Brevet FR2861851A1 — publié le 20050506

Dispositif de détection optique d'un objet distant L'invention concerne un dispositif de détection optique d'un objet distant, comprenant un générateur de faisceau lumineux pour produire un faisceau lumineux parallèle, une unité de balayage pour générer un modèle de balayage par déviation du faisceau lumineux parallèle sur une plage angulaire prédéfinie, et une unité de détection pour détecter la lumière réfléchie par l'objet distant, l'unité de balayage comportant un miroir polygonal rotatif avec plusieurs surfaces partielles réfléchissantes. Un générateur de faisceau lumineux pour produire un faisceau lumineux parallèle, une unité de balayage pour générer un modèle de balayage par déviation du faisceau lumineux parallèle sur une plage angulaire prédéfinie, et une unité de détection pour détecter la lumière réfléchie par l'objet, sont prévus dans chacun des dispositifs de détection optique d'un objet, connus par exemple par les publications DE 101 39 237 Al, DE 197 13 826 Al et US 6 075 636. L'unité de balayage comporte alors un miroir polygonal rotatif avec plusieurs surfaces partielles réfléchissantes. L'invention concerne en particulier un dispositif de 25 détection optique d'un objet distant pour le cas spécial du 2861851 2 contrôle de l'espace aérien situé dans la direction de vol devant un avion, par exemple un hélicoptère, quant à des obstacles difficilement identifiables, tels que lignes électriques aériennes ou câbles métalliques. Afin de permettre dans cette application une détection d'objets difficilement identifiables et ainsi de mauvaise réflexion sur des distances typiques de l'ordre de grandeur de 500 m, l'énergie lumineuse émise par l'unité de balayage ne peut pas être répartie sur toute la plage angulaire prédéfinie, mais elle doit être tenue aussi compacte que possible et présenter l'intensité maximale. Le problème créé par l'utilisation d'un miroir polygonal rotatif est que le faisceau lumineux, lors de chaque impact sur une arête séparant deux surfaces partielles réfléchissantes voisines, est scindé en deux fractions qui sortent de l'unité de balayage dans deux directions différentes. Cela provoque une baisse considérable de l'intensité du faisceau lumineux émis. Il est vrai que l'effet relatif de cette perte peut être réduit par une augmentation du diamètre du miroir polygonal par rapport au diamètre du faisceau parallèle, mais cela mènerait à des miroirs polygonaux de très grandes dimensions et difficilement manipulables. L'objectif de l'invention est de créer un dispositif de détection optique d'un objet distant, qui présente une puissance élevée. Le dispositif doit en particulier permettre la détection optique d'objets distants, tels qu'obstacles difficilement identifiables, dans l'espace aérien situé devant un avion dans la direction de vol. L'objectif est atteint, conformément à l'invention, par un dispositif de détection optique d'un objet distant, 35 comprenant un générateur de faisceau lumineux pour produire 3 2861851 un faisceau lumineux parallèle, une unité de balayage pour générer un modèle de balayage par déviation du faisceau lumineux parallèle sur une plage angulaire prédéfinie, et une unité de détection pour détecter la lumière réfléchie par l'objet distant, l'unité de balayage comportant un miroir polygonal rotatif avec plusieurs surfaces partielles réfléchissantes. Conformément à l'invention, le générateur de faisceau lumineux est prévu pour produire un faisceau lumineux parallèle dans deux positions de faisceau différentes, pouvant passer d'une surface partielle réfléchissante sur une surface partielle voisine en réponse à un signal indicateur indiquant la position de rotation du miroir polygonal. Le générateur de faisceau lumineux est de préférence prévu pour produire le faisceau lumineux parallèle dans deux positions de faisceau différentes, en déport mutuel parallèle. Suivant une forme de construction de l'invention, le générateur de faisceau lumineux peut comporter deux sources lumineuses pour produire le faisceau lumineux parallèle dans les deux positions de faisceau différentes. Suivant une autre forme de construction préférentielle de l'invention, il est prévu que le générateur de faisceau lumineux comporte une source lumineuse, et qu'une unité de positionnement du faisceau soit prévue entre la source lumineuse et l'unité de balayage pour faire passer la position du faisceau lumineux parallèle d'une surface partielle réfléchissante sur une surface partielle voisine en réponse au signal indicateur indiquant la position de rotation du miroir polygonal. 