Brevet FR2904700A1 — publié le 20080208

--> "SYSTEME OPTICO-MECANIQUE POUR BALAYER SELON DEUX DIRECTIONS UNE REGION DE L'ESPACE". La présente invention concerne un système de balayage pour balayer selon deux directions une région de l'espace par un faisceau de lumière d'axe principal XX' comportant entre autres un moyen de déviation du faisceau de lumière. Un tel système est connu de la demande de brevet français n" 2 139 973 Dans ce brevet le système de balayage optico-mécanique appelé générateur de balayage optique comporte un ensemble à miroirs tournants entraîné par un moteur, cet ensemble à miroirs tournants est constitué d'un cylindre polygonal comportant un "grand nombre de surfaces réfléchissantes sensiblement planes" pour réaliser un balayage selon une première direction. A cet ensemble à miroirs tournants et au moteur qui l'entraîne sont associés deux engrenages, une came "à déplacement sensiblement linéaire", un poussoir de came sur l'axe duquel est supporté un miroir pour le balayage dans une seconde direction. Un premier inconvénient d'un tel système est qu'il nécessite une mécanique relativement compliquée et coûteuse utilisant un nombre important de pièces de renvoi. Un second inconvénient d'un tel système est que les pièces mécaniques en contact telles que les engrenages ou la came ont tendance I s'user, ce qui entraîne une perte de précision et de fidélité dans le balayage qui s'ajoute à une imprécision due à la non linéarité de la came. La présente invention propose un système du genre précité qui ne présente pas les deux premiers inconvénients du système connu. Pour cela le système de balayage optico-mécanique pour balayer selon deux directions une région de l'espace du type mentionné dans le préambule est remarquable en ce que le balayage est obtenu par combinaison du moyen de déviation du faisceau de lumière mû en translation rectiligne perpendi -->culairement et alternativement d'un côté et de l'autre de l'axe principal XX' du faisceau et d'un commutateur optique pour la commutation du balayage selon la première puis la seconde des deux directions. Ainsi un simple moteur linéaire entraîne, le moyen de déviation du faisceau, en translation alternativement de part et d'autre d'un axe perpendiculaire à l'axe principal XX', alors qu'un commutateur optique va opérer la commutation du balayage selon les deux directions d'exploration. La mécanique d'un tel système qui ne comporte que peu de pièces et aucune pièce de renvoi est bien plus simple à mettre en oeuvre et donc moins coûteuse. D'autre part, il n'y a pas de pièces mécaniques en contact et donc pas d'usure, précision et fidélité dans le balayage sont ainsi conservées dans le temps. Enfin, le système par lui-même confère une meilleure précision à grande distance que les systèmes connus. Grâce à l'invention, un avantage supplémentaire est dégagé. En effet, le système de balayage est remarquable en ce que le moyen de déviation qui est mû en translation rectiligne est associé à " un moyen de réglage de l'amplitude de la translation pour faire varier l'amplitude du balayage. Ainsi il suffit de modifier le réglage de la course provoquée par le moteur linéaire qui entraîne le moyen de déviation pour faire varier l'amplitude du balayage c'est â dire le champ balayé. Dans un mode de réalisation de l'invention, en aucun cas limitatif, le moteur linéaire peut être une simple bobine de haut-parleur solidaire du moyen de déviation dont la course peut être aisément modifiée. La description suivante en regard des dessins annexés, le tout donné à titre d'exemple, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure a_ montre le système de balayage optico-mécanique conforme â l'invention, la figure 1_b_ propose un exemple de réalisation du moyen de déviation associé à un moteur pour sa mise en translation. La figure 2 représente une courbe d 'éclairement -->d'une fente pour un faisceau gaussien de section circulaire. La figure 3 montre un dispositif d'amélioration de l'uniformité d 'éclairement d'une fente. La figure 4 représente une courbe d ' éclairement d'une fente lorsque le dispositif d'amélioration de l'uniformité d ' éclairement est placé en amont de la fente. Sur la figure 1a_ est représenté le système de balayage optico-mécanique conforme à l'invention. Un faisceau de lumière 1 est émis par une source de lumière (non représentée sur la figure) et se propage à l'intérieur du système de balayage