Brevet FR2726371A1 — publié le 19960503

La présente invention concerne une cible rétroréfléchissante. L'invention concerne notamment une cible, également appelée réflecteur ou rétroréflecteur, qui peut être utilisée dans le cadre d'opérations de mesures de distances ou de positions au moyen d'une installation de mesure faisant appel à un faisceau lumineux de mesure et/ou de pointage. Une telle cible a pour fonction, lorsqu'elle est atteinte par un faisceau lumineux incident, de provoquer la réflexion au moins partielle du faisceau incident en direction d'un récepteur optique ou photo-électrique. La cible assure la réflexion parallèle du faisceau lumineux incident qui est reçu, sous la forme d'un faisceau réfléchi dans le direction du faisceau incident, par un appareil de mesure, ou par un composant d'une installation de mesure. Une cible rétroréfléchissante peut par exemple être utilisée en géodésie ou dans un télémètre optique émettant un faisceau lumineux, par exemple un faisceau laser, en direction de la cible et recevant une fraction de la lumière réfléchie par la cible pour mettre en oeuvre une mesure du temps de parcours aller et retour de la lumière entre le télémètre et la cible. Outre ses qualités réfléchissantes, en orientation et en intensité, la cible doit pouvoir être positionnée avec précision par rapport à un point de l'objet dont on désire mesurer la distance. La cible doit également de préférence présentée un grand angle de champ, c'est-à-dire un angle important selon lequel le faisceau incident peut atteindre la cible tout en assurant la formation d'un faisceau réfléchi parallèle dans la direction du faisceau incident, elle doit être peut coûteuse et doit être compatible avec l'opération de centrage du faisceau incident en assurant une symétrie spatiale d'ordre 3 autour du point théorique constituant le centre de la cible. Enfin, le point central théorique de la cible, qui constitue le point de mesure, doit être pouvoir être mis en coïncidence géométrique avec un point de la surface sur laquelle on désire effectuer des mesures. Une première solution connue consiste à réaliser un tel rétroréflecteur sous la forme d'un prisme en verre en forme de coin de cube. Un tel trièdre ne permet pas de disposer d'un grand angle de champ, est coûteux à réaliser et ne peut pas être positionné de manière précise et en coïncidence avec un point particulier de la surface à mesurer. Une autre solution connue consiste à réaliser le réflecteur sous la forme de trois miroirs plans, perpendiculaires deux à deux, c'est-à-dire formant un coin de cube creux. Dans un tel système, l'angle de champ de la cible est réduit et son positionnement par rapport à un point de la surface à mesurer est difficile. On constate toutefois qu'un tel trièdre à miroirs a pour avantage, par rapport au prisme en coin de cube, de ne pas affecter le trajet du faisceau lumineux par une traversée d'un matériau transparent ou semi-transparent. On connaît également une conception de cible en forme "d'oeil de chat" qui présente un grand angle de champ, mais la réalisation géométrique précise des formes de la lentille est particulièrement coûteuse et son positionnement par rapport à un point à mesurer est délicat à réaliser. L'invention a pour but de proposer une nouvelle conception d'une cible rétroréfléchissante qui permet de remédier aux inconvénients qui viennent d'être mentionnés. Dans ce but, l'invention propose une cible rétroréfléchissante, assurant la réflexion parallèle du faisceau lumineux incident dans la direction du faisceau incident, caractérisée en ce qu'elle est constituée d'un corps en matériau transparent d'indice de réfraction n, tel que notamment du verre, en forme de tronc de sphère délimité par une surface sphérique convexe qui constitue la surface d'entrée du faisceau incident et la surface de sortie du faisceau réfléchi, et par une portion de surface sensiblement plane qui est revêtue d'une couche de matériau réfléchissant. Selon d'autres caractéristiques de l'invention - le tronc de sphère est un hémisphère - le corps hémisphérique est réalisé en verre d'indice de réfraction n sensiblement égal à 2 - la surface plane est une portion de surface courbe convexe de grand rayon centrée sur l'axe de la surface hémisphérique convexe dont le rayon est égal au rayon de la surface hémisphérique multiplié par 2/(2-n) - selon une variante la distance séparant la portion de surface plane du sommet du tronc de sphère est égale à sensiblement à la moitié du rayon de la surface sphérique convexe qui présente un méplat perpendiculaire à l'axe du tronçon de sphère revêtu d'une couche de matériau réfléchissant, l'indice n du matériau étant égal à2;; - selon une variante analogue à la précédente, l'indice n n'est plus égal à 2 et le méplat est une portion de sphère de grand rayon de valeur égale au rayon de la surface sphérique multiplé par 2/(2-n). - selon une autre variante, le point d'intersection de la surface plane réfléchissante avec l'axe du tronc de sphère, perpendiculaire au centre de cette surface, est au milieu de la distance qui sépare le centre de la sphère avec un point stigmatique du dioptre sphérique délimité par une surface sphérique complète de même rayon que celui de la surface sphérique convexe du tronc de sphère. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels - La figure 1 est une vue en section par un plan axial d'un exemple d'un premier mode de réalisation d'un rétroréflecteur réalisé conformément aux enseignements de l'invention, de forme générale hémisphérique ; et - la figure 2 est une vue schématique similaire à celle de la ligure 1 d'un second mode de réalisation d'un rétroréflecteur conforme aux enseignements de l'invention. La cible 10 illustrée sur la figure 1 présente une forme générale hémisphérique, c'est-à-dire une forme de demi-boule d'axe de révolution X-X. La cible est constituée par un corps 12 en verre d'indice de réfraction n qui est délimité par une surface hémisphérique convexe 14 et par une portion de surface sensiblement plane en forme de disque 16, toutes les deux centrées sur un axe X-X. La surface hémisphérique 14 constitue la surface d'entrée d'un faisceau lumineux incident, dont on a représenté l'axe central FI, et la surface de sortie du faisceau réfléchi de sortie, dont on a représenté l'axe central FR, après traversée du corps 12 par le faisceau incident et réflexion sur la face arrière de la cible constituée par la surface sensiblement plane 16 qui est revêtue à l'extérieur d'une couche 18 de matériau réfléchissant, par exemple à base d'argent. Conformément à un aspect de l'invention, le disque 16 est une portion de surface convexe sphérique dont le rayon R2 est centré sur l'axe X-X, à gauche en considérant la figure 1. Le rayon R2 est égal au rayon R1 de la surface hémisphérique 14 multipliée par 2/(2-n) Pour améliorer la correction des aberrations, cette valeur théorique peut être légèrement modifiée. De préférence l'indice n de réfraction du verre qui constitue le corps 12 est choisi le plus proche possible de 2. Dans le cas où l'indice n est égal à 2, la portion de surface en forme de disque 16 est une portion de surface plane perpendiculaire à l'axe x-x. C'est par exemple le cas lorsqu'il est fait appel à un verre d'indice 2 (verre LASF35). Comme on l'a représenté sur la figure 1, le trajet du faisceau incident FI, après son entrée en un point P1, se poursuit par une réflexion sur la surface 16, qui se poursuit en un point P2, puis par une réflexion sur la surface 14 en un point P3, qui est une réflexion partielle, puis par une réflexion sur la surface 16 en un point P4 et enfin une sortie parallèlement au faisceau incident FI en un point P5. Si le faisceau FI est initialement décalé d'un écart "+e" par rapport à l'axe X-X, le faisceau réfléchi FR est décalé d'une distance "-e" par rapport à l'axe X X. Quelle que soit la position du point P1 le long de la surface courbe 14, la distance parcourue à l'intérieur du corps 12 est constante. La conception de rétroréf lecteur présente un grand angle de champ par rapport à l'axe X-X qui est notamment supérieur à 30 L'axe de centrage du rétroréflecteur 10 passe par le point d'intersection M de l'axe X-X avec la surface en forme de disque 16 et il est donc particulièrement aisé de coller, ou de mettre en place par d'autres moyens, et de manière précise la cible 10 sur la surface et en un point précis et sans décalage latéral ni axial par rapport à ce point. Afin de faciliter les opérations de mise en place et de centrage par rapport à un point d'une surface dont on désire mesurer la distance, il est possible de prévoir que le revêtement réfléchissant 18 présente, autour du point M, un trou central de petite dimension qui permet de viser le point de la surface à mesurer à travers la cible, la conception de cette dernière assurant par ailleurs un effet de loupe facilitant cette opération de centrage. La légère occultation du centre du faisceau réfléchi est négligeable. L'utilisation du rétroréflecteur selon l'invention tel qu'il vient d'être décrit est en tous points identique à l'utilisation d'un réflecteur de conception connue tel que par exemple un réflecteur à trois miroirs en coin de cube. Quel que soit l'angle d'incidence du faisceau par rapport à l'axe X-X, tous les rayons du faisceau parallèle à l'axe central du faisceau sont renvoyés en un faisceau parallèle. Ainsi, la faible dispersion du faisceau permet d'obtenir une puissance suffisante du faisceau réfléchi pour sa détection par un appareil de mesure par télémétrie optique. Dans le cas où l'indice de réfraction n'est pas égal à 2, la surface sensiblement plane de grand rayon R2 a pour avantage de permettre de poser la cible sur une surface à mesurer qui est concave. Toutefois, il est souhaitable de pouvoir disposer d'une cible pouvant être utilisée pour une surface à mesurer présentant une concavité de faible rayon. A cet effet, et comme cela est illustré sur la figure 2, il est possible de réaliser le corps de la cible rétroréfléchissante 10 sous la forme d'un tronc de sphère