Brevet FR3005753A1 — publié le 20141121

La présente invention concerne un dispositif optique de réglage de la distribution spatiale d'un faisceau laser. Elle concerne également un système d'observation actif comprenant un tel dispositif optique, notamment pour des applications de défense et de sécurité. De façon usuelle, un système d'observation actif comprend une caméra de réception pour réaliser des images d'une scène à observer. Un tel système d'observation actif utilise, de plus, une illumination laser pour augmenter la qualité de l'image afin d'obtenir une meilleure capacité d'identification ou pour mettre en évidence une cible spécifique dans le champ de vision. La source laser destinée à mettre en oeuvre l'illumination laser comprend, généralement, un moyen de réglage de la forme du faisceau laser pour adapter le champ de vision observé au canal de réception de la caméra. L'objectif de ce moyen de réglage de la forme du faisceau laser est de transformer la forme de la distribution spatiale de la source laser en une forme généralement proche d'un rectangle uniforme. Par ailleurs, dans un tel système d'observation actif, l'optique d'illumination doit présenter des capacités de zoom (ou d'agrandissement) et être ajustable pour modifier la taille du champ de vision illuminé. L'approche usuelle est de séparer la fonction de réglage de forme (en un rectangle uniforme) et la fonction de zoom. Généralement, la génération de forme du faisceau est mise en oeuvre à l'aide d'un conduit de lumière ou d'une matrice de lentilles comme indiqué ci-dessous, et la fonction de zoom est gérée à travers une optique de grossissement avec une longueur focale variable. Une manière usuelle de réaliser un réglage du faisceau en générant une illumination uniforme dans le champ lointain à partir d'un faisceau laser quelconque, est d'utiliser un ensemble de deux éléments identiques à matrices de lentilles se faisant face. Lorsque la lumière traverse cet ensemble, la distribution en champ proche reste la même et la distribution en champ lointain est homogénéisée. Par rapport à la technique d'homogénéisation à conduit de lumière, le volume requis pour cette solution à base de matrices de lentilles est plus réduit. Malgré ces caractéristiques, la solution usuelle prévoyant des moyens différents pour mettre en oeuvre les deux fonctions précitées (réglage de la forme et zoom) présente des inconvénients notamment en termes de complexité, de taille, de volume et de coût. La présente invention concerne un dispositif optique de réglage de la distribution spatiale d'un faisceau laser qui permet de remédier à ces inconvénients. A cet effet, selon l'invention, ledit dispositif optique du type comportant un ensemble de deux matrices de lentilles, lesdites matrices étant identiques et agencées parallèlement l'une par rapport à l'autre avec un espacement uniforme entre elles, ledit ensemble étant susceptible d'être traversé par le faisceau laser, est remarquable en ce qu'il comporte, de plus, des moyens d'actionnement commandables aptes à modifier l'écartement entre les deux matrices pour créer un effet de zoom (ou d'agrandissement). De plus, avantageusement, ledit dispositif comporte des moyens d'interface permettant à un opérateur de commander lesdits moyens d'actionnement. Ainsi, grâce à l'invention, on agit sur l'ensemble de matrices (qui est apte à régler de façon usuelle la forme du faisceau) afin que ce dernier génère également un effet de zoom. Pour cela, on modifie l'écartement entre les deux matrices, par rapport à un écartement nominal. Par conséquent, les deux fonctions (réglage de la forme et zoom) sont mises en oeuvre par un seul et même ensemble (au lieu de deux moyens différents). Ceci permet de réduire l'encombrement et la masse, et de fournir une solution d'illumination plus simple et de coût réduit. Bien qu'il soit envisageable d'agir sur le déplacement des deux matrices, dans un mode de réalisation particulier simplifié lesdits moyens d'actionnement sont configurés pour déplacer uniquement l'une desdites matrices par rapport à l'autre dans le but de modifier l'écartement. En outre, dans un mode de réalisation préféré, pour augmenter l'amplitude de l'effet de zoom, chacune des deux matrices dudit ensemble comprend au moins deux types différents de lentilles, présentant des distances focales différentes. Les divers types de lentilles présentant des distances focales légèrement différentes, l'écartement nominal est donc différent d'un type de lentille à l'autre. Chacun des écartements nominaux permettant au type de lentille associé de générer un effet de zoom