optico-mécanique 2 selon l'axe principal coudé XX'. Un disque 3 tournant autour d'un axe 4 d'inclinaison égale à 45° par rapport à l'axe principal XX' est entraîné par un moteur (non représenté sur la figure). Sur le disque 3, qui est de préférence une lame à faces parallèles, est disposé ou déposé un miroir 5 * A ce que l'on conviendra d'appeler entrée du système de balayage optico-mécanique le faisceau de lumière 1, qui est de préférence un faisceau laser (pour sa directivité et sa très forte intensité lumineuse), est dirigé vers une lentille cylindrique 6 puis une fente 7 percée dans une plaque mince opaque. Conformément I l'invention le système de balayage optico-mécanique est remarquable en ce que le balayage est obtenu par combinaison d'un moyen de déviation du faisceau de lumière mû en translation rectiligne perpendiculairement et alternativement d'un coté et de l'autre de l'axe principal XX' et d'un commutateur optique pour la commutation du balayage selon la première puis la seconde direction. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, le moyen de déviation qui est mû en translation est un dispositif rigide formé d'une lentille cylindrique associée à une fente, la lentille cylindrique focalisant le faisceau sur la fente. Ainsi la lentille cylindrique 6 associée solidairement à la fente 7 constitue le moyen de déviation du faisceau de lumière lorsque cet ensemble rigide se voit imposer un mouvement de translation rectiligne alternativement d'un côté et -->de l'autre de l'axe principal XX 1 et perpendiculairement audit axe XX'. Si l'on considère le système d'axes Ox , Oy, Oz représenté sur la figure la direction du faisceau est celle de l'axe Ox, et la translation imposée au moyen de déviation du faisceau est opérée selon l'axe Oy dans les deux sens + et figurant sur le dessin. Ce mouvement de translation rectiligne alternatif est provoqué par un moteur linéaire (représenté sur la figure 1_b), ledit moteur pouvant être une bobine de haut-parleur solidaire du moyen de déviation. Le moyen de déviation du système optico-mécanique est remarquable par le fait qu'il est associé à un moyen de réglage de l'amplitude de la translation pour faire varier l'amplitude du balayage. En effet il suffit de modifier la course du moteur linéaire ou l'excitation de la bobine de haut-parleur pour faire varier l'amplitude de la translation du moyen de déviation et par là le champ balayé. Sur la figure 1_b_ est proposé un exemple de réalisation du moyen de déviation associé à un moteur pour sa mise en translation. Le moyen de déviation est donc formé de la lentille cylindrique 6 et de la fente 7 qui sont associées rigidement, par exemple par l'intermédiaire d'une boîte B ayant la forme d'un parallélépipède dont la face E a été supprimée pour être remplacée par la lentille cylindrique 6. Sur la face S qui est opaque, la fente 7 a été percée. A la boîte B est associé solidairement un moteur M (représenté sur le dessin par une bobine). Ce moteur M est alimenté par un générateur G par l'intermédiaire d'un moyen de réglage R servant à régler l'amplitude de la translation du moyen de déviation. Dans un mode de réalisation préféré du système optico-mécanique le commutateur optique est un disque tournant d'axe de rotation situé dans le plan contenant l'axe principal XX' du faisceau sur une demi-circonférence duquel et le long de cette demi-circonférence est disposé un miroir à deux faces planes réfléchissantes situées l'une au dessus de l'autre et perpendiculairement à l'axe de rotation, dont une face est utilisée pour le balayage selon la première direction et dont -->l'autre face est utilisée pour ie balayage selon la deuxième direction de la région de l'espace. Le commutateur optique est donc le miroir 5 tournant avec le disque 3 autour de l'axe de rotation 4> L'axe de rotation 4 du disque tournant est situé dans le plan contenant l'axe principal coudé XX' du faisceau de lumière. Selon la face plane sur laquelle est réfléchi le faisceau sortant du moyen de déviation, c'est à dire selon la position du disque tournant le balayage est réalisé relativement à la première direction suivant l'axe Oz ou la seconde direction suivant l'axe Oy. Selon une caractéristique importante du système le mouvement de translation imposé au moyen de déviation du faisceau d'un côté et de l'autre de l'axe principal XX' est effectué en synchronisme avec la rotation du disque tournant. Un