Brevet FR2892206A1 — publié le 20070420

DISPOSITIF OPTIQUE MULTI-PARAMETRABLE DE DOUBLE- BALAYAGE LASER DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne un dispositif optique 5 multiparamétrable de double-balayage laser. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Dans le domaine optique de la détection active et de la mesure de distance sans contact, on 10 peut être amené à utiliser des dispositifs de double-balayage optique laser, chacun de ces balayages étant obtenu mécaniquement et électroniquement avec une figure de balayage donnée, par exemple de type balayage télévision. 15 Le document référencé [1] en fin de description décrit ainsi un procédé de balayage qui permet d'augmenter le champ de vue (FOV) d'une caméra à réseau plan focal (FPA) en faisant tourner des prismes optiques devant l'optique de la caméra, ces deux 20 prismes tournant avec des vitesses de rotation continues, et opposées, autour d'un axe commun. Ce procédé permet d'obtenir une vitesse non uniforme de mouvement de la ligne de visée (LdV). Dans ce procédé quatre images prises selon différentes directions de la 25 ligne de visée sont liées ensemble en une grande image résultant en un champ de vue augmenté de manière significative dans deux directions. Le document référencé [2] décrit l'utilisation d'un diasporamètre pour réaliser un simple balayage dans un dispositif de télémétrie et son application à un système de détection d'obstacle. Comme illustré sur la figure 1, ce dispositif comprend une source laser 10 émettant un faisceau 11, cette source étant commandée en impulsions, suivant un axe de visée (A) pour mesurer la distance séparant cette source laser 10 d'une cible 12 10 renvoyant en écho au moins une partie de l'énergie reçue vers la source laser 10. Un récepteur monoélément (lentille 13, filtre interférentiel 14, photodiode 15) de l'énergie ainsi renvoyée (rayon réfléchi 22) et des moyens 16 de détermination de ladite distance génèrent 15 un signal de commande de la source laser 10. Un diasporamètre 17, muni de deux prismes 18 et 19 animés de vitesses de rotation opposées en directions autour dudit axe (A), imprime au faisceau 11 une déflexion variable dans le temps de manière à ce qu'il décrive 20 une figure de balayage déterminée dans un plan perpendiculaire audit axe (A). Ce faisceau 11 balaye la cible 12 selon la configuration d'une figure de balayage. Un cube séparateur de polarisation 20 associé à une lame quart d'onde 21 permettent d'utiliser une 25 optique d'émission/réception commune avec séparation sur la polarisation de la lumière. Dans ce dispositif le diasporamètre 17 est utilisé en émission et en réception. L'inventeur envisage toutefois la possibilité d'utiliser deux diasporamètres : un en 30 émission, l'autre en réception, ces deux diasporamètres5 fonctionnant alors en phase, ce qui rend cette solution complexe. Les diasporamètres sont des systèmes optiques bien connus. Mais ils sont peu utilisés car ils génèrent des aberrations chromatiques importantes en bande large et des effets de déformation géométrique en bord de champ marqués en faisceau convergent. Les dispositifs de balayage du champ de vue à l'aide d'un laser de pointage (détection, ou illumination d'un objet) de l'art connu peuvent également utiliser des miroirs deux axes pilotés. Mais ceci impose des tailles de miroirs importantes et donc des besoins contraignants (masse, volume, puissance) en terme de motorisation. De plus, ces dispositifs ne sont pas à moment d'inertie résultant nul, ce qui impose des systèmes de correction mécanique à la fois lourds et complexes. Les dispositifs de double-balayage de l'art connu ont donc comme inconvénients d'être lourds, complexes à mettre en oeuvre et de présenter des petites vitesses de balayage et de faibles champs. L'invention a pour objet de pallier ces inconvénients en proposant un dispositif optique multi-paramétrable de double-balayage laser. EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention concerne un dispositif optique multi-paramétrable de double-balayage laser, caractérisé en ce qu'il comprend deux diasporamètres en rotation continue, chaque diasporamètre étant constitué de deux prismes en contrerotation disposés consécutivement sur le trajet d'un faisceau laser, et en ce que les paramètres suivants sont réglables : - al, a2, a3, a4 : angles au