Brevet FR2733327A1 — publié le 19961025

SYSTEME DE FOCALISATION CONTINUE D'UN FAISCEAU LASER SUR UNE CIBLE La présente invention concerne un système de focalisation continue d'un faisceau laser sur une cible et plus particulièrement un système de focalisation continue sur une cible dans lequel la focale du système de focalisation est commandée par un signal d'erreur obtenu en faisant varier périodiquement et à une fréquence élevée la focale autour d'une position moyenne elle-même variable. Les applications militaires des lasers nécessitent l'émission de grandes quantités d'énergie vers une cible située à une distance de l'ordre de quelques kilomètres. Une arme laser ne peut être efficace que si le pointage et la focalisation du faisceau laser sont réalisés en permanence avec une grande précision. Le problème du pointage a fait l'objet des demandes françaises nO PV 81-09875 du 18 Mai 1981 et nO PV 81-12299 du 23 Juin 1981 déposées par l'actuel demandeur. Les résultats déjà obtenus par ces systèmes de pointage montrent l'intérêt de leur associer un dispositif permettant d'assurer une focalisation continue sur la cible. On connaît des systèmes laser à focalisation continue comprenant un générateur de faisceau laser et un système optique d'orientation de ce faisceau laser vers une cible, dont la distance focale dépend de la position respective d'un élément optique mobile de position variable suivant cet axe par rapport à un élément optique de position fixe. La position de l'élément optique mobile est rendue variable par un signal alternatif faisant vibrer des moyens électromécaniques supportant cet élément optique mobile. Les éléments optiques fixe et mobile sont par exemple respectivement le miroir primaire et le miroir secondaire d'un télescope de Cassegrain. La variation de la focale du système optique entraîne une modulation de l'éclairement de la cible et par suite une modulation en amplitude du faisceau réfléchi par la cible. Ce faisceau réfléchi est capté par un élément optoélectronique et le signal d'erreur obtenu en comparant le signal de vibration au signal de retour sert à déterminer l'amplitude de la composante continue du signal de commande qui correspond à la focalisation exacte. Le principal inconvénient d'un tel système tient aux moyens électromécaniques de déplacement de l'élément optique mobile qui doivent assurer simultanément le déplacement continu ou lentement variable et le déplacement de vibration à fréquence élevée, de l'ordre d'une ou plusieurs centaines de Hz d'une masse relativement importante. La demande de brevet PV 81- du Décembre 1981 au nom de l'actuel demandeur, a décrit des miroirs à focale variable constitués par des disques en matériau sensible à des contraintes de flexion et ayant une face réfléchissante et par des moyens d'appliquer une force de flexion entre centre et périphérie auxdits disques. L'une des faces du disque a au repos la forme d'un miroir sphérique et la déformée de cette face sous l'effet de la force de flexion reste sphérique dans une certaine gamme de courbure. Pour régler la focale d'un système optique formé de deux miroirs, on peut soit déplacer un miroir par rapport à l'autre soit changer la courbure de l'un des miroirs. S'agissant d'un télescope de Cassegrain, compte tenu de la dimension et du poids du miroir primaire, ces deux opérations sont plus faciles à réaliser sur le miroir secon daire. Dans la pratique, la focalisation doit être assurée entre deux limites de distances,500 et 4000 mètres par exemple, et ainsi qu'on le verra, la déformation du miroir secondaire nécessaire à l'obtention d'une telle variation dépasse les possibilités d'un miroir à courbure variable par action de flexion. En conséquence et conformément à l'invention, le système optique à focalisation continue de l'invention comprend un miroir mobile déplaçable par rapport à un miroir fixe par action d'un moteur et ce miroir mobile est lui-même un miroir à courbure variable par action de flexion. Plus précisément, la présente invention concerne un système laser à focalisation continue caractérisé en ce que la modulation de la distance focale du système optique est obtenue en faisant varier piézoélectriquement la courbure de l'élément optique mobile tandis que la distance focale moyenne est obtenue en déplaçant à l'aide d'un moteur cet élément optique mobile à courbure piézoélectriquement variable. L'invention va être maintenant décrite en détails en relation avec les dessins annexés dans lesquels - la Fig. 1 est un diagramme montrant l'équivalence entre d'une part la distance entre élément fixe et élément mobile d'un télescope de Cassegrain et d'autre part la déformation du bord d'un miroir à focale piézoélectriquement variable pour obtenir une même focale - la Fig. 2 montre l'éclairement relatif en fonction de la distance pour d'une part un système optique à focale fixe et un système optique à focal isat ion continue - la Fig. 3 montre la profondeur de champ d'un système optique à focale fixe - la Fig. 4 montre la profondeur de champ d'un système à focalisation continue - les Figs 5a et 5b représentent le miroir à focale variable à courbure modifiée par flexion ; et - la Fig. 6 représente