FR2494836A1 - Dispositif de determination de la position d'objets, notamment d'instruments situes a bord d'un engin spatial - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN DISPOSITIF DE DETERMINATION DE POSITION D'OBJETS PAR RAPPORT A UN ELEMENT DE BASE DONNE. LE PROBLEME TECHNIQUE POSE CONSISTE A FOURNIR UN TEL DISPOSITIF QUI AUTORISE UNE PRECISION TRES ELEVEE DANS CETTE DETERMINATION. SUIVANT L'INVENTION, CE DISPOSITIF COMPREND AU MOINS DEUX SOURCES PONCTUELLES SYNCHRONES DE VIBRATIONS A LONGUEUR D'ONDE DE STABILITE ELEVEE ET A LIAISON PERMANENTE DE PHASE PRODUISANT UN RESEAU DE FRANGES D'INTERFERENCE, CES SOURCES ETANT FIXES SUR LEDIT ELEMENT DE BASE DONNE, A DISTANCE L'UNE DE L'AUTRE, L'ESPACE OCCUPE PAR LE RESEAU DE FRANGES D'INTERFERENCE ENVELOPPANT L'ENSEMBLE DES OBJETS DONT LA POSITION EST A DETERMINER, CE DISPOSITIF COMPRENANT PAR AILLEURS, POUR CHACUN DES OBJETS DONT LA POSITION DOIT ETRE DETERMINEE, UN DETECTEUR DE VIBRATIONS 19A FIXE SUR CET OBJET, AINSI QU'UN CIRCUIT 20 A 24 D'INTERPRETATION DES VALEURS DONNEES PAR CE DETECTEUR. L'INVENTION EST PRINCIPALEMENT UTILISEE POUR DETERMINER LA POSITION DES INSTRUMENTS SITUES A BORD D'UN ENGIN SPATIAL.

Description

Dispositif de détermination de la position d'objets, notamment d'instruments situés a bord d'un engin spatial.

La présente invention concerne les dispositifs de détermination de la position d'objets, et éventuellement de contrôle de l'alignement de plusieurs objets.

Dans de très nombreuses applications, parmi lesquelles on peut citer, à titre non limitatif, la determination de position ou le contrôle d'alignement d'instruments situés à bord d'un engin spatial, il est impératif que cette détermination ou ce contrôle se fasse avec une précision extrêmement élevee. I1 se trouve toutefois qu'en utilisant les dispositifs classiques prévus jusqu'à ce jour, à cet effet, et même en employant pour les supports des matériaux a sta bilité elevée et à faible dilatation, il apparait de nombreuses difficultes tant en ce qui concerne l'obtention que la conservation d'une position ou d'un alignement fixe à l'avance.C'est pourquoi, une autre solution, permettant de ne plus dépendre de manière absolue de la rigidite et/ou de la stabilite des matériaux utilises, pourrait consister à déterminer, ou mesurer, la position ou l'alignement des objets consi derés, et éventuellement, si la position ou l'alignement ainsi mesuré s'écarte de la position ou de l'alignement théorique fixé à l'avance d'une valeur non autorisée, à compenser cet ecart, et donc, en d'autres termes, à contrôler positivement cette position ou cet alignement.

A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de détermination de position d'objets par rapport à un élé- ment de base donné, notamment d'instruments situés à bord d'un engin spatial, caractérise en ce qu'il peut comprendre au moins deux sources ponctuelles synchrones de vibrations à longueur d'onde de stabilité elevée et à liaison permanente de phase produisant un reseau de franges d'interférence, ces sources etant fixes sur ledit élément de base donné, à distance l'une de l'autre, l'espace occupe par le réseau de franges d'interférence enveloppant l'ensemble des objets dont la position est à determiner, ce dispositif comprenant par ailleurs, pour chacun des objets dont la position doit être déterminée, un détecteur de vibrations fixé sur cet objet, ainsi qu'un circuit d'interprétation des valeurs données par ces détecteurs. De préférence, les sources ponc tuelles synchrones de vibrations peuvent être des sources ponctuelles de rayonnement lumineux cohérent. De manière particulièrement avantageuse, le dispositif peut comprendre un générateur de vibrations à longueur d'onde de stabilité élevée, tel que, dans le cas rit utilisation d'un rayonnement lumineux, un laser, fixe sur l'élément de base, tandis que les deux sources synchrones sont constituées par des éléments sensibles auxdites vibrations et générateurs de réseau de franges d'inter férence, tels que, dans le même cas d'un rayonnement lumineux, des trous fins ménagés dans un même écran opaque commun aux différents élé- ments.Bien que deux lasers corrélés puissent générer un système stable d'interférence, il est préférable de séparer une onde unique, fournie par un générateur principal, en deux ondes cohérentes.

Grâce à cet agencement, le réseau de franges d'interférence ainsi créé constitue un système de référence spatiale à trois dimensions par rapport auquel peut etre repérée la position de tout objet, constituant de ce fait l'équivalent d'un système de coordonnées. Par ailleurs, les moyens matériels du dispositif, constitués par les sources synchrones de vibrations, et éventuellement le générateur de vibrations, peuvent former un ensemble structurel relativement compact et donc peu encombrant, puisque le transfert du système de référence considéré en chaque emplacement voulu ou se trouve un objet dont la position est à déterminer, se fait par voie ondulatoire uniquement, sans support matériel. I1 en resulte qu'un tel dispositif n'exige une précision très élevee que dans la réalisation, et le maintien en stabilité spatiale, de cet ensemble structurel compact, tout le com plément voulu de précision étant fourni par la nature même des vibrations a longueur d'onde de stabilité élevée choisies.

