Brevet FR2770650A1 — publié le 19990507

La présente invention concerne un système optique de visée à au moins deux lignes de visée. Quoique non exclusivement, elle s'applique plus particulièrement aux instruments de mesure optiques susceptibles d'émettre et/ou de recevoir des faisceaux lumineux de directions distinctes, ces faisceaux lumineux correspondant à des visées simultanées ou quasi-simultanées. Dans un mode particulier de réalisation, la présente invention concerne les systèmes optiques, connus dans la technique sous le terme "LIDAR" (Light Detection And Ranging). Par exemple pour mesurer à distance la vitesse du vent, on utilise un tel système optique comportant un émetteur-récepteur laser et on mesure le décalage Doppler entre l'émission et la réception d'un faisceau laser dans des directions angulaires distinctes, écartées les unes des autres, par exemple de 600 à 900. Pour des raisons de puissance utile dudit émetteur-récepteur, les mesures sont souvent quasi-simultanées, c'est-à-dire qu'un même faisceau laser balaye alternativement toutes les directions de mesure. Par ailleurs, pour des raisons d'économie et de simplicité, le nombre des lignes de visée est généralement limité à deux. Les systèmes connus de ce type sont actuellement les suivants - tout d'abord, on connaît de tels systèmes comportant deux télescopes fixes, pointés dans des directions dis tinctes faisant généralement entre elles un angle de 600. Une telle réalisation est pesante et encombrante, bien que limitée à deux lignes de visée. A titre d'exemple, pour des pupilles d'entrée ayant un diamètre de 500 mm, l'encombrement minimal est de 550 mm x 550 mm x 900 mm - on connaît également des systèmes ne comportant qu'un seul télescope auquel est associé un miroir plan mobile balayant les lignes de visée. Un tel système offre l'avantage d'une pluralité de lignes de visée, mais présente l'inconvénient de nécessiter un mécanisme --sujet à pannes-- pour le déplacement du miroir. Pour une pluralité de lignes de visée entre 0 et 600, l'en combrement d'un tel système, pour une pupille d'entrée de 500 mm de diamètre, ne peut être inférieur à 550 mm x 550 mm x 1000 mm - enfin, d'autres systèmes connus comportent un télescope double (un seul miroir primaire associé à deux miroirs secondaires) permettant de traiter deux directions de visée. De tels systèmes sont optiquement complexes et nécessitent l'utilisation de très nombreux composants optiques, généralement très sensibles aux excentre ments. De plus, bien que ne comportant que deux lignes de visée, ces systèmes sont lourds et encombrants. Pour des pupilles d'entrée dont le diamètre est égal à 500 mm, leur encombrement minimal ne peut être infé rieur à 750 mm x 750 mm x 750 mm. La présente invention a pour objet de remédier à ces inconvénients. Elle concerne un système optique qui, bien que pouvant présenter un nombre de lignes de visée important, est relativement léger et peu encombrant et ne nécessite ni mécanisme fragile, ni composants optiques complexes et critiques. A cette fin, selon l'invention, le système optique de visée à au moins deux lignes de visée distinctes, est remarquable - en ce qu'il comporte au moins une première et une deuxième surfaces réflé chissantes primaires, paraboliques et concaves, dont les axes respectifs sont distincts et définissent chacun une première et une deuxième directions de li gnes de visée ; et une surface réfléchissante secondaire parabolique, convexe ou concave, dont l'axe est distinct des axes desdites première et deuxième surfaces réfléchissan tes primaires et passe entre ces surfaces réfléchis santes primaires - en ce que les axes desdites première et deuxième surfa ces réfléchissantes primaires et l'axe de ladite sur face réfléchissante secondaire concourent en un point unique, avec lequel sont confondus les foyers desdites première et deuxième surfaces réfléchissantes primaires et le foyer de ladite surface réfléchissante secon daire ; et - en ce que les concavités desdites première et deuxième surfaces réfléchissantes primaires sont dirigées du cô té de ladite surface réfléchissante secondaire. Ainsi, grâce à la présente invention et comme on le verra ci-après, on obtient un système optique pouvant comporter un nombre élevé de lignes de visée, n'utilisant que des surfaces réfléchissantes paraboliques faciles à réaliser, faciles à aligner, peu onéreuses, peu sensibles aux excentrements et exemptes d'aberrations géométriques et chromatiques sur l'axe optique. De plus, le système optique de l'invention est léger et peu encombrant. A titre de comparaison avec les exemples chiffrés ci-dessus, le système de la présente