Réaliser un encodeur optique haute résolution

(difficulté: **** difficile)


Pour pointer précisément le ciel, il faut connaître la position de la monture. Jusqu'à présent, sur notre télescope Newton T600 monté sur une monture équatoriale allemande en fer à cheval, nous comptions les pas des moteurs pas à pas. Mais il y a des glissements, de la dérive et il faut recaler souvent les coordonnées sur un objet céleste connu

(Cliquer sur les images encadrées pour les grossir)

Pour résoudre ce problème, nous souhaitons avoir un codage absolu (d'abord en azimut puis sur l'équateur) de la position du télescope.

Nous avons envisagé diverses possibilités :

- Achat d'un encodeur optique du commerce absolu ou incrémental. Un encodeur nous revient à un peu plus de 150 E pièce environ selon sa précision qui sera de quelques ' (minutes) 30" d'arc.

- Réalisation d'un encodeur à base d'un CD-ROM et d'un lecteur laser : délicat à fabriquer, encombrant et la détermination du sens de rotation est difficile.

- Réalisation d'un encodeur à base d'une optique de CD, (coût de revient proche de 0, Taille : un peu plus qu'une grosse boîte d'allumettes). Nous avons fabriqué un prototype d'évaluation :

Matériel nécessaire:

- Un bloc optique de lecteur CD portable complet : laser, photodiode, moteur réglage, moteur CD...

- Des miroirs récupérés sur une imprimante laser, photocopieuse, fax.... (retaillés à la meule électrique si besoin)

- De l'électronique : bascules, compteurs ou un uC rapide.

Réalisation:

- On fabrique une petite platine en alu muni de 2 miroirs à 45° réglables

- On colle un miroir à 45° sur l'axe du moteur CD

- On ôte le réseau de diffraction du lecteur. (pas indispensable mais mieux). Une opération délicate qui nécessite la dépose de la diode laser. Le réseau de diffraction est la pièce transparente qui se trouve immédiatement à la sortie de la diode, en général 3x3x1 dans un cylindre en plastique.

- On remplace la lentille à focale très courte du bloc par une autre de focale environ 80 mm (selon la distance du miroir mobile relié à l'axe)

- On aligne les miroirs avec du papier calque pour voir le faisceau. ATTENTION éviter de regarder directement le faisceau laser s'il est collimaté.

- On règle la lentille pour avoir un point sur le papier calque le plus petit possible (avec une loupe) à 100mm (à la distance où sera le miroir mobile relié à l'axe), on doit atteindre mieux que 0.3

- On installe un petit miroir 5x5, en bout de l'arbre du télescope dont on veut mesurer la position angulaire, perpendiculaire à un rayon, dirigé vers le centre à 30 mm de l'axe

- On dispose l'encodeur face à l'arbre à mesurer, axe du moteur encodeur dans l'axe de l'arbre du télescope à mesurer.

Sur cette photo, l'arbre du télescope et son miroir ne sont pas visibles. L'arbre devrait être de l'autre coté du moteur, dans son axe. (en bas, à droite). (les miroirs de référence ne sont pas montés)

Fonctionnement::

- On alimente le laser CD (avec une électronique adéquate (simple))

- On alimente le moteur CD en courant continu (environ 3V 30mA)

- Le faisceau laser rouge sort du bloc collimaté par notre lentille, se réfléchit sur le 1er miroir à 45° fixe, puis sur le 2ème miroir à 45° fixe, puis sur le miroir à 45° tournant et balaye l'espace sur 360°. (La ligne rouge est visible avec un papier calque dans l'obscurité.)

- A chaque tour, le faisceau (focalisé sur le miroir collé sur l'arbre du télescope) se réfléchit dans le miroir du télescope, retourne au bloc optique où il est récupéré par la photodiode d'origine :  on reçoit une impulsion à chaque tour : l'impulsion de mesure

- Sur la platine, en dehors du faisceau et de la zone de mesure, on rajoute 2 petits miroirs fixes (à la même distance optique que le miroir fixé à l'arbre à mesurer) : à chaque tour, comme pour le miroir de l'arbre, le laser envoie 2 autres impulsions : les impulsions de référence. (Le fait d'avoir 2 impulsions de référence permet facilement, avec un monostable, de les distinguer de l'impulsion de mesure)

L'intervalle de temps entre l'impulsion de référence et la 2ème impulsion de mesure, divisé par la fréquence des impulsions est exactement proportionnel à l'angle. Avec des portes logiques et une horloge à 10 MHz, on peut mesurer l'angle avec une résolution de l'ordre de 0.5" (seconde) : beaucoup mieux que les encodeurs optiques du commerce !

Collimater le laser sur le miroir tournant permet des impulsions extrêmement fines et des fronts de montée très brefs et précis.

La valeur mesurée est indépendante des défauts de coaxialité entre l'axe du moteur CD et l'axe du télescope, de l'erreur angulaire de montage du miroir sur l'arbre du télescope, de la vitesse du moteur, de la planéité des miroirs et de la largeur du faisceau laser.

En fait, dans ce système, la précision n'est limitée que par les vibrations du moteur et de la mécanique. Il n'est donc pas question d'utiliser un quelconque moteur ordinaire, il faut un miroir de moteur laser d'imprimante, un moteur de disque dur avec le disque. Dans le cas d'un moteur CD, il serait souhaitable de rajouter un petit "CD" tourné en fer et collé.

La résolution est limitée par la fréquence d'horloge mais peut facilement dépasser 1/1 000 000.

La plage de mesure de l'angle est de 270° environ : largement suffisant pour un télescope.

Nota:

- Le moteur laser d'une imprimante laser contient tous les morceaux : laser, moteur, miroir polygonal, optique... Malheureusement, l'utilisation de miroir polygonal à 6 faces limite la plage de mesure à environ 100° ce qui est insuffisant, contrairement à notre montage où nous pouvons facilement atteindre 270°.

De plus, avec un miroir polygonal, on est tributaire de la planéité du miroir ce qui n'est pas le cas dans le projet ci-dessus.

- On peut remplacer la diode laser CD d'origine : 780 nm à la limite du visible par une diode laser 650 nm rouge qui facilite grandement les réglages.

Améliorations:

- Trouver une solution pour supprimer la division par le nombre d'impulsions (cette division sert  à compenser les variations de vitesse du moteur). La stabilité d'un moteur commandé par PLL ne serait sans doute pas suffisante...


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06/01/2016.