FR2753277A1 - Calibration equipment to measure equivalent laser surfaces on optical bench - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention concerne un procédé de calibration d'un banc de mesure de surfaces équivalentes laser. Elle s'applique notamment pour la mesure en laboratoire de la surface équivalente laser de tous types d'équipements par exemples optiques et optroniques. The present invention relates to a method for calibrating a bench for measuring laser equivalent surfaces. It applies in particular to the laboratory measurement of the laser equivalent surface of all types of equipment, for example optical and optronic.
Un équipement éclairé par un faisceau laser réemet une énergie. Equipment lit by a laser beam emits energy.
Afin de quantifier le niveau de réflectivité des équipements, notamment optiques, une grandeur physique a été définie. Cette grandeur est la surface équivalente laser notée SEL par la suite. Elle est exprimée en m2. Cette grandeur est l'analogue dans le domaine des rayonnements laser de la surface équivalente radar connue dans le domaine des rayonnements radar.In order to quantify the level of reflectivity of equipment, in particular optical equipment, a physical quantity has been defined. This quantity is the laser equivalent surface denoted SEL thereafter. It is expressed in m2. This quantity is analogous in the field of laser radiation of the radar equivalent surface known in the field of radar radiation.
La SEL correspond par définition, à la surface apparente d'une sphère parfaitement réfléchissante qui renverrait la même intensité que l'équipement à éclairer, et cela pour un même éclairement incident. La SEL dépend notamment de la forme et de la taille de l'équipement, mais aussi de ses propriétés optiques telles que par exemple la diffusion ou la réflectivité. The SEL corresponds by definition to the apparent surface of a perfectly reflecting sphere which would return the same intensity as the equipment to be illuminated, and this for the same incident illumination. The SEL depends in particular on the shape and the size of the equipment, but also on its optical properties such as for example the diffusion or the reflectivity.
Elle dépend également notamment des angles d'incidence de l'illumination et de l'observation.It also depends in particular on the angles of incidence of the illumination and the observation.
La surface équivalente laser SEL d'un objet est donnée par la relation suivante: SEL=4r
E
où - I est l'intensité réfléchie par l'objet, I est exprimé en Watts par stéradian
- E est l'éclairement de l'objet, E est exprimée en Watts par m2.The laser equivalent surface SEL of an object is given by the following relation: SEL = 4r
E
where - I is the intensity reflected by the object, I is expressed in Watts per steradian
- E is the illumination of the object, E is expressed in Watts per m2.
4r étant une grandeur homogène à un stéradian, il apparaît bien que la SEL est homogène à un m2
Par définition, I'éclairement E se propage selon une onde plane, uniforme et d'amplitude stable. 4r being a size homogeneous to a steradian, it appears that the SEL is homogeneous to a m2
By definition, the illumination E propagates according to a plane wave, uniform and of stable amplitude.
Par définition aussi, I'intensité réfléchie I est mesurée à l'infini. Ce dernier point pose notamment des problèmes de mesures. En effet, une mesure de l'intensité réfléchie à I'infini nécessite pratiquement de se positionner très loin de l'objet, à plusieurs kilomètres , 20 kilomètres par exemple. Une telle distance rend la mesure complexe et coûteuse à mettre en oeuvre. Par ailleurs, la mesure peut être faussée du fait notamment des turbulences atmosphériques. Une correction de la mesure peut être effectuée, mais au prix encore d'une complexité et d'un coût accrus. By definition also, the reflected intensity I is measured at infinity. This last point poses measurement problems in particular. Indeed, a measurement of the intensity reflected to infinity practically requires positioning very far from the object, several kilometers, 20 kilometers for example. Such a distance makes the measurement complex and costly to implement. Furthermore, the measurement can be distorted due in particular to atmospheric turbulence. A correction of the measurement can be made, but at the cost of even more complexity and cost.
Pour des raisons pratiques, d'efficacité et d'économie, il est donc nécessaire d'utiliser un banc de mesure, notamment en laboratoire. Ce banc de mesure comporte par exemple au moins des moyens pour éclairer l'objet à mesurer et un système de focalisation sur un capteur pour mesurer le rayonnement réfléchi par l'objet. For practical reasons, efficiency and economy, it is therefore necessary to use a measurement bench, especially in the laboratory. This measurement bench comprises for example at least means for lighting the object to be measured and a focusing system on a sensor for measuring the radiation reflected by the object.