sommet des prismes des deux diasporamètres, - col, o2, w3, o4 : vitesses de rotation des prismes des deux diasporamètres, - n1, n2, n3, n4 : indices des prismes des deux diasporamètres, - (3l, (32 : angles que forment entre eux les 10 sommets des deux prismes de chaque diasporamètre dans un plan perpendiculaire à l'axe du faisceau. Dans un mode de réalisation avantageux, le dispositif de l'invention comprend, en outre, des moyens de couplage à un télescope passif à miroir, par 15 exemple de type Infra-Rouge, un détecteur actif, et éventuellement un détecteur passif. Dans un mode de réalisation avantageux les deux diasooramètres sont disposés entre une source laser suivie d'une lentille et le télescope au travers 20 d'une première lame semi-transparente et une première lentille. Une seconde lame semi-transparente, disposée entre les deux diasporamètres, est associée à un détecteur actif via une troisième lentille. La première lame semi-transparente est associée à un détecteur 25 passif et une seconde lentille. Le dispositif de l'invention comprend en outre : - des moyens électroniques de commande de la source laser, - des moyens électroniques de commande des deux diasporamètres, 30 - des moyens électroniques de commande du détecteur actif, ces différents moyens de commande étant reliés entre eux. Il comprend ainsi : - des moyens électroniques de commande du détecteur passif, - des moyens électroniques de traitement du signal passif, - des moyens électroniques de traitement du signal reçu par le détecteur actif, - des moyens électroniques de stockage et de traitement des données reçues de ces moyens électroniques de traitement. 15 Le dispositif de l'invention présente de nombreux avantages . - La cadence de balayage est uniquement liée à la vitesse de rotation des prismes des deux 20 diasporamètres. - Ce dispositif ne présente aucun balourd : le moment d'inertie résiduel est donc nul. - L'encombrement de ce dispositif est réduit. 25 Par rapport au dispositif de l'art connu décrit dans le document référencé [2], le dispositif de l'invention présente les avantages suivants : - Il comprend un double diasporamètre et non plus un seul diasporamètre ou deux diasporamètres 30 en phase : les paramètres de réglage sont donc plus 10 nombreux. Les motifs réalisables sont également plus nombreux. Le FOV obtenu est plus important. - La détection utilisée est une détection matricielle, et non plus une détection monoélément : il en découle une information directe de position dans le FOV, en plus de l'information de distance. - Le couplage avec le télescope infrarouge passif est simple, alors que le document référencé [2] ne propose pas de couplage astucieux avec un tel télescope. Le dispositif de l'invention lorsqu'il est couplé avec un télescope Infra-Rouge passif peut avantageusement être utilisé dans des véhicules intercepteurs exo-atmosphériques (altitude supérieure à 120 km), ces véhicules étant alors dotés de capacités de détection infrarouge et de capacités de mesure de distance. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La figure 1 illustre un dispositif de l'art connu. Les figures 2A, 2B et 2C illustrent le dispositif de l'invention, qui comprend deux diasporamètres, ainsi que les motifs de balayage obtenus en sortie de chaque diasporamètre. Les figures 3A à 5D illustrent différents motifs de balayage obtenus avec le dispositif de l'invention illustré sur la figure 2A. La figure 6 illustre le dispositif de l'invention associé à un télescope infrarouge passif.30 EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS La figure 2A illustre le dispositif optique multi-paramétrable de double-balayage laser de l'invention, qui comporte deux diasporamètres 25 et 26 consécutifs en rotation continue disposés sur le trajet d'un faisceau laser. Les caractéristiques optiques et cinématiques de ces deux diasporamètres 25 et 26 diffèrent, offrant ainsi une palette importante de motifs de balayage du champ de vue et du champ de l'illumination laser, comme illustré sur les figures 2B (motif de balayage 27) et 2C (motif de balayage 28). Les vitesses de balayage des deux diasporamètres 25 et 26 ne sont limitées que par les vitesses de rotation w1, o2, o3 et w4 qu'il est possible d'atteindre avec des moteurs en rotation continue. La cadence de balayage obtenue peut donc être tout à fait intéressante. Le