4 2861851 Suivant une forme de construction préférentielle dépendante de cette dernière, il est prévu que l'unité de positionnement du faisceau présente les composants suivants, disposés les uns derrière les autres dans la trajectoire du faisceau: un polariseur pour produire de la lumière polarisée d'un état de polarisation prédéfini à partir de la lumière émise par la source lumineuse, une cellule à effet Pockels pour changer l'état de polarisation de la lumière émise par le polariseur entre un premier état de polarisation et un second état de polarisation, ainsi qu'un premier diviseur de faisceau de polarisation pour séparer la lumière présentant le premier état de polarisation en une première position de faisceau, dans laquelle le faisceau parallèle frappe l'une des surfaces partielles réfléchissantes et pour séparer la lumière présentant le second état de polarisation en une seconde position de faisceau, dans laquelle le faisceau parallèle frappe la surface partielle réfléchissante voisine. Le polariseur comporte de préférence un second diviseur de faisceau de polarisation avec une plaque X/2 aval pour produire la lumière polarisée de l'un des états de polarisation prédéfinis. Le premier diviseur de faisceau de polarisation comporte de préférence dans chaque trajectoire de faisceau de la lumière présentant le premier état de polarisation et de la lumière présentant le second état de polarisation une plaque ?/4 pour produire le faisceau parallèle à lumière de polarisation circulaire. Suivant une forme de construction préférentielle de l'invention, il est prévu que l'unité de balayage comporte le miroir polygonal rotatif pour dévier le faisceau lumineux parallèle dans une première direction et en outre un miroir pivotant, disposé dans la trajectoire du faisceau, pour 2861851 dévier le faisceau lumineux parallèle dans une seconde direction. De préférence, le miroir polygonal est prévu pour dévier le faisceau lumineux parallèle dans la direction horizontale, et le miroir pivotant est prévu pour dévier le faisceau lumineux parallèle dans la direction verticale. L'unité de détection comprend de préférence un détecteur et 10 un objectif prévu pour reproduire sur le détecteur la lumière réfléchie par l'objet distant. Le détecteur est de préférence un détecteur à résolution locale. Suivant une forme de construction préférentielle de l'invention, le détecteur est un détecteur unidimensionnel. Suivant une forme de construction préférentielle de 20 l'invention, il est prévu que le détecteur présente une surface de reproduction sphérique ou cylindrique. Un miroir pivotant est de préférence prévu dans la trajectoire de faisceau de la lumière réfléchie par l'objet distant, devant l'unité de détection, pour adapter la direction de la lumière reçue par cette unité à la direction de la lumière émise par l'unité de balayage. Le miroir pivotant, prévu pour adapter la direction de la lumière reçue par l'unité de détection à la direction de la lumière émise par l'unité de balayage, est de préférence le même que celui prévu pour dévier le faisceau lumineux parallèle dans la seconde direction. 6 2861851 Suivant une forme de construction préférentielle de l'invention, l'objectif de l'unité de détection est un objectif du type double de Gauss d'une précision et d'une intensité lumineuse élevées. Le dispositif conforme à l'invention est de préférence utilisé pour contrôler l'espace aérien situé devant un aéronef dans la direction de vol quant à des obstacles difficilement identifiables, telles que lignes électriques aériennes et câbles métalliques. Un exemple de construction du dispositif de détection optique d'un objet distant, conforme à l'invention, est explicité ci-dessous à l'aide du dessin. Le dessin montre: Figure 1: une représentation schématisée des composants essentiels d'un dispositif de détection optique d'un objet distant, comprenant une partie émettrice pour émettre un faisceau lumineux parallèle dévié dans un modèle de balayage et une partie