Une mesure en laboratoire, si elle permet de s'affranchir des problèmes de distances précités, souffre en revanche d'autres problèmes, notamment de calibration du banc de mesure. A laboratory measurement, if it overcomes the aforementioned distance problems, however suffers from other problems, in particular calibration of the measurement bench.
Un problème de calibration est notamment lié à la reconnaissance d'une SEL monostatique d'une SEL bistatique. Pour caractériser un objet, il est en effet utile de mesurer plusieurs types de SEL. Trois types de SEL peuvent par exemple être mesurés:
- une SEL monostatique est mesurée lorsque le capteur de mesure de l'intensité réfléchie I par l'objet est positionné au même endroit que la source d'émission origine de l'éclairement E.A calibration problem is notably linked to the recognition of a monostatic SEL from a bistatic SEL. To characterize an object, it is indeed useful to measure several types of SEL. Three types of SEL can for example be measured:
- a monostatic SEL is measured when the sensor for measuring the intensity reflected by the object is positioned in the same place as the source of emission originating from the illumination E.
- une SEL bistatique est mesurée lorsque le capteur de mesure de l'intensité réfléchie I par l'objet n'est pas positionné au même endroit que la source origine de l'éclairement E. - a bistatic SEL is measured when the sensor for measuring the intensity reflected by the object is not positioned in the same place as the source of the illumination E.
- une SEL dynamique est une mesure fonction du temps. - a dynamic SEL is a time-dependent measure.
Pour savoir comment l'énergie réfléchie est répartie dans l'espace, il est nécessaire de connaître le point de départ de l'éclairement avec précision, donc de savoir reconnaître la SEL monostatique. Sur une longue distance, il est aisé de confondre, vis-à-vis de la distance de la source à l'objet, la position de la source d'éclairement et la position du capteur de mesure d'intensité réfléchie. En laboratoire ce n'est plus le cas. II est notamment nécessaire de pouvoir calibrer le banc de mesure afin de réaliser une mesure de la SEL monostatique de l'objet. Les réglages étant très fins, une calibration doit par ailleurs pouvoir être effectuée, si nécessaire, avant chaque mesure. To know how the reflected energy is distributed in space, it is necessary to know the starting point of the illumination with precision, therefore to know how to recognize the monostatic SEL. Over a long distance, it is easy to confuse, with respect to the distance from the source to the object, the position of the illumination source and the position of the reflected intensity measurement sensor. In the laboratory this is no longer the case. It is in particular necessary to be able to calibrate the measurement bench in order to carry out a measurement of the monostatic SEL of the object. Since the settings are very fine, a calibration must also be possible, if necessary, before each measurement.
Le but de l'invention est de permettre la calibration d'un banc de mesure d'une SEL de façon à ce qu'une mesure de SEL monostatique puisse être effectuée avec certitude. Pour cela, I'objet de la mesure est notamment remplacé par un coin de cube réfléchissant pendant la phase de calibration du banc. Plus précisément, I'invention a pour objet un procédé de calibration d'un banc de mesure de la surface équivalente laser d'un objet, caractérisé en ce que, le banc comportant des moyens de focalisation du rayonnement réfléchi par l'objet sur des moyens de mesure, il consiste au moins:
- dans une première étape à remplacer l'objet par un coin de cube réfléchissant,
- dans une deuxième étape à éclairer ce coin de cube , le rayonnement réfléchi formant au foyer des moyens de focalisation une tache d'Airy,
- dans une troisième étape à régler la position des moyens de mesure par rapport à l'intensité maximum de la tache d'Airy.The object of the invention is to allow the calibration of an SEL measurement bench so that a monostatic SEL measurement can be carried out with certainty. For this, the object of the measurement is notably replaced by a corner of a reflecting cube during the bench calibration phase. More specifically, the invention relates to a method for calibrating a bench for measuring the laser equivalent surface of an object, characterized in that, the bench comprising means for focusing the radiation reflected by the object on means of measurement, it consists at least:
- in a first step to replace the object with a reflective cube corner,
- in a second step to illuminate this cube corner, the reflected radiation forming at the focus of the focusing means a spot of Airy,
- in a third step to adjust the position of the measuring means relative to the maximum intensity of the Airy spot.
