Brevet FR3064758A1 — publié le 20181005

Dispositif optique apte à changer la direction de propagation d'un faisceau lumineux DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne le domaine de la formation de faisceau lumineux et plus particulièrement un dispositif optique apte à changer la direction d'un faisceau lumineux. ÉTAT DE LA TECHNIQUE Un faisceau lumineux tel qu'un faisceau laser est généralement produit dans une cavité laser. Ce faisceau lumineux doit, la plupart du temps, passer à travers des unités optiques de formation de faisceau afin d'obtenir des caractéristiques adaptées à l'application pour laquelle le faisceau est utilisé. Généralement, les unités de formation de faisceau sont des collimateurs et des agrandisseurs (ou expanseurs) de faisceau. Pour les collimateurs, le faisceau lumineux divergent est formé par le collimateur pour concentrer son énergie en un point sur une cible distante. Pour les agrandisseurs de faisceau, le faisceau lumineux collimaté est transformé par l'agrandisseur de faisceau en un autre faisceau lumineux collimaté avec une divergence différente. Aussi bien pour un collimateur que pour un agrandisseur de faisceau, la distance entre l'émetteur de faisceau et la cible que doit atteindre le faisceau est généralement au-dessus de quelques centaines de mètres. De plus, la cible est souvent très petite. Un contrôle précis du faisceau est donc nécessaire pour maintenir le faisceau sur la cible pour une durée de quelques secondes à quelques minutes. 3064758 2 Le marquage laser est une application typique des agrandisseurs de faisceau. Le but du marquage laser est de marquer un objet d'un point lumineux afin de le désigner comme cible. La précision du pointage laser est donc cruciale pour fixer la bonne cible. 5 Plusieurs techniques existent déjà pour contrôler la direction d'un faisceau lumineux. Il existe les techniques utilisant un miroir inclinable (« tip-tilt mirror » en anglais) sur lequel le faisceau peut être réfléchi. On peut également rencontrer des techniques mettant en oeuvre des fenêtres prismatiques 10 (« wedged windows » en anglais) ou des matériaux optiques sensibles au champ électromagnétique. Toutefois, ces techniques mettent en oeuvre des composants opto-mécaniques qui s'ajoutent à l'extérieur de l'agrandisseur. Le document WO 2009/062957 propose un système optique permettant le contrôle de la direction d'un faisceau laser émis par une source 15 laser. Ce système comprend un agrandisseur, du type lunette de Galilée, qui contient, dans le sens de propagation du faisceau laser, un premier groupe de lentilles globalement divergent et un deuxième groupe de lentilles globalement convergent. La direction du faisceau laser sortant de l'agrandisseur peut être modifiée en déplaçant l'un des groupes de lentilles, notamment le groupe de 20 lentilles globalement divergent. Cependant, un ajustement raisonnable de la direction du faisceau laser nécessite d'importants déplacements d'un des groupes de lentilles. Si les possibilités de déplacement du groupe de lentilles considéré sont restreintes, la plage d'ajustement de la direction du faisceau laser sera par conséquent très limitée. 25 EXPOSÉ DE L'INVENTION La présente invention a pour objet de pallier cet inconvénient en permettant d'obtenir une large plage d'ajustement sans avoir à déplacer une optique sur de grandes distances. 3064758 3 À cet effet, l'invention concerne un dispositif optique apte à changer la direction de propagation d'un faisceau lumineux comprenant, dans le sens de propagation du faisceau lumineux, un groupe de lentilles globalement divergent et un groupe de lentilles globalement convergent. 5 Selon l'invention, le groupe de lentilles globalement divergent contient, dans le sens de propagation du faisceau lumineux : - une lentille fixe, et - un module optique comprenant au moins un élément optique mobile apte à modifier la direction de propagation du faisceau lumineux 10 émergeant du groupe de lentilles globalement divergent. Ainsi, grâce à élément optique mobile du module optique, il est possible de modifier la direction du faisceau lumineux sortant du dispositif optique. Ceci apporte des avantages en terme de vitesse pour modifier la direction du faisceau lumineux et en terme de bande passante. Il est alors 15 possible de stabiliser la direction d'un faisceau laser afin de pointer une cible sans voir à recourir à un support pour maintenir la source du faisceau