dans son ensemble le système laser à focalisation continue. En se référant d'abord à la Fig. 1, la courbe représentée dans cette figure donne les variations 6 de la distance entre le miroir secondaire et le miroir primaire d'un télescope de Cassegrain pour obtenir une variation de focale entre 500 et 4000 mètres. La courbe concerne le télescope de Cassegrain composé des deux miroirs dont les caractéristiques sont les suivantes : Rayon R1 = 0,5 m miroir primaire ( Ouverture fl/3 Focale fl = 3 m Rayon R2 = 0,05 m miroir secondaire ( Ouverture Focale f2 = 30 cm L'origine du déplacement 6 est prise pour un faisceau coîl imaté. Cette même courbe montre également la déformation A qu'il faut faire subir au bord d'un miroir piézoélectriquement déformable pour obtenir la même variation de focale que par déplacement mécanique dudit miroir supposé non déformable. 6 et A s'expriment en fonction de la focale f à obtenir par / (f - f1) (1) --R2 6 / 4 2 R, où fl et f2 sont les focales des miroirs primaire et secondaire. On voit que pour f = 500 mètres, on a #500 = 9/(500 - 3) = 18 mm 6 = 9/(4000 - 3) = 2,25 mm La déformation A du miroir secondaire est importante et on ne peut l'obtenir avec des céramiques piézoélectriques classiques Dans l'invention, la focalisation du système opti que est obtenue partiellement par déplacement et partiellement par déformation du miroir secondaire. L'asservissement de la distance focale sur la cible est obtenu par déplacement du miroir secondaire ; la vibration du foyer donnant lieu au signal d'erreur est obtenue par déformation du miroir secon daire. Si l'on considère un système optique projetant un faisceau laser de puissance P et de distribution d'énergie gaussienne sur une cible et si l'on suppose que l'axe du système optique de projection est pointé sur la cible et et que celle-ci est située à une distance z de la pupille de sortie du système optique, l'éclairement de la cible sur l'axe est 2 d2 p l+exp (-2R2 2) -2exp. 2 2 2 a0 /a0 (-R/a0)c os E(z,f) = 2 2 2 2 4 x o 2 exp. 2 2R2/ d Z + d + nT (s ) L - 0) (3) où est le rayon à 1/e de la gaussienne o R est le rayon de la pupille de sortie X est la longueur d'onde d est tel que 1 ~ 1 1 (4) d f z et devient infini quand z = f f est la distance focale du système optique En général on prend R = a pour ne pas perdre trop d'énergie. Dans ce cas l'éuation (3) deviens:: Si la focalisation est maintenue en permanence sur la cible, c'est-à-dire si f est maintenu en permanence égal à z, l'éclairement de la cible au foyer est, pour d = 2 # R P e - 1 E (z,z) = #2 f2 x (6) L'éclairement relatif dû à la focalisation continue est Q(z,f) = E (z,f) / E (z,z) (7) La Fig. 2 représente des courbes donnant Q(z,f) en fonction de la distance z et pour différentes valeurs du rayon R = a de la pupille de sortie, dans le cas d'un laser o à C02 de = 10,6 m de longeur d'onde.On voit que ce n'est que pour une pupille de diamètre important R = 0,15 m que l'éclairement de la cible peut être augmentée de façon substantielle en ajustant la distance de focalisation Dans le cas de pupilles de faible dimension, un système autofocalisant est moins utile. Le signal d'erreur nécessaire à l'asservissement du système autofocalisant est obtenu en faisant varier la focale autour d'une position moyenne à une fréquence élevée (100 Hz et plus). Cette variation de la focale entraîne une modulation de l'éclairement sur la cible et le traitement du signal renvoyé par la cible permet d'obtenir le signal d'erreur. I1 faut comparer le niveau de modulation obtenu à la perte d'énergie due aux aberrations du télescope La tolérance adoptée pour les intruments d'optique est définie par le critère de Lord Rayleigh qui fixe à 20 % la baisse d'intensité admissible au centre de la tache de diffraction. On va montrer que si l'on prend comme amplitude de la modula tion la profondeur de champ la modulation du signal d'erreur satisfait au critère de Lord Rayleigh. Si l'on fait varier la distance focale de la profondeur de champ entre A1 et A2 (Fig. 3) de part et d'autre de la cible C, on a (8) et CA2 2 a2 2 La relation (4) donne d - z ( z + a ) (10) |a| où a est égal successivement à al et à a2. En faisant le chanaement de variable l'équation (5) s'écrit = 2 Q(z,u) = 1 + e - 2e cos u 12 (1 + u2) (e - 1) Aux valeurs al et a2 de a correspondent les valeurs ul et u2 de u que, compte tenu des expressions (8) et (9) donnent (13) On a vu que selon l'équation (4) l'éclairement au centre de la cible située au foyer est proportionnel à la surface de la pupille de sortie, et à la puissance, le facteur de proportionnalité était En écrivant que la puissance dans la tache de diffraction de rayon a est la même que la puissance à travers la pupille de rayon , on obtient l'équation En remplaçant a par sa valeur donnée par (15) dans les expressions (13) et (14),on obtient : La modulation de l'éclairement est donc symétrique et la profondeur de modulation est de 1 - 0,84 = 16 %. La modulation minimale pour l'asservissement est donc celle que fait décrire la profondeur du champ de système optique. On suppose maintenant que le point C est le foyer F d'un télescope à deux miroirs. Pour déplacer le foyer F en A1 il faut déplacer