Il n'est pas besoin de rappeler que le réseau de franges d'interférence produit par deux sources ponctuelles synchrones du type considére, dans l'espace situé en regard de ces sources, sans obstacle interposé, comprend une alternance de franges "brillantes" (maximum d'énergie, interférence constructive) et de franges "sombres" (minimum d'énergie, interférence destructive), les franges brillantes étant formées par une famille d'hyperboloïdes de révolution ayant ces sources pour foyers, constituant le lieu des points dont la différence des distances l1, 12 auxdites sources est
Ilî - 121 = kÀ , (1)
A étant la longueur d'onde de la propagation des vibrations et k un nombre entier positif (les franges sombres sont définies par la même relation dans laquelle k = un nombre entier
A titre purement indicatif, la Fig. 1 des dessins annexés illustre l'intersection de cette famille d'hyperbololdes par un plan P1 passant par les deux sources S1 et S2 (les cercles
C1 et C2 étant constitues par les intersections par ce plan P1 des sur faces d'onde sphériques centrées respectivement en S1 et S2 et les hyperboles H1 par les intersections par le même plan des hyperboloïdes formant les franges brillantes, celles correspondant aux franges sombrez étant intercalées avec les precedentes).De même, la Fig. 2 illustre, e perspective, l'intersection de ce même réseau par un plan P2 perpendiculaire à P1 et parallèle a S1 S2 (les hyperboles H2 étant également constituees par les intersections par ce plan P2 des seuls hyperbololdes formant les franges sombres).

Etant donné que c'est l'intensité (moyenne totale sur le temps du champ total des deux ondes) qui constitue la grandeur du système directement mesurable et que celle-ci s' exprime par
I = 4 Io cos26
2'
6étant ladifférence de phase entre les deux ondes qui interferent, due à la différence de trajet parcouru, le système d'interférence varie comme le cosinus au carre, soit une variation de type sinusoïdal, mais a longueur d'onde croissant suivant la direction parallèle a S1 S2.

Comme le montre la Fig. 3, on peut choisir un système de coordonnees orthogonales ayant pour centre 0, milieu de S1 S2, pour axe X le support de S1 S2, pour axe Z une direction orientée essentiellement vers l'espace enveloppant les objets dont la position est à déterminer et dans lequel se forme le reseau d'interferences, l'axe Y étant orthogonal aux deux précédents.Suivant la droite D parallèle à X (S1 S2) la distance z, l'intensité varie de la manière indiquée ci-dessus, et à proximité de l'axe Z, l'interfrange, ou longueur d'onde des franges c'est-à-dire la distance entre deux crêtes ou maximum de l'intensité (qui ne doit pas être confondue avec la longueur d'onde des vibrations générant le reseau d'interférence), a pour valeur
p = w . z (3)
S1 (3)
Il résulte de ce qui précède que l'on peut obtenir une précision convenable concernant la position d'un objet re péré par rapport au réseau de franges d'interférence considéré, essentiellement suivant la direction parallèle à S1 S2 (axe X, droite D)5 1, l'interfrange dans cette direction pouvant être lu au d d'onde prés, soit avec une precision qui est, par exemple, de l'ordre de quelques microns pour une source laser (si# = 0,5 x 10-6m, S1S2 = 0,1 m, z = 5 m, on obtient 4 ~-6 .10 6m).

Afin d'obtenir simultanément une précision comparable suivant la direction perpendiculaire à S1 S2 (axe Y), le dispositif conforme à l'invention peut salement comprendre deux autres sources ponctuelles synchrones de vibrations à longueur d'onde de stabilite élevée et à liaison permanente de phase émettant un réseau de franges d'interférence, ces sources étant fixes sur l'élément de base, à distance l'une de l'autre et disposées suivant une direction perpendiculaire à celle suivant laquelle sont disposées les deux premières sources. De préférence, la distance entre la seconde paire de sources ponctuelles peut être égale à celle existant entre la premiere paire et les deux segments les réunissant ont même milieu.

Etant donné que, ainsi qu'il ressort de l'équation (3), la valeur de l'interfrange ou longueur d'onde des franges p ne varie que lentement suivant la direction Z dès que l'on s'éloigne des sources, il peut être prévu, afin d'ameliorer la preci- sion de la détermination de la position suivant cette direction. que le dispositif comprenne, en outre, une source centrale ponctuelle synchrone de vibrations à longueur d'onde de stabilité élevée, cette source étant disposée au milieu du segment réunissant les deux premières sources.En effet, si on calcule la variation de.z qui entraine une différence de trajet parcouru par les ondes égale à la langueur d'onde de celles-ci

pour S1 S2 = 2s = 0,1 m, z =5m et N = 0,5 x 10"6m, on trouve
dz ~ 0,01, ce qui signifie que l'intensité le long de l'axe Z varie alors a peu près périodiquement avec une période d'environ 1 m à une distance de 5 m des sources. Par ailleurs, pour z SL O, au voisinage immédiat des sources, dz ~ A .Il en résulte donc que, en tout point de l'espace occupé par le reseau de franges, celui-ci oscille avec la période indiquee (fonction de la distance aux sources) suivant la direction reliant le point considéré à ces sources.

