FR2601464A1

FR2601464A1 - DEVICE FOR ALTERNATING SCANNING OF A PLAN BY A LIGHT BEAM

Info

Publication number: FR2601464A1
Application number: FR7921882A
Authority: FR
Inventors: Jacques Auge; Michel Duchet
Original assignee: Compagnie Generale dElectricite SA
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 1979-08-31
Filing date: 1979-08-31
Publication date: 1988-01-15
Also published as: BE884997A; GB2191303A; IT8049564A0; GB2191303B; FR2601464B1; IT1188990B

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN DISPOSITIF DE BALAYAGE ALTERNATIF D'UN PLAN PAR UN FAISCEAU LUMINEUX. LE DISPOSITIF COMPORTE UNE SOURCE 1 DE LUMIERE ET UN PRISME DROIT 4 DISPOSE SUR LE TRAJET DU FAISCEAU 2 EMIS PAR LA SOURCE, LA BASE DE CE PRISME ETANT POLYGONALE ET COMPRENANT UN NOMBRE IMPAIR DE COTES, CE PRISME ETANT FORME D'UN MATERIAU TRANSPARENT A LA LUMIERE EMISE PAR LA SOURCE. APPLICATION AU BALAYAGE D'UNE SURFACE D'UNE CIBLE ELOIGNEE.THE INVENTION RELATES TO A DEVICE FOR ALTERNATING A PLAN BY A LIGHT BEAM. THE DEVICE INCLUDES A SOURCE 1 OF LIGHT AND A RIGHT PRISM 4 ARRANGED ON THE PATH OF BEAM 2 EMITTED BY THE SOURCE, THE BASE OF THIS PRISM BEING POLYGONAL AND INCLUDING AN ODD NUMBER OF SIDES, THIS PRISM IS IN THE FORM OF A TRANSPARENT MATERIAL A THE LIGHT EMITTED BY THE SOURCE. APPLICATION TO THE SWEEPING OF A SURFACE OF A REMOTE TARGET.

Description

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-- 1 La présente invention concerne un dispositif de balayage alternatif The present invention relates to an alternative scanning device

d'un plan par un faisceau lumineux.of a plane by a light beam.

On connaît un dispositif de balayage alternatif d'un plan par un faisceau lumineux; ce dispositif comporte une source de lumière capable d'émettre le faisceau lumineux dans le plan de balayage et un prisme droit dont les bases sont des polygones réguliers convexes An alternative scanning device of a plane is known by a light beam; this device comprises a light source capable of emitting the light beam in the scanning plane and a right prism whose bases are regular convex polygons

à n c8tés. Les n faces planes latérales de ce prisme sont réfléchissantes. nc8tés. The n flat side faces of this prism are reflective.

On place ce prisme sur le trajet du faisceau lumineux de façon que les bases du prisme soient disposées parallèlement au plan de balayage 10 de part et d'autre de ce plan. Lorsqu'on fait tourner le prisme autour de son axe, le faisceau lumineux est réfléchi sur les n faces latérales du prisme de façon à balayer alternativement le plan. Ce dispositif présente l'inconvénient d'entraîner des angles de déviation du faisceau This prism is placed on the path of the light beam so that the bases of the prism are arranged parallel to the scanning plane 10 on either side of this plane. When the prism is rotated about its axis, the light beam is reflected on the n side faces of the prism so as to sweep the plane alternately. This device has the disadvantage of causing deflection angles of the beam

trop importants pour certaines applications. too important for some applications.

La présente invention a pour but de pallier cet inconvénient. The present invention aims to overcome this disadvantage.

La présente invention a pour objet un dispositif de balayage alternatif d'un plan par un faisceau lumineux, comportant - une source de lumière capable d'émettre ledit faisceau lumineux dans ledit plan, - un prisme droit dont les bases sont des polygones réguliers convexes, ce prisme étant placé sur le trajet du faisceau lumineux de façon que ses deux bases soient disposées parallèlement audit plan, respectivement de part et d'autre de ce plan - et des moyens pour faire tourner le prisme autour de son axe, caractérisé 25 en ce que ledit prisme est formé d'un matériau transparent à ladite The subject of the present invention is a device for alternately scanning a plane by a light beam, comprising: a light source capable of emitting said light beam in said plane; a right prism whose bases are convex regular polygons; this prism being placed on the path of the light beam so that its two bases are disposed parallel to said plane, respectively on either side of this plane - and means for rotating the prism about its axis, characterized in that that said prism is formed of a material transparent to said

lumière et que les polygones comportent un nombre impair de côtés. light and that polygons have an odd number of sides.

