Brevet FR2691261A1 — publié le 19931119

L'invention concerne un dispositif de balayage pour l'émission d'un faisceau laser et la réception d'un faisceau laser renvoyé, par exemple au sein d'un instrument optique appelé "lidar" (acronyme de "Light Detection And5 Ranging") qui est, comme on le sait, l'équivalent du radar dans le domaine des longueurs d'ondes optiques (typiquement entre 0,1 et 15 jam, voire plus). Les lidars peuvent notamment être utilisés, dans des applications spatiales ou non, pour des mesures de paramètres atmosphériques ou de distance Plus généralement les lidars permettent la caractérisation de grandes masses fluides très étendues par compilation de résultats de mesure de paramètres choisis effectuées en de multiples zones de ces masses grâce à un dispositif de balayage. Un tel lidar 1 est représenté aux figures 1 à 3; il comporte: une source laser 2 d'axe d'émission X-X, un télescope 3 d'axe optique Y-Y coplanaire à l'axe X-X, ici schématisé par un bloc présentant une surface concave réfléchissante 4 d'axe confondu avec l'axe optique Y- Y et au foyer duquel est disposé un détecteur 5 de tout type connu approprié porté par une structure de support schémati- sée en 5 A, un miroir de renvoi 6 disposé à l'intersection des axes X-X et Y-Y et perpendiculaire à leur bissectrice en sorte de renvoyer un faisceau laser émis par la source 2 selon l'axe Y-Y, à l'opposé du télescope 3, un miroir de balayage 7 monté pivotant sous l'action d'un moteur schématisé en 8, autour d'un axe de rotation confondu avec l'axe du télescope, interceptant l'axe Y-Y à l'opposé du télescope par rapport au miroir de renvoi, adapté ainsi à intercepter le rayon laser émis par la source laser 2 et renvoyé par le miroir. En pratique l'axe d'émission de la source laser 2 est disposé à 90 par rapport à l'axe optique du télescope et le miroir de balayage est disposé à 450 par rapport à cet axe en sorte de pouvoir envoyer le faisceau laser, lors de son mouvement de rotation (continu ou oscillant) dans un plan transverse à l'axe optique (on parle alors de balayage transverse) et de pouvoir recevoir un faisceau en retour dans ce même plan pour le renvoyer vers la surface réfléchissante du télescope. On appréciera que seul le miroir de balayage est mobile, les autres éléments étant fixes par rapport à un support, par exemple une plateforme de véhicule spatial (non représentée) en orbite autour d'une planète telle que la Terre. La figure 1 représente l'émission d'une impulsion laser tandis que la figure 2 correspond à la réception d'un faisceau en retour par exemple renvoyé par l'atmosphère terrestre. La compensation de l'angle de retard introduit par la rotation du miroir de balayage entre le moment o l'impulsion laser est envoyée par le miroir de balayage vers l'extérieur de l'instrument et le moment o une impulsion en rétour pénètre dans l'instrument pour être réfléchi par le miroir de balayage vers le télescope n'est pas prise en compte dans les schémas des figures 1 à 3 Cette compensation est par exemple obtenue grâce à une pré-inclinaison adéquate de l'axe d'émission de la source laser par rapport à la direction qu'il faudrait lui donner si le miroir de balayage restait fixe entre l'émission et la réception Cet aspect ne faisant pas en soi partie de l'invention ne sera pas plus détaillé ici. On appréciera que, pour que le faisceau laser (plus précisément il s'agit en pratique d'une succession d'impulsions laser) reste sur une portion de cône voire dans un même plan (cas précité d'un balayage transverse) il faut que le faisceau émis par la source intercepte le miroir de balayage en son centre Toutefois on observe à la figure 3 que lors de la réflexion du faisceau émis par la portion centrale du miroir de balayage il se produit des problèmes de lumière parasite avec renvoi par cette portion centrale de rayons parasites orientés dans toutes les directions, notamment vers la surface réfléchissante du télescope puis vers le détecteur 5. Ce flux parasite est difficile à évaluer (il dépend notamment de l'indicatrice de diffusion du miroir et des protections toujours imparfaites du télescope contre les entrées de lumière parasite); pourtant il peut être suffisamment important pour