Etant donne par ailleurs que la même valeur de l'interfrange ne varie que relativement lentement suivant la direction parallèle S1 S2 (axe X) et celle qui lui est perpendiculaire (axe Y), de sorte que l'on peut déterminer précisément la position à l'intérieur d'un interfrange, sans pouvoir par contre déterminer de maniere tres exacte le nombre comple-t de franges correspondant à cette position par rapport au système de coordonnées choisi, (ce qui se produirait, par exemple, si les sources etaient collimatées, auquel cas l'interfrange serait pratiquement constant dans toutes les directions et dans tout l'espace occupe par le réseau de franges), il peut être prévu que le dispositif comprenne egalement, pour chaque source prévue à distance du milieu du ;;segment reunissant les deux premières sources, au moins une source complementaire ponctuelle synchrone alignée avec cette source et le milieu du segment et située-à une distance de ce milieu nettement differente de la distance de la source considérée superieure à celle-ci, cette série de sources complementaires fournissant un second reseau de franges d'interférence. Il en resulte que cette nouvelle série de sources complémentaires fournit un second reseau de franges d'interférence dont l'interfrange est plus faible que celui du premier reseau et permet donc de répérer la position de tout objet par rapport aux franges du premier réseau avec une graduation supplémentaire.De préférence, la distance de chaque source complémentaire, associée à une source donnée, au milieu du segment peut valoir dix fois la distance de cette source elle-même a ce milieu, de sorte que l'on obtient un second réseau dont les franges sont dix fois plus fines que celles du premier et ce qui permet donc d'affecter une position d'une valeur à deux chiffres, le chiffre des unités étant donne par la frange du second réseau (fin) sur laquelle se trouve l'objet et le chiffre des dizaines par la frange la plus voisine du premier réseau (grossier).

On peut encore envisager d'adapter le dispositif de manière qu'il fournisse un système de réseaux d'interfranges plus complexe, ce qui permet ainsi une détermination de position d'autant plus précise ou plus aisée, ceci par exemple en utilisant simultanément, deux séries de sources dont les longueurs d'onde des vibrations soient différentes (ce qui correspond a des réseaux de franges de couleurs différentes),en utilisant des fréquences de battement, ou encore en modulant le faisceau initial et en utilisant la fréquence de modulation.

Dans le cas ou le dispositif comprend un générateur de vibrations et deux sources synchrones, la transmission desdites vibrations du générateur aux sources peut, dans un mode particulier de l'invention, s'obtenir en prévoyant dans ce dispositif des diviseurs de faisceau interposés entre le générateur et les sources ponctuelles. En outre, si dans cette réalisation, la puissance requise est elevée, le dispositif peut comprendre, pour chaque source ponctuelle, un élément focalisant, tel qu'une lentille dans le cas d'utilisation d'un laser, au foyer duquel se trouve ainsi produite ladite source, ce qui permet de reduire 7a concentration de la charge de rayonnement.Il est également possible, dans le cas d'un rayonnement lumineux, pour faire varier la phase entre les deux sources, de prévoir des lames à balayage de phase (dont on peut faire varier l'épaisseur optique, par exemple par voie électro-optique), ce qui entraîne un déca- lage correspondant de l'ensemble du réseau de franges fourni par ces deux sources. Il est bien clair que ces différents éléments structurels complémentaires (diviseurs de faisceau, éléments focalisants, plaques à balayage) doivent, lorsqu'on les prévoit, être disposés de manière parfaitement alignée par rapport aux éléments principaux du dispositif et en particulier son élément de base.

Dans ce même mode de realisation, il est possible d'améliorer encore la précision d'alignement des éléments constitutifs du dispositif, en prévoyant que celui-ci peut comprendre, pour chaque source ponctuelle, le montage en série à la suite de l'élé- ment focalisant correspondant, d'un miroir plan et d'un miroir sphérique semi-transparent centré su la source ponctuelle, le miroir plan etant disposé à mi-distance entre cette source ponctuelle et le sommet du miroir sphérique, ces deux miroirs étant fixés sur l'élément de base donné.

Pour permettre cette même transmission des vibrations du génerateur aux sources, tout en réduisant le nombre des éléments structurels à prévoir, le dispositif peut, dans un second mode de réalisation particulier de l'invention, comprendre un enregistrement holographique des sources ponctuelles, interposé entre le générateur et les sources, en un emplacement tel que l'image holographique des sources ponctuelles coïncide avec les sources ponctuelles voulues. Il n'est, dans ce cas, besoin d'aucun élement focalisant puisque l'hologramme lui meme focalise les vibrations emises par le générateur sur les sources ponctuelles.Dans cette réalisation également, on peut prévoir des plaques de correction de phase dans un but de balayage, ce qui permet de faire varier la phase des vibrations entre les différentes sources ponctuelles. En variante, on peut prévoir que l'hologramme lui-même peut être déplacé dans ce but de balayage, ce qui offre toutefois moins de liberté pour balayer de manière différente les divers réseaux de franges (en particulier les réseaux prévus pour correspondre, comme indique plus haut, à des ordres différents (unités, dizaines, ...) des valeurs des coordonnées de position données par le dispositif,
Le detecteur de vibrations,dont est équipe
tout objet dont la position doit être déterminée, détecte en fait
l'énergie localisée spatialement à l'endroit ou il se trouve place
(intensite lumineuse des franges dans le cas d'utilisation d'un rayon
nement lumineux) et c'est à partir de la valeur de cette énergie que le circuit d'interpretation permet de déduire sur quel frange ou inter
frange se trouve situé ce détecteur, et par consequent quelles sont
ses coordonnées ou sa position et, partant, celles de l'objet sur lequel il est fixe. Le detecteur proprement dit, monte sur une tête de détection qui est fixee sur l'objet, peut comprendre soit un trou fin d'entree, soit une ouverture d'entree accordée au réseau de franges, soit encore un motif d'orifices d'entrée.