lumineux Selon un premier mode de réalisation : - la lentille fixe correspond à lentille convergente fixe, et 20 - l'élément optique mobile comprend une lentille divergente apte à se déplacer dans un plan sensiblement perpendiculaire à la direction de propagation du faisceau lumineux. Selon une particularité, le module optique comprend en outre une unité de déplacement apte à déplacer la lentille divergente dans le plan 25 perpendiculaire à l'axe de propagation du faisceau lumineux. Selon une autre particularité, la valeur absolue du rapport entre la vergence de la lentille divergente et la vergence de la lentille convergente est comprise dans une plage allant de 0,001 à 0,1. Selon un deuxième mode de réalisation : 3064758 4 - la lentille fixe correspond à une lentille divergente fixe, et - l'élément optique mobile comprend au moins un premier prisme configuré pour entrer en rotation autour d'au moins un premier axe de rotation passant par le centre de deux faces opposées du premier prisme. 5 De plus, le premier prisme est configuré pour entrer en rotation autour d'un autre axe de rotation sensiblement perpendiculaire à l'axe de rotation. Selon une variante, l'élément optique mobile comprend en outre au moins un deuxième prisme configuré pour entrer en rotation autour d'un deuxième axe de rotation passant par le centre de deux faces opposées du 10 deuxième prisme, le premier axe de rotation et le deuxième axe de rotation étant sensiblement perpendiculaires au sens de propagation du faisceau lumineux. Par ailleurs, le module optique comprend en outre une unité de déplacement apte à faire entrer en rotation le premier prisme et/ou le 15 deuxième prisme autour de leur axe de rotation respectif. L'invention concerne également un système d'ajustement d'une direction de propagation d'un faisceau lumineux. Le système comprend : - une source lumineuse apte à émettre un faisceau lumineux selon un 20 premier axe optique, - un dispositif optique de faisceau, tel que décrit ci-dessus, disposé en aval de la source lumineuse dans le sens de propagation du faisceau lumineux. Selon une variante de réalisation, le dispositif optique correspond à un 25 agrandisseur. Selon une autre variante de réalisation, le dispositif optique correspond à un collimateur. 3064758 5 De plus, le système comprend une unité utilisatrice apte à transmettre à l'unité de déplacement des signaux représentatifs d'une direction souhaitée du faisceau lumineux, l'unité de déplacement étant apte à déplacer la lentille en fonction des signaux qui lui ont été transmis par l'unité utilisatrice. 5 Par exemple, l'unité utilisatrice correspond à une unité de stabilisation configurée pour envoyer des signaux d'ordres de commande à l'unité de déplacement en fonction d'un décalage entre la direction de propagation du faisceau lumineux et un axe cible. 10 BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES L'invention, avec ses caractéristiques et avantages, ressortira plus clairement à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 représente un premier mode de réalisation d'un dispositif 15 optique dans une position donnée de la lentille divergente ; - la figure 2 représente le dispositif optique selon le premier mode de réalisation dans une autre position de la lentille divergente ; - la figure 3 représente une vue en perspective d'un deuxième mode de réalisation d'un dispositif optique ; 20 - la figure 4 représente le dispositif optique selon le deuxième mode de réalisation dans une position donnée des prismes ; - la figure 5 représente le dispositif optique selon le deuxième mode de réalisation dans une autre position des prismes. 25 DESCRIPTION DÉTAILLÉE La suite de la description fera référence aux figures citées ci-dessus. L'invention concerne un dispositif optique D apte à changer la direction de propagation d'un faisceau lumineux 7. 3064758 6 Le dispositif optique peut être un agrandisseur de faisceau lumineux ou un collimateur de faisceau lumineux ayant une architecture de téléobjectif. Le faisceau lumineux 7 peut être un faisceau lumineux directionnel ; notamment un faisceau laser. Le faisceau lumineux 7 peut sortir d'une source 5 lumineuse 3 selon un sens de propagation z. Comme illustré sur la figure 1 et sur la figure 4, le dispositif optique D comprend, dans le sens de propagation z du faisceau lumineux 7 d'amont en aval, un groupe de lentilles globalement divergent 1 et un groupe de lentilles globalement convergent 2. 