L'invention a pour principaux avantages qu'elle permet d'effectuer une calibration, qu'elle s'adapte à un grand nombre de types d'objets, qu'elle est simple à mettre en oeuvre et qu'elle est économique. The main advantages of the invention are that it makes it possible to carry out a calibration, that it adapts to a large number of types of objects, that it is simple to implement and that it is economical.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit, faite en regard de dessins annexés qui représentent:
- la figure 1, une illustration du concept de surface équivalente laser,
- la figure 2, un exemple de banc de mesure d'une surface équivalente laser,
- la figure 3, une illustration d'un exemple de successions d'étapes du procédé selon l'invention,
-la figure 4, un exemple de mise en oeuvre du procédé selon
I'invention,
- la figure 5, une représentation de la répartition dans un plan afocal de l'intensité d'une tache d'Airy créée au foyer de moyens de focalisation d'un rayonnement réfléchi par un coin de cube. Other characteristics and advantages of the invention will become apparent from the following description, given with reference to the appended drawings which represent:
- Figure 1, an illustration of the concept of laser equivalent surface,
FIG. 2, an example of a bench for measuring an equivalent laser surface,
FIG. 3, an illustration of an example of successive stages of the process according to the invention,
FIG. 4, an example of implementation of the method according to
The invention,
- Figure 5, a representation of the distribution in an afocal plane of the intensity of an Airy spot created at the focus of means for focusing radiation reflected by a cube corner.
La figure 1 illustre le concept de surface équivalente laser . Une sphère 1 parfaitement réfléchissante est éclairée par un rayonnement E pian. Ce rayonnement E éclaire une surface 2 de la sphère 1. Cette surface éclairée 2 réemet un rayonnement 1 supposé uniforme, c'est-à-dire d'intensité indépendante de sa direction. Un objet éclairé par le même rayonnement E et réémettant le même rayonnement I aurait une surface équivalente laser: I,
SEL = 4?ré égale à la surface éclairée 2 de la sphère 1.Figure 1 illustrates the concept of laser equivalent area. A perfectly reflecting sphere 1 is lit by an E pian radiation. This radiation E illuminates a surface 2 of the sphere 1. This illuminated surface 2 emits radiation 1 assumed to be uniform, that is to say of intensity independent of its direction. An object lit by the same radiation E and re-emitting the same radiation I would have an equivalent laser surface: I,
SEL = 4? Re equal to the illuminated surface 2 of the sphere 1.
E
Selon l'objet, la SEL peut varier par exemple de quelques mètres carrés à plusieurs millions de mètres carrés.E
Depending on the object, the SEL can vary, for example, from a few square meters to several million square meters.
La figure 2 présente un exemple de réalisation d'un banc de mesure. FIG. 2 shows an example of embodiment of a measurement bench.
Celui-ci comprend par exemple une source laser 21 émettant un faisceau laser 22. Des moyens d'expansion 23 élargissent ce faisceau laser 22 pour en constituer sensiblement une onde éclairante 24 plane, uniforme et d'amplitude stable. Le faisceau élargi 24 traverse une lame semiréfléchissante 25 puis éclaire l'objet 26 dont une SEL est à mesurer.This comprises, for example, a laser source 21 emitting a laser beam 22. Expansion means 23 widen this laser beam 22 so as to constitute substantially a plane, uniform light wave 24 of stable amplitude. The widened beam 24 crosses a semi-reflective strip 25 then illuminates the object 26, an SEL of which is to be measured.