Le détecteur peut, dans ce cas, comporter soit un simple trou fin disposé devant une photodiode reliée au comparateur, soit, associée à une telle photodiode, une fente parallèle a la direction des franges, ce qui améliore la sensibilité, mais à condition toutefois que la largeur de cette fente corresponde à un nombre entier d'interfranges dans le sens perpendiculaire à la fente, afin d'éviter une interférence des coordonnées perpendiculaires.

Dans une première réalisation, le circuit d'interprétation peut comprendre une mémoire contenant la fonction representative de la répartition spatiale de l'intensité du réseau d'interférence, et un comparateur relié au détecteur et à cette mémoire.

Dans une seconde réalisation, afin d'eviter la difficulté que constitue la détermination de la valeur des énergies ou intensités maximales du réseau d'interférence, le circuit d'inter prétation peut comprendre des moyens de balayage temporel. Dans le cas ou il est prevu plusieurs paires de sources ponctuelles, fournissant plusieurs réseaux d'interférence qui permettent de définir plusieurs ordres (unités, dizaines, ...) des valeurs des coordonnées de position, ce même circuit d'interprétation peut comprendre des moyens de séparation électronique, tels que des filtres.

Les moyens de balayage temporel peuvent être constitués par des moyens d'entraînement du détecteur suivant un mouvement de balayage.

En variante, afin d'éviter de prévoir un mécanisme de balayage sur chaque détecteur et d'utiliser des excursions importantes pour obtenir les ordres de valeurs les plus significatifs (dizaines ou centaines), ce sont les franges qui sont déplacées en avant et en arrière (suivant la direction Z définie plus haut) par rapport au détecteur et, à cet effet, les moyens de balayage temporel peuvent comprendre, pour chaque paire de sources ponctuelles, un modulateur de phase agissant sur la phase existant entre les vibrations associees à ces deux sources, un comparateur de phase relié au detecteur et à ce modulateur et un organe d'exploitation relie à ce comparateur et recevant le signal de difference de phase donné par celui-ci.Dans le cas d'utilisation d'un rayonnement lumineux, le modulateur de phase peut de préférence être de type électro-optique,et par exemple, comprendre soit une lame de correction de phase, ce qui modifie le chemin optique, soit des moyens de modification de l'indice de refraction.

L'organe d'exploitation peut être constitue soit par un organe d'affichage direct, tel qu'un simple voltmètre, soit par un organe d'affichage digital, avec interposition d'un convertisseur analogique-digital, soit encore par un circuit de regulation comprenant une boucle de réaction et relié à des moyens de déplacement de l'objet auquel est associé ce détecteur, par rapport a l'clament de base, ce qui permet de contrôler la position de cet objet et de ramener ce dernier à la position théorique voulue enregistrée au préalable.

Dans une troisième réalisation, le détecteur comprend, ou simule, un ensemble d'éléments de détection en forme de réseau qui peut, par exemple, être constitué par un système à transfert de charges. Les signaux fournis par échantillonnage par ces éléments de détection peuvent ensuite être traités pour déterminer la phase des franges et par conséquent la position du détecteur, les éléments du réseau de détection étant, par exemple, soumis à une lecture sérielle par le circuit électronique et les signaux d'échantillonnage comparés à un jeu de signaux fournis par la frequence d'horloge, ce qui permet d'en déduire la phase relative et par suite l'information de position voulue
En variante, les signaux d'échantillonnage peuvent egalement commander un oscillateur astable accordé sur la fréquence temporelle correspondant à la fréquence spatiale (la mesure prenant en compte la moyenne eliminant le bruit de phase), de sorte que ces signaux amenent rapidement l'oscillateur à la même phase que celle de l'onde sinusoîdale enveloppe de ces signaux, l'oscillateur étant ensuite associé, comme dans la seconde réalisation, à un organe d'exploitation, (l'ensemble des composants considerés étant bien entendu prevu pour chacun des ordres de grandeur de coordonnée envisage); bien entendu, si l'on effectue sur le détecteur un échantillonnage séquentiel à une fréquence donnée, à un interfrange superieur du réseau d'interférence correspondra une fréquence temporelle superieure, ce qui exigera un oscillateur accordé de manière correspondante à cette fréquence supérieure. On peut alors comparer la phase du signal provenant de chaque oscillateur à celle d'un oscillateur à fréquence fixe associe, les différents oscillateurs à fréquence fixe pouvant être synchronisés grâce à l'horloge principale du circuit (la fréquence absolue n'est pas essentielle et peut dériver lentement sans avoir d'influence notable sur les mesures), tandis que, comme précédemment, le signal de différence de phase ainsi obtenu peut être affiche ou envoyé à un circuit ultérieur de traitement et régulation. On constate que, dans cette dernière réalisation, il n'existe aucun mouvement relatif entre le détecteur et les franges.