fait d'utiliser deux diasporamètres 25, 26 consécutifs permet de générer des figures de balayage tout à fait originales. La figure 2B correspond au motif de balayage obtenu en sortie du premier diasporamètre 25. La figure 2C correspond au motif de balayage obtenu en sortie du second diasporamètre 26. Le motif de balayage illustré sur la figure 3C peut être adapté en temps réel par une partie des paramètres de réglage suivants : - w1, w2, o3, o4 : vitesses de rotation des 30 prismes des deux diasporamètres 25 et 26, - X31 et (32 : angles que forment entre eux les deux prismes de chaque diasporamètre 25 ou 26 quand on les regarde dans un plan perpendiculaire à la ligne de visée. Il y a donc 14 paramètres de réglage dont six variables en temps réel au total pour commander les deux diasporamètres 25 et 26 du dispositif de l'invention. Les figures 3A à 5D illustrent différents 10 types de motifs de balayage générés avec le double diasporamètre 25, 26. La figure 3A illustre le parcours de la ligne de visée ( line of sight ou LOS) du premier diasporamètre 25 ( diasporamètre 1 ) dans le plan 15 image (plan (oy, oz)). La figure 3B illustre le parcours de la ligne de visée du second diasporamètre 26 ( diasporamètre 2 ) dans le plan image. La figure 3C illustre la sortie globale de 20 la ligne de visée (sur quelques pas) des deux diasporamètres 25 et 26, montés l'un derrière l'autre. La figure 3D illustre la sortie globale de la ligne de visée (parcours complet) des deux diasporamètres 25 et 26 montés l'un derrière l'autre, 25 le motif du premier diasporamètre 25 se superposant, pour chaque position, au motif du second diasporamètre 26 ce qui finit par donner le parcours illustré sur cette figure 3D. Les figures 4A à 4D et 5A, 5B et 5D 30 illustrent des parcours analogues à ceux illustrés sur5 les figures 3A à 3D pour des motifs de balayage différents. Le dispositif de l'invention offre donc la possibilité d'effectuer le double-balayage d'un champ de vue et d'un champ illuminé par un laser selon 14 paramètres, certains de ces paramètres pouvant être ajoutés en temps réel. Le dispositif de l'invention est purement rotatif, les prismes des deux diasporamètres 25, 26 fonctionnant en contre rotation. Ce dispositif est donc d'une compacité extrême et présente un moment d'inertie résultant nul. Il est, de plus, possible, grâce aux 14 paramètres de réglage, d'optimiser le système complet soit en maximisant le champ de vue, soit en maximisant la vitesse de balayage, soit encore en pilotant la ligne de visée sur un motif prédéterminé. La figure 6 illustre le dispositif optique multi-paramétrable de double balayage laser de l'invention avec couplage à un télescope Infra-Rouge passif à miroir 32, permettant de collecter des photons et de les focaliser sur un détecteur passif 36 qui a pour but de convertir lesdits photons en électrons pour en faire une image 2D électronique. Les deux diasporamètres 25 et 26 sont disposés entre une source laser 30 suivie d'une lentille 31, et le télescope passif 32, au travers d'une première lame semi-transparente 33 et une première lentille 34. La première lame semi-transparente 33 est 30 associée à un détecteur passif 36 et une seconde lentille 37. Une seconde lame semi-transparente 40 disposée entre les deux diasporamètres 25 et 26 associée à un détecteur APD (photodiode avalanche) 41, dit détecteur actif , via une troisième lentille 42, permet de diriger le faisceau afocal vers ce détecteur actif 41. Le télescope 32 adapté à l'Infra-Rouge (fonctionnement entre 3 m et 12 m, c'est-à-dire couvrant l'Infra-rouge moyen et lointain) ou adapté à toute autre longueur d'onde intéressant l'utilisateur (UV/VIS...) est composé classiquement de deux miroirs ; un miroir primaire M1 et un miroir secondaire M2. Mais tout autre type de combinaison de télescope est envisageable (Cassegrain, trois miroirs...) Ce télescope catadiotrique 32, associé à l'objectif dioptrique afocal (de quelques degrés maximum), permet de réaliser l'image d'une scène : (i) sur le détecteur passif 36 après traversée des lentilles 34 et 37, permettant la 20 focalisation du faisceau, et de la lame semiù transparente 33, (ii) sur le détecteur actif 41 à travers la seconde lame semi-transparente 40 et la lentille de focalisation 42. 