invention ne présente qu'un encombrement de 550 mm x 550 mm x 550 mm pour des pupilles d'entrée de 500 mm de diamètre et trois lignes de visée, deux à deux angulairement écartées de 900. Par rapport au mode de réalisation de base mentionné ci-dessus (et comme indiqué dans l'exemple chiffré précédent), il est avantageux - que le système optique conforme à la présente invention comporte au moins une troisième surface réfléchissante primaire, parabolique et concave, dont l'axe est dis tinct des axes desdites première et deuxième surfaces réfléchissantes primaires et de l'axe de ladite surface réfléchissante secondaire et définit une direction de troisième ligne de visée - que l'axe de ladite troisième surface réfléchissante primaire passe audit point de concours unique, avec le quel est également confondu le foyer de ladite troi sième surface réfléchissante primaire ; et - que la concavité de ladite troisième surface réfléchis sante primaire soit dirigée du côté de ladite surface réfléchissante secondaire. Bien que les angles entre lesdites lignes de visée puissent être choisis à toute valeur souhaitable pour des applications particulières, il peut être avantageux que les axes desdites surfaces réfléchissantes primaires, et donc les lignes de visée, soient deux à deux perpendiculaires. Dans ce dernier cas, afin d'obtenir un système optique particulièrement compact, on peut faire en sorte - que lesdites surfaces réfléchissantes primaires aient des distances focales identiques ; et - que chaque surface réfléchissante primaire soit dispo sée selon une face d'un cube. Le point de concours unique peut alors être confondu, soit avec le centre, soit avec un sommet dudit cube. Par ailleurs, les surfaces réfléchissantes primaires peuvent être chacune constituées par un miroir parabolique concave, centré autour de son axe. Cependant, afin de dégager l'espace autour de l'axe de ladite surface réfléchissante secondaire et/ou de pouvoir excentrer cette dernière surface réfléchissante secondaire afin qu'elle ne se trouve pas sur le chemin des rayons lumineux se dirigeant vers lesdites surfaces réfléchissantes primaires, ou en provenant, il est avantageux que lesdi tes surfaces réfléchissantes primaires soient constituées chacune par une partie excentrée, sans sommet, d'un miroir parabolique concave. Bien entendu, le contour de ces parties excentrées peut présenter toute forme désirée, par exemple circulaire. De façon connue, ledit système optique conforme à la présente invention peut comprendre un récepteur optique, ayant un axe optique et devant recevoir des faisceaux lumineux provenant desdites surfaces réfléchissantes primaires et réfléchis par ladite surface réfléchis sante secondaire. Dans ce cas, il est avantageux que ledit système optique comporte des moyens de déplacement pour amener successivement en coïncidence l'axe de chacun desdits faisceaux lumineux réfléchis avec l'axe dudit récepteur optique. De même, si également de façon connue, le système optique de l'invention comprend un émetteur optique, émettant un faisceau lumineux de direction fixe devant être adressé successivement à chacune desdites surfaces réfléchissantes primaires après réflexion sur ladite surface réfléchissante secondaire, il est avantageux qu'il comporte de plus des moyens de déplacement pour translater ledit faisceau lumineux émis parallèlement à luimême, en faisant varier le point d'impact dudit faisceau lumineux émis sur ladite surface réfléchissante secondaire. Dans les deux cas, lesdits moyens de déplacement peuvent être constitués par une surface réfléchissante mobile à épaisseur variable, par exemple un disque rotatif. Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur ces figures, des références identiques désignent des éléments semblables. La figure 1 est une vue schématique en perspective illustrant la structure et le fonctionnement du système optique conforme à la présente invention, dans le cas particulier de deux lignes de visée (à des fins de simplicité et de clarté). La figure 2 montre, en vue semblable à la figure 1, une variante de réalisation dudit système optique. La figure 3 illustre, également en perspective, une disposition avantageuse des éléments du système optique conforme à la présente invention. La figure 4 est une vue semblable à la figure 3, illustrant une variante de réalisation dudit système optique. Les figures 5A, 5B et 5C illustrent un disque rotatif à épaisseur variable pour translater les faisceaux optiques entrant dans ledit système optique, ou en sortant. La figure 5D est une vue en plan du disque rotatif des figures 5A, 5B et 5C. Le système optique, conforme à la