En ce qui concerne la puissance consommee par le dispositif, celle-ci est d'autant plus élevée que l'espace enveloppant les objets dont la position doit être déterminée, et par con séquent l'espace occupe par le ou les réseaux d'interférences créés par ce dispositif, est plus important. Cette consommation peut être réduite en dirigeant les vibrations sur les régions de cet espace ou elles sont nécessaires, à savoir sur les détecteurs, ce qui peut s'obtenir dans le cas d'utilisation d'un rayonnement lumineux, à l'aide d'un élément optique directeur, tel que par exemple un enregistrement holographique des régions de l'espace entourant les detecteurs, interposé sur le trajet lumineux.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, titre d'exemples non limitatifs et en regard des dessins annexés sur lesquels
- les Fig. 1, 2 et 3, qui ont déjà été présentees dans l'introduction de cette description et qui représentent respectivement l'intersection du réseau de franges d'interférence obtenu a partir de deux sources ponctuelles, respectivement par un plan passant par ces sources (Fig. 1) et un plan perpendiculaire au précédent (Fig. 2), et la variation de l'intensité sur une direction parallèle a la ligne des sources;
- la Fig. 4 represente un dispositif suivant un premier mode de réalisation conforme à l'invention;
- la Fig. 5 représente une vue de droite de ce dispositif;;
- la Fig. 6 représente schematiquement et partiellement une variante de ce dispositif comportant un plus grand nombre de sources ponctuelles;
- la Fig. 7 illustre l'obtention d'un hologramme de cet ensemble de sources;
- la Fig. 8 représente schématiquement et partiellement un second mode de réalisation conforme a l'invention;
- la Fig. 9 représente une variante de ce dernier dispositif comportant un plus grand nombre de sources ponctuelles et vu de droite suivant la Fig. 8;
- la Fig. 10 représente un mode de réalisation particulier de l'ensemble du circuit de détection et d'interprétation associé aux réalisations précédemment decrites.

Le dispositif générateur de réseau de franges d'interférence représenté par les Fig. 4 et 5 comprend un tube sup port cylindrique 1 qui peut constituer un élément de base ou élément de référence de ce-dispositif ou etre fixé sur un tel élément de base, par rapport auquel les objets dont la position est à déterminer devront également être fixés (cet élément de base pouvant par exemple être cons titue par le socle ou l'enveloppe d'une installation, ou encore dans le cas de l'application a la determination de la position d'instruments dans un satellite, par une partie fixe de ce dernier).Ce tube 1 est obturé à une extrémité par un fond constitue de deux plaques circulaire 2 entre lesquelles est interposé un élément élastique ou ressort 3 et qui sont traversées en leur centre, suivant l'axe Z-Z du tube, par un laser 4 dont la tête fait saillie au-delà de ce fond 2. A son autre ex tremité ce tube est ferme par un couvercle 5 constitué par un support de matière transparente stable et à faible dilatation tel que du quartz fondu, ce support etant revêtu sur sa face exterieure plane, d'un film mince métallique 6 dans lequel sont ménagés quatre trous fins, S, S2,
S3, 54, les deux premiers etant disposés sur un axe X-X et les deux suivants suivant un axe perpendiculaire Y-Y, tous quatre à la même distance du centre O ou point d'intersection des axes X-X et Y-Y.

Entre le fond 2 et le couvercle 5, se trouve disposé un ensemble optique constitué, d'une part, par une lentille plane-convexe 17, et, d'autre part, une plaque d'enregistrement holographique 8, ces deux éléments tant interposés entre la tête de laser et le support 5 et maintenus dans des positions parfaitement perpendiculaires à l'axe Z-Z grâce à des anneaux-entretoises 9 prévus entre ces éléments et le fond du couvercle.

Le faisceau lumineux 10, émis par le laser 4, traverse successivement la lentille 7 qui le transforme en faisceau parallèle incident sur l'hologramme 8, ce dernier dirigeant ensuite la lumière tres exactement sur les quatre trous fins S1 à S4, étant donné que cet enregistrement holographique a été réalisé pour reconsl:ituer justement l'emplacement de ces quatre trous, (d'une manière qui sera donnée plus en détail par la suite). Il en resulte que les quatre trous considérés, associés au générateur lumineux que constitue le laser 4, constituent des sources ponctuelles de lumière cohérentes, qui vont donc fournir un double réseau de franges d'interférence, respectivement associées à l'axe X-X et à l'axe Y-Y.

Dans la variante illustrée par la Fig. 6, il n'est représenté du dispositif que le support 5a muni d'un film 6a, dans lequel sont ménages, outre les trous fins S1 S2 S3 54 correspondant à ceux des Fig. 4 et 5, d'une part, un trou central O et, d'autre part, quatre autres trous S5 56 S7 S8, disposés également en croix suivant les axes X-X et Y-Y, à des distances égales par rapport au centre 0, mais cette distance commune etant supérieure à celle des quatre premiers trous. Dans cette réalisation, le faisceau lumineux 4a du laser est orienté parallèlement à l'axe X-X et décalé par rapport à l'axe Z-Z.Sur ce faisceau, se trouvent interposés une série de diviseurs de faisceau 11, qui permettent d'obtenir une répartition du faisceau initial en neuf faisceaux parallèles dirigés respectivement sur les neuf trous précédemment cités.

Dans cette variante, comme dans la réalisation précédente des Fig. 4 et 5, il serait possible d'interposer entre les diviseurs de faisceau 11, et le support 5a, un enregistrement holographique analogue à l'hologramme 8 de la Fig. 4, mais réalisé sur neuf sources ponctuelles correspondant à l'arrangement réalisé sur le film Ga Comme le montre la Fig. 7, cet enregistrement holographique pourrait s'obtenir en utilisant les neuf trous considérés comme objet, et en les éclairant à l'aide d'un rétro-faisceau, le film holographique 12 etant disposé par rapport aux trous S, dans la position que l'hologramme devra occuper lors de la restitution. L'hologramme lui-même peut etre réalisé sur un support stable et dans la pratique être obtenu, si cela est possible, par gravure sur une plaque support.