10 Par exemple, le groupe de lentilles globalement convergent 2 comprend une ou plusieurs lentilles qui forment une unité optique. Cette unité optique est équivalente à une lentille convergente. De façon non limitative, le groupe de lentilles globalement convergent 2 présente une vergence comprise dans une plage allant de 1 5 à 100 5. 15 Le groupe de lentilles globalement divergent 1 contient, dans le sens de propagation z du faisceau lumineux 7: - une lentille fixe 1.1, et - un module optique comprenant au moins un élément optique mobile 1.2 apte à modifier la direction de propagation du faisceau lumineux 20 émergeant du groupe de lentilles globalement divergent I. Selon un premier mode de réalisation (figures 1 et 2), la lentille fixe 1.1 correspond à lentille convergente fixe et l'élément optique mobile 1.2 comprend une lentille divergente 1.20 apte à se déplacer dans un plan sensiblement perpendiculaire 1.3 à la direction de propagation z du faisceau 25 lumineux 7. Les deux lentilles 1.1 et 1.20 forment une unité optique équivalente à une lentille divergente. La lentille divergente 1.20 du groupe de lentilles globalement divergent 1 peut se déplacer dans un plan 1.3 perpendiculaire à la direction 3064758 7 de propagation z du faisceau lumineux, comme illustré par une double flèche 6 sur la figure 1. Sur la figure 1, un repère x, y, z est représenté. Dans ce repère le sens de propagation du faisceau lumineux 7 se fait selon l'axe z. Le plan 1.3 perpendiculaire à la direction de propagation du faisceau lumineux 7 5 est situé dans un plan parallèle aux axes x et y. Le déplacement de la lentille divergente 1.20 peut être réalisé par une unité de déplacement 4 compris dans le module optique. Cette unité de déplacement 4 est apte à déplacer la lentille divergente 1.20 dans le plan perpendiculaire 1.3 à la direction de propagation z du faisceau lumineux 7. 10 À titre d'exemple, l'unité de déplacement 4 comprend une platine supportant la lentille divergente 1.20. La platine est mue par une motorisation permettant de déplacer la platine selon les deux directions x et y. Ainsi, comme représenté sur la figure 2, lorsque la lentille divergente 1.20 est déplacée dans le plan perpendiculaire à la direction de propagation 15 du faisceau lumineux 7, la direction du faisceau sortant du dispositif optique D est modifiée. La figure 2 représente le faisceau lumineux 5.0 après le dispositif optique D selon une position première de la lentille divergente 1.20 et le faisceau lumineux 5.1 après le dispositif optique D après un déplacement 8 de la lentille divergente 1.20 (dans le sens illustré par la flèche 8 sur la 20 figure 2) selon une position deuxième de la lentille divergente 1.20. La lentille divergente 1.20 possède une forte vergence. De façon non limitative, la valeur absolue du rapport entre la vergence de la lentille divergente 1.20 et la vergence de la lentille convergente 1.1 est comprise dans une plage allant de 0,001 et 0,1. 25 Ainsi, la vergence de la lentille convergente 1.1 permet d'augmenter la valeur absolue de la vergence de la lentille divergente pour réduire les besoins de déplacements. Dans une variante de réalisation, la lentille convergente 1.1 peut être remplacée par un groupe de lentilles globalement convergent. La lentille 3064758 8 divergente 1.20 peut être également remplacée par un groupe de lentilles globalement divergent. Selon un deuxième mode de réalisation (figures 3 à 5), la lentille fixe 1.1 correspond à une lentille divergente fixe. De plus, l'élément optique mobile 5 1.2 comprend au moins un prisme Cl configuré pour entrer en rotation autour d'au moins un axe de rotation Al passant par le centre de deux faces opposées du prisme Cl. L'axe de rotation Al est sensiblement perpendiculaire au sens de propagation z du faisceau lumineux 7. 10 Le prisme Cl peut être configuré pour entrer en rotation autour d'un autre axe de rotation sensiblement perpendiculaire à l'axe de rotation Al et au sens de propagation z du faisceau lumineux 7. Selon une variante, l'élément optique mobile 1.2 comprend en outre au moins un prisme C2 configuré pour entrer en rotation autour d'un axe de 15 rotation A2 passant par le centre de deux faces opposées du prisme C2. L'axe de rotation A2 est sensiblement perpendiculaire au sens de propagation z du faisceau lumineux 7. De préférence, l'axe de rotation Al est sensiblement perpendiculaire à l'axe de rotation A2. 