Brevet FR2088062A1 — publié le 19720107

la présente invention concerne, d'une manière générale, les systèmes de poursuite à champ double et se rapporte, plus particulièrement, à un système de poursuite optique utilisant un système de lentilles co-axial. L'utilisation des systèmes de poursuite op-tique dans un espace extérieur doit tenir compte de conditions d'environnement sévères telles que de grandes variations de température et les rayonnemsnts. De plus le système doit nécessairement être compact et de faible poids. Pour réaliser un système de poursuite optique avec ces conditions, la haute fiabilité requise pour un vol dans l'espace nécessite l'utilisation de techniques optimales. Selon ces conditions, le système classique d'acquisition et de poursuite utilise normalement deux systèmes de lentilles séparés . un pour l'acquisition et un pour la poursuite. Bien que des systèmes optiques à champ co-axial aient été précédemment utilisés, les tentatives particulières qui ont été faites n'ont pas permis un affinement du système de manière à engendrer une grande proportion d'acquisition pour poursuivre le champ de vue. Aussi, le système optique de la Drésente invention propose une image très corrigée, appropriée pour être utilisée par des détecteurs de poursuite à haut pouvoir séparateur. En outre, la courbe du champ image inversée est appropriée pour des tubes de poursuite à photocathode incurvée.De plus, le système prévoit une séparation de l'énergie optique à large bande, à partir d'un faisceau de poursuite prineipal à bande étroite et prévoit également un traitement séparé qui utilise encore le premier système optique et des éléments qui peuvent être inclus dans ce premier système optique. Ainsi, on conserve encore de l'espace. D'autres caracéristiques de l'invention ressortiront de la description détaillée ci-dessous. Bien entendu la description et le dessin ne sont donnés qu a titre indicatif et nullement limitatif de l'invention. La figure unique du dessin représente un exemple de réalisation préféré du système optique, partiellement en coupe, de la présente invention. En se référant au dessin, il y est représenté un système de poursuite optique à double champ présentant des champs co-axiaux. Le système optique contient un systèe co-axial de lentilles : un système de lentilles comportant un système de lentille les à large champ et de courte longueur focale et un@ autre système delentidlles présen- tant un système de lentilles à champ étroit et de longue distance focale.Les u@ux systèmes. delentillesco-axiaux présentent des surfaces image encoincidence.lCes deux systèmes peuvent être utilises, par exemple; pour l'acquisition de champs larges et la poursuite d'image de préeision champs étroits. Dans l'exemple considéré, les lentilles d'acquisition sont formées des lentilles 12,14,16,1g et 22.Le système de poursuite est formé parun miroir primaire elliptique 24, un miroir secondaire sphérique 26 et les lentilles 1 & et 22, qui sont également utilisées dans le système de poursuite d'acquisi- tion.Le système optique est - formé d'un bottier en aluminium 30, formé par une section fron tale agrandie 32 et une section arrière à diamètre réduit 34. Un épaulement frontal 36 intereonneete les deux sections et présente une section annulaire 37, s'étendant vers l'avant. Le miroir primaire 24 comporte un orifice circulaire 38 et est fixé sur l'orifice de la surface extérieure de la section annulaire 37. Le miroir secondaire 26 peut être monté dans la portion de bottier 32, au moyen d'un manchon cylindrique 4* présentant une extrémité tronquée oblique 43, qui entoure le périmètre extérieur du miroir, et une pluralité de bras 44, en aluminium, qui connectent le manchon 42 à la surface intérieure de la portion de bottier 32. La lentille 12 peut être fixée le long de son périmètre extérieur sur la surface intérieure de la section annulaire 37. Fixée à l'intérieur d'un orifice 46 de la lentille 12, se trouve une faible paroi 48 qui s'étend en avant, à partir de la face frontale vers la lentille, et peut être réalisée en aluminium ou en un autre matériau léger, imperméable. La paroi légère 43 évite que des signaux erronés, autres que ceux émis par le miroir secondaire 26, traversent la portion de poursuite du système. La lentille 12 est formée d'une surface frontale convexe 12a et d'une surface arriere plane voisine 12b. La lentille 14 est montée derrière la lentille 12 et est formée par une surface frontale convexe 14a, une surface arrière concave 14b, et présente un orifice 52 de même taille que l'orifice 46 de la lentille 12.La lentille 16 présente une surface frontale concave 16a et une surface arrière concave l6b, est montée derrière la lentille 14 à l'extrémité avant de la section arrière 34, et présente un orifice tronev- nique 54 qui est agrandi à son extrémité avant et réduit à son extrémité arrière. Monté entre le sommet de l'extrémité avant de l'orifice 54 et le fond de l'ex- trémité arrière de ce-t orifice, se trouve un diviseur de faisceau elliptique 56, qui est monté incliné sur l'axe du système optique afin de compenser la réfraction de l'orifice de surface cônique 54. La portion inférieure 58 de l'orifice 54 dans la lentille 16, et la surface extérieure inférieure 62 de tte lentille sont polies et recouvertes de telle sorte que les signaux de lumière qui sont réfléchis par le diviseur de faisceau 56 à travers la lentille 16 et un orifice 63 de section 34, sont dispersés à travers la portion inférieure de la lentille 16. Montée sous la surface inférieure du fond 62 de la lentille 16, se trouve une lentille plan-convexe 68 qui converge les rayons réfléchis à partir du diviseur de faisceau. 56 qui ont divergés en traversant le côté de la lentille l6. Ces rayons