Brevet FR2690532A1 — publié le 19931029

DISPOSITIF DE POINTAGE POUR APPAREIL OPTIQUE L'invention se rapporte principalement à un dispositif de pointage pour appareil optique. II existe de nombreux dispositifs de pointage pour orienter l'axe optique d'un appareil dans une direction désirée. Notamment, il est connu d'asservir le pointage d'un autodirecteur en site et en gisement sur la position d'une cible. Toutefois, les dispositifs de pointage connus présentent de nombreux inconvénients. Souvent, on ne peut effectuer le pointage que dans un petit angle solide, la précision du pointage est faible et l'inertie importante ne permettant pas de suivre une cible évoluant rapidement dans le champ de vision du dispositif optique.Par exemple pour établir une liaison de communication entre satellites en modulant un faisceau laser sur une distance pouvant atteindre plusieurs dizaines de milliers de kilomètres, il est primordial de pouvoir orienter l'émetteur et(ou le récepteur dans une direction à priori quelconque correspondant à l'attitude à laquelle on s'attend à trouver le satellite, d'assurer l'acquisition du satellite, puis pendant toute la durée de la communication, pendant laquelle les deux satellites se déplacent, d'assurer la stabilisation de la liaison en assurant la poursuite du faisceau. Durant cette poursuite, I'imprécision du pointage doit être inférieure à une partie de la divergence du faisceau laser. C'est par conséquent un but de la présente invention d'offrir un dispositif de pointage pour appareil optique permettant d'orienter l'axe optique de l'appareil dans un grand angle solide, par exemple correspondant à une hémisphère. C'est aussi un but de la présente invention d'offrir un dispositif de pointage pour appareil optique ayant une bande-passante mécanique importante, au moins lors de la réalisation d'un pointage fin. C'est également un but de la présente invention d'offrir un dispositif de pointage pour appareil optique extrêmement précis. C'est aussi un but de la présente invention d'offrir un dispositif de pointage pour appareil optique extrêmement fiable, susceptible de travailler pendant de longues périodes dans un environnement hostile, notamment à bord d'un satellite. C'est également un but de la présente invention d'offrir un dispositif compact de pointage pour appareil optique. C'est aussi un but de la présente invention d'offrir un dispositif de pointage pour appareil optique comportant plusieurs modes de fonctionnement, par exemple un mode de recherche de cibles, un mode de détection de cibles, un mode d'acquisition de cibles et/ou un mode de poursuite de cibles. C'est également un but de la présente invention d'offrir un dispositif de pointage comportant un minimum d'éléments optiques susceptibles de dégrader un faisceau lumineux reçu ou un faisceau lumineux à émettre. C'est aussi un but de la présente invention d'offrir un dispositif de pointage particulièrement bien adapté aux appareils optiques ayant une pupille de sortie de petit diamètre. Ces buts sont atteints par un dispositif selon l'invention susceptible d'être disposé à la sortie d'un appareil optique et comportant deux miroirs susceptibles d'être orientés selon deux axes orthogonaux, au moins un des miroirs étant munis d'un dispositif de pointage fin avec une déviation limitée et une bande-passante mécanique importante. Ainsi, on réalise un pointage grossier ou approximatif d'un appareil optique dans un grand angle solide avec une bande-passante mécanique limitée et l'on apporte des corrections à ce pointage avec une très grande précision et avec une large bande-passante mécanique mais dans un angle solide limité. L'invention a principalement pour objet un dispositif de pointage pour appareil optique comportant un premier miroir tournant autour d'un premier axe et un second miroir tournant autour d'un second axe perpendiculaire audit premier axe, caractérisé en ce que le premier et le second miroirs tournant autour des deux axes perpendiculaires constituent un dispositif de pointage approximatif et en ce qu'ils comportent un dispositif de pointage fin comprenant des actionneurs pour modifier l'inclinaison d'un miroir selon deux axes perpendiculaires. L'invention a également pour objet un dispositif, caractérisé en ce qu'il comporte un premier manchon coudé monté tournant à la sortie de l'appareil optique, I'axe optique dudit appareil optique et l'axe de rotation du premier manchon coudé étant confondus, ledit premier manchon coudé portant le premier miroir incliné sensiblement à 45" par rapport audit axe optique et un second manchon coudé monté tournant autour de la sortie du premier manchon, ledit second manchon portant le second miroir sensiblement incliné à 45" par rapport à l'axe optique à la sortie dudit premier manchon coudé. L'invention a également pour objet un dispositif, caractérisé en ce que le