propagation des faisceaux FL et FI étant inversés: les miroirs rapportés sur les plans de pose de ce demi-boîtier I forment un même système optique de focalisation ou de collimation suivant le sens du trajet optique suivi. La cassette III contenant le film de polyimide est intégré au demiboîtier I, contenant les éléments optiques communs aux 2 voies Le film de polyhmide choisi, dont l'épaisseur (comprise entre 25 et 100 pim) a été déterminée à partir de caractéristiques optiques, ne peut être utilisé plus d'une fois dans les conditions d'utilisation mises en oeuvre (c'est-à-dire avec un laser de puissance supérieure à quelques MW) Cet obstacle est franchi précisément par la mise en place d'une telle cassette présentant deux axes Ai et A 2 sur lesquels est embobiné le film de polyimide qui présente, avec une épaisseur comprise entre 25 et 75 pim, une souplesse suffisante. Entre deux tests d'alignement, la bande est avancée de quelques millimètres. Cependant, une adaptation spécifique doit être optimisée afin de rendre exploitable un tel matériel dans les conditions sévères d'utilisation (en particulier dans un environnement vibratoire). Dans ce but, il convient impérativement de solidariser les axes de bobinage avec le bâti du pod porteur du boîtier de contrôle 9 et de mettre en place un cliquet anti-retour agissant sur la bande polyimide, afin de conserver au film une tension suffisante et constante De plus, l'association d'un des axes de bobinage avec un opto-coupleur de recopie de position permet de vérifier la bonne avancée du film; il est alors nécessaire de supprimer le jeu sur l'axe de recopie grâce à une légère surpression, formée lors de la mise en place de la cassette; En variante, le dispositif d'alignement selon l'invention peut équiper en version simplifiée un système de désignation laser à voie optique finale commune, la tête optique de déflexion de la ligne de visée étant commune aux voies laser ( 1 à 2 pin) et infrarouge (dans la bande de longueur d'onde 3-5 pim ou 8-12 pim) ultérieurement séparées grâce à un séparateur optique, par exemple un miroir dichroïque Dans ces conditions, le boîtier d'alignement se compose principalement, comme illustré par la figure 5, du miroir d'entrée 18, du miroir troué 15 et du miroir sphérique 17 associé à une lentille convergente 16 ', les miroirs de sortie 19 à 21 n'étant plus nécessaires Le faisceau converti FI ressort coaxialement au faisceau laser incident FL via le miroir 18 qui sert de miroir d'entrée/sortie. L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés, en particulier: le matériau utilisé pour le miroir sphérique peut être en aluminium comme la structure du boîtier support afin d'éviter toute défocalisation thermique, l'homme du métier peut mettre en oeuvre un réglage fin de l'alignement des deux voies, après usinage du boîtier, à l'aide de prismes diasporamètres placés sur la voie laser (en particulier devant le miroir d'entrée), lorsque le faisceau laser focalise trop précisément sur le film polylmide, il se produit un phénomène de "claquage" dû à l'ionisation de l'air environnant et aucune tache n'apparaît, il peut alors être prévu de défocaliser légèrement le faisceau laser sur l'axe optique (de 1 à 3 mm) grâce à une lentille de grande focale placée à l'entrée de la vole laser. REVENDICATIONS 1 Système de contrôle d'alignement de deux voies optiques, une voie de visée à faisceau laser et une voie d'imagerie infrarouge, comprenant des moyens de conversion du faisceau laser en un faisceau infrarouge parallèle au faisceau laser et des moyens pour aligner la voie d'imagerie infrarouge sur le faisceau résultant de la conversion, caractérisé en ce qu'il comporte un boîtier optique ( 9) contenant les moyens de conversion, constitués d'une cassette (III) contenant un film polyimide en bande ( 11) associé à un ensemble optique ( 10) pour la focalisation du faisceau laser et la collimation du faisceau infrarouge résultant de la conversion. 2 Dispositif de contrôle d'alignement selon la revendication 1 appliqué à deux voies optiques séparées, l'ensemble optique ( 10) étant composé d'un sous-ensemble d'éléments réfléchissants communs aux deux voies optiques et d'un sous-ensemble d'éléments réfléchissants propres à l'une ou à l'autre de ces deux voies, caractérisé en ce que le boîtier ( 9) est formé de deux demi-boîtiers, un premier demi-boîtier (I) portant les éléments réfléchissants ( 15 à 17) communs aux deux voies optiques et un second demi-boîtier (II), portant les éléments réfléchissants ( 18 à 21) propres à l'une ou à l'autre des deux voies optiques, en ce que le sous-ensemble d'éléments réfléchissants propres à l'une ou à l'autre des deux voies constitue un système optique à voies d'entrée/sortie parallèles coiposé d'un miroir d'entrée ( 18) destiné à couder le faisceau laser incident FL et de trois miroirs de sortie ( 19, 20, 21), destinés à couder le faisceau infrarouge émergent FI, et en ce que le sous-ensemble d'éléments réfléchissants communs aux deux voies est composé de miroirs ( 15, 16 et 17) destinés à la focalisation du faisceau laser FL sur le film polyimide ( 11) et à la collimation du faisceau infrarouge FI émis par le film polyimide ( 11). 3 Dispositif de contrôle d'alignement selon la revendication 1 appliqué à deux voies optiques d'axes confondus, caractérisé en ce que ledit ensemble optique ( 10) comporte un miroir d'entrée ( 18) pour le faisceau laser incident FL et de miroirs ( 15, 16 ', 17) destinés à la focalisation du faisceau FL sur le film polyimide ( 11) et à la collimation du faisceau FI émis par le film polyimide ( 11), le faisceau FI émergeant en sortie coaxialement au faisceau FL incident par le même miroir ( 18). 4 Dispositif de contrôle selon la revendication 1, caractérisé en ce que le film polyimide ( 11) a une épaisseur comprise entre 25 et 75 pin et est embobiné sous forme de bande dans la cassette (III) intégrée au demi-boîtier de contrôle d'alignement (I) et équipée de moyens d'avancée du film. Dispositif de contrôle selon la revendication 4, caractérisé en ce que la cassette (III) comporte deux axes (A 1) et (A 2) pour embobiner le film de polyimide ( 11), ces axes étant solidarisés au bâti du "pod", un cliquet anti-retour pour assurer une tension suffisante à la bande de polyimide et un opto-coupleur en recopie de position pour contrôler l'avancée du film. 6 Dispositif de contrôle selon les revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que le boîtier ( 9) et le miroir ( 17) de focalisation/collimation sont en aluminium. 7 Dispositif de contrôle selon les revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que le parallélisme des faisceaux incident et émergeant FL et FI est affiné à l'aide de prismes diasporamétres placés sur le trajet du faisceau laser. 8 Dispositif de contrôle selon les revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que le faisceau laser est défocalisé de i à 3 mm par rapport à la focale du miroir de focalisation/collimation ( 17). 9 Système de désignation de cible par guidage laser, comportant notamment une tête optique ( 12) d'orientation de la ligne de visée constitué d'au moins un dispositif afocal pour une voie laser et une voie infrarouge et un banc optique constitué d'une caméra thermique ( 13) et d'une source laser ( 14), caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de contrôle d'alignement ( 9) selon l'une des revendications précédentes, disposé entre la tête de visée ( 12) et le banc optique de façon à convertir le faisceau laser FL, provenant du système afocal, en un faisceau infrarouge FI d'axe rigoureusement parallèle ou confondu avec celui du faisceau laser FL et transmis au système afocal lorsque la tête optique de visée ( 12) est retournée.