correspondant, en modifiant l'écartement sur tous ces écartements nominaux, on augmente l'amplitude de l'effet de zoom dudit dispositif de réglage. Dans une première variante de ce mode de réalisation préféré, chacune des deux matrices comprend au moins un groupe d'au moins deux types différents de lentilles, et ledit groupe de types différents de lentilles est agencé selon un motif qui est reproduit une pluralité de fois sur chacune desdites matrices. De préférence, ledit motif est reproduit uniformément sur lesdites matrices. Dans une seconde variante de ce mode de réalisation préféré, chacune des deux matrices dudit ensemble comprend, pour chacun des types différents de lentilles, au moins un ensemble de lentilles identiques adjacentes, et lesdits ensembles (formant par exemple une ligne ou une colonne, ou bien une figure géométrique telle qu'un carré ou un rectangle) sont reproduits une pluralité de fois, de préférence uniformément, sur chacune desdites matrices. La présente invention concerne également une unité d'illumination laser comportant au moins une source laser et un dispositif de réglage de la distribution spatiale, tel que celui précité. La présente invention concerne, en outre, un système d'observation actif, du type comportant au moins : - une source laser qui est apte à émettre au moins une impulsion laser ; - une caméra susceptible de prendre l'image d'un champ de vision illuminé par ladite source laser ; et - une unité de commande qui commande simultanément ladite source laser et ladite caméra. Selon l'invention, ce système d'observation actif est remarquable en ce qu'il comporte, de plus, au moins un dispositif de réglage de la distribution spatiale, tel que celui précité. La présente invention concerne également un procédé de réglage de la distribution spatiale d'un faisceau laser, procédé selon lequel on prévoit un ensemble de deux matrices de lentilles, lesdites matrices étant identiques et agencées parallèlement l'une par rapport à l'autre avec un espacement uniforme entre elles, ledit ensemble étant susceptible d'être traversé par le faisceau laser. Selon l'invention, on modifie l'écartement entre les deux matrices pour créer un effet de zoom à l'aide dudit ensemble de matrices. En outre, avantageusement, chacune des deux matrices dudit ensemble comprend au moins un groupe d'au moins deux types différents de lentilles, présentant des distances focales différentes, et on agence ledit groupe de types différents de lentilles selon un motif qui est reproduit une pluralité de fois sur chacune desdites matrices. 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 illustre très schématiquement un dispositif conforme à l'invention. Les figures 2A et 2B montrent schématiquement la forme de la distribution spatiale d'un faisceau laser, générée par un dispositif conforme à l'invention, respectivement dans un champ proche et dans un champ lointain. Les figures 3A et 4A montrent un mode de réalisation simplifié d'un dispositif conforme à l'invention. Les figures 3B et 4B montrent un mode de réalisation préféré d'un dispositif conforme à l'invention, présentant une amplitude de zoom accrue. Le dispositif optique 1 conforme à l'invention et représenté schématiquement sur la figure 1 est destiné à régler la distribution spatiale, en forme et taille, d'un faisceau laser. Ce dispositif optique 1 comporte, de façon usuelle, un ensemble 2 de deux matrices 3 et 4 de lentilles 5a, pour adapter la forme de la distribution spatiale du faisceau laser 6 susceptible de traverser cet ensemble 2. Ces deux matrices 3 et 4 sont identiques et elles sont agencées parallèlement l'une par rapport à l'autre, donc avec un espacement uniforme entre elles. Cet ensemble 2 apte à régler la forme spatiale du faisceau permet de transformer la distribution spatiale de la source laser en une forme généralement proche d'un rectangle uniforme, pour un écartement approprié entre les matrices 3 et 4 dit écartement nominal. Lorsque la lumière traverse cet ensemble 2 : - la distribution en champ proche reste la même, comme représenté sur la figure 2A, avec 7A et 7B les distributions en amont et en aval de l'ensemble 2 ; et - la distribution en champ lointain est homogénéisée (comme représenté sur la figure 2B, avec 8A et 8B les distributions en amont et en aval de l'ensemble 2), en une forme proche d'un rectangle uniforme, adapté au champ de vision d'un élément optique, notamment d'une caméra. La taille des matrices 3 et 4 (qui sont identiques) dépend des caractéristiques du faisceau laser 6. Toutefois, à titre d'illustration, les dimensions peuvent être de l'ordre de un pouce (environ 2,5 centimètres) en hauteur et largeur, et moins de 10 mm en longueur. Selon l'invention, ce dispositif optique 1 de réglage de la distribution spatiale comporte, de plus, des moyens d'actionnement 10, par exemple de type piézoélectrique, qui sont commandables et qui sont aptes à modifier l'écartement entre les deux matrices 3 et 4, tout en les maintenant parallèles, comme illustré schématiquement par une flèche 11 en traits mixtes sur la figure 1. Bien qu'il soit envisageable d'agir sur le déplacement des deux matrices 3 et 4, dans un mode de réalisation particulier simplifié, lesdits moyens d'actionnement 10 sont configurés pour déplacer uniquement l'une desdites matrices par rapport à l'autre dans le but de modifier l'écartement. Par ailleurs, ledit dispositif 1 comporte également une unité d'interface homme/machine 12 permettant à un opérateur de commander lesdits moyens d'actionnement 10, via une liaison 13. La présente invention prévoit donc de changer l'écartement entre les deux matrices 3 et 4, par rapport à un écartement nominal Da. Dans un mode de réalisation simplifié représenté sur les figures 3A et 4A, toutes les lentilles 5a (mises en évidence par « a » sur la figure 3A pour des raisons de simplification du dessin) de chacune des matrices 3 et 4 sont identiques. Quand l'ensemble 2 est placé dans un train optique, la distance nominale Da doit être respectée pour obtenir la fonction de zoom. Toutefois, avec des matrices 3 et 4 comprenant des lentilles identiques 5a, cette technique de zoom reste limitée. En effet, au-delà de 25% de part et d'autre de l'écartement nominal Da (correspondant environ à un effet de zoom de « x 0.8 » à « x 1.1 »), la qualité de l'illumination baisse ainsi que l'efficacité. Aussi, dans un mode de réalisation préféré, pour augmenter l'amplitude de l'effet de zoom, chacune des deux matrices 3 et 4 comprend au moins deux types différents de lentilles, présentant des distances focales légèrement différentes. Dans l'exemple des figures 3B et 4B (ainsi que dans ceux des figures 5 et 6) relatif à ce mode de réalisation préféré, chaque matrice 3, 4 comprend quatre types différents 5a, 5b, 5c et 5d de lentilles. Dans l'exemple des figures 3B et 4B, un ensemble de quatre types différents de lentilles adjacentes 5a, 5b, 5c et 5d forme un motif 15 qui est reproduit une pluralité de fois, sur chacune des matrices 3 et 4. Comme représenté sur la figure 3B, le motif 15 des quatre lentilles 5a, 5b, 5c, 5d (mises en évidence par les lettres « a », « b », « c » et « d » sur cette figure 3B pour des raisons de simplification du dessin) est donc reproduit de façon uniforme, en ligne et en colonne, sur lesdites matrices 3 et 4. Les différents types de lentilles 5a, 5b, 5c et 5d présentant des distances focales légèrement différentes, l'écartement nominal est différent d'un type de lentille à l'autre. Aussi, quand l'ensemble 2 est placé dans le train optique, une série d'écartements nominaux peut être obtenu. La figure 4B illustre deux écartements nominaux Da et Dc correspondant respectivement aux deux types de lentilles 5a et 5c. Pour ce mode de réalisation préféré de la figure 3B, il n'existe pas d'écartement nominal global pour tous les types de lentilles 5a à 5d. La qualité de l'homogénéisation est ainsi légèrement réduite par rapport à l'architecture simplifiée de la figure 3A. Toutefois, la réduction de performance reste faible et est constante sur une large gamme d'écartement. Ce mode de réalisation préféré permet d'obtenir un effet de zoom optique de « x3 ». Dans une variante de ce mode de réalisation préféré, chacune des deux matrices 3, 4 comprend, pour chacun des types différents de lentilles 5a, 5b, 5c, 5d, un ensemble de lentilles identiques adjacentes. Lesdits ensembles (formant par exemple une ligne ou une colonne, ou bien une figure géométrique telle qu'un carré ou un rectangle) sont reproduits une pluralité de fois, de préférence de façon uniforme, sur chacune desdites matrices 3, 4. En particulier : - chacun desdits ensembles présente une forme rectangulaire, une autre forme étant également possible ; ou - chacun desdits ensembles représente une ligne de la matrice 3, 4. Il pourrait également s'agir d'une colonne de la matrice 3, 4. Bien entendu, les motifs 15 et lesdits ensembles sont reproduits un nombre élevé de fois sur les matrices 3 et 4, bien que le nombre de reproductions soit réduits sur la figure 3B, pour des raisons de simplification de dessin. Par conséquent, grâce à l'invention, on obtient une réduction de la complexité, de la taille et du volume des moyens destinés à mettre en oeuvre les deux