L'objet 26 réemet un rayonnement qui se réfléchit sur la lame semiréfléchissante 25 pour se focaliser sur des moyens de mesure de l'intensité du rayonnement réfléchi I. Les moyens de focalisation de l'intensité réfléchie
I par l'objet 26 sont par exemple constitués d'une lentille 27. Les moyens de mesure de cette intensité I sont par exemple constitués d'un trou de filtrage 28 associé à un capteur 29. La mesure de l'intensité I est effectuée au foyer des moyens de focalisation 27. A cet effet, le trou de filtrage 28 est par exemple situé à ce foyer.The object 26 emits radiation which is reflected on the semi-reflecting plate 25 in order to focus on means for measuring the intensity of the reflected radiation I. The means for focusing the reflected intensity
I by the object 26 are for example made up of a lens 27. The means for measuring this intensity I are for example made up of a filtering hole 28 associated with a sensor 29. The intensity I is measured at the focus focusing means 27. For this purpose, the filtering hole 28 is for example located at this focus.
A ce foyer une tache géométrique est créée. Cette tache est l'image du rayonnement réfléchi par l'objet 26 à l'infini. La mesure de l'intensité de cette tache permet de mesurer l'intensité du rayonnement par l'objet 26. At this focus a geometric spot is created. This spot is the image of the radiation reflected by the object 26 to infinity. Measuring the intensity of this spot makes it possible to measure the intensity of the radiation by the object 26.
Cependant, le trou de filtrage 28 réalise un échantillon de cette tache. Un problème est de savoir comment positionner le trou de filtrage, c'est-à-dire en fait le capteur de mesure d'intensité réfléchie, pour que l'échantillon d'intensité de la tache corresponde à une mesure de SEL monostatique. Par voie de conséquence, une fois la mesure de SEL monostatique repérée, les mesures de SEL bistatique le seront aussi.However, the filtering hole 28 makes a sample of this spot. One problem is how to position the filtering hole, that is to say the reflected intensity measurement sensor, so that the intensity sample of the spot corresponds to a measurement of monostatic SEL. Consequently, once the measurement of monostatic SEL has been identified, the measurements of bistatic SEL will also be identified.
Le procédé de calibrage selon l'invention permet notamment de résoudre ce problème. The calibration method according to the invention makes it possible in particular to solve this problem.
La figure 3 représente un exemple de succession d'étapes pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. FIG. 3 represents an example of a succession of steps for implementing the method according to the invention.
Dans une première étape 31,1'objet de mesure 26 est remplacé par un coin de cube réfléchissant 41 comme l'illustre la figure 4. Sur cette figure, seulement deux des trois côtés du coin de cube sont représentés, celui-ci étant vu en coupe. La réflexion se fait à l'intérieur du coin du cube. In a first step 31, the measurement object 26 is replaced by a reflecting cube corner 41 as illustrated in FIG. 4. In this figure, only two of the three sides of the cube corner are represented, this being seen sectional. The reflection is done inside the corner of the cube.
Avantageusement, il s'agit d'un coin de cube catoptrique multi-spectral, c'est à dire réfléchissant toutes les longueurs d'onde.Advantageously, it is a corner of a multi-spectral catoptric cube, that is to say reflecting all the wavelengths.
Dans une deuxième étape 32 du procédé, le coin de cube 41 est éclairé. Le rayonnement réfléchi par le coin de cube est parfaitement parallèle au faisceau d'éclairement incident. La tache géométrique créée au foyer des moyens de focalisation 27 est une tache d'Airy dont le sommet coïncide avec la position monostatique de la SEL. In a second step 32 of the method, the cube corner 41 is lit. The radiation reflected by the cube corner is perfectly parallel to the incident illumination beam. The geometric spot created at the focus of the focusing means 27 is an Airy spot whose apex coincides with the monostatic position of the SEL.
La figure 5 illustre cette tache d'Airy. Cette figure 5 représente en fait l'intensité 51 de la tache d'Airy dans un plan afocal par rapport à la position des points de cette tache dans le plan focal 52. L'intensité de la tache d'Airy présente un maximum 53. Figure 5 illustrates this Airy spot. This FIG. 5 in fact represents the intensity 51 of the Airy spot in an afocal plane with respect to the position of the points of this spot in the focal plane 52. The intensity of the Airy spot presents a maximum 53.
Le procédé selon l'invention comporte au moins une troisième étape 33 pour régler la position des moyens de mesure par rapport au maximum d'intensité de la tache d'Airy, une mesure de ce maximum d'intensité correspondant à la mesure de la SEL monostatique du coin de cube 41. The method according to the invention comprises at least a third step 33 for adjusting the position of the measurement means with respect to the maximum intensity of the Airy spot, a measurement of this maximum intensity corresponding to the measurement of the SEL cube corner monostatic 41.