aller et retour du moyen de déviation doit correspondre à 180° de rotation du disque tournant 3 ce qui signifie que la vitesse de translation est un multiple de la vitesse de rotation (dans l'exemple présent ce multiple est 2). Le faisceau à la sortie de la fente 7 balaye alternativement la première puis la seconde face du miroir 5, ainsi deux images de la fente 7 se forment alternativement en 8 et 9 selon la position du disque tournant 3 Dans la position du disque tournant 3 et donc du miroir 5 représentée figure 1 a_, l'image de la fente 7 donnée par des lentilles 10 et 11 se forme en 8. Suivant une des caractéristiques du système de la fente est située au foyer de la lentille placée en aval de ladite fente. Ainsi la fente 7 est située au foyer de la lentille 10. Afin que la figure 1a_ reste lisible, seule une nappe plane 12 a été représentée émergeant de la lentille cylindrique 6, cette nappe contient l'axe principal XX' du système optique. La nappe plane 12 traverse la fente 7 et est réfléchie vers la lentille 10 par la face réfléchissante supérieure du miroir 5 Dans une application préférée le système de ba -->layage optico-mécanique est remarquable en ce que l'image du faisceau issu de la fente subit, selon l'une des deux directions, une rotation de 90° par rapport à son axe au moyen d'un système de redressement. Ainsi un ensemble de prismes 13 constituant le système de redressement introduit une rotation de 90" de l'image 8 autour de l'axe principal XX'. L'ensemble de prismes 13 est constitué de 3 prismes à réflexion totale accolés 13a, 13b, 13c. Le prisme 13a réalise une déviation de 90° de la nappe incidente, le prisme 13b réalise une déviation de 180° de la nappe émergeant du prisme 13a, le prisme 13c incliné de 90° par rapport à l'horizontale, réalise une déviation de 90° et une rotation de 90° autour de l'axe principal XX' de la nappe émergeant du prisme 13b. La nappe plane 12 sort en 14 et passe par l'image 8 de la fente 7 Selon une autre caractéristique du système selon l'invention, ledit système comporte de plus des lentilles qui conjuguent la fente et son image, la distance séparant ces lentilles étant égale au double de leurs distances focales. Ainsi la fente 7 et son image 8 sont conjuguées par les lentilles 10 et 11. D'autre part, le système de balayage optico-mécanique qui possède en outre un objectif de sortie est remarquable en ce que les images de la fente appartenant au moyen de déviation se forment alternativement dans le plan focal de l'objectif de sortie, objectif de sortie qui est de préférence un objectif zoom. Les images 8 et 9 de la fente 7 sont formées l'une après l'autre dans le plan focal d'un objectif 15 qui est l'objectif de sortie, l'objectif 15 projette alors les images de la fente à l'infini. Le système de balayage optico-mécanique est aussi remarquable en ce que un balayage dans les deux directions de la région de l'espace explorée est réalisé en un seul tour du disque tournant. Le miroir 5 est un miroir plan perpendiculaire à l'axe de rotation 4 du disque 3, l'image 8 de la fente 7 serait fixe si le moyen de déviation formé par la lentille cylindrique 6 associée rigidement â la fente 7 était fixe. --> Lorsqu'un mouvement de translation rectiligne alternatif est imprimé au moyen de déviation, le même mouvement de translation est communiqué au faisceau à la sortie de la fente 7 et l'image 8 de la fente balaie une fraction du plan focal de l'objectif 15 et est projetée à l'infini par ledit objectif. Ainsi est réalisé un balayage selon l'axe Oy. En faisant varier l'amplitude de la translation imposée au moyen de déviation, on comprend aisément que l'on fait varier l'amplitude du balayage. Lorsque le disque 3 a tourné de 180° autour de son axe de rotation 4, la nappe plane 12 issue de la fente 7 n'est plus réfléchie par la face supérieure du miroir 5 comme dans l'instant immédiatement précédent mais est optiquement commutée sur un second trajet optique. La nappe plane 12 horizontale est déviée de 90° par le prisme 16, passe par la lentille 17, est déviée de nouveau de 90° en subissant de plus une rotation de 45° par rapport à la nappe incidente au moyen du prisme 18 qui est incliné de 45° par rapport à l'horizontale, la nappe émergeant du prisme 18 est à son tour déviée de 90° et subit aussi une rotation de 45°, par rapport à la nappe émergeant du prisme 18, au moyen du prisme 19 incliné à 45° par rapport à l'horizontale. La