présente invention et illustré schématiquement par la figure 1, comporte un premier miroir primaire, parabolique et concave M1, dont l'axe X1-X1 définit une première ligne de visée, et un second miroir primaire, parabolique et concave M2, dont l'axe X2-X2 définit une seconde ligne de visée, distincte et angulairement espacée de celle définie par l'axe X1-X1. Les axes X1-X1 et X2-X2 concourent en un point F, auquel se trouvent les foyers desdits miroirs M1 et M2. Par ailleurs, ce système optique comporte de plus un miroir secondaire, parabolique et convexe m, dont la convexité est dirigée du côté des concavités desdits miroirs M1 et M2 et dont l'axe x-x, distinct des axes X1-X1 et X2-X2, passe, d'une part par le point F et, d'autre part, entre lesdits miroirs M1 et M2. De plus, le foyer du miroir parabolique convexe m est confondu avec le point F. Ainsi, lorsqu'un rayon lumineux incident il, parallèle à l'axe ou ligne de visée X1-X1, atteint la surface réfléchissante parabolique concave du miroir primaire M1, il est réfléchi par celui-ci en direction du point F (foyer de M1) selon le rayon réfléchi rl. Cependant, ce rayon réfléchi rl est intercepté par la surface réfléchissante parabolique convexe du miroir secondaire m, qui le réfléchit en un rayon lumineux sortant sl, parallèle à l'axe x-x, puisque provenant de la réflexion du rayon rl passant par le foyer F dudit miroir m. De même, lorsqu'un rayon lumineux incident i2, parallèle à l'axe ou ligne de visée X2-X2, atteint la surface réfléchissante parabolique concave du miroir primaire M2, il est réfléchi par celui-ci en direction du point F (foyer de M2) selon le rayon réfléchi r2. Ce rayon réfléchi r2 est intercepté par la surface réfléchissante parabolique convexe du miroir secondaire m, qui le réfléchit en un rayon lumineux sortant s2, parallèle à l'axe x-x, puisque provenant de la réflexion du rayon r2 passant par le foyer F dudit miroir m. Ainsi, bien que les rayons incidents il et i2 aient des directions distinctes, angulairement espacées, le système optique conforme à la présente invention les transforme en des rayons sortants sl et s2 parallèles entre eux et à l'axe x-x du miroir m. Bien entendu, le système optique conforme à la présente invention est parfaitement réversible en ce sens que, si un rayon lumineux incident sl (ou s2) parallèle à l'axe x-x du miroir m frappe la surface réfléchissante parabolique convexe de celui-ci, il est réfléchi en direction de la surface réfléchissante concave du miroir M1 (ou M2) selon un rayon rl (ou r2) provenant du foyer F desdits miroirs m et M1 (ou m et M2). Par suite, le mi roir M1 (ou M2) réfléchit ledit rayon rl (ou r2) en un rayon sortant il (ou i2) parallèle à l'axe X1-X1 (ou X2 X2) du miroir M1 (ou M2). Ainsi, dans ce cas, bien que les rayons incidents sl et s2 aient la même direction (celle de l'axe x-x), le système optique conforme à la présente invention les transforme en des rayons sortants il et i2 de directions distinctes, angulairement espacées (celles des axes Xl-Xl et X2-X2, respectivement). Par ailleurs, on remarquera qu'en faisant pivoter le miroir m autour de son foyer F, il est possible de faire varier l'orientation des rayons lumineux sl et s2, sans que les orientations des rayons lumineux il et i2 changent. Bien entendu, tout ce qui a été dit ci-dessus à propos des rayons il, i2, sl et s2 reste valable pour des faisceaux de tels rayons. Ainsi - un faisceau incident, composé de rayons il (ou i2) et parallèle à l'axe X1-X1 (ou X2-X2), est transformé par le système optique conforme à la présente invention, en un faisceau sortant, composé de rayons sl (ou s2) et parallèle à l'axe x-x ; et - un faisceau incident, composé de rayons sl (ou s2) et parallèle à l'axe x-x, est transformé par le système optique conforme à la présente invention, en un fais ceau sortant, composé de rayons il (ou i2) et parallèle à l'axe X1-X1 (ou X2-X2). On remarquera que les faisceaux de rayons sl et s2 passent entre les miroirs primaires M1 et M2. Pour augmenter la largeur du passage desdits faisceaux et pour éviter que le miroir secondaire convexe m ne puisse porter une ombre sur les miroirs M1 et M2, il peut parfois être avantageux d'utiliser des surfaces réfléchissantes paraboliques concaves M'1 et M'2, constituées par des parties excentrées, sans sommet, des miroirs paraboliques concaves M1 et M2, comme cela est représenté sur la figure 2. Bien que sur les figures 1 et 2, on n'ait représenté que deux surfaces réfléchissantes paraboliques concaves M1, M2 ou M'1, M'2, il va de soi que le système optique conforme à la présente invention n'est pas limité à un tel nombre. Il peut comporter