réceptrice pour recevoir la lumière réfléchie ou dispersée par l'objet à détecter, suivant un exemple de construction de l'invention; Figure 2: une représentation en perspective d'un miroir polygonal, qui fait partie intégrante du dispositif représenté sur la figure 1; Figure 3: en vue schématique, les composants essentiels de la partie émettrice du dispositif conforme à l'invention suivant l'exemple de construction de la figure 1, pour expliquer le fonctionnement d'une unité de balayage prévue pour dévier un faisceau lumineux parallèle; 7 2861851 Figures 4a) et 4b) : en vue du dessus et en vue latérale, un exemple de construction d'une unité de positionnement du faisceau, prévue dans l'exemple de construction représenté sur la figure 1 pour changer la position du faisceau lumineux parallèle émis par un générateur de faisceau lumineux; et Figure 5: un objectif contenu dans la partie réceptrice du dispositif conforme à l'invention pour détecter la lumière réfléchie par l'objet, lequel objectif fournit une reproduction sur une surface sphérique ou cylindrique avec une intensité lumineuse simultanément élevée, suivant un exemple de construction de l'invention. Le dispositif schématisé sur la figure 1, référencé dans l'ensemble par 10, sert à la détection optique d'un objet distant 6, par exemple d'un obstacle difficilement identifiable, tel qu'une ligne électrique aérienne ou un câble métallique dans l'espace aérien situé dans la direction de vol devant un aéronef, par exemple un hélicoptère. Le dispositif 10 comprend une partie émettrice, qui comporte un générateur de faisceau 1, 3 pour produire un faisceau lumineux parallèle 2 et une unité de balayage 4, 5 pour. générer un modèle de balayage par déviation du faisceau parallèle 2 sur une plage angulaire prédéfinie, et une partie réceptrice, prévue par une unité de détection 7, 8 pour détecter la lumière réfléchie par l'objet distant. Comme le montre la figure 1, la lumière réfléchie ou dispersée par l'objet distant 6 est reçue par l'unité de détection 7, 8 à partir de la même direction dans laquelle le faisceau lumineux parallèle 2 est émis par l'unité de balayage 4, 5. L'unité de balayage 4, 5 comporte un miroir polygonal rotatif 4 avec un nombre de surfaces partielles réfléchissantes 4-1, 4-2, 4-3, ..., comme détaillé sur la figure 2, prévu pour 8 2861851 dévier le faisceau lumineux parallèle 2 dans une première direction, ainsi que, dans la trajectoire ultérieure du faisceau, un miroir pivotant 5 pour dévier le faisceau parallèle 2 dans une seconde direction. Dans l'exemple de construction représenté, le miroir polygonal 4 sert à dévier le faisceau parallèle 2 dans la direction horizontale et le miroir pivotant 5 sert à dévier le faisceau 2 dans la direction verticale. Un balayage par l'unité 4, 5 est assuré typiquement dans une plage angulaire de par exemple +/- 20 horizontalement et +/- 15 verticalement. La source lumineuse 1 est de préférence un laser en régime pulsé de puissance élevée, fonctionnant dans le domaine infrarouge. Afin de pouvoir détecter de façon fiable également un objet distant difficilement identifiable, la direction des impulsions lumineuses varie d'impulsion à impulsion, de sorte qu'une observation de toute la plage angulaire prédéfinie est possible. L'objectif de l'opération de balayage est par exemple de balayer toute la plage angulaire deux fois par seconde. La lumière réfléchie par l'objet distant 6 est détectée par l'unité de détection 7, 8 côté récepteur, qui comporte un détecteur 8 et un objectif 7 prévu pour reproduire sur ce dernier la lumière réfléchie par l'objet distant. Le détecteur 8 est un détecteur unidimensionnel à résolution locale, qui présente dans l'exemple de construction représenté une surface de reproduction sphérique ou cylindrique. L'objectif 7 reproduit sous forme de points lumineux les rayons réfléchis par l'objet distant 6 sur la surface de reproduction du détecteur 8. Des objets situés dans le champ lointain sont reproduits sur le détecteur 8, qui se situe dans le plan focal et/ou plan d'image de l'objectif 7. Afin que des différences angulaires égales soient reproduites sur des éléments d'image d'égale distance, 9 2861851 une surface de reproduction cylindrique ou sphérique est avantageuse, comme représenté. Cela permet également une