Brevet FR2712707A1 — publié le 19950524

i La présente invention concerne un appareil pour commander la direction d'un faisceau de rayonnement optique, et en particulier un appareil de ce type comportant des moyens pour corriger l'aberration chromatique. Il est fréquemment nécessaire de faire varier la direction d'un faisceau de rayonnement optique, qui peut Wtre un faisceau émis par une source ou un faisceau incident sur un récepteur. La manière la plus simple de faire varier la direction du faisceau consiste à déplacer la source ou le récepteur eux-mimes, en mme temps que tout élément optique associé. Cependant, ceci n'est pas possible dans de nombreux cas du fait de la dimension ou de la complexité de la source ou du récepteur, et il faut prévoir des moyens pour déplacer le faisceau de manière indépendante. On peut, par exemple, utiliser pour commander la direction du faisceau une paire de miroirs susceptibles de tourner autour d'axes perpendiculaires l'un par rapport à l'autre. Cependant, la masse des miroirs crée des problèmes du fait du temps de réponse relativement lent. On connaît des moyens permettant de faire varier la direction d'un faisceau de rayonnement optique en utilisant une paire de prismes, d'angle au sommet petit, susceptibles de tourner indépendamment l'un de l'autre autour d'un axe optique perpendiculaire au plan bissecteur de l'angle au sommet de chaque prisme. On peut trouver des exemples de tels appareils dans les brevets britanniques ne 1 457 116 et 1 521 931, ou dans les brevets américains 3 378 687 et 3 827 787. Chacun de ces documents décrit le dispositif ci- dessus de deux prismes rotatifs. Malheureusement, la dispersion provoquée par les deux prismes dans de tels dispositifs produit de l'aberration chromatique. Bien que cela puisse ne pas #tre tellement important dans certains systèmes, cela crée réellement des problèmes là o on utilise une radiation non- monochromatique, particulièrement si l'appareil comprend un récepteur de rayonnement sensible à une large bande de fréquences de rayonnement, ce qui peut Etre le cas pour certains systèmes & laser accordables et avec les appareils de thermographie. Le but de l'invention est de proposer un appareil pour commander la direction d'un faisceau de rayonnement optique dans lequel le problème d'aberration chromatique est considérablement réduit. Selon la présente invention, on propose un appareil pour commander la direction d'un faisceau de rayonnement optique, comprenant un premier et un second prismes ayant chacun un angle au sommet petit et montés de manière & pouvoir tourner autour d'un axe optique commun qui passe sensiblement par les centres des faces principales des prismes, caractérisé en ce qu'il comprend un troisième prisme réalisé en un matériau présentant un indice de réfraction plus petit, une dispersion plus grande et ayant un angle au sommet plus petit par rapport à l'un ou l'autre des premier et second prismes, le troisième prisme étant monté de manière à pouvoir tourner autour dudit axe optique commun qui passe sensiblement par les centres de ses faces principales, des moyens d'entraînement adaptés pour faire tourner chaque prisme de manière indépendante autour de l'axe optique commun, des moyens faisant office de capteurs adaptés pour déterminer la position angulaire de chaque prisme par rapport à une direction de référence et des moyens de commande capables, en réponse à la position angulaire de chaque prisme et à des signaux indiquant la direction désirée pour le faisceau de rayonnement optique, de faire tourner les prismes jusqu'aux positions nécessaires tout en positionnant le troisième prisme de telle façon que la déflexion angulaire qu'il provoque soit opposée à la somme des vecteurs des déflexions provoquées par le premier et le second prismes. Les "faces principales" des prismes mentionnées ci- dessus sont les deux faces qui définissent l'angle au sommet de chaque prisme. On va maintenant décrire l'invention en référence aux dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 est un diagramme schématique illustrant le fonctionnement d'un mode de réalisation de l'invention, - la figure 2 est un diagramme schématique illustrant les caractéristiques principales d'un appareil selon