Grâce à cet agencement employant un plus gr1nd nombre de trous auxquels correspondent autant de sources ponctuelles, créant des réseaux de franges supplémentaires, on peut, ainsi qu'indiqué dans l'introduction de cette description, d'une part, obtenir une plus grande précision sur le positionnement d'un objet par rapport au réseau fourni par les quatre premières sources et, d'autre part, un second ordre de grandeur dans la détermination des coordonnées de sorte que (comme cela sera précisé dans la suite) on pourra obtenir une interprétation comportant plusieurs ordres de grandeur (unités, dizaines, etc...).

Le dispositif conforme à la seconde réalisation, décrit en regard de la Fig. 8, ne comprend pas de source ponctuelle matérialisée par des trous comme dans la réalisation précédente, mais au contraire il comporte de telles sources, ici au nombre de deux à seul titre indicatif et non limitatif, constituées pa? es points de concentration de faisceaux lumineux S1 et S2 disposés sur la face de sortie d'un support 5b en une matière transparente à faible dilatation.

Sur la face d'entrée de ce support, se trouvent disposées deux lentilles de focalisation convexes-planes 13, dont les foyers sont situés aux points S1 et S2. Ces lentilles 13 reçoivent elles-mêmes deux faisceaux paralleles incidents perpendiculaires au faisceau 5bs provenant tous deux d'un faisceau principal 4a émis par un laser dispose sur le côté de ce support, le premier faisceau destiné à la source S2 étant fourni par un diviseur de faisceau îîa, interposé sur le faisceau 4a, tandis que le second faisceau, destiné à la source S1 est fourni par un miroir à 450 14. Par ailleurs, sur la partie du faisceau laser 4a, qui a traversé le diviseur de faisceau lia, se trouve interposée une lame de correction de phase 15.

Sur la face opposée, ou face de sortie du support 5b se trouvent disposés deux éléments optiques en forme de calottessemi-sphériques centrées sur les points S1 et S2 et réalisées en un verre de haute qualite optique et à faible dilatation, chacune de ces deux calottes semi-sphériques étant constituée de deux éléments juxtaposés suivant un plan Q situé à mi-rayon et parallèle à la face de sortie du support 5b. Suivant ce plan Q, se trouve réalisé un miroir semi-transparent, plan et précis 17, tandis qu'il est également prévu un miroir semi-transparent précis suivant la calotte sphérique extérieure 16a de chaque élément semi-sphérique.

A partir du faisceau laser 4a, le diviseur de faisceau lia, le miroir 14 et les lentilles 13 concentrent la lumière suivant des points de dimension très réduite, S1 et
De chaque point S1 ou S2, l'ensemble du miroir plan 17 et du miroir spherique 16a associés fournit une image S"1 ou S"2 disposée au sommet de la calotte sphérique correspondante.Les ondes lumineuses émises par les points S1 et S"1 fournissent un reseau de franges d'interférence constitue par une famille d'hyperbololdes de révolution axée sur la ligne S1 S"1, de sorte que l'intersection de ce réseau par un plan P2 parallèle au support 5b (ou perpendiculaire à la direction
Z-Z, précédemment définie) est constituée par une série de franges annulaires concentriques analogues à celles de l'expérience des anneaux de Newton.Les points S2 et S"2 fournissent également un réseau de franges 18b analogue, de sorte que les deux reseaux de franges inter fèrent et, à l'endroit 18c où elles se chevauchent, elles constituent un système de référence de coordonnees suivant deux directions dans le plan P2, dont l'une X-X est parallèle à la direction du segment S1 S2, tandis que l'autre lui est perpendiculaire. Le reseau d'ensemble obtenu est donc symétrique, d'une part, par rapport au plan P1 defini par les quatre points S1, S2, S''1, S2' et, d'autre part, par rapport à un plan R perpendiculaire au segment 51 S2 en son milieu O (qui constitue par ailleurs un point de contact entre les deux calottes semisphériques 16).

Il est bien clair que, dans cette réalisation tout aussi bien que dans celle des Fig. 4 et 5, il serait possible de multiplier le nombre des points ou sources ponctuelles de la manière qui a été décrite en regard de la Fig. 6, ce qui permet une superposition de réseaux de franges assurant la détermination de coordonnees avec plusieurs ordres de grandeur.C'est ainsi que la Fig. 9 illustre, à titre indicatif, une réalisation dans laquelle sont prévues huit calottes sphériques 16, dont les centres sont disposés suivant des points S1 S8 adoptant la même disposition que sur la Fig. 6, étant bien entendu que dans ce cas chaque calotte spherique 16 est associée à des lentilles et à des diviseurs de faisceaux ou miroirs analogues aux éléments 13 et 14 décrits en regard de la Fig. 8, (l'orientation par rapport au centre O des quatre points intérieurs est toutefois décalée de 45 , de manière à utiliser un contact tangentiel des différentes spheres entre elles).