le foyer F' du miroir secondaire en le rapprochant du primaire de la distance 6 = F'A'1. De même pour déplacer le foyer de F en A2, il faut déplacer le foyer F' en l'éloignant du primaire de la distance 6 2 F'A' 2 2 Au déplacement (al,a2) du foyer F du télescope correspond le déplacement (#1, #2) du foyer F' du miroir 1' 2 secondaire. En focalisation continue les équations (8) et (9) deviennent (en chargeant z en f) et et 62 sont données par les équations suivantes - (f12 a2 #2 = (f - f1) (f - f1 + a2) ce qui donne en remplaçant a1 et a2 par leurs valeurs En reprenant l'exemple du téléscope précédent et en prenant o = R1 = 0,5 m, on trouve pour f = 1000 m et un faisceau limité par la diffraction Ce déplacement peut être obtenu mécaniquement mais la fréquence nécessaire justifie la mise en oeuvre du changement de la courbure du miroir secondaire à l'aide d'une céramique piézoélectrique. Le changement de courbure permet d'obtenir le même effet à des fréquences élevées car la déformation ss au bord du miroir (allongement de la céramique) est faible. De ce fait, les céramiques peuvent être des céramiques classi pour une longueur d'onde X = 10, 6 hum Le miroir déformable piézoélectriquement est représenté sur les Figs 5a et 5b et désigné dans son ensemble par le numéro de référence 10. Sur la figure 5a, 1 désigne une embase rigide et 2 un miroir en verre par exemple. Le centre du miroir 2 repose sur une colonne de butée 3 et le pourtour est logé sans encastrement dans une bague 4. Cette bague 4 est fixée au sommet d'un tube 5 de matériau piézoélectrique solidaire de 1'embase 1 Le tube piézoélectrique est alimenté par une source de tension alternative 6 à travers un amplificateur 7. La fréquence de la tension est par exemple de 100 Hz. Sur la Fig. 6, on retrouve le miroir déformable piézoélectriquement 10 de la Fig 5. Ce miroir est monté sur une araignée 11. Cette araignée peut se déplacer dans la rainure 12 d'un tube 13 servant de monture à un télescope composé du miroir primaire 20 et du miroir secondaire 2 L'araignée est déplacée grâce à un moteur 14 qui entraîne une vis sans fin 15 qui est engagée dans un trou fileté de l'araignée. Le numéro de référence 21 désigne un photodétecteur qui reçoit le faisceau réfléchi par la cible. Ce photodétecteur 21 est relié à un multiplieur 22 faisant fonction de détecteur synchrone par un filtre passe haut 23 ayant une fréquence de coupure de 50 Hz qui élimine la composante continue. Ce filtre passe haut élimine la composante continue du signal de retour qui, après traitement, donnerait un signal parasite à la fréquence du signal d'erreur. Le signal de sortie du multiplieur 22 est appliqué à un intégrateur 24 dont le signal de sortie commande le moteur 14. La colonne piézoélectrique de déformation du miroir 2 est alimentée par le générateur 6 à travers l'amplificateur de haute tension 7. La Fig. 5b est une variante du miroir à focale variable dans laquelle la butée 8 est périphérique et la commande est assurée par une colonne de disques piézoélectriques 9. REVENDICATIONS 1 - Système de focalisation continue d'un faisceau laser sur une cible comprenant un système optique de projection du faisceau laser sur la cible composé de deux éléments optiques, ledit système optique étant tel que sa focale dépend de la distance entre lesdits éléments optiques et de leurs focales respectives, des moyens de faire varier la distance entre les éléments optiques et des moyens de photodétection du faisceau laser réfléchi par la cible caractérisé en ce que l'un des éléments optiques (10) est un miroir à courbure variable grace à des moyens piézoélectriques (5) et ayant une focale dépendant de ladite courbure, que lesdits moyens piézoélectriques (5) sont alimentés par un signal de fréquence donnée et que le signal à ladite fréquence fourni par les moyens de photodétection commande les moyens (14) de faire varier la distance entre les éléments optiques. 2 - Système de focalisation continue conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que le système optique de projection est un télescope de Cassegrain et que le miroir à courbure variable est le miroir secondaire dudit télescope. 3 - Système de focalisation continue conforme à l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens de faire varier la distance entre les éléments optiques comprennent un équipage mobile (11) portant le miroir secondaire et un moteur électrique (14) déplaçant cet équipage mobile par rapport à la monture du télescope. 4 - Système de focalisation continue conforme à l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le miroir à courbure variable grâce à des moyens piézoélectriques comprend un miroir (2) en matériau sensible à la flexion, une pièce de butée (3) pour le centre du miroir et un tube piézoélectrique (5) prenant appui sur le bord du miroir. 5 - Système de focalisation continue conforme à l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que -le miroir à courbure variable grâce à des moyens piézoélectriques comprend un miroir (2') en matériau sensible à la flexion, une pièce de butée (8) pour la périphérie du miroir et une colonne de disques piézoélectriques (9) prenant appui sur le centre du miroir