Ainsi par exemple pour effectuer la mesure de la SEL monostatique d'un objet, le banc de mesure est préalablement calibré selon l'invention. Pour cette calibration, la position des moyens de mesure d'intensité est réglée de façon à mesurer le maximum d'intensité de la tache d'Airy créée au foyer des moyens de focalisation du rayonnement réfléchi par le coin de cube 41.Thus, for example, to measure the monostatic SEL of an object, the measurement bench is previously calibrated according to the invention. For this calibration, the position of the intensity measurement means is adjusted so as to measure the maximum intensity of the Airy spot created at the focal point of the means for focusing the radiation reflected by the cube corner 41.
La position des moyens de mesure étant ainsi réglée, la mesure d'intensité effectuée relativement à l'objet correspond à la SEL monostatique de ce dernier. La mesure est effectuée sur la tache créée au foyer des moyens de focalisation par le rayonnement réfléchi par l'objet. Pour une mesure d'une
SEL bi-statique de cet objet, il suffit par exemple de changer la position des moyens de mesure.The position of the measuring means being thus adjusted, the intensity measurement carried out relative to the object corresponds to the monostatic SEL of the latter. The measurement is carried out on the spot created at the focus of the focusing means by the radiation reflected by the object. For a measurement of
Bi-static SEL of this object, it suffices for example to change the position of the measuring means.
La figure 5 illustre par ailleurs un mode de mesure de la SEL monostatique du coin de cube 41. Les moyens de mesure sont par exemple constitués du trou de filtrage 28 précité et d'un capteur associé 29 qui est par exemple avantageusement constitué d'une seule cellule de détection. FIG. 5 also illustrates a method of measuring the monostatic SEL of the cube corner 41. The measurement means consist for example of the aforementioned filtering hole 28 and of an associated sensor 29 which for example advantageously consists of a single detection cell.
Contrairement à un capteur multi-ceilulaire, ce capteur reçoit tout le flux, un meilleur rapport signal sur bruit est ainsi obtenu. Cela permet notamment une optimisation de la détection par rapport au trou de filtrage.Unlike a multi-cell sensor, this sensor receives all the flux, a better signal-to-noise ratio is thus obtained. This allows in particular an optimization of the detection with respect to the filtering hole.
Le trou de filtrage 28 est déplacé de façon à le faire coïncider avec le sommet 53 de l'intensité de la tache d'Airy. L'intensité est par exemple mesurée indirectement par la mesure du flux au travers du trou de filtrage 28. Le flux, noté AO, étant mesuré dans un angle solide AQ, I'intensité I est donnée par la relation suivante:
(2)
##
Pour une mesure de la SEL, le réglage de la position du trou de filtrage 28 se fait donc par rapport au flux maximum.The filtering hole 28 is moved so as to make it coincide with the vertex 53 of the intensity of the Airy spot. The intensity is for example measured indirectly by measuring the flow through the filtering hole 28. The flow, denoted AO, being measured in a solid angle AQ, the intensity I is given by the following relation:
(2)
##
For a measurement of the SEL, the adjustment of the position of the filtering hole 28 is therefore made with respect to the maximum flux.
Avantageusement, des trous de filtrage 28 de différents diamètres peuvent être utilisés, en fonction de la répartition de la tache d'Airy. Si l'objet de mesure est aberrant, la tache d'Airy peut devenir très grande, et donc trop grande par rapport à un trou de filtrage donné. Il faut alors augmenter le trou de filtrage. Tant qu'un maximum de flux peut être détecté par un trou de filtrage, celui-ci n'est pas changé. Pour valider la mesure, on utilise par exemple un trou de filtrage ayant une surface N fois inférieure à la tache d'Airy. Advantageously, filter holes 28 of different diameters can be used, depending on the distribution of the Airy spot. If the measurement object is aberrant, the Airy spot can become very large, and therefore too large compared to a given filtering hole. It is then necessary to increase the filtering hole. As long as a maximum flow can be detected by a filtering hole, this is not changed. To validate the measurement, we use for example a filtering hole having an area N times smaller than the Airy spot.