Les éléments optiques 16 peuvent, dans les différentes variantes prevues pour cette seconde réalisation, être toui d'abord realisés sous la forme de spheres complètes qui sont successivement découpées, moulées, polies, revêtues d'un film en surface formar miroir semi-transparent, puis enfin assemblees. La precision et le centrage des différents éléments entre eux, s'obtiennent à l'aide d'essais optiques classiques (c'est ainsi, par exemple, que S1 peut être centre en l'amenant à coïncider avec son image S'1 dans le miroir sphérique 16a, ...).Les différents éléments optiques (miroirs, diviseurs de faisceaux, lame de correction de phase, lentilles) sont tous soit fixés sur le support 5b, -soit disposés de manière à presenter une référence précise par rapport a ce dernier. En ce qui concerne, par tailleurs, le laser, le faisceau fourni par ce dernier peut, tout d'abord, dans une phase initiale à faible puissance, être focalisé à travers un trou de centrage, que l'on élimine ensuite, une fois que l'on est passé à pleine puissance d'utilisation, ce faisceau focalisé etant à nouveau collimaté et envoyé sur les sources ponctuelles consi dérées. Le laser peut enfin être lui-même directement incorporé dans l'ensemble fixe sur le support 5b (en utilisant les miroirs et les calottes semi-spheriques 16 pour constituer les réflecteurs de cavité du laser), ce qui crée ainsi une relation entre la longueur d'onde du laser et les dimensions du système optique, de sorte que les franges obtenues se trouvent être achromatiques dans une grande mesure, sans subir d'influence provenant d'une dilatation ou d'une contraction éventuelle du système (ce qui est dû au fait que l'interfrange est proportionnel à la longueur d'onde du rayonnement, et inversement proportionnel à la distance geometrique séparant les sources). On peut enfin vérifier la cohérence et l'alignement du système optique en provoquant une extinction d'une ou plusieurs sources en même temps, et en ajustant les différents éléments de manière que, dans le cas d'une telle extinction, la frange centrale ne subisse aucun déplacement.

Le circuit d'interprétation,illustré par la Fig. 10, comprend, d'une part, une tête de détection 19 munie d'un détecteur proprement dit 19a (une telle tête de détection étant prévue pour chacun des objets dont la pcsition est à déterminer, et étant fixée sur cet objet), et, d'autre part, des moyens de balayage temporel comportant des modulateurs de phase 20, qui sont ici au nombre de trois dans la mesure où l'on desire determiner avec trois ordres de grandeur (unités, dizaines, centaines) la valeur de la coordonnez considérée.

En effet, le circuit ici décrit est prévu pour la détermination d'une coordonnée donnée, étant bien entendu que le nombre des détecteurs devrait être multiplié d'autant s'il s'agissait de determiner d'autres degrés de liberté d'un objet (le maximum étant de six, trois en translation, et trois en rotation), les modulateurs utilisés étant, par contre, communs a l'ensemble des detecteurs utilisée lorsqu'il en pre- vu plusieurs, etant donné qu'un reseau d'interférence peut être associé à un nombre quelconque de detecteurs (ce qui présente l'avantage important de ne pas avoir à multiplier d'autant le nombre des sources ponctuelles génératrices).Les modulateurs de phase 15 sont avantageusement constitués par des lames de correction de phase, interposées sur le faisceau du laser, et les fréquences de modulation de ces différents modulateurs correspondent aux trois ordres de grandeur prevus pour la coordonnée considérée. Cette modulation de la phase provoque un déplacement des franges obtenues à partir des sources ponctuelles vers l'avant et vers l'arrière, suivant la direction Z-Z définie plus haut, ce qui permet de proceder à un balayage des franges, de manière a fournir les différents ordres de grandeur suivant des fréquences temporelles différentes, ce qui va autoriser la séparation électronique de ces ordres de grandeur.

En effet, la tête de détection 19 est reliée à un circuit electronique 20 dont la sortie comporte trois filtres 21, montes en parallèles, et relies séparément à des premières entrées de comparateurs 22 dont d'autres entres sont également reliees sepa rément aux trois modulateurs 15. Les sorties de ces comparateurs 22 qui constituent ainsi des détecteurs de phase, sont reliées, parl'inter- médiaire d'un convertisseur analogique-digital 23, à respectivement trois afficheurs digitaux 24 qui donnent respectivement les trois ordres de grandeur d'une coordonnee.

Les modulateurs de phase 15, qui incorporent, comme indiqué ci-dessus, par exemple des lames de correction de phase, comportent bien entendu simultanément les moyens permettant de commander ces lames pour déterminer la fréquence de modulation correspondante. Le detecteur 19a permet de relever, au fur et à mesure que les trois reseaux de franges d'interférence, associés aux trois modulateurs, balayent la tête de détection, des signaux de fréquence qui sont ensuite séparés par les filtres 21, ces derniers fournissant des phases de sortie correspondant à chaque fréquence et qui sont comparées à celle des fréquences de modulation provenant des modulateurs 15, de sorte que les différences de phases envoyées aux afficheurs 24 indiquent (après une compensation des retards dûs au circuit) la valeur voulue de l'ordre de grandeur correspondant de la coordonnee considérée.

Il est à noter que, bien que la precision de determination de la position soit déjà très améliorée par la multiplication des sources ponctuelles, cette précision peut être encore affichée suivant la direction Z-Z précitée, en prévoyant que le dispositif comporte un agencement analogue à celui d'un interféromètre longitudinal, ce qui peut, par exemple, s'obtenir en disposant, à l'endroit precédemment prévu sur le détecteur, un réflecteur, tandis qu'un interféromètre muni d'un detecteur se trouve lui-même dispose à proximité de la source ponctuel le.

Si, enfin, il convient de déterminer la position d'un objet situé dans une zone non-éclairée par le faisceau du dispositif, on peut utiliser des éléments optiques tels que des miroirs pour rendre cette détermination possible, auquel cas c'est la position (et éventuellement l'orientation) de ces éléments optiques qui serait déterminee à l'aide du dispositif précédent, les écarts de position ou d'orientation étant egalement pris en considération, en cas de régulation1 au niveau de ces mêmes éléments optiques.