nappe émergeant du prisme 19 après avoir subi les deux rotations de 45° au moyen des prismes 18 et 19 est à présent située dans un plan vertical, elle passe par la lentille 20 et enfin par le prisme 21 qui la dévie de 90°. La nappe émergeant du prisme 21 passe par l'image 9 de la fente 7 Les quatre prismes 16, 18, 19, 21 sont dans l'exemple décrit des prismes à réflexion totale. La nappe émergeant du prisme 21 et passant par l'image 9 de la fente 7 est réfléchie par la face réfléchissante inférieure du miroir 5 qui la dévie de 90°. L'ensemble des nappes réfléchies par la face inférieure du miroir 5 forme le faisceau qui balaye l'espace selon l'axe Oz , projeté à l'infini par l'objectif 15, le balayage étant opéré lorsqu'il est imprimé un mouvement de translation au moyen de déviation. En faisant varier l'amplitude de la translation imposée au moyen de déviation, -->on impose de même une variation de l'amplitude du balayage. Ainsi en un tour du disque tournant l'espace est balayé successivement dans les deux directions Oy et Oz , de plus grâce aux modifications d'amplitude imposées au moyen de déviation il est possible de faire varier le champ balayé. Il est à noter qu'en pratique, la fente 7 est située le plus près possible du disque 3 pour que la déviation du disque soit au plus près de l'image des pupilles. La rotation de 90° de l'image 8 de la fente 7 est obtenue au moyen de l'ensemble de prismes 13 Elle pourrait tout aussi bien être obtenue par un prisme d'un autre type qui remplirait la même fonction ou par un système afocal cylindrique de grossissement unité placé en faisceau parallèle entre les lentilles 10 et 11 et orienté de façon convenable pour produire une rotation de 90° de l'image 8. D'autres schémas de redressement sont possibles, cependant il est essentiel de garder en mémoire que les points d'intersection de l'axe principal XX' avec le miroir 5 sont diamétralement opposés par rapport à l'axe de rotation 4. La figure 2 représente une courbe d ' éclairement d'une fente éclairée par un faisceau laser gaussien de section circulaire. L ' éclairement E de la fente 7 par la lentille cylindrique 6 (figure 1) n'est pas uniforme sur toute la longueur L de la fente. La répartition des éclairements est gaussienne et est représentée sur la figure 2. L ' éclairement est de 1 au centre de la fente, il est de 0,1 sur les bords de la fente . Selon un mode de réalisation préféré du système selon l'invention, ledit système est remarquable en ce qu'il comporte en outre un dispositif d'amélioration de l'uniformité d ' éclairement de la fente situé en faisceau parallèle en amont de la lentille cylindrique et comprenant deux lames à faces parallèles inclinées symétriquement. La figure 3 montre un tel dispositif d'amélioration de l'uniformité d ' éclairement d'une fente. En effet on peut améliorer l'uniformité d ' éclairement de la fente --> 7 en coupant ie faisceau laser 1 par un plan vertical passant par l'axe principal XX' et en translatant verticalement les deux moitiés du faisceau au moyen de deux lames 22 et 23 à faces parallèles inclinées respectivement de - β et de + Y par rapport à l'axe principal XX'. Sur la figure 3 en vue de face est représenté le faisceau laser Le en trait plein à l'entrée du dispositif d'amélioration de l'uniformité d'éclairement, de même sont représentés les deux demi-faisceaux Ls en pointillé à la sortie dudit dispositif. La figure 4 représente une courbe d ' éclairement d'une fente fixe lorsque le dispositif d'amélioration de l'uniformité d ' éclairement est placé en amont de la lentille cylindrique 6. Sur la figure 4 sont représentés en pointillé les éclairements E1 et E2 de chaque demi-faisceau le long de la fente 7, en trait plein est représenté 1 ' éclairement résultant Er . L ' éclairement maximum de chaque demi-faisceau Ls est alors de 0,5* Les courbes d 'éclairement Ξ1 et E2 sont symétriques par rapport au centre de la fente, 1 'éclairement au bord de la fente étant pour chacune des courbes d ' éclairement de 0,37 du côté de la fente vers lequel le demi-faisceau a subi la translation et de l'ordre de 0 de l'autre côté de la fente. L ' éclairement résultant Er qui est la somme des éclairements E1 et E2 est ainsi uniformisé. En effet au centre de la fente 1 ' éclairement est alors de 0,5, il est au minimum sur les bords de la fente d'environ 0,37. Un tel système de balayage peut être avantageusement utilisé dans un système de