25 Le détecteur passif 36 est un dispositif permettant la conversion de l'énergie photonique de la scène en énergie électrique discrétisée à travers les pixels qui le composent. Ce détecteur 36 est dit passif dans la mesure où il n'utilise pas d'autre 30 information que celle contenue dans la scène vue à travers le télescope 32.15 Grâce à la seconde lame semi-transparente 40, le faisceau afocal est dévié vers la voie active . Ce faisceau passe alors à travers le diasporamètre 26, la première lame semi-transparente 33 et les lentilles 34 et 42 permettant (comme pour le détecteur passif) la focalisation sur le détecteur actif 41. Cette voie est dite active car elle utilise une information supplémentaire à celle de la scène qui est la lumière émise par le laser 30 et réfléchie par l'objet (scène) que l'on cherche à imager ou détecter. La source laser 30 émet une impulsion optique qui se propage : (i) à travers la première lentille 31 permettant de rentrer dans le télescope 32, (ii) à travers le premier diasporamètre 25 qui donne un motif de balayage élémentaire, (iii) à travers la lame semi-transparente 40 qui dévie le faisceau vers le second diasporamètre 26 qui donne l'extension de champ par un second motif de balayage, (iv) à travers la première lame semi-transparente 33 qui renvoie le faisceau vers le télescope 32 pour illuminer l'objet dans la scène. La scène (objet) réfléchit la lumière laser qui repart (avec un diagramme de diffusion angulaire) vers le télescope 32. On remarque que le détecteur actif 41 est placé entre les deux diasporamètres 25 et 26 grâce à l'utilisation d'une lame semi-transparente 40. Le second diasporamètre 26 a, en effet, pour objectif de propager le motif élémentaire que l'on trouve en sortie du premier diasporamètre 25 sur tout le champ de vue grâce à son balayage propre. Le champ de vue s'en trouve légèrement agrandi (et on peut l'optimiser en ce sens) ce qui permet de disposer d'un espace de détection plus important. La voie passive n'est pas strictement nécessaire pour la détection. En effet, en utilisant un détecteur APD 2D (à deux dimensions) de type photodiode avalanche matriciel, on aurait une information 3D (x, y et distance pour chaque pixel). L'adjonction d'un détecteur 2D Infra-Rouge (ou d'une autre longueur d'onde) permet simplement de disposer d'une information 2D plus riche (beaucoup plus de pixels disponibles pour les détecteurs passifs que pour les détecteurs type APD (photodiode à avalanche)) et d'améliorer ainsi les processus de détection multi-spectraux... L'objectif afocal permet, en outre, de rendre le grandissement indépendant de la position de l'objet : (i) de dévier et d'aménager le faisceau optique sans craindre les problèmes de convergence et de champ, (ii) de travailler avec les diasporamètre 25 et 26 en faisceau parallèle ce qui simplifie les éventuels systèmes de correction optique. Comme illustré sur la figure 6 le dispositif de l'invention comprend également : - des moyens électroniques 45 de commande du laser 30, - des moyens électroniques 46 de commande des deux diasporamètres 25 et 26, - des moyens électroniques 47 de commande du détecteur actif 41, ces différents moyens de commande étant reliés entre eux. Il comprend aussi : - des moyens électroniques 50 de commande du détecteur passif 36, - des moyens électroniques 51 de traitement du signal infra-rouge passif, - des moyens électroniques 52 de traitement du signal LIDAR reçu par le détecteur actif 41, - des moyens électroniques 53 de stockage et de traitement des données reçues de ces moyens électroniques de traitement 51 et 52. Un tel concept global de dispositif de balayage associé à un télescope Infra-Rouge passif 32 permet un gain de volume et de masse considérable par rapport à un dispositif à miroir amont. L'utilisation d'un objectif afocal dans la combinaison optique d'un télescope Infra-Rouge 32 permet . - une réduction notable de la taille, du 25 volume et de la masse des optiques, de s'affranchir des contraintes d'aberrations géométriques liées aux diasporamètres 25 et 26. Le dispositif de l'invention permet de 30 résoudre le problème technique suivant : effectuer un balayage du FOV élémentaire (FOV ou Field of View ou champ de vue qui est le champ que voit un instrument optique de manière instantanée c'est-à-dire sous balayage) d'un capteur passif 36 (lui-même étendu au FOR ou Field of Regard ou champ de regard qui correspond à la partie