20 De préférence, les prismes Cl et C2 sont de forme cubique. Les prismes peuvent être composés de verre taillé. Sur les figures 4 et 5, un repère x, y, z est représenté. Sur ces figures, l'axe de rotation Al est parallèle à l'axe y et l'axe de rotation A2 est parallèle à l'axe x. 25 Par ailleurs, le module optique comprend en outre une unité de déplacement 12 apte à faire entrer en rotation le prisme Cl et/ou le prisme C2 autour de leur axe de rotation Ai, A2 respectif. 3064758 9 À titre d'exemple, l'unité de déplacement 12 comprend une platine pour chaque prisme CI, C2, respectivement. Chaque platine est mue par une motorisation permettant de d'entraîner chacun des prismes Cl et C2 en rotation. Les flèches 13 sur la figure 3 illustre la rotation réalisée par les 5 prismes Cl et C2 entraînés par les platines de l'unité de déplacement 12. Dans une variante de réalisation, la lentille divergente 1.1 peut être remplacée par un groupe de lentilles globalement divergent. Le dispositif optique D selon l'invention permet d'obtenir de grandes plages d'ajustement de la direction d'un faisceau lumineux tout en ayant des 10 mouvements mécaniques très petits. Cela permet donc d'obtenir des dispositifs très petits et des systèmes très compacts. De plus, ce dispositif optique D permet de dissocier l'ajustement de la direction du faisceau lumineux de la source lumineuse 3. La source lumineuse 3 n'a pas besoin d'être déplacée pour ajuster la direction du faisceau 15 lumineux. Par exemple, cela évite l'utilisation de systèmes de déplacement encombrants lorsqu'un laser à haute énergie est utilisé. Le dispositif optique D peut être utilisé dans un système d'ajustement 9 d'une direction de propagation z d'un faisceau lumineux. Ledit système comprend une source lumineuse 3 pouvant émettre un 20 faisceau lumineux 7 selon un axe optique 10. Le dispositif optique D est disposé en aval de la source lumineuse 3 dans le sens de propagation du faisceau lumineux 7. Selon un mode de réalisation préféré, le système 9 comprend en outre une unité utilisatrice 11 apte à transmettre à l'unité de déplacement 4 25 des signaux représentatifs d'une direction de consigne du faisceau lumineux. L'unité de déplacement 4 peut alors déplacer la lentille divergente 1.20 ou le ou les prismes Cl et/ou C2 en fonction des signaux qui lui ont été transmis par l'unité utilisatrice 11. 3064758 10 À titre d'exemple, l'unité utilisatrice 11 correspond à une unité de contrôle comprenant une unité de détection de cible ou une unité de détection de mouvement du système. L'unité utilisatrice 11 peut correspondre à une unité de stabilisation 5 configurée pour envoyer des signaux d'ordres de commande à l'unité de déplacement 12 en fonction d'un décalage entre la direction de propagation du faisceau lumineux 7 et un axe cible. Ainsi, grâce dispositif optique D, il est possible de pointer une cible précisément avec un faisceau laser avec le système qui peut être portable sans recourir à un support, tel qu'un trépied. 10 La présente description détaille différents modes de réalisation en référence à des figures et/ou des caractéristiques techniques. L'homme du métier comprendra que les diverses caractéristiques techniques des divers modes peuvent être combinées entre elles pour obtenir d'autres modes de réalisation, à moins que l'inverse ne soit explicitement mentionné ou que ces 15 caractéristiques techniques ne soient incompatibles. De même, une caractéristique technique d'un mode de réalisation peut être isolée des autres caractéristiques techniques de ce mode de réalisation à moins que l'inverse ne soit mentionné. Dans la présente description, de nombreux détails spécifiques sont fournis à titre illustratif et nullement limitatif, de façon à 20 détailler précisément l'invention. L'homme de métier comprendra cependant que l'invention peut être réalisée en l'absence d'un ou plusieurs de ces détails spécifiques ou avec des variantes. À d'autres occasions, certains aspects ne sont pas détaillés de façon à éviter d'obscurcir et alourdir la présente description et l'homme de métier comprendra que des moyens divers et variés 25 pourront être utilisés et que l'invention n'est pas limitée aux seuls exemples décrits. Il doit être évident pour les personnes versées dans l'art que la présente invention permet des modes de réalisation sous de nombreuses autres formes spécifiques sans l'éloigner du domaine d'application de l'invention comme revendiqué. Par