guidage, plus particulièrement dans un système de guidage sur faisceau laser pour le contrôle de la trajectoire d'un missile. Le champ de guidage est carré, il est codé en coordonnées rectangulaires, le système de balayage projette le faisceau laser alternativement dans le champ horizontal et dans le champ vertical. Le balayage est réalisé de préférence à vitesse constante avec un temps mort tendant vers 0. L'objet ou le missile à contrôler est éclairé à chaque balayage, l'instant du passage du balayage donne les coordonnées de l'objet dans le champ lorsque l'ins -->tant d'origine des balayages et les caractéristiques des balayages sont connus. Ce système peut être utilisé aisément pour des faisceaux laser de longueur d'onde quelconque, cependant il convient particulièrement bien à des faisceaux laser dont la longueur d'onde est de l'ordre de 10 μm. Enfin, on peut simplifier le système en supprimant la fente 7 (figure ^ a) . Dans ce cas, on projette alors directement la focale d'astigmatisme donnée par la lentille cylindrique 6. --> REVENDICATIONS : 1. Système de balayage optico-mécanique pour balayer selon deux directions une région de l'espace par un faisceau de lumière d'axe principal XX' comportant entre autres un moyen de déviation du faisceau de lumière caractérisé en ce que le balayage est obtenu par combinaison du moyen de déviation du faisceau de lumière mû en translation rectiligne perpendiculairement et alternativement d'un côté et de l'autre de l'axe principal XX' du faisceau et d'un commutateur optique pour la commutation du balayage selon la première puis la seconde des deux directions. 2. Système de balayage optico-mécanique selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le moyen de déviation qui est mû en translation rectiligne est associé à un moyen de réglage de l'amplitude de la translation pour faire varier l'amplitude du balayage. 3 Système de balayage optico-mécanique selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que le moyen de déviation mû en translation est un dispositif rigide formé d'une lentille cylindrique associée à une fente, la lentille cylindrique focalisant le faisceau sur la fente. 4 Système de balayage optico-mécanique selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que le commutateur optique est un disque tournant d'axe de rotation situé dans le plan contenant l'axe principal XX' du faisceau sur une demi-circonférence duquel et le long de cette demi-circonférence est disposé un miroir à deux faces réfléchissantes situées l'une au-dessus de l'autre et perpendiculairement à l'axe de rotation, dont une face est utilisée pour le balayage selon la première direction et dont l'autre face est utilisée pour le balayage selon la deuxième direction de la région de 1 ' espace. 5 Système de balayage optico-mécanique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le mouvement de translation imposé au moyen de déviation du faisceau d'un côté et de l'autre de l'axe principal XX' est effectué en -->synchronisme avec la rotation du disque tournant. 6. Système de balayage optico-mécanique selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que l'image du faisceau issu de la fente subit, selon l'une des deux directions, une rotation de 90° par rapport à son axe au moyen d'un système de redressement. 7. Système de balayage optico-mécanique selon l'une des revendications 1 â 6, caractérisé en ce qu'il comporte de plus des lentilles qui conjuguent la fente et son image, la distance séparant ces lentilles étant égale au double de leurs distances focales. 8. Système de balayage optico-mécanique selon l'une des revendications 1 à 7, possédant en outre un objectif de sortie, caractérisé en ce que les images de la fente appartenant au moyen de déviation se forment alternativement dans le plan focal de l'objectif de sortie, objectif de sortie qui est de préférence un objectif zoom. 9 Système de balayage optico-mécanique selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que un balayage dans les deux directions de la région explorée est réalisé en un seul tour du disque tournant. 10. Système de balayage optico-mécanique selon l'une des revendications 1 â 9, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un dispositif d'amélioration de l'uniformité d'éclairement de la fente situé en faisceau parallèle en amont de la lentille cylindrique et comprenant deux lames à faces parallèles inclinées symétriquement.