un mode de réalisation de l'invention, et - la figure 3 est un schéma de réalisation d'un circuit de commande du mouvement du troisième prisme utilisé dans l'appareil de la figure 2. La figure 1 représente un premier et un second prismes déviateurs 10 et 11 disposés avec un axe optique commun 12 passant par les centres des faces principales des deux prismes. Chaque prisme a un angle au sommet petit, mème si dans les figures on a enlevé le sommet de chaque prisme. On place entre les deux prismes 10 et 11 un prisme correcteur 13 ayant également l'axe optique commun 12 qui passe par les centres de ses faces principales. Le prisme 13 est réalisé en un matériau qui a un indice de réfraction plus bas et une dispersion plus élevée par rapport à l'un quelconque des prismes 10 et 11. Le prisme 13 a également un angle au sommet plus petit par rapport aux prismes 10 et 11. Chacun des prismes 10 et 11 produit une certaine déflexion angulaire qui dépend de l'angle au sommet du prisme et de l'indice de réfraction du matériau dans lequel est réalisé le prisme. La dispersion résulte du fait que les composantes du rayonnement optique qui ont la plus courte longueur d'onde sont plus réfractées que les composantes qui ont une longueur d'onde plus grande, lorsque le rayonnement traverse chacun des prismes, et ceci provoque l'aberration chromatique. Le prisme 13, qui a un indice de réfraction plus bas et un angle au sommet plus petit par rapport aux prismes et 11, provoque une déflexion angulaire du rayonnement plus faible mais une dispersion plus importante. Si l'on choisit correctement les paramètres qui le caractérisent, il y a une disposition angulaire des trois prismes qui va provoquer une annulation complète de la dispersion et par conséquent de l'aberration chromatique pour une incidence normale sur le premier prisme. Ceci est représenté sur la figure 1, dans laquelle le rayon en trait plein correspond & la radiation ayant la longueur d'onde la plus grande alors que le rayon en tirets correspond à la radiation ayant la longueur d'onde la plus courte. On peut utiliser la technique décrite ci-dessus pour n'importe quelle longueur d'onde optique en prenant des prismes qui présentent les paramètres appropriés. On peut, uniquement à titre d'exemple, utiliser cette disposition dans la bande de longueur d'onde pour thermographie de 8 à 12 microns, en prenant des prismes 10 et 11 réalisés en germanium et présentant chacun un angle au sommet de 5 . Le troisième prisme 13 est réalisé en sulfure de zinc et présente un angle au sommet de 0,30 seulement. Une telle disposition donne un angle de déviation du rayonnement de 30- avec une aberration chromatique angulaire maximale de 0,3 milliradiants. En comparaison, on peut obtenir un angle de déviation maximal de 15 sans troisième prisme en s'autorisant la même aberration chromatique maximale. La disposition schématique de la figure 1 représente un rayonnement pénétrant dans le système optique selon l'axe optique 12 et quittant ce système en faisant un angle avec l'axe optique. Telle serait la situation obtenue avec un émetteur de rayonnement, tel qu'un laser, situé sur l'axe optique. Dans le cas d'un récepteur ou détecteur placé sur l'axe optique, c'est le rayonnement incident que l'on dévie de manière à balayer un champ de vision. La figure 2 représente, également sous forme schématique, une manière de réaliser et commander le mouvement des prismes. Le prisme 10 est monté dans un support rotatif 20, dont une partie seulement est représentée. Une couronne à denture extérieure est fixée à ce support 20. Le support peut tourner autour de l'axe optique 12 sous l'action d'un moteur d'entraînement 21, qui est représenté entraînant le support 20 par l'intermédiaire d'un pignon denté s'engrenant sur la couronne à denture extérieure. On a prévu un capteur 22 pour mesurer la position angulaire du prisme 10 et du support 20 par rapport à une certaine direction de référence. De même, le prisme 11 est monté dans un support 23 qu peut tourner sous l'action d'un moteur 24 et comporte un capteur 25, et le prisme 13 est monté dans un support 26 qui peut tourner sous l'action d'un moteur 27 et comporte un capteur 28. Chacun des moteurs et des capteurs est relié & un circuit de