conséquent, les présents modes de 3064758 11 réalisation doivent être considérés à titre d'illustration, mais peuvent être modifiés dans le domaine défini par la portée des revendications jointes, et l'invention ne doit pas être limitée aux détails donnés ci-dessus. REVENDICATIONS1. Dispositif optique apte à changer la direction de propagation d'un faisceau lumineux (7) comprenant, dans le sens de propagation (z) du faisceau lumineux (7), un groupe de lentilles globalement divergent (1) et un groupe de lentilles globalement convergent (2), le dispositif optique (D) étant caractérisé en ce que le groupe de lentilles globalement divergent (1) contient, dans le sens de propagation (z) du faisceau lumineux (7) : - une lentille fixe (1.1), et - un module optique comprenant au moins un élément optique mobile (1.2) apte à modifier la direction de propagation du faisceau lumineux émergeant du groupe de lentilles globalement divergent (1). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que : - la lentille fixe (1.1) correspond à lentille convergente fixe, et - l'élément optique mobile (1.2) comprend une lentille divergente (1.20) apte à se déplacer dans un plan sensiblement perpendiculaire (1.3) à la direction de propagation (z) du faisceau lumineux (7). 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le module optique comprend en outre une unité de déplacement (4) apte à déplacer la lentille divergente (1.20) dans le plan perpendiculaire (1.3) à la direction de propagation (z) du faisceau lumineux (7). 4. Dispositif selon au moins une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que la valeur absolue du rapport entre la vergence de la lentille divergente (1.20) et la vergence de la lentille convergente fixe (1.1) est comprise dans une plage allant de 0,001 à 0,1. 3064758 13 5. . Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que : - la lentille fixe (1.1) correspond à une lentille divergente fixe, et - l'élément optique mobile (1.2) comprend au moins un premier prisme 5 (Cl) configuré pour entrer en rotation autour d'au moins un premier axe de rotation (A1) passant par le centre de deux faces opposées du premier prisme (Cl). 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le premier prisme (C1) est configuré pour entrer en 10 rotation autour d'un autre axe de rotation sensiblement perpendiculaire à l'axe de rotation (A1). 7. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'élément optique mobile (1.2) comprend en outre au moins un deuxième prisme (C2) configuré pour entrer en rotation autour d'un 15 deuxième axe de rotation (A2) passant par le centre de deux faces opposées du deuxième prisme (C2), le premier axe de rotation (A1) et le deuxième axe de rotation (A2) étant sensiblement perpendiculaires au sens de propagation (z) du faisceau lumineux (7). 8. Dispositif selon la revendication 5, 20 caractérisé en ce que le module optique comprend en outre une unité de déplacement (12) apte à faire entrer en rotation le premier prisme (C1) et/ou un deuxième prisme (C2) autour de leur axe de rotation (Al, A2) respectif. 9. Système d'ajustement d'une direction de propagation d'un faisceau (7) lumineux, 25 caractérisé en ce qu'il comprend : - une source lumineuse (3) apte à émettre un faisceau lumineux (7) selon un axe optique (10), 3064758 14 ---, un dispositif optique (D), selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, disposé en aval de la source lumineuse (3) dans le sens de propagation (z) du faisceau lumineux (7). 10. Système selon la revendication 9, 5 caractérisé en ce que le dispositif optique (D) correspond à un agrandisseur. 11. Système selon la revendication 9, caractérisé en ce que le dispositif optique (D) correspond à un collimateur. 12. Système selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une unité utilisatrice (11) apte à 10 transmettre à l'unité de déplacement (4, 12) des signaux représentatifs d'une direction souhaitée du faisceau lumineux (7), l'unité de déplacement (4, 12) étant apte à déplacer la lentille divergente (1.2) en fonction des signaux qui lui ont été transmis par l'unité utilisatrice (11). 13. Système selon la revendication 12, 15 caractérisé en ce que l'unité utilisatrice (11) correspond à une unité de stabilisation configurée pour envoyer des signaux d'ordres de commande à l'unité de déplacement (4, 12) en fonction d'un décalage entre la direction de propagation du faisceau lumineux (7) et un axe cible.