répartition d'intensité d'image régulière, qui correspond à une distance maximale de l'objet indépendante de l'angle d'incidence. L'objectif 8 de l'unité de détection 7, 8 peut être par exemple du type objectif double de Gauss, qui fournit une reproduction sur une surface sphérique ou cylindrique avec une intensité lumineuse simultanément élevée. Un tel objectif est représenté sur la figure 5. Une optique réceptrice d'une précision et d'une intensité lumineuse élevées, telle que requise pour une grande portée et une opération de balayage rapide, est de ce fait créée. La trajectoire de faisceau de la lumière réfléchie par l'objet distant passe dans la direction d'incidence devant l'unité de détection 7, 8 par l'intermédiaire du même miroir pivotant 5, que celui prévu côté émetteur pour dévier le faisceau lumineux parallèle 2 dans la seconde direction verticale, en tant que partie intégrante de l'unité de balayage 4, 5. Par le miroir pivotant 5, la direction de la lumière reçue par l'unité de détection 7, 8 côté récepteur est adaptée à la direction de la lumière émise côté émetteur par l'unité de balayage 4, 5, de sorte que la lumière est toujours détectée côté récepteur à partir de la même direction verticale dans laquelle elle a été émise côté émetteur. La composante verticale de la direction du faisceau lumineux émise et reçue est identique, ce qui est indispensable car la lumière réfléchie et observée ne provient que de l'objet illuminé. Les directions incidentes du faisceau ne varient ainsi qu'horizontalement, de sorte qu'un agencement unidimensionnel du détecteur 8 est suffisant. Le détecteur 8 à résolution locale détecte donc la composante horizontale de la direction, à partir de laquelle 2861851 est reçue la lumière réfléchie par l'objet distant, la composante verticale peut être déduite de la position angulaire du miroir pivotant 5. Le générateur de faisceau lumineux, formé par la source lumineuse 1 et l'unité de positionnement du faisceau 3, est prévu pour produire le faisceau parallèle 2 dans deux positions de faisceau différentes, qui peuvent passer d'une surface partielle réfléchissante, par exemple la surface 4-2, sur une surface partielle réfléchissante voisine, par exemple la surface 4-3, en réponse à un signal indicateur indiquant la position de rotation du miroir polygonal 4. Le changement de position du faisceau parallèle 2 est toujours assuré lorsque, en raison de la rotation progressive du miroir polygonal 4, le faisceau lumineux parallèle 2 est scindé par une arête située entre deux surfaces partielles réfléchissantes 4-1, 4-2, 4-3, ... et commence ainsi à réduire d'intensité. De cette manière, tout le profil du faisceau lumineux parallèle 2 d'extension finie frappe toujours une surface partielle réfléchissante unique du miroir polygonal 4, comme schématisé sur la figure 3, et est ainsi émis dans toute son intensité dans la direction prévue. Le signal indicateur de la position de rotation, en réponse duquel l'unité de positionnement 3 change la position du faisceau, est produit dans l'exemple de construction représenté par un détecteur d'angle 9, qui répond au faisceau d'un laser de contrôle 9a, par exemple un petit laser à rubis, réfléchi sur l'une des surfaces partielles respectives du miroir polygonal 4. Suivant une forme de construction de l'invention, l'unité de positionnement du faisceau 3 représentée sur les figures 4a) et b), comprend successivement dans la trajectoire d'un faisceau lumineux parallèle, produit par une optique à fibres 11 2861851 de verre 31 et un collimateur 32, un polariseur 33, 34, 35, qui sert à générer de la lumière polarisée dans un état de polarisation défini à partir de la lumière émise par la source lumineuse 1. Une cellule à effet Pockels 36, montée en aval du polariseur 33, 34, 35, sert à changer l'état de polarisation de la lumière émise par le polariseur 33, 34, 35 entre un premier et un second état de polarisation. Un diviseur de faisceau de polarisation 37, 38, 39, 39', de nouveau monté en aval de la cellule à effet Pockels 36, sert à séparer la lumière présentant le premier état de polarisation en une première position de faisceau (faisceau 1) et à séparer la lumière présentant le second état de polarisation en une seconde position de faisceau (faisceau 2). Dans la première