d'autres surfaces réfléchissantes paraboliques concaves en plus desdites surfaces M1, M2 ou M'1, M'2. Ces surfaces réfléchissantes primaires, paraboliques et concaves, additionnelles (dont l'une, M3 ou M'3, est représentée sur les figures 3 et 4) doivent seulement avoir leur foyer en F et pouvoir recevoir ou adresser des faisceaux lumineux au miroir parabolique convexe m. Les faisceaux incidents ou sortants -semblables aux faisceaux sl et s2-- réfléchis par ces surfaces réfléchissantes paraboliques concaves additionnelles sont bien entendu également parallèles à l'axe x-x du miroir parabolique convexe m et parallèles aux faisceaux sl et s2. De plus, des explications ci-dessus, on notera que l'angle A entre les axes X1-X1 et X2-X2 peut être quelconque, pour autant que les caractéristiques propres du système optique conforme à l'invention soient respectées. Cet angle A est par exemple choisi égal à 600 ou 90Q. Sur la figure 3, on a illustré schématiquement l'architecture d'un système optique conforme à la présente invention à trois miroirs primaires paraboliques concaves M1, M2 et M3, disposés selon un agencement cubique AC1. Les axes X1-X1, X2-X2 et X3-X3 desdits miroirs M1, M2 et M3 concourent en F, au centre de l'agencement cubique AC1, où est disposé ledit miroir secondaire parabolique convexe m (non représenté pour des raisons de clarté de dessin). Les trois miroirs M1, M2, M3 sont disposés selon des faces adjacentes dudit agencement cubique ACl et les faces de celui-ci, opposées auxdits miroirs, sont pourvues d'ouvertures 01, 02 et 03, respectivement pour le passage des faisceaux en direction ou en provenance desdits miroirs. Une fenêtre f est prévue pour le passage des faisceaux sl, s2 et s3 (le faisceau s3 étant similaire aux faisceaux sl et s2 et associé au miroir M3). Dans la variante de réalisation AC2 de la figure 4, l'agencement cubique comporte trois parties excentrées M'l, M'2 et M'3, sans sommet, de miroirs paraboliques concaves. Le point de concours F des axes Xl-Xl, X2-X2 et X3-X3 desdites parties de miroirs M'1, M'2 et M'3 se trouvent confondu avec un sommet de l'agencement cubique AC2 (le miroir convexe m n'est pas représenté pour des raisons de clarté de dessin). Les trois parties de miroirs M'1, M'2 et M'3 sont également disposées selon les faces adjacentes de l'agencement AC2, qui comportent des ouvertures respectives 01, 02 et 03 et une fenêtre f pour les faisceaux sl, s2 et s3. On remarquera que, dans ce cas, les lignes de visée V1, V2 et V3 ne sont plus à proprement parler confondues avec les axes Xl-Xl, X2-X2 et X3-X3. Par ailleurs, comme le montrent les figures 5A, 5B, 5C, le système optique, conforme à la présente invention et décrit ci-dessus, comporte un émetteur et/ou récepteur de lumière (laser) T, susceptible de recevoir et/ou émettre un faisceau L, d'axe 1-1. Puisque les faisceaux sortants et/ou entrants sl, s2 et s3, parallèles entre eux (et à l'axe x-x), sont décalés l'un par rapport à l'autre, l'invention prévoit un dispositif R pour amener successivement l'axe des faisceaux sl, s2 et s3 en coïncidence avec l'axe 1-1 du dispositif T. Le dispositif R représenté sur ces dernières figures, ainsi que sur la figure 6, est constitué par un disque rotatif réfléchissant R, incliné, par exemple de 450, sur les axes des faisceaux sl, s2 et s3. Le disque réfléchissant R comporte trois zones zl, z2 et z3 d'épaisseurs différentes. L'épaisseur de la zone réfléchissante zl est telle que l'axe du faisceau sl et l'axe 1-1 se coupent sur elle. De même, les épaisseurs des zones réfléchissantes z2 et z3 sont telles que l'axe 1-1 coupe respectivement l'axe du faisceau s2 et l'axe du faisceau s3 sur elles. Ainsi, l'axe de n'importe lequel des faisceaux sl, s2 ou s3 peut être amene en coïncidence avec l'axe 1-1. De ce qui précède, on remarquera qu'il est possible de faire des mesures simultanément dans les trois directions X1-X1 ; X2-X2 ; X3-X3 et d'aménager aisément les voies lasers, par orientation du miroir m et donc des faisceaux sl, s2 et s3, dans toute direction avantageuse, et ceci sans dégradation des performances. Bien que, sur les figures 2 et 4, on ait représenté les parties réfléchissantes concaves excentrées M'1, M'2 et M'3 avec un bord droit, il va de soi que ces parties peuvent présenter tout contour approprié, par exemple circulaire. De même, il est évident que le miroir secondaire m peut être concave, bien qu'il ait eté représenté et décrit comme étant convexe. REVENDICATIONS 1. Système optique de visée à au moins deux lignes de visée distinctes, caractérisé - en ce qu'il comporte . au moins une première et une deuxième surfaces réflé chissantes