FR2601786A1 - Systeme de balayage optico-mecanique pour balayer selon deux directions une region de l'espace - Google Patents

Abstract

CE SYSTEME DE BALAYAGE OPTICO-MECANIQUE BALAYE UNE REGION DE L'ESPACE SELON DEUX DIRECTIONS AU MOYEN D'UN FAISCEAU DE LUMIERE, IL COMPORTE DES MOYENS DE DEVIATION CONSTITUES DE DEUX MIROIRS 5 ET 8 OSCILLANT AUTOUR DES AXES 6 ET 9 DES MOTEURS 7 ET 10, QUI EN COMBINAISON AVEC UN COMMUTATEUR OPTIQUE 2 REALISENT LE BALAYAGE SELON LA PREMIERE PUIS LA SECONDE DES DEUX DIRECTIONS PERPENDICULAIRES ENTRE ELLES, ALORS QUE L'AXE DE GUIDAGE DUDIT SYSTEME EST ASSERVI EN DIRECTION AU MOYEN D'UN DISPOSITIF D'ASSERVISSEMENT OPTICO-ELECTRIQUE 18, 19, 20, 21, 22. APPLICATION : SYSTEME DE GUIDAGE PAR BALAYAGE D'UN FAISCEAU DE LUMIERE.

Description

'SYSTEME DE BALAYAGE OPTICO-MECANIQUE POUR BALAYER SELON DEUX
DIRECTIONS UNE REGION DE L'ESPACE".

La présente invention concerne un système de balayage optico-mécanique pour balayer selon deux directions une région de l'espace par un faisceau de lumière comportant entre autres des moyens de déviation du faisceau de lumière.

Un tel système est connu de la demande de brevet français NO 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 moiteur, 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 à 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 des moyens de déviation du faisceau de lumière animés d'un mouvement giratoire alternatif et d'un commutateur optique pour la commutation du balayage selon la première puis la seconde des deux directions.

Ainsi les moyens de déviation sont entrainés dans un mouvement giratoire alternatif c'est-à-dire oscillatoire au moyen de simplets moteurs sur l'axe desquels ils sont assujettis, les axes des moteurs étant entre eux perpendiculaires, 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. 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.

En outre, un avantage supplémentaire est dégagé selon l'idée de l'invention. En effet, le système de balayage qui comporte entre autres un objectif de sortie à focale variable projetant le faisceau de lumière pour le guidage d'un corps dans l'espace est remarquable en ce que l'axe de guidage est asservi en direction au moyen d'un dispositif d'asservissement. Manifestement la précision du balayage de la région de l'espace dépend de la stabilité de l'axe optique de l'objectif de sortie. Or, cette stabilité est difficile à obtenir mécaniquement et pour satisfaire à une très grande précision l'axe de guidage est asservi en direction relativement à un plan de référence fixe par rapport au système de balayage, l'asservissement consistant à imposer à l'axe une direction constamment perpendiculaire au plan de référence.

La description suivante en regard des dessins annexés le tout donné à titre d'exemple, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée.

Les figures 1a et 1k sont deux projections orthogonales du même système.

La figure la représente le système de balayage optico-mécanique dans son intégralité selon la coupe AA proposée sur la figure 1k
La figure lb montre les moyens de déviation du faisceau de lumière et un exemple de réalisation du commutateur optique du système de balayage optico-mécanique conforme à l'invention.

Sur la figure 1a est proposé le système de balayage optico-mécanique selon la coupe AA représentée aur la figure ~ lb.

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 selon l'axe coudé XX'. Un disque 2 tournant autour d'un axe 3 d'inclinaison égale à 459 par rapport à l'axe principal XX' est entrainé par un moteur 4. Les moyens de déviation du faisceau de lumière 1 consistent en un premier miroir de balayage 5 mobile autour d'un axe 6 d'un moteur 7 et un second miroir de balayage 8 mobile autour d'un axe 9 d'un moteur 10.

Conformément à l'invention le système de balayage optico-mécanique pour balayer selon deux directions une région de l'espace par un faisceau de lumière est remarquable en ce que le balayage est obtenu par combinaison des moyens de déviation du faisceau de lumière animés d'un mouvement giratoire alternatif et d'un commutateur optique pour la commutation du balayage selon la première puis la seconde des deux directions.