dispositif de pointage fin est susceptible de modifier l'inclinaison du premier miroir. L'invention a également pour objet un dispositif, caractérisé en ce que le dispositif de pointage approximatif est orientable dans un angle solide hémisphérique et que le dispositif de pointage fin est orientable dans un angle solide de + 2 sur + 2". L'invention a également pour objet un dispositif, caractérisé en ce que le dispositif de pointage approximatif a une bande-passante mécanique inférieure à 10 Hz et en ce que le dispositif de pointage fin a une bande-passante mécanique supérieure à 100 Hz, de préférence supérieure ou égale à 1000 Hz. L'invention a également pour objet un dispositif, caractérisé en ce que le dispositif de pointage fin comporte une plaque-support du miroir orientable et des tiges flexibles reliant la plaque support aux actionneurs. L'invention a égaiement pour objet un dispositif, caractérisé en ce qu'il comporte des membranes de suspension de la plaque support du miroir et/ou des pièces mobiles des actionneurs. L'invention a également pour objet un dispositif, caractérisé en ce que le dispositif de pointage fin comporte un cardan motorisé par des actionneurs. L'invention a également pour objet un dispositif, caractérisé en ce que les actionneurs comportent des codeurs de position. L'invention a également pour objet un dispositif de pointage, caractérisé en ce que sa pupille d'entrée a un diamètre inférieur ou égal à 50 mm. L'invention sera mieux comprise au moyen de la description ci-après et des figures annexées données comme des exemples non limitatifs et sur lesquelles: - la figure 1 est une vue en coupe d'un exemple de réalisation du dispositif selon la présente invention - la figure 2 est une vue de côté d'un premier exemple de réalisation d'un dispositif de pointage de miroirs susceptible d'être mis en oeuvre dans le dispositif selon la présente invention - la figure 3 est une vue de dessus du dispositif de la figure 2; - la figure 4 est une vue de côté d'un second dispositif d'orientation de miroirs susceptible d'être mis en oeuvre dans le dispositif selon la présente invention - la figure 5 est une vue de dessus du dispositif de la figure 4. Sur les figures 1 à 5, on a utilisé les mêmes références pour désigner les mêmes éléments. Sur la figure 1, on peut voir un exemple de réalisation d'un dispositif selon l'invention comportant un premier miroir plan 1 monté à rotation et entraîné par un premier moteur 2 autour d'un premier axe 3 avec un angle oc et un second miroir plan 4 monté à rotation et entraîné par un second moteur 5 autour d'un second axe 6 avec un angle ss perpendiculaire au premier axe 3. Le premier miroir 1 est incliné à 45" par rapport à un axe optique 7 d'un faisceau 8 à la sortie d'un appareil optique, par exemple d'un télescope afocal dont seule la lentille frontale 9 est représentée en pointillé sur la figure. L'axe 3 de rotation du premier miroir 1 et l'axe optique 7 du faisceau 8 à la sortie de l'appareil optique sont confondus.Après réflexion sur un premier miroir 1, un axe 10 du faisceau 8 est sensiblement orthogonal à l'axe 7 du faisceau 8 avant réflexion. De même, I'axe 6 de rotation du second miroir 4 et l'axe optique 10 du faisceau 8 après réflexion sur le premier miroir 1 sont confondus. Le second miroir 4 est incliné à 45 par rapport à l'axe optique 10 du faisceau 8 après réflexion sur un premier miroir 1. Le miroir 1 est porté par un coude d'un premier manchon coudé 12 entraîné en rotation par le moteur 2, par exemple par le moteurcouple à courant continu comportant un codeur de position ou un moteur pas à pas, par rapport à un dispositif de fixation 13 en forme de brides. Le miroir 4 est porté par un coude d'un deuxième manchon coudé 14, le moteur 5 par exemple du même type que le moteur 2 assurant la rotation du deuxième manchon 14 autour de l'extrémité avant du premier manchon 12. Le deuxième manchon 14 se termine par un conduit 15 sensiblement cylindrique formant pare-soleil. La rotation des manchons 12 et 14 permet d'orienter l'axe optique 1 1 dans un grand angle solide avec une bande-passante mécanique faible, par exemple limitée à 10 Hz et une précision moyenne, par exemple égale 0,1". La grande bande-passante et la haute précision sont conférées au dispositif selon l'invention par au moins un dispositif de pointage fin permettant de faire varier l'inclinaison d'au moins des miroirs 1 et/ou 2. L'exemple de réalisation avantageux illustré sur la figure 1 comporte un dispositif de pointage fin 16 susceptible de modifier légèrement, par exemple à + 2 l'inclinaison du premier miroir 1 avec une bande-passante mécanique importante, par exemple égale à 1 kHz. Avantageusement, le dispositif de pointage fin 16 oriente le premier miroir 1 selon deux axes orthogonaux 17 et 18 perpendiculaires entre eux et à la normale 19 au plan du miroir 1 symbolisé