Un autre avantage du procédé selon l'invention réside notamment dans le fait que le coin de cube 41 peut être pris comme une référence de calibration. En effet, la SEL du coin de cube 41 est connue a priori. Elle peut donc servir de référence pour déterminer la SEL d'autres objets, tout simplement en multipliant la SEL du coin du cube par un facteur d'échelle, ce facteur d'échelle étant un rapport de mesures ou même un rapport de flux. Another advantage of the method according to the invention lies in particular in the fact that the cube corner 41 can be taken as a calibration reference. Indeed, the SEL of the cube corner 41 is known a priori. It can therefore be used as a reference to determine the SEL of other objects, simply by multiplying the SEL of the corner of the cube by a scale factor, this scale factor being a measurement ratio or even a flow ratio.
Ainsi, pour un objet donné, la SEL peut être donnée par la relation suivante:
SEL= SELc SELc (3)
###
où - A est le flux à travers le trou de filtrage 28 correspondant à une tache créée au foyer des moyens de focalisation par le rayonnement réémis par l'objet de mesure.Thus, for a given object, the SEL can be given by the following relation:
SEL = SELc SELc (3)
###
where - A is the flow through the filtering hole 28 corresponding to a spot created at the focus of the focusing means by the radiation re-emitted by the measurement object.
- A@c est le flux à travers ce même trou de filtrage 28, et notamment dans la même position, correspondant à la tache d'Airy créée par le rayonnement réfléchi du coin de cube 41. - A comm c is the flow through this same filtering hole 28, and in particular in the same position, corresponding to the Airy spot created by the reflected radiation from the cube corner 41.
SEL, est la surface équivalente laser de ce coin de cube 41. SEL, is the laser equivalent surface of this cube corner 41.
Le facteur d'échelle précité est donc dans ce cas égal au rapport des flux A c
Le facteur d'échelle peut encore être donné par le rapport suivant Illc
où - I est l'intensité mesurée pour l'objet,
- Ic est l'intensité mesurée pour le coin de cube.The aforementioned scale factor is therefore in this case equal to the ratio of flows A c
The scale factor can still be given by the following ratio Illc
where - I is the intensity measured for the object,
- Ic is the intensity measured for the cube corner.
Dans les deux mesures, les moyens de mesures sont positionnés de façon identique. Les intensités I et Ic peuvent correspondre aussi bien à une
SEL monostatique qu'à une SEL bi-statique. Le positionnement des moyens de mesure par le procédé selon l'invention permet de reconnaître les deux types de SEL.In both measurements, the measurement means are positioned identically. The intensities I and Ic can correspond as well to a
Monostatic SEL than a bi-static SEL. The positioning of the measurement means by the method according to the invention makes it possible to recognize the two types of SEL.
Un avantage supplémentaire de l'invention est aussi relatif à l'utilisation du coin de cube réfléchissant 41. En effet, les mesures sont peu sensibles à la position et notamment à l'orientation du coin de cube 41 pourvu que son intérieur reste éclairé par le rayonnement incident. Cela en fait un outil de référence de grande validité pour la calibration et contribue de plus à accroître la simplicité de mise en oeuvre du procédé de calibration selon l'invention. Comme l'illustre la figure 4, une pupille 42 ferme par exemple le coin de cube 41. Il s'agit par exemple d'un trou circulaire parfaitement centré sur le coin de cube. Un pinceau de faisceau circulaire sort alors à travers la pupille 42 et peut être aisément focalisé par les moyens de focalisation 27. An additional advantage of the invention also relates to the use of the reflective cube corner 41. In fact, the measurements are not very sensitive to the position and in particular to the orientation of the cube corner 41 provided that its interior remains illuminated by incident radiation. This makes it a highly valid reference tool for calibration and also contributes to increasing the simplicity of implementation of the calibration method according to the invention. As illustrated in FIG. 4, a pupil 42 closes for example the cube corner 41. It is for example a circular hole perfectly centered on the cube corner. A circular beam brush then exits through the pupil 42 and can be easily focused by the focusing means 27.
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FR2753277B1 (en) | 1998-12-11 |
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