Le disque tournant 2 est réfléchissant, il est en fait avantageusement constitué d'une lame à faces parallèles sur les deux faces de laquelle a été déposée une couche métallique réfléchissante, une découpe de quatre secteurs à la périphérie du disque 2 mise en évidence sur la figure 1b permet la commutation du faisceau de lumière. Le disque 2 ainsi constitué fait office de commutateur optique.

En effet, si l'on considère un tel disque tournant si l'un des deux secteurs pleins se présente sur le chemin du faisceau de lumière il est réfléchi vers le miroir 8 pour un balayage selon une première direction, si par contre l'un des deux secteurs découpés se présente sur le chemin du faisceau de lumière ce dernier n'étant plus dévié par le disque tour nant, parvient sur le miroir 5 pour un balayage selon une seconde direction.

Les miroirs de balayage 5 et 8 des moyens de déviation du faisceau de lumière oscillent respectivement autour des axes 6 et 9 des moteurs 7 et 10, les axes 6 et 9 étant perpendiculaires entre eux (voir également figure 1k).

Ainsi le faisceau de lumière 1 qui est de préférence un faisceau laser pour sa directivité et sa très forte intensité lumineuse est dirigé alternativement par le commutateur optique c'est-à-dire le disque réfléchissant 2 découpé en direction des miroirs de balayage 5 et 8, oscillant autour des axes 6 et 9 qui dévient ainsi le faisceau de lumière et opèrent un balayage selon deux axes perpendiculaires entre eux.

Le faisceau laser dévié par les miroirs de balayage 5 et 8 est focalisé au moyen de deux lentilles cylindriques 11 et 12. La génératrice de la lentille cylindrique 11 (voir figure 1b) est orientée de telle manière que le faisceau dévié par le miroir 5 est focalisé selon une concentration linéaire 13 dans le plan de la figure la, alors que la génératrice de la lentille cylindrique 12 est orientée de façon à ce que le faisceau dévié par le miroir 8 soit focalisé selon une concentration linéaire 14 perpendiculaire au plan de la figure la.

La concentration linéaire 14 se forme dans le plan focal d'un objectif 15 d'axe 16, et la concentration linéaire 13 se forme dans le plan symétrique du plan focal dudit objectif 15 par rapport à la surface réfléchissante 17 du disque 2.

L'oscillation du miroir de balayage 5 produit la translation de la concentration linéaire 13 dans le plan focal de l'objectif 15 alors que l'oscillation du miroir de balayage 8 produit la translation de la concentration linéaire 14 dans une direction perpendiculaire.

L'oscillation des miroirs de balayage 5 et 8 est avantageusement synchronisée avec la rotation du disque tour-.

nant 2 de façon, par exemple à ce qu'une demi-période d'oscil- lation des miroirs 5 ou 8 corresponde à la rotation de 900 du disque 2, d'autres rapports étant évidemment possibles.

L'objectif 15 projette à l'infini les images des concentrations linéaires 13 et 14. L'objectif 15 est de préférence un zoom pour permettre à chaque instant une adaptation aisée de l'étendue du champ de guidage à l'éloignement de la fraction de l'espace à explorer.

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 dispositif guidé. Le système de balayage ici décrit s'applique à un procédé de guidage du type dit 'Bar scan'. Le champ de guidage est balayé alternativement suivant deux directions perpendiculaires par un faisceau lumineux plat dont la largeur est égale à la largeur du champ de guidage.

La précision de la détection de la fraction de l'espace à explorer et donc du guidage dépend de la stabilité de l'axe optique 16 de l'objectif zoom 15. Cette stabilité de l'axe optique est peu aisée à obtenir mécaniquement, c'est pourquoi selon une caractéristique du système suivant l'invention l'axe de guidage est asservi en direction relativement à un plan de référence fixe par rapport au système de balayage.

L'asservissement consiste donc à imposer à l'axe optique une direction continuellement perpendiculaire au plan de référence.

Un tel asservissement convient particulièrement bien au système de guidage sur faisceau laser décrit ci-avant dans lequel le champ angulaire de guidage est variable selon une loi prédéterminée qui est fonction de l'éloignement du dispositif guidé. Il est en général utilisé un objectif à focale variable, tel que l'objectif zoom 15, pour projeter le faisceau de guidage sur l'axe duquel le dispositif guidé asservit sa trajectoire. Le rapport des distances focales de tels objectifs entre le lancement et la fin du vol du dispositif guidé peut être supérieur à 100. Les objectifs de sortie utilisés sont donc des zooms dont la variation de la distance focale est obtenue par la translation de plusieurs groupes de lentilles le long de l'axe mécanique de l'objectif.Une des principales difficultés de réalisation de ces optiques est de conserver un axe optique dont la direction est fixe à toutes les distances focales, cet axe devant être parallèle à la ligne de visée dans toutes les conditions d'environnement. Il est possible d'obtenir de tels objectifs à partir d'une mécanique rigide, en composant tous les jeux mécaniques et en rendant le système peu sensible aux variations de température, cependant cette solution conduit à des systèmes lourds et assez onéreux.