Claims (16)

REVENDICATIONS

10) - Dispositif de détermination de position d'objets par rapport à un élément de base donné, notamment d'instruments - situés à bord d'un engin spatial, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux sources ponctuelles synchrones de vibrations (S1'S2, S3-S4, S5-56, S7-S8), å longueur d'onde de stabilité élevée et à liaison permanente de phase produisant un reseau de franges d'interférence, ces sources étant fixes sur ledit élément de base donné, à distance l'une de l'autre, l'espace occupé par le réseau de franges d'interférence enveloppant l'ensemble des objets dont la position est à déterminer, ce dispositif comprenant par ailleurs, pour chacun des objets dont la position doit être déterminée, un détecteur de vibrations (19a) fixé sur cet objet, ainsi qu'un circuit (20 à 24) d'interprétation des valeurs données par ce détecteur.

20) - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les sources ponctuelles synchrones de vibrations (S1 à 58) sont des sources ponctuelles de rayonnement lumineux cohérent.

30) - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comprend un generateur de vibrations (4) à longueur d'onde de stabilité élevée, fixe sur l'élé- ment de base, tandis que les deux sources synchrones (S1 à S8) sont constituées par des éléments sensibles auxdites vibrations et générateurs de réseau de franges d'interférence, interposés sur le chemin de propagation des vibrations émises par le générateur (4).

4 ) - Dispositif selon la revendication 3, lorsqu'elle depend de la revendication 2, caractérisé en ce que le généra- teur de vibrations (4) à longueur d'onde de stabilité élevée comprend un laser.

50) - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 et 4, lorsqu'elles dépendent de la revendication 2, caractérisé en ce que les éléments sensibles aux vibrations comprennent chacun un trou fin (51 à S8) ménagé dans un même écran opaque (6, 6a) commun aux différents élementS.

60) - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend des diviseurs de faisceau (11 > lia) interposés entre le générateur (4) et les sources ponctuelles (S1 Sus).

70) - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend, pour chaque source ponctuelle (S1 à S8), un élément focalisant (13) au foyer duquel se trouve ainsi produite ladite source.

80) - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 7, caractérise en ce qu'il comprend, pour chaque source ponctuelle (S1 à S8), le montage en série, à la suite de l'élément focalisant (13) correspondant, d'un miroir plan semitransparent (17) et d'un-miroir sphérique semi-transparent (16a) centré sur la source ponctuelle, le miroir plan (17) étant disposé à midistance entre cette source ponctuelle et le sommet (S''1, S"2) du miroir sphérique, ces deux miroirs étant fixés sur l'élément de base donné.

90) - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend un enregistrement holographique (8) des sources ponctuelles, interposé entre le générateur (4) -et les sources (S1 à S8) en un emplacement tel que l'image holographique des sources ponctuelles coïncide avec les sources ponctuelles voulues.

100) - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérise en ce que le circuit d'interprétation (20 à 24) comprend des moyens de balayage temporel (15).

110) - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérise en ce que le circuit d'interprétation (20 à 24) comprend des moyens de séparation electronique (21).

120) - Dispositif selon l'une quelconcue des revendications 10 et 11, caractérisé en ce que les moyens de balayage temporel comprennent, pour chaque paire de sources ponctuelles (S1 à un un modulateur de phase (15) agissant sur la phase existant entre les vibrations associées à ces deux sources, un comparateur de phase (22) relié au detecteur (19a) et à ce modulateur et un organe d'exploitation (24) relie à ce comparateur et recevant le signal de différence de phase donné par ceuici.

130) - Dispositif selon la revendication 12, lorsqu'elle dépend de l'une quelconque des revendications 2 et 4, caractérisé en ce que le modulateur de phase (15) comprend une lame de correction de phase.

14 ) - Dispositif selon la revendication 12, caracterise en ce que l'organe d'exploitation comprend un convertisseur analogique digital (23) et un organe d'affichage digital (24).

150) - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 14 > caractérisé en ce qu'il comprend également deux autres sources ponctuelles synchrones (S3-S4, S7-S8) de vibrations à longueur d'onde de stabilité élevée et à liaison permanente de phase remettant un réseau de franges d'interférence, ces sources étant fixes sur l'élément de base, à distance l'une de l'autre, et disposees sui vant une direction (Y-Y) perpendiculaire à celle (X-X) suivant laquelle sont disposées les deux premières sources (S1-S2, S5-S6).

160) - Dispositif selon la revendication 15, caractérisé en ce que la distance entre la seconde paire de sources (S3-S4, S7-S8) ponctuelles est égale à celle existant entre la première paire (S1-S2, S5-S6) et en ce que les deux segments les réunissant ont même milieu.

170) - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, une source centrale ponctuelle synchrone (O) de vibrations à longueur d'onde de stabilite élevée, cette source étant disposée au milieu du segment réunissant les deux premières sources (SI'S2, S5-S6).

180) - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 17, caractérise en ce qu'il comprend également, pou chaque source (S1, S2, S3, S4) prévue à distance du milieu du segment réunissant les deux premières sources (S1-S2, S3-S4), au moins une source complémentaire ponctuelle synchrone (S5, S6, 57 > et située à une distance de ce milieu nettement différente de la distance de la source considérée et supérieure à celle-ci, cette série de sources complémentaires fournissant un second réseau de franges d'interférence.

19 ) - Dispositif selon la revendication 18, caracterise en ce que la distance de chaque source complémentaire (S5, S6, S7, S8) associee à une source donnée (S1, S2, S3, S4) au milieu du segment vaut dix fois la distance de cette source elle-même a ce milieu (O).