fonctions (réglage de la forme et zoom). Le dispositif 1 conforme à l'invention, destiné à ce but, est plus petit, plus léger et moins coûteux qu'un système utilisant une optique de zoom usuelle. Le dispositif 1 conforme à l'invention tel que décrit ci-dessus peut faire partie d'une unité d'illumination laser (non représentée) comportant au moins une source laser. Ledit dispositif 1 peut également faire partie d'un système d'observation actif (également non représenté), en particulier d'un système d'observation actif du type comportant : - au moins une source laser, qui est apte à émettre au moins une impulsion laser (pour illuminer une scène de l'environnement), et à laquelle est associé ledit dispositif 1 ; - une caméra susceptible de prendre l'image d'une scène illuminée par ladite source laser, par exemple au travers dudit obturateur. Dans ce cas, ladite caméra peut comprendre un obturateur commandable susceptible d'être amené, de façon alternative, dans une position ouverte, dans laquelle il laisse passer ladite impulsion laser, et une position fermée dans laquelle il empêche le passage de ladite impulsion laser ; et - une unité de commande qui commande simultanément ladite source laser et ladite caméra, ainsi que le cas échéant ledit obturateur. REVENDICATIONS1. Dispositif optique de réglage de la distribution spatiale d'un faisceau laser, ledit dispositif (1) comportant un ensemble (2) de deux matrices (3, 4) de lentilles (5a, 5b, 5c, 5d), lesdites matrices (3, 4) étant identiques et agencées parallèlement l'une par rapport à l'autre avec un espacement uniforme entre elles, ledit ensemble (2) étant susceptible d'être traversé par le faisceau laser (6), caractérisé en ce qu'il comporte, de plus, des moyens d'actionnement (10) commandables, aptes à modifier l'écartement entre les deux matrices (3, 4) pour créer un effet de zoom. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'interface (12) permettant à un opérateur de commander lesdits moyens d'actionnement (10). 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que lesdits moyens d'actionnement (10) sont configurés pour déplacer uniquement l'une desdites matrices (3, 4) par rapport à l'autre afin de modifier l'écartement. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chacune des deux matrices (3, 4) dudit ensemble (2) comprend au moins deux types différents de lentilles (5a, 5b, 5c, 5d) présentant des distances focales différentes. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que chacune des deux matrices (3, 4) comprend au moins un groupe d'au moins deux types différents de lentilles (5a, 5b, 5c, 5d), et en ce que ledit groupe de types différents de lentilles est agencé selon un motif (15) qui est reproduit une pluralité de fois sur chacune desdites matrices (3, 4). 6. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que chacune des deux matrices (3, 4) comprend, pour chacun des types différents de lentilles (5a, 5b, 5c, 5d), au moins unensemble de lentilles identiques adjacentes, et en ce que lesdits ensembles sont reproduits une pluralité de fois sur chacune desdites matrices (3, 4). 7. Unité d'illumination laser comportant au moins une source laser, caractérisée en ce qu'elle comporte, de plus, un dispositif optique (1) de réglage de la distribution spatiale, tel que celui spécifié sous l'une quelconque des revendications 1 à 6. 8. Système d'observation actif, du type comportant au moins : - une source laser qui est apte à émettre au moins une impulsion laser ; - une caméra susceptible de prendre l'image d'un champ de vision illuminé par ladite source laser ; et - une unité de commande qui commande simultanément ladite source laser et ladite caméra, caractérisé en ce qu'il comporte, de plus, un dispositif optique (1) de réglage de la distribution spatiale, tel que celui spécifié sous l'une quelconque des revendications 1 à 6. 9. Procédé de réglage de la distribution spatiale d'un faisceau laser, procédé selon lequel on prévoit un ensemble (2) de deux matrices de lentilles (3, 4), lesdites matrices (3, 4) étant identiques et agencées parallèlement l'une par rapport à l'autre avec un espacement uniforme entre elles, ledit ensemble (2) étant susceptible d'être traversé par le faisceau laser (6), caractérisé en ce que l'on modifie l'écartement entre les deux matrices (3, 4) pour créer un effet de zoom à l'aide dudit ensemble (2) de matrices (3, 4). 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que chacune des deux matrices (3, 4) dudit ensemble (2) comprend au moins deux types différents de lentilles (5a, 5b, 5c, 5d), présentant des distances focales différentes.