saturer le détecteur du télescope puisque celui-ci est normalement dimensionné en fonction du flux lumineux attendu en retour, de plusieurs ordres de grandeur inférieurs au flux lumineux émis. L'invention vise à pallier les inconvénients précités grâce à une configuration de l'instrument d'émis- sion-réception à balayage qui minimise les flux lumineux parasites susceptibles d'atteindre le détecteur sans pour autant nuire à la qualité du balayage. Elle propose à cet effet un dispositif optique d'émission-réception à balayage comportant une source optique adaptée à émettre un faisceau primaire selon un axe d'émis- sion, un miroir de renvoi disposé sur un axe d'émission en sorte d'intercepter le faisceau primaire et le renvoyer en un faisceau dévié, un télescope ayant un axe optique et un détecteur sur cet axe, et un miroir de balayage monté rotatif autour d'un axe de balayage confondu avec l'axe optique du télescope et présentant une inclinaison non nulle par rapport à cet axe optique, caractérisé en ce que la source optique est disposée à l'opposé du télescope par rapport au miroir de balayage, ledit axe d'émission étant confondu avec l'axe optique du télescope, le miroir de renvoi étant solidaire du miroir de balayage, disposé à 900 par rapport à ce miroir de balayage dans une ouverture centrale ménagée dans celui-ci. Selon des dispositions préférées de l'invention éventuellement combinées: le miroir de balayage et le miroir de renvoi ont, par rapport à l'axe optique du télescope, des inclinaisons sensiblement égales à 450, la source optique est une source laser, le miroir de balayage comporte un tube creux traversé par l'axe d'émission coopérant avec des paliers et un moteur d'entraînement, ce moteur d'entraînement coopère avec ce tube creux par un ensemble pignon et crémaillère, le miroir de balayage et le miroir de renvoi sont entraînés en rotation par un moteur creux. Des objets, caractéristiques et avantages de l'invention ressortent de la description qui suit, donnée à titre d'exemple non limitatif, en regard des dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est un schéma de principe d'un instrument optique d'émission-réception à balayage de type classique, lors de l'émission d'une impulsion laser, la figure 2 est un schéma de principe de cet instrument, lors de la réception d'un faisceau en retour, la figure 3 est un schéma de principe de cet instrument lors de la réflexion d'une impulsion laser qui vient d'être émise sur la portion centrale du miroir de balayage, la figure 4 est un schéma de principe d'un instrument optique d'émission-réception à balayage conforme à 'linvention, et la figure 5 est une vue en perspective du miroir de balayage de l'instrument de la figure 4. L'instrument optique conforme à l'invention repéré par la référence générale 10 a la figure 4 comporte, comme l'instrument optique classique 1 des figures 1 à 3, une source optique 12 adaptée à émettre un faisceau primaire selon un axe d'émission X-X, un miroir de renvoi 16 disposé sur l'axe d'émission en sorte d'intercepter le faisceau primaire et le renvoyer en un faisceau dévié, un télescope d'axe optique Y-Y schématisé en 13, comportant une surface réfléchissante 14 et un détecteur 15 maintenu fixe par rapport à cette surface réfléchissante sur cet axe optique par une structure de support schématisée en 15 A, et un miroir de balayage 17 monté rotatif autour d'un axe de rotation (ou axe de balayage) confondu avec l'axe optique du télescope et présentant par rapport à cet axe optique une inclinaison à 450. L'instrument 10 a ceci de particulier que la source optique 12 est disposée derrière le miroir de bala- yage, c'est-à-dire à l'opposé du télescope et de son détec- teur par rapport au miroir de balayage, en ayant son axe d'émission confondu avec l'axe de rotation du miroir de balayage En outre ce miroir de balayage est évidé en son centre en sorte de présenter une ouverture centrale 17 A Le miroir de renvoi est disposé dans cette ouverture, fixe par rapport à ce miroir de balayage (donc mobile par rapport à la source 12 et au télescope 13), en étant incliné de 900 par rapport à celui-ci. On appréciera que lorsque le miroir de balayage tourne autour de son axe, de façon