position, le faisceau lumineux parallèle 2 frappe l'une des surfaces partielles réfléchissantes, ici la surface 4- 2, dans la seconde position, le faisceau parallèle 2 frappe la surface partielle réfléchissante voisine, ici la surface 4-3, lorsque la position de rotation du miroir polygonal 4 est justement telle que le faisceau parallèle 2 est scindé par l'arête entre les deux surfaces partielles réfléchissantes voisines 4-2, 4-3 et commence ainsi à s'atténuer. Le polariseur 33, 34, 35 comporte un diviseur de faisceau de polarisation 33, qui scinde la lumière reçue par le collimateur 32 en deux composantes, par exemple une composante de polarisation s et une composante de polarisation p. Tandis que la composante de polarisation p traverse le diviseur de faisceau 33 dans la direction linéaire, la composante de polarisation s est séparée par le diviseur de faisceau 33 et ramenée par un miroir de convolution 34, en déport parallèle, dans la direction de la trajectoire de faisceau dans laquelle se situe une plaque ?/2 35, par laquelle sa direction de polarisation est tournée, de 12 2861851 sorte qu'un faisceau de polarisation p linéaire d'une double section transversale a enfin été produit. Dans la cellule à effet Pockels aval 36, l'état de polarisation de la lumière émise par le polariseur 33, 34, 35 est changé sélectivement entre le premier état de polarisation et le second état de polarisation en fonction d'un signal à haute tension appliqué de l'extérieur à la cellule 36, de sorte que le faisceau lumineux parallèle 2 est séparé sélectivement en la première position de faisceau (faisceau 1) ou en la seconde position (faisceau 2) par le diviseur de faisceau de polarisation 37, 38, 39, 39'. Les plaques 2,/4 39, 39', prévues dans chacune des deux trajectoires de faisceau du diviseur de faisceau de polarisation 37, 38, 39, 39', servent à provoquer une polarisation circulaire des deux faisceaux 1, 2 indépendamment de la polarisation s ou p précédente. Liste des références 1 Source lumineuse la Miroir de déviation 2 Faisceau lumineux parallèle 3 Unité de positionnement du faisceau 31 Fibres optiques 32 Collimateur 33 Second diviseur de faisceau de polarisation 34 Miroir de convolution Plaque 1/2 36 Cellule à effet Pockels 37 Premier diviseur de faisceau de polarisation 38 Miroir de convolution 39 Plaque 1/4 39' Plaque 1/4 4 Miroir polygonal 4-1 Surface partielle réfléchissante 4-2 Surface partielle réfléchissante 4-3 Surface partielle réfléchissante Miroir pivotant 6 Objet distant 7 Objectif 8 Détecteur 9 Détecteur d'angle 9a Laser de contrôle Dispositif de détection Revendications 1. Dispositif de détection optique d'un objet distant, comprenant un générateur de faisceau lumineux (1, 3) pour produire un faisceau lumineux parallèle (2), une unité de balayage (4, 5) pour générer un modèle de balayage par déviation du faisceau lumineux parallèle (2) sur une plage angulaire prédéfinie, et une unité de détection (7, 8) pour détecter la lumière réfléchie par l'objet distant, l'unité de balayage (4, 5) comportant un miroir polygonal rotatif (4) avec plusieurs surfaces partielles réfléchissantes (4-1, 4-2, 4-3, ...), caractérisé en ce que le générateur de faisceau lumineux (1, 3) est prévu pour produire un faisceau lumineux parallèle (2) dans deux positions de faisceau différentes, pouvant passer d'une surface partielle réfléchissante (4-2) sur une surface partielle voisine (4-3) en réponse à un signal indicateur indiquant la position de rotation du miroir polygonal (4). 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le générateur de faisceau lumineux (1, 3) est prévu pour produire le faisceau lumineux parallèle (2) dans deux positions de faisceau différentes, en déport mutuel parallèle. 3. Dispositif suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le générateur de faisceau lumineux (1, 3) comporte deux sources lumineuses (1) pour produire 30 le faisceau lumineux parallèle (2) dans les deux positions de faisceau différentes. 4. Dispositif suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le générateur de faisceau lumineux 35 (1, 3) comporte une source lumineuse (1), et qu'une unité 2861851 15 de positionnement du faisceau (3) est prévue entre la source lumineuse (1) et l'unité de balayage (4, 5) pour faire passer la position du faisceau lumineux parallèle (2) d'une surface partielle réfléchissante (4-2) sur une surface partielle voisine (4-3) en réponse au signal indicateur indiquant la position de rotation du miroir polygonal (4). 