commande 29 auquel on peut appliquer un signal de demande D indiquant la direction désirée pour le faisceau de rayonnement 15. Dans le but d'obtenir la meilleure correction d'aberration chromatique, il est nécessaire de s'assurer que la déflexion angulaire provoquée par le prisme correcteur 13 est dans la direction opposée à celle de la somme des vecteurs des déflexions provoquées par les prismes déviateurs et 11. Le circuit de commande 29 doit, par conséquent, s'assurer que cette relation est maintenue à tout instant. Les circuits nécessaires pour déplacer les deux prismes déviateurs 10 et 11, et les formules mathématiques qui sont impliquées, sont entièrement décrits dans notre brevet britannique n 1 521 931 mentionné plus haut, et il n'est pas nécessaire de les répéter ici. On a également décrit en détail dans ce brevet un circuit prévu pour traiter la situation qui se produit lorsque sin (î-^) est égal à zéro, OE et C étant les positions angulaires des deux prismes déviateurs 10 et 11. Il faut cependant des circuits complémentaires pour commander la position du prisme correcteur 13 de la façon décrite ci-dessus; ces circuits sont représentés sur la figure 3. La figure 3 représente un circuit analogique du même type que les circuits de commande représentés dans le brevet britannique précité. Dans la figure 3 de ce brevet antérieur, chacun des deux prismes déviateurs est monté dans un support rotatif que peut faire tourner un moteur et qui est associé à un capteur qui génère des signaux analogiques indiquant le sinus et le cosinus de l'angle entre la position du prisme déviateur et la direction de référence. Comme on l'a déjà expliqué, le prisme correcteur 13 doit #tre aligné selon un angle tel que la déflexion qu'il provoque soit dans la direction opposée à celle de la somme des vecteurs des déflexions provoquées par les deux prismes déviateurs. Si î et A sont les angles des deux prismes déviateurs par rapport à une référence, comme dans la figure 3 du brevet britannique I 521 931, la direction O du vecteur de déflexion résultant est donnée par les deux formules: Sin& sino + sinA Sine =___ V(sino + sinp) + (coso + cos8) cos oc + cos$s Cos@= = X 20V(sino + sinp)2 + (CosoC+ cos")2 On arrive facilement à entraîner le prisme correcteur jusqu'à l'angle (9 + 180 ) en utilisant un dispositif à retour de signal dont la référence est à 180' de celle des selsyns équipant les prismes déviateurs, et en utilisant sin 9 et cos e pour entraîner le prisme correcteur. En référence maintenant à la figure 3, deux selsyns et 31 mesurent les positions angulaires des prismes déviateurs. Leurs sorties sont démodulées par des démodulateurs 32 et 33 pour donner des signaux continus représentant les sinus et les cosinus de ces deux angles. Les deux signaux de sinus sont appliqués à un amplificateur d'addition 34 tandis que les deux signaux de cosinus sont appliqués à un second amplificateur d'addition 35. La sortie de chaque amplificateur d'addition est appliquée à un circuit séparé d'élévation au carré, respectivement 36 et 37, et les sorties de ces derniers circuits sont additionnées dans un amplificateur d'addition 38. Finalement, la sortie de l'amplificateur d'addition 38 passe dans un circuit "racine carrée" 39, dont la sortie représente le dénominateur de chacune des deux formules mathématiques données ci-dessus. Un diviseur 40 reçoit à la fois la sortie de l'amplificateur d'addition 34, représentant (sin î + sin >), et la sortie du circuit racine carrée 39. La sortie du diviseur 40 représente donc sin O. De même, un second diviseur 41 reçoit la sortie de l'amplificateur d'addition 35 et la sortie du circuit racine carrée 39. La sortie du diviseur 41 représente donc cos O. Les sorties des deux diviseurs 40 et 41 passent dans des modulateurs séparés qui les transforment en signaux alternatifs qui sont transformes sous forme triphasée pour entraîner un dispositif de synchronisation 44 au moyen d'un transformateur SCOTT 45. La sortie du dispositif de synchronisation est démodulée par un démodulateur 46 et passe dans un amplificateur de servomécanisme 47 pour tre appliquée au servomoteur 48 qui entraîne à la fois le prisme correcteur et le rotor du dispositif de synchronisation 44. La correction de 