continue ou oscillante, le miroir de renvoi tourne de même en renvoyant le faisceau émis par la source laser directement vers l'extérieur. En variante non représentée, cette source laser se compose d'une source d'axe d'émission incliné par rapport à l'axe combinée à un second miroir de renvoi adapté à dévier le faisceau émis selon l'axe de rotation. Du fait que la source 12 est disposée à l'opposé du télescope par rapport au miroir de balayage et que le miroir de renvoi forme écran entre la source et le télescope, les problèmes de lumière parasite due à la réflexion du5 faisceau laser vers l'extérieur de l'instrument sont prati- quement supprimés. Pour former un bon écran entre la source et le télescope, le miroir de renvoi est de préférence de section au moins égale, en projection perpendiculairement à l'axe optique X-X/Y-Y, à la section de l'ouverture 17 A Cela n'est toutefois pas une nécessité si le faisceau laser émis par la source est suffisamment bien collimaté. On appréciera que selon l'invention, le miroir de balayage 17 perd une partie de sa surface utile par rapport à l'instrument des figures 1 à 3 (au profit du miroir de renvoi) mais cette perte est en fait tout à fait tolérable puisqu'il y a de toute façon obstruction du faisceau en retour par le détecteur 15 du télescope voire par la struc- ture porteuse 15 A dans le cas considéré ici d'un télescope de type NEWTON; d'autres télescopes de type CASSEGRAIN peuvent être envisagés, ainsi que les configurations centrée (on axis) ou non centrée (off axis) En fait la surface utile perdue par le miroir de balayage au profit du miroir de renvoi est avantageusement choisie équivalente ou inférieure à celle du plan focal (détecteur) du télescope. L'entraînement en rotation du miroir de la figure 4 est assuré par un tube creux 20 solidaire de ce miroir et traversé par l'axe d'émission X- X et coopérant avec des paliers schématisés en 21 et un moteur d'entraînement schématisé en 22, par exemple constitué d'un pignon 23 coopérant avec une couronne 24 ceinturant le tube et formant crémaillère. En variante non représentée, l'entraînement est assuré par un moteur creux de tout type connu approprié (par exemple un moteur du type pas à pas vendu par SAGEM). Il va de soi que la description qui précède n'a été proposée qu'à titre d'exemple non limitatif et que de nombreuses variantes peuvent être proposées par l'homme de l'art sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Dispositif optique d'émission-réception à balayage comportant une source optique ( 12) adaptée à émettre un faisceau primaire selon un axe d'émission, un miroir de 5 renvoi ( 16) disposé sur un axe d'émission en sorte d'inter- cepter le faisceau primaire et le renvoyer en un faisceau dévié, un télescope ( 13) ayant un axe optique et un détecteur ( 15) sur cet axe, et un miroir de balayage ( 17) monté rotatif autour d'un axe de balayage confondu avec l'axe optique du télescope et présentant une inclinaison non nulle par rapport à cet axe optique, caractérisé en ce que la source optique est disposée à l'opposé du télescope par rapport au miroir de balayage, ledit axe d'émission étant confondu avec l'axe optique du télescope, le miroir de renvoi étant solidaire du miroir de balayage, disposé à 90 par rapport à ce miroir de balayage dans une ouverture centrale ménagée dans celui-ci. 2 Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le miroir de balayage et le miroir de renvoi ont, par rapport à l'axe optique du télescope, des inclinai- sons sensiblement égales à 450. 3 Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que la source optique est une source laser. 4 Dispositif selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 3, caractérisé en ce que le miroir de balayage comporte un tube creux ( 20) traversé par l'axe d'émission coopérant avec des paliers et un moteur d'entraînement ( 22). Dispositif selon la revendication 4, caracté- risé en ce que ce moteur d'entraînement coopère avec ce tube creux par un ensemble pignon ( 23) et crémaillère ( 24). 6 Dispositif selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 3, caractérisé en ce que le miroir de balayage et le miroir de renvoi sont entraînés en rotation par un moteur creux.