La solution choisie consiste à construire une mécanique plus légère mais pour laquelle est contrôlée à tout instant la direction de l'axe optique par rapport à une pièce optique de référence, la direction de l'axe optique étant corrigée au moyen d'une boucle d'asservissement.

Ainsi l'axe optique 16 de l'objectif zoom 15 qui est aussi l'axe de guidage est asservi à être constamment perpendiculaire à une lame de référence 18 plane et parallèle, lame 18 qui est montée rigidement sur la lunette de visée (non représentée sur la figure).

Une partie du flux réfléchi par la lame 18 est dirigée au moyen d'une lame semi-réfléchissante 19 vers un détecteur 20 précédé d'un diaphragme 21 placé sur l'axe optique idéal de guidage. Le signal délivré par le détecteur 20 est appliqué à un récepteur d'écartométrie 22 qui détecte l'erreur d'axe c'est-à-dire l'écart de l'axe 16 par rapport à sa position nominale. Le signal d'erreur ainsi détecté permet de corriger l'erreur d'axe de guidage en ramenant à chaque instant le centre du champ balayé par les concentrations lumineuses 13 et 14 sur le nouvel axe de l'objectif zoom de façon à annuler l'écart en déviant le faisceau lumineux et ceci en agissant sur les moteurs 7 et 10 qui entraînent les miroirs de balayage 5 et 8. Le signal C7 permet d'agir sur le moteur 7 et le signal C10 sur le moteur 10. Ces signaux sont différenciés par la phase car le récepteur d'écartométrie 22 connaît la position du disque 2.

Un tel système d'asservissement permet de contrôler globalement l'ensemble de l'émetteur de guidage et de corriger toutes les imperfections du système de balayage et plus spécialement de l'objectif zoom. L'encombrement est minimal alors que la précision de mesure est optimale.

Claims (9)

REVENDICATIONS

1. Système de balayage optico-mécanique pour balayer selon deux directions une région de l'espace par un faisceau de lumière comportant entre autres des moyens de déviation du faisceau de lumière, caractérisé en ce que le balayage est obtenu par combinaison des moyens de déviation du faisceau de lumière animés d'un mouvement giratoire alternatif 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 comprenant un objectif de sortie à focale variable projetant le faisceau de lumière pour le guidage d'un corps dans l'espace caractérisé en ce que l'axe de guidage est asservi en direction au moyen d'un dispositif d'asservissement.

3. Système de balayage optico-mécanique selon l'une des revendications 1 à 2 caractérisé en ce que le commutateur optique est un disque tournant constitué d'une lame à faces parallèles sur lesquelles ont été déposées des couches métalliques réfléchissantes, ladite lame étant découpée à sa périphérie pour l'obtention de quatre secteurs.

4. Système de balayage optico-mécanique selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que les moyens de déviation sont constitués de deux miroirs de balayage oscillant chacun autour de l'axe d'un moteur, les axes des moteurs étant perpendiculaires entre eux.

5. Système de balayage optico-mécanique selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que le faisceau de lumière est un faisceau laser.

6. Système de balayage optico-mécanique selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que le faisceau de lumière est dirigé alternativement par le commutateur optique en direction des miroirs de balayage pour l'obtention d'un balayage selon deux axes perpendiculaires entre eux.

7. Système de balayage optico-mécanique selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que le faisceau de lumière dévié par les deux miroirs de balayage est focalisé dans le plan focal de l'objectif de sortie selon deux concentrations linéaires au moyen de deux lentilles cylindriques convenablement orientées, l'objectif de sortie projetant à l'infini les images desdites concentrations linéaires.

8. Système de balayage optico-mécanique selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que l'oscillation des miroirs de balayage est synchronisée avec la rotation du disque tournant constituant le commutateur optique.

9. Système de balayage optico-mécanique selon l-'une des revendications 1 à 9 caractérisé en ce que l'objectif de sortie est un objectif zoom et que l'axe de guidage est asservi en direction relativement à un plan de- référence fixe par rap-- port audit système de balayage.