5. Dispositif suivant la revendication 4, caractérisé en ce que l'unité de positionnement du faisceau (3) présente les composants suivants, disposés les uns derrière les autres dans la trajectoire du faisceau: un polariseur (33, 34, 35) pour produire de la lumière polarisée d'un état de polarisation prédéfini à partir de la lumière émise par la source lumineuse (1), une cellule à effet Pockels (36) pour changer l'état de polarisation de la lumière émise par le polariseur (33, 34, 35) entre un premier état de polarisation et un second état de polarisation, ainsi qu'un premier diviseur de faisceau de polarisation (37, 38, 39, 39') pour séparer la lumière présentant le premier état de polarisation en une première position de faisceau, dans laquelle le faisceau parallèle (2) frappe l'une des surfaces partielles réfléchissantes (4-2) et pour séparer la lumière présentant le second état de polarisation en une seconde position de faisceau, dans laquelle le faisceau parallèle (2) frappe la surface partielle réfléchissante voisine (4-3). 6. Dispositif suivant la revendication 5, caractérisé en ce que le polariseur (33, 34, 35) comporte un second diviseur de faisceau de polarisation (33) avec une plaque ?/2 aval (35) pour produire la lumière polarisée de l'un des états de polarisation prédéfinis. 16 2861851 7 Dispositif suivant l'une des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que le premier diviseur de faisceau de polarisation (37, 38, 39, 39') comporte dans chaque trajectoire de faisceau de la lumière présentant le premier état de polarisation et de la lumière présentant le second état de polarisation une plaque ?/4 (39, 39') pour produire le faisceau lumineux parallèle à lumière de polarisation circulaire. 8. Dispositif suivant l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'unité de balayage (4, 5) comporte le miroir polygonal rotatif (4) pour dévier le faisceau lumineux parallèle (2) dans une première direction et en outre un miroir pivotant (5), disposé dans la trajectoire du faisceau, pour dévier le faisceau lumineux parallèle (2) dans une seconde direction. 9. Dispositif suivant la revendication 8, caractérisé en ce que le miroir polygonal (4) est prévu pour dévier le faisceau lumineux parallèle (2) dans la direction horizontale, et le miroir pivotant (5) est prévu pour dévier le faisceau parallèle (2) dans la direction verticale. 10. Dispositif suivant l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'unité de détection (7, 8) comprend un détecteur (8) et un objectif (7) prévu pour reproduire sur le détecteur (8) la lumière réfléchie par l'objet distant (7). 11. Dispositif suivant la revendication 10, caractérisé en ce que le détecteur (8) est un détecteur à résolution locale. 2861851 17 12. Dispositif suivant la revendication 11, caractérisé en ce que le détecteur (8) est un détecteur unidimensionnel. 13. Dispositif suivant l'une des revendications 11 et 12, caractérisé en ce que le détecteur (8) présente une surface de reproduction sphérique ou cylindrique. 14. Dispositif suivant l'une des revendications 12 et 13, caractérisé en ce qu'un miroir pivotant est prévu dans la trajectoire de faisceau de la lumière réfléchie par l'objet distant, devant l'unité de détection (7, 8), pour adapter la direction de la lumière reçue par l'unité (7, 8) à la direction de la lumière émise par l'unité de balayage (4, 5). 15. Dispositif suivant la revendication 14, caractérisé en ce que le miroir pivotant, prévu pour adapter la direction de la lumière reçue par l'unité de détection (7, 8) à la direction de la lumière émise par l'unité de balayage (4, 5), est le même miroir pivotant (5) que celui prévu pour dévier le faisceau lumineux parallèle (2) dans la seconde direction. 16. Dispositif suivant l'une des revendications 1 à 15, caractérisé en ce que l'objectif (8) de l'unité de détection (7, 8) est un objectif du type double de Gauss. 17. Utilisation d'un dispositif suivant l'une des revendications 1 à 16 pour contrôler l'espace aérien situé devant un aéronef dans la direction de vol quant à des obstacles difficilement identifiables.