180 à appliquer aux angles a et C est effectuée en maintenant l'alignement mécanique nécessaire entre le prisme correcteur et le rotor du dispositif de synchronisation 44. On verra donc que le circuit ci-dessus fonctionne d'une manière telle que les positions des deux prismes déviateurs commandent la position du prisme correcteur. Certains des composants du circuit que l'on vient de décrire figurent déjà dans le schéma de circuit du brevet britannique n 1 521 931. Il est clair que l'on peut utiliser, pour commander les trois prismes, des circuits numériques à la place des circuits analogiques mentionnés. Dans la disposition représentée sur les figures 1 et 2, le prisme correcteur 13 a été placé entre les deux prismes déviateurs 10 et 11. Cette disposition n'est pas essentielle, même si elle peut itre préférable dans certaines situations, et il est possible de placer le prisme correcteur à l'une ou l'autre des extrémités du dispositif à trois prismes. Pareillement, même si on a représenté les trois prismes ayant leurs faces principales sensiblement perpendiculaires à l'axe optique de l'appareil, les trois prismes ou l'un quelconque d'entre eux peut Otre disposé selon un angle différent par rapport à l'axe optique. On peut utiliser d'autres dispositifs de supportage et d'entraînement des prismes, différents de ceux de la figure 2, et des circuits de commande différents. En particulier, on peut utiliser des circuits de commande numériques à la place des circuits analogiques de la figure 3. REVENDICATIONS 1. Appareil pour commander la direction d'un faisceau de rayonnement optique, comprenant un premier et un second prismes (10, 11) ayant chacun un angle au sommet petit et montés de manière à pouvoir tourner autour d'un axe optique commun (12) qui passe sensiblement par les centres des faces principales des prismes (10, 11), caractérisé en ce qu'il comprend un troisième prisme (13) réalisé en un matériau présentant un indice de réfraction plus petit, une dispersion plus grande et ayant un angle au sommet plus petit par rapport à l'un ou l'autre des premier et second prismes (10, 11), le troisième prisme (13) étant monté de manière à pouvoir tourner autour dudit axe optique commun (12) qui passe sensiblement par les centres de ses faces principales, des moyens d'entraînement (21, 24, 27) adaptés pour faire tourner chaque prisme (10, 11, 13) de manière indépendante autour de l'axe optique commun (12), des moyens faisant office de capteurs (22, 25, 28) adaptés pour déterminer la position angulaire de chaque prisme (10, 11, 13) par rapport à une direction de référence, et des moyens de commande (29) capables, en réponse à la position angulaire de chaque prisme (10, 11, 13) et à des signaux indiquant la direction désirée pour le faisceau de rayonnement optique (15), de faire tourner les prismes (10, 11, 13) jusqu'aux positions nécessaires tout en positionnant le troisième prisme (13) de telle façon que la déflexion angulaire qu'il provoque soit opposée à la somme des vecteurs des déflexions provoquées par le premier et le second prismes (10, 11). 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque prisme (10, 11, 13) est monté sur un support (20, 23, 26) auquel est fixée une couronne à denture extérieure. 3. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens d'entraînement (21, 24, 27) comprennent, pour chaque prisme (10, 11, 13), un pignon denté s'engrenant sur la couronne à denture extérieure, un moteur (21, 24, 27) * (11 0oi) sawsT-d puoaas al;a jaTwaid aI aiua meld 4sa (úI) awsTid awlTsToJ; al anb am ua gsTi4meJem 6S e T suoTiemTpuaAaj ST sap anbuomlanb aun,! uolas ITa.edd ' 9 * uepuodsaiJoD (ú1 "Tl 'OT) awsrtd np uoT-e-uatJo-I o a a-uaaij-a ap UOT4mailp el aiua al6ueT ap snuTsom al la snutS al 4ualuasgJdaJ Tnb aT;jos ap xneu6Ts sap iTuunoi V aJQTuew ap Oa gsTlegJ Isa (8Z 'SZ 'ZZ) Jna4dem anbeqm anb am ua gsTJg3eien 4t no ú suoT;emipua^aJ sap aun.T uolas ITaJeddU S uAs eas un puaJdwoD (8Z 'Z eZZ) sJnaqdeD sap unmeqm anb an ua gsti-nDJeD &ú uoT4eDtpua^aj el uolas lTaoeddf 't -auaiJdi ap uolTaiTp aun V;JoddeJ Jed (úT 6 601>) awsTjd np aJTeInbue uoix-sod el eauxwjap Jnod sqdepe (8OZ SZ 4) sinaqden ap axTJ+o :uesie. suaAow sap la iuou6td ael jau3eJua e uo5eô ap qsodsTp T01 /1Z/T /7