Une forme particulière d'exécution de l'objet de la présente invention est décrite ci-dessous à titre d'exemple en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 représente schématiquement un mode de réalisation du dispositif selon l'invention, - la figure 2 est une vue en coupe montrant la propagation d'un rayon lumineux à travers un prisme faisant partie du dispositif illustré par la figure 1 - et la figure 3 est un diagramme illustrant le fonctionnement du A particular embodiment of the object of the present invention is described below by way of example with reference to the accompanying drawings in which - Figure 1 shows schematically an embodiment of the device according to the invention, - the FIG. 2 is a sectional view showing the propagation of a light beam through a prism forming part of the device illustrated in FIG. 1 - and FIG. 3 is a diagram illustrating the operation of the

dispositif illustré par les figures 1 et 2. device illustrated by Figures 1 and 2.

Sur la figure 1 est représenté une source de lumière 1 telle qu'un générateur laser émettant dans un plan 3 un faisceau lumineux - 2 représenté schématiquement par un seul rayon 2. Un prisme droit 4 est placé sur le trajet du faisceau 2. Les bases du prisme 4 sont des polygones réguliers convexes comportant un nombre impair de côtés, par exemple sept côtés comme représenté. Les bases du prisme sont parallèles au plan 3 et disposées de part et d'autre de ce plan. Un moteur 5 est accouplé au prisme 4 de façon à pouvoir l'entraîner en rotation autour de l'axe 6 du prisme 4, cet axe étant perpendiculaire au plan 3. Le prisme 4 est formé d'un matériau transparent à la lumière émise par la source 1. Le rayon 2 pénètre dans le prisme 4 par une 10 de ses faces latérales rectangulaires et en ressort par une autre face 7 pour former un faisceau 8 situé dans le plan 3. Le faisceau 8 peut traverser ensuite comme représenté un système optique afocal In Figure 1 is shown a light source 1 such as a laser generator emitting in a plane 3 a light beam - 2 shown schematically by a single beam 2. A right prism 4 is placed on the path of the beam 2. The basics prism 4 are convex regular polygons having an odd number of sides, for example seven sides as shown. The bases of the prism are parallel to the plane 3 and arranged on both sides of this plane. A motor 5 is coupled to the prism 4 so as to drive it in rotation about the axis 6 of the prism 4, this axis being perpendicular to the plane 3. The prism 4 is formed of a material transparent to the light emitted by the source 1. The ray 2 penetrates into the prism 4 by one of its rectangular lateral faces and emerges from another face 7 to form a beam 8 located in the plane 3. The beam 8 can then pass through as shown by an optical system afocal

formé d'une lentille divergente 9 et d'une lentille convergente 10. formed of a diverging lens 9 and a convergent lens 10.

Le trajet du rayon 2 à travers le prisme 4 coupé par le plan 3 est représenté sur la figure 2. Le rayon 2 vient frapper en un point 11 un côté 12 de la section du prisme 4; ce rayon fait un angle "i" The path of the ray 2 through the prism 4 cut by the plane 3 is shown in Figure 2. The ray 2 strikes at a point 11 a side 12 of the section of the prism 4; this ray makes an angle "i"

par rapport à la normale 13 au côté 12 tracée au point d'incidence 11. compared to the normal 13 at the side 12 drawn at the point of incidence 11.

Le rayon 2 est réfracté dans le prisme 4, d'indice de réfraction n, suivant un rayon 14 qui vient frapper un autre côté 15 de la section 20 du prisme 4 au point 16, le rayon 14 faisant avec 13 un angle "r" dont la valeur dépend de i et de n. Le rayon 8 sort du prisme au point 16 et fait un angle "i'" par rapport à la normale 17 au côté 15 tracée au point 16. L'angle de déviation D que fait le rayon 8 avec le rayon 2 est égal à D = i' - i - A A étant l'angle que font entre eux les côtés 12 et 15. Comme la section du prisme 4 est un polygone comportant un nombre impair de côté, les côtés 12 et 15 ne sont jamais parallèle entre eux. Il en résulte The spoke 2 is refracted in the prism 4, of refractive index n, along a radius 14 which strikes another side 15 of the section 20 of the prism 4 at point 16, the radius 14 forming with an angle "r" whose value depends on i and n. The ray 8 exits the prism at point 16 and makes an angle "i" with respect to normal 17 to the side 15 drawn at point 16. The angle of deviation D that ray 8 makes with radius 2 is equal to D. Since the section of the prism 4 is a polygon having an odd number of sides, the sides 12 and 15 are never parallel to each other. It results

que l'angle de déviation D n'est en général pas nul. that the deflection angle D is in general not zero.