se présentant sous la forme d'un quart de sphère" . A cet effet, le point O d'intersection de la surface 16 avec l'axe X-X est situé dans ce cas sensiblement à mi-distance du rayon R1 de la calotte sphérique 10, et exactement à la moitié de la distance comprise entre le centre M de la calotte sphérique 10 et le sommet P5 du méplat 20 pratiqué sur cette calotte, M étant le point de mesure du rétroréflecteur. I1 est bien entendu nécessaire de prévoir une monture (non représentée) pour la cible rétroréfléchissante de manière à pouvoir adapter cette cible sur une surface à mesurer pour mettre en coïncidence le point M avec le point de la surface dont on désire mesurer la position. Cette conception est particulièrement avantageuse dans la mesure où le décalage à l'extérieur du corps de la calotte sphérique du point de mesure M permet d'utiliser la cible pour mesurer des points appartenant à des surfaces dont la concavité est de rayon réduit. Ici encore, et en fonction de la valeur de l'indice de réfraction n du verre constitutif de la cible, il est souhaitable de pouvoir corriger le dioptre en prévoyant un rayon de courbure du méplat 20. Le méplat 20 peut être une portion de surface plane ou une portion de surface sphérique convexe de grand rayon R2 qui est calculé comme dans le cas de la cible hémisphérique des critères représentée en référence à la figure 1. Selon une autre variante non représentée, il est également possible de prévoir que le point d'intersection entre la portion de surface plane réfléchissante et l'axe X-X est le milieu du segment qui sépare le centre C de la calotte sphérique du point stigmatique, également appelé point de WEIERSTRASS ou point de YOUNG, du dioptre sphérique équivalent qui correspondrait à une sphère en verre de même indice de réfraction n et de rayon égal au rayon R1. Selon cette variante on réalise une cible rétroréfléchissante dont le point de mesure est confondu avec le second point stigmatique et est donc situé très en arrière de la cible ce qui permet notamment sa matérialisation par une structure mécanique fine et légère et l'utilisation aisée de la cible pour des mesures sur des surfaces concaves de très faibles rayons. Dans cette conception, tout rayon incident dirigé vers le second point conjugué du dioptre, après réfraction à travers la surface sphérique d'entrée du système se dirige vers l'autre point de stigmatisme. Grâce au positionnement de la surface réfléchissante, tout rayon orienté vers le second point stigmatique, après réflexion sur la surface réfléchissante, passe par le centre de la surface d'entrée sur laquelle il se réfléchit à nouveau en revenant sur lui même. Tout faisceau dont l'axe est dirigé vers le second point stigmatique est donc réfléchi sur lui-même. Un tel faisceau est alors collimaté si l'indice n du matériau utilisé est égal au nombre d'or soit sensiblement 1,618. REVENDICAfIONS 1. Cible rétroréfléchissante (10), assurant la réflexion parallèle d'un faisceau lumineux incident (FI), caractérisée en ce qu'elle est constituée d'un corps (12) en matériau transparent d'indice de réfraction (n) tel que notamment du verre, en forme de tronc de sphère délimité par une surface sphérique convexe (14) qui constitue la surface d'entrée du faisceau incident (FI) et la surface de sortie du faisceau réfléchi (FR), et par une portion de surface sensiblement plate (16) qui est revêtue d'une couche (18) de matériau réfléchissant. 2. Cible selon la revendication 1, caractérisée en ce que le tronc de sphère est un hémisphère. 3. Cible selon la revendication 2, caractérisée en ce que le corps hémisphérique (12) est réalisé en verre d'indice de réfraction (n) sensiblement égal à 2. 4. Cible selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisée en ce que la surface plane est une portion de surface courbe (16) convexe et de grand rayon (R2) centrée sur l'axe (X-X) de la surface hémisphérique (14) dont le rayon (R2) est égal au rayon (Rl) de la surface hémisphérique (14) multiplié par 2/(2-n). 5. Cible selon la revendication 1, caractérisée en ce que la distance séparant la portion de surface plane (16) du sommet du tronc de sphère (14) est sensiblement égale à la moitié du rayon (R1) de la surface sphérique convexe, et en ce que la surface sphérique convexe présente un méplat (20) perpendiculaire à l'axe (X-X) du tronçon de sphère revêtu d'une couche de matériau réfléchissant (22). 6. Cible rétroréfléchissante selon la revendication 5, caractérisée en ce que le méplat (20) est une portion de sphère de grand rayon de valeur égale au rayon (R1) de la surface sphérique convexe multiplié par 2/(2-n). 7. Cible selon la revendication 1, caractérisée en ce que le point d'intersection de la surface plane réfléchissante avec l'axe du tronc de sphère perpendiculaire au centre de cette surface est au milieu du segment séparant le centre de la sphère du premier point stigmatique du dioptre sphérique délimité par une surface sphérique complète de même rayon que celui de la surface sphérique convexe du tronc de sphère.