par les flèches 20 et 21. Le dispositif 16 comporte par exemple un mécanisme à suspension par membrane illustré sur les figures 2 et 3 ou un mécanisme à cardan illustré sur les figures 4 et 5. Le dispositif de la figure 1 comporte un joint tournant, par exemple à bagues collectrices pour assurer l'alimentation électrique et l'échange d'information avec les dispositifs de pointage fin 16 et pour assurer l'alimentation électrique du moteur 5. Le dispositif des figures 2 et 3 comporte quatre actionneurs 22, 23, 24 et 25 régulièrement répartis autour d'une plaque support 26 du miroir 1 auquel ils sont reliés par des tiges flexibles 27. Le centre de la plaque d'un support 26 est relié par une tige pivot 28 à un support central 29. Chacun des actionneurs 22 à 25 comporte une partie fixe ou stator 30 de forme cylindrique dans laquelle coulisse un équipage mobile 31 également de forme cylindrique et dont l'extrémité supérieure est solidarisée avec une des tiges flexibles 27. Dans l'exemple avantageux illustré sur les figures 2 et 3, la suspension de pièces mobiles 26 et 31 est assurée par des membranes 32 à 34 tendues sur un boîtier 35 du dispositif 16.La membrane 32 tendue entre le boîtier 35 et une base 36 d'un cylindre annulaire 37 solidarisé avec le centre de la face inférieure de la plaque support 26 et comportant quatre ouvertures de passage 38 des tiges 27 assurant la suspension de la plaque support 26. La membrane 33 est tendue entre le boîtier 35, le support central 29 et les extrémités supérieures des équipages mobiles 31 dont elle assure la suspension La membrane 34 est tendue entre le boîtier 35, le support central 29 et les extrémités inférieures des équipages mobiles 31 dont elle assure la suspension. Une plaque annulaire 39 limite le mouvement de la plaque support 27. Les éléments flexibles 27, 28, 32, 33 et 34 sont réalisés en alliage métallique élastique par exemple i'acier à ressort et/ou un alliage de béryllium et du cuivre. Les actionneurs 22 à 25 sont, par exemple, des actionneurs électromagnétiques ou piézo-électriques, chacun comportant avantageusement un codeur de position numérique, ou de préférence analogique, intégré. Au repos, c'est-à-dire lorsque le miroir 1 est incliné à 45" par rapport à l'axe optique 7, les tiges flexibles 27 sont orthogonales à la plaque support 26, les membranes 32 à 34 sont planes (en apesanteur) et les équipages mobiles 31 de tous les actionneurs 22 à 25 ont la même position relative par rapport à leurs stators 30. Les actionneurs 22 et 23 d'une part, et 24 et 25 d'autre part sont montés en opposition, c'est-à-dire que quand l'actionneur 23 tire un bord de la plaque support 26, I'actionneur 22 pousse le bord opposé de cette plaque. Les performances suivantes ont été obtenues avec un premier exemple de réalisation du dispositif de pointage fin 16 des figures 2 et 3: - inclinaison maximale + 0,160 rad pour une consommation inférieure à 0,5 W (statique) - accélération maximale supérieure à : 40000 rad/s2 pour une consommation de 20 W et supérieure à 5000 rad/s2 pour une consommation de 0,3 W; - précision de pointage + 0,2 mrad - réponse en fréquence (mécanique) plate jusqu'à 290 Hz, pas de résonance jusqu'à 1200 Hz, - masse ::500 g Avec un deuxième exemple de réalisation - inclinaison maximale + 0,015 rad pour une consommation inférieure à 0,001 W; - accélération maximale supérieure à 5000 rad/s2 pour une consommation inférieure à 0,1 W; - précision de pointage :+ 0,05 mrad - réponse en fréquence (mécanique) plate jusqu'à 15 Hz, pas de résonance jusqu'à 5000 Hz, - masse :150 g. Avec un dispositif de pointage de la figure 1 selon l'invention, on a obtenu une précision de pointage de 4 Rrad pour une déflexion maximale de 2 lIrad, ce qui correspond à une dynamique de 1570000 et de 785000 pour une déflexion de farad. Le pointage fin est obtenu par des corrections d'orientation du miroir 1 par le dispositif de pointage fin 16, par exemple avec une précision de 4 rad. Un circuit électronique, non représenté, reçoit, d'une part, les signaux de correction de pointage provenant d'un dispositif de poursuite comportant par exemple quatre détecteurs photo-électriques de la position du faisceau reçu et, d'autre part, les positions relatives des divers équipages mobiles 31 des actionneurs 22 à 25 et élabore des consignes d'asservissement de position des équipages mobiles des actionneurs 22 à 25 permettant d'obtenir un pointage extrêmement précis et de suivre en site et en gisement les faisceaux provenant d'un satellite ou émis vers un satellite dont l'attitude varie avec le temps. Dans le cas d'évolution de faible amplitude, par exemple inférieure à 2 et/ou très rapide, par exemple entre un millième et un dixième de secondes, le dispositif de pointage fin 16 intervient seul pour apporter une correction de pointage. Pour des corrections à long terme, par exemple