De préférence, la source 1 est orientée par rapport au prisme 4 pour que le faisceau 2 entrant dans le prisme par le côté 12 sorte toujours du prisme par le même côté 15. Pour qu'il en soit ainsi, l'angle d'incidence i doit être compris entre deux valeurs limites Preferably, the source 1 is oriented relative to the prism 4 so that the beam 2 entering the prism by the side 12 always leaves the prism on the same side 15. For this to be so, the angle of incidence i must be between two limit values

qui dépendent du nombre de côtés M du polygone et de l'indice de 35 réfraction n du matériau constituant le prisme. which depend on the number of sides M of the polygon and the refractive index n of the material constituting the prism.

A titre d'exemple, lorsque M = 7 et n = 1,5, les angles d'incidence iB et iC des rayons frappant le côté 12 à ses points extrêmes B et C By way of example, when M = 7 and n = 1.5, the angles of incidence iB and iC of the rays striking the side 12 at its extreme points B and C

2 6 0 1 4 6 42 6 0 1 4 6 4

- 3 doivent satisfaire aux conditions suivantes: - 0,34031 radian < iB<+ 0,34031 radian - 1,20892 radian< ic <- 0,34031 radian - 3 must satisfy the following conditions: - 0,34031 radian <iB <+ 0,34031 radian - 1,20892 radian <ic <- 0,34031 radian

les angles iB et iC étant comptés positivement dans le sens trigono5 métrique. the angles iB and iC being counted positively in the trigono-metric direction.

L'angle d'incidence peut alors varier dans une plage d'environ 35 degrés. Lorsqu'on entraîne en rotation le prisme 4 autour de l'axe 6, le rayon 2 restant fixe, on constate que le rayon 8 balaie alternativement 10 un secteur angulaire du plan 3. Si on considère une rotation élémentaire du prisme 4 qui correspond à un déplacement du point 11 à partir du point B jusqu'au point C, le rayon 8 effectue un balayage du secteur angulaire dans les deux sens. La figure 3 représente la courbe de variation de l'angle de déviation D en fonctionde l'angle d'incidence i 15 au cours de cette rotation élémentaire. On voit que cette courbe est parabolique et que la déviation D passe par un minimum. Il est évident que la disposition de la source 1 selon l'orientation préférentielle dont il a été question plus haut permet d'éviter toute discontinuité de balayage au cours de cette rotation élémentaire. Dans le cas o M = 7 20 et n = 1,5 l'amplitude maximale du balayage obtenu est de 40 milliradians The angle of incidence can then vary within a range of about 35 degrees. When rotating the prism 4 about the axis 6, the radius 2 remaining fixed, it is found that the ray 8 sweeps alternately 10 an angular sector of the plane 3. If we consider an elementary rotation of the prism 4 which corresponds to a displacement of point 11 from point B to point C, the radius 8 performs a scan of the angular sector in both directions. FIG. 3 shows the curve of variation of the deflection angle D as a function of the angle of incidence i during this elementary rotation. We see that this curve is parabolic and that the deviation D passes through a minimum. It is obvious that the arrangement of the source 1 according to the preferred orientation referred to above makes it possible to avoid any scanning discontinuity during this elementary rotation. In the case where M = 7 and n = 1.5, the maximum amplitude of the scan obtained is 40 milliradians.

environ dans les deux sens.about in both directions.

Lorsque le prisme tourne autour de son axe, le faisceau 8 effectue When the prism rotates about its axis, beam 8 performs

donc M balayages dans les deux sens par tour de prisme. so M sweeps in both directions per turn of prism.

Le dispositif afocal 9-10 représenté sur la figure 1 peut permettre 25 d'adapter l'amplitude maximale du balayage à la valeur désirée. Dans le cas représenté sur la figure 1 l'amplitude maximale du balayage The afocal device 9-10 shown in FIG. 1 may allow the maximum amplitude of the scan to be adjusted to the desired value. In the case shown in FIG. 1, the maximum amplitude of the scanning

est diminuée.is diminished.

Le prisme 4 comporte de préférence des moyens pour empêcher la lumière émise par la source 1 de traverser le prisme 4 lorsque au cours de la rotation du prisme, le point d'incidence 11 du faisceau 2 se trouve à proximité immédiate des arêtes telles que 18 du prisme 4, parallèles à l'axe 6. Pour cela, une portion 19 de la surface latérale du prisme, cette portion entourant l'arête 18, est recouverte par exemple d'un vernis absorbant la lumière émise par la source 1. Comme 35 il est visible sur les figures 1 et 2, cette portion a la forme d'une courte bande dont la largeur 20 est de préférence comprise entre une fois et deux fois la dimension maximale de la section droite - 4 du faisceau 2 parallèle au plan 3. La couche de vernis absorbant peut être remplacée par une couche métallique capable de réfléchir la lumière de la source. Bien entendu, le prisme comporte des bandes The prism 4 preferably comprises means for preventing the light emitted by the source 1 from passing through the prism 4 while, during the rotation of the prism, the point of incidence 11 of the beam 2 is in the immediate vicinity of the edges such as prism 4, parallel to the axis 6. For this, a portion 19 of the lateral surface of the prism, this portion surrounding the edge 18, is covered for example with a varnish absorbing the light emitted by the source 1. As It is visible in FIGS. 1 and 2, this portion has the form of a short strip whose width is preferably between one and two times the maximum dimension of the cross-section of the beam 2 parallel to the plane 3. The layer of absorbent varnish may be replaced by a metal layer capable of reflecting light from the source. Of course, the prism has bands

telles que 19 sur toutes ses arêtes parallèles à l'axe 6. such as 19 on all its edges parallel to the axis 6.