de l'espace balayée par l'instrument) par un faisceau laser (source 30) de faible divergence couplé à un détecteur matriciel de type APD 41 (diode à avalanche), avec un minimum d'encombrement, compatible avec des systèmes embarqués, et des cadences de balayage élevées. Le dispositif de l'invention est faible champ (inférieur à 2 X2 ), et quasi monochromatique (illumination avec laser). On s'arrange ainsi du second défaut des diasporamètres 25 et 26 qui est l'aberration chromatique. Le dispositif de l'invention ne crée aucune perturbation sur le porteur, par exemple un véhicule terrestre (tourelle de char, véhicule blindé...), ou un avion, un drone, un satellite..., à l'inverse d'un système à miroir dont le balourd doit être compensé. Par un choix judicieux des prismes (indice de réfraction, angle au sommet), on peut augmenter légèrement le champ de vue initial du télescope infra-rouge 32 tout en couvrant le même champ avec l'illuminateur laser grâce au second diasporamètre 26. Exemple de réalisation Dans un exemple concret de réalisation on utilise les paramètres de réglage suivants : - vitesses de rotation des diasporamètres 25 et 26 : wl, w2, w3, o4 = de quelques /s à quelques dizaines de /s, indices des prismes des deux diasporamètres 25 et 26 : nl, n2, n3, n4 = 1 à 5 (dépendant du choix des verres), - angles d'ouverture des prismes des deux diasporamètres 25 et 26 : al, a2, a3, a4 = quelques à quelques dizaine de , - angles au sommet des prismes des deux diasporamètres 25 et 26 : R1, R2 = 0 à 180 . REFERENCES [1] Article intitulé "Step scan method to enlarge the field-of-view of focal plane array cameras by continuously rotating optical elements" de Michael Assel et Jocken Barth (Infrared Technology and Application, SPIS 2004, vol 5406, pages 755-764) [2] US 5,359,403 REVENDICATIONS 1. Dispositif optique multi-paramétrable de double-balayage laser, caractérisé en ce qu'il comprend deux diasporamètres en rotation continue, chaque diasporamètre étant constitué de deux prismes en contre rotation disposés consécutivement sur le trajet de ce faisceau laser, et en ce que les paramètres suivants sont réglables : - a1, a2, a3, a4 : angles au sommet des prismes des deux diasporamètres (25, 26), - m1, m2, m3, m4 : vitesses de rotation des prismes des deux diasporamètres (25, 26), - n1, n2, n3, n4 : indices des prismes des 15 deux diasporamètres (25, 26), -R1, R2 : angles que forment entre eux les deux prismes de chaque diasporamètre (25, 26) dans un plan perpendiculaire à l'axe du faisceau. 20 2. Dispositif selon la revendication 1 comprenant des moyens de couplage à un télescope à miroirs (32), et un détecteur actif (41). 3. Dispositif selon la revendication 2, 25 dans lequel le télescope (32) est un télescope Infra-Rouge. 4. Dispositif selon la revendication 2 comprenant un détecteur passif (36). 30 5. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel les deux diasporamètres (25, 26) sont disposés entre une source laser (30) suivie d'une lentille et le télescope (32) au travers d'une première lame semi--transparente (33) et une première lentille (34). 6. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel une seconde lame semi-transparente (40), disposée entre les deux diasporamètres (25, 26), est associée A un détecteur actif (41) via une troisième lentille (42). 7. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel la première lame semi-transparente (33) est associée A un détecteur passif (36) et une seconde lentille (37). 8. Dispositif selon la revendication 7 comprenant : - des moyens électroniques (45) de commande de la source laser (30), - des moyens électroniques (46) de commande des deux diasporamètres (25 et 26), - des moyens électroniques (47) de commande du détecteur actif (41), ces différents moyens de commande étant reliés entre eux. 30 9. Dispositif selon la revendication 8 comprenant : 5 10- des moyens électroniques (50) de commande du détecteur passif (36), - des moyens électroniques (51) de traitement du signal passif, - des moyens électroniques (52) de traitement du signal reçu par le détecteur actif (41), - des moyens électroniques (53) de stockage et de traitement des données reçues de ces moyens électroniques de traitement (51 et 52). 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, qui est utilisé dans un véhicule intercepteur exo-atmosphérique.