supérieures aux dixièmes de secondes et pour les grandes amplitudes, le pointage est obtenu par rotation des miroirs 1 et/ou 4 autour des axes 3 et/ou 6 combinée avec le mouvement du miroir 1 entraîné par les dispositifs de pointage fin 16. Les dispositifs de pointage fin 16 à cardan des figures 4 et 5 comportent un support fixe 41 susceptible d'être solidarisé avec le manchon coudé 12 de la figure 1 aux points 42 par quatre pattes de fixation 43 réparties régulièrement à sa périphérie. Une première plate-forme 44 est montée sur le support fixe 41 sur deux paliers 45 alignés selon un axe de rotation 46. La plaque support 26 du miroir 1 formant une seconde plate-forme est montée sur la première plate-forme 44 sur deux paliers 47 alignés selon un axe de rotation 48 orthogonal à l'axe 46. Un premier actionneur 49 avantageusement muni d'un codeur de position permet d'orienter le miroir 1 par rotation d'un angle Y autour de l'axe 46. Un deuxième actionneur 50 avantageusement muni d'un codeur de position permet d'orienter le miroir 1 par rotation d'un angle 6 autour de l'axe 48. La présente invention est particulièrement performante associée à des appareils optiques ayant un faible diamètre optique, par exemple inférieur ou égal à 50 mm. Le dispositif selon la présente invention est particulièrement fiable grâce au faible nombre de pièces mobiles. Le faisceau 8 est uniquement réfléchi par deux miroirs 1 et 4, ce qui réduit au minimum les déformations du front d'onde. La configuration optique de l'appareil optique qui ne comporte plus les éléments mobiles 1 et 4 peut être simplifiée et miniaturisée. De même, L'appareil optique 9 peut être simplifié et optimisé d'un point de vue optique, dans la mesure où il peut avoir un angle de champ faible à la réception. De même, les performances sur l'axe peuvent être optimisées à l'émission. L'invention s'applique à tout appareil optique nécessitant une grande précision de pointage avec une large bande-passante mécanique. L'invention s'applique principalement à un dispositif de communication par satellite par faisceau laser modulé tel que décrit dans une Demande de Brevet déposée au nom de la Demanderesse simultanément avec cette Demande. REVENDICATIONS 1. Dispositif de pointage pour appareil optique (9) comportant un premier miroir (1) tournant autour d'un premier axe (3) et un second miroir (4) tournant autour d'un second axe (6) perpendiculaire audit premier axe (3), caractérisé en ce que le premier et le second miroirs tournant autour de deux axes perpendiculaires constituent un dispositif de pointage approximatif et en ce qu'ils comportent un dispositif de pointage fin (16) comprenant des actionneurs (22,23,24,25,49,50) pour modifier l'inclinaison d'un miroir (1) selon deux axes perpendiculaires. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un premier manchon coudé (12) monté tournant à la sortie de l'appareil optique (9), I'axe optique (7) dudit appareil optique (9) et l'axe (3) de rotation du premier manchon coudé (12) étant confondu, ledit premier manchon coudé (12) portant le premier miroir incliné sensiblement à 45" par rapport audit axe optique (7) et un second manchon coudé (14) monté tournant autour de la sortie du premier manchon (12), ledit second manchon (14) portant le second miroir (4) sensiblement incliné à 45" par rapport à l'axe optique (10) à la sortie dudit premier manchon coudé (12). 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le dispositif de pointage fin (16) est susceptible de modifier l'inclinaison du premier miroir (1). 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de pointage approximatif est orientable dans un angle solide hémisphérique et que le dispositif de pointage fin (16) est orientable dans un angle solide de + 2 sur + 2". 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de pointage approximatif a une bande-passante mécanique inférieure à 10 Hz et en ce que le dispositif de pointage fin (16) a une bande-passante mécanique supérieure à 100 Hz, de préférence supérieure ou égale à 1000 Hz. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de pointage fin (16) comporte une plaque-support (26) du miroir orientable (1) et des tiges flexibles (27) reliant la plaque support (26) aux actionneurs (22,23,24,25). 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte des membranes (32,33,34) de suspension de la plaque support (26) du miroir (1) et/ou des pièces mobiles (31) des actionneurs (22,23,24,25). 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le dispositif de pointage fin (16) comporte un cardan motorisé par des actionneurs (49,50). 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les actionneurs (22,23,24,25,49,50) comportent des codeurs de position. 10. Dispositif de pointage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que sa pupille d'entrée a un diamètre inférieur ou égal à 50 mm.