primaires, paraboliques et concaves (M1, M2 ; M'1, M'2), dont les axes respectifs (X1-X1 ; X2 X2) sont distincts et définissent chacun une première et une deuxième directions de lignes de visée ; et . une surface réfléchissante secondaire parabolique (m), dont l'axe (x-x) est distinct des axes desdites première et deuxième surfaces réfléchissantes primai res et passe entre ces surfaces réfléchissantes pri maires - en ce que les axes desdites première et deuxième surfa ces réfléchissantes primaires et l'axe de ladite sur face réfléchissante secondaire concourent en un point unique (F), avec lequel sont confondus les foyers desdites première et deuxième surfaces réfléchissantes primaires et le foyer de ladite surface réfléchissante secondaire ; et - en ce que les concavités desdites première et deuxième surfaces réfléchissantes primaires sont dirigées du cô té de ladite surface réfléchissante secondaire. 2. Système optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite surface réfléchissante secondaire parabolique (m) est convexe. 3. Système optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite surface réfléchissante secondaire parabolique (m) est concave. 4. Système optique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé - en ce qu'il comporte au moins une troisième surface ré fléchissante primaire, parabolique et concave (M3, M'3), dont l'axe (X3-X3) est distinct des axes desdites première et deuxième surfaces réfléchissantes primaires et de l'axe de ladite surface réfléchissante secondaire et définit une direction de troisième ligne de visée - en ce que l'axe de ladite troisième surface réfléchis sante primaire passe audit point de concours unique (F), avec lequel est également confondu le foyer de la dite troisième surface réfléchissante primaire ; et - en ce que la concavité de ladite troisième surface ré fléchissante primaire est dirigée du côté de ladite surface réfléchissante secondaire. 5. Système optique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les axes (X1-X1 ; X2-X2 ; X3-X3) desdites surfaces réfléchissantes primaires, et donc les lignes de visée, sont deux à deux perpendiculaires. 6. Système optique selon la revendication 5, caractérisé - en ce que lesdites surfaces réfléchissantes primaires (M1, M2, M3 ; M'1, M'2, M'3) ont des distances focales identiques ; et - en ce que chaque surface réfléchissante primaire est disposée selon une face d'un cube (AC1, AC2). 7. Système optique selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit point de concours unique (F) est confondu avec le centre dudit cube. 8. Système optique selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit point de concours unique (F) est confondu avec un sommet dudit cube. 9. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que lesdites surfaces réfléchissantes primaires sont constituées chacune par un miroir parabolique concave (M1, M2, M3) centré autour de son axe. 10. Système optique selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que lesdites surfaces réfléchissantes primaires (M'1, M'2, M'3) sont constituées chacune par une partie excentrée, sans sommet, d'un miroir parabolique concave. 11. Système optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, comprenant un récepteur optique (T), ayant un axe optique (1-1) et devant recevoir des faisceaux lumineux (sl, s2, s3) provenant desdites surfaces réfléchissantes primaires (M1, M2, M3 ; M'1, M'2, M'3) et réfléchis par ladite surface réfléchissante secondaire (m), caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de déplacement (R) pour amener successivement en coïncidence l'axe de chacun desdits faisceaux lumineux réfléchis (sl, s2, s3) avec l'axe (1-1) dudit récepteur optique. 12. Système optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, comprenant un émetteur optique (T), émettant un faisceau lumineux (L) de direction fixe (1-1) devant être adressé successivement à chacune desdites surfaces réfléchissantes primaires (M1, M2, M3 ; M'l, M'2, M'3) après réflexion sur ladite surface réfléchissante secondaire (m), caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de déplacement (R) pour translater ledit faisceau lumineux (L) émis parallèlement à lui-même, en faisant varier le point d'impact dudit faisceau lumineux émis sur ladite surface réfléchissante secondaire (m). 13. Système optique selon l'une des revendications 11 ou 12, caractérisé en ce que lesdits moyens de déplacement sont constitués par une surface réfléchissante (R) mobile à épaisseur variable. 14. Système optique selon la revendication 13, caractérisé en ce que ladite surface réfléchissante mobile est un disque rotatif (R).