Ces bandes absorbantes ou réfléchissantes ont pour effet d'éviter que le faisceau 2, dont la section droite a une surface faible mais jamais nulle, ne se divise en deux parties lorsqu'il éclaire simultanément These absorbent or reflective strips have the effect of preventing the beam 2, whose cross-section has a small but never zero surface, from being divided into two parts when it simultaneously lights up.

deux faces contiguës de la surface latérale du prisme 4. two contiguous faces of the lateral surface of the prism 4.

Le dispositif selon l'invention permet donc d'obtenir un balayage 10 d'un secteur angulaire du plan 3, ce secteur angulaire ayant un angle The device according to the invention therefore makes it possible to obtain a scan of an angular sector of the plane 3, this angular sector having an angle

très faible, par exemple de l'ordre d'une dizaine de milliradians. very weak, for example of the order of ten milliradians.

Cet angle de balayage très faible peut difficilement être obtenu avec les dispositifs selon l'art antérieur fonctionnant par réflexion, This very low scanning angle can hardly be obtained with the devices according to the prior art operating by reflection,

dans lesquels une rotation du prisme réfléchissant entraîne une rotation 15 double du faisceau réfléchi. wherein rotation of the reflective prism causes dual rotation of the reflected beam.

Compte tenu du petit angle de balayage, le dispositif selon l'invention peut être avantageusement appliqué au balayage d'une cible éloignée. Mais, comme le dispositif selon l'invention permet seulement de réaliser un balayage linéaire sur une telle cible, on lui adjoint généralement un miroir disposé sur le trajet du faisceau 8 et on imprime à ce miroir une rotation autour d'un axe parallèle au plan 3, de manière à transformer le bayage linéaire de la cible en un balayage de surface. Si on dispose à côté du dispositif selon l'invention un capteur photoélectrique disposé pour recevoir la lumière 25 émise par la source 1 et réfléchie par la cible, il est possible Given the small scanning angle, the device according to the invention can be advantageously applied to scanning a distant target. However, since the device according to the invention only makes it possible to carry out a linear scan on such a target, it is generally associated with a mirror placed in the path of the beam 8 and this mirror is rotated about an axis parallel to the plane 3, so as to transform the linear bayage of the target into a surface scan. If a photoelectric sensor arranged to receive the light emitted by the source 1 and reflected by the target is placed next to the device according to the invention, it is possible

d'effectuer une visualisation d'une surface de la cible. to visualize a surface of the target.

- 5- 5

Claims

1 - Apparatus for alternately scanning a plane by a light beam, comprising - a light source (1) capable of emitting the light beam (2) in the plane, (3) - a right prism (4) whose bases are regular convex polygons, this prism being placed on the path of the light beam (2) so that its two bases are arranged parallel to the plane (3), respectively on either side of this plane, and means ( 5) for rotating the prism (4) about its axis, characterized in that the prism (4) is formed of a material transparent to light and that the polygons have an odd number

sides.

2 - Device according to claim 1, characterized in that it comprises means for absorbing the portion of the light arriving on 15 portions (19) of the lateral surface of the prism these portions (19) respectively surrounding the edges of the premium such as (18) parallel

to the axis.

3 - Device according to claim 1, characterized in that it comprises means for reflecting the portion of the light which arrives on portions (19) of the lateral surface of the prism, these portions (19)

respectively surrounding the ridges (18) of the prism parallel to the axis.

4 - Device according to claim 2, characterized in that the means for absorbing the portion of the light comprise a layer of an absorbent varnish deposited on the prism along the portions (19). Device according to Claim 3, characterized in that the means for reflecting the part of the light comprise a layer

metal deposited on the prism along the portions (19).

6 - Device according to any one of claims 2 and 3, characterized in that the portions (19) are strips parallel to the edges 30 (18), the width (20) of these strips being between one time and

twice the maximum dimension, parallel to the plane, of the section

right of the light beam (2).

7 - Device according to claim 1, characterized in that it further comprises an afocal optical system (9-10) disposed on the path 35 of the light beam at the exit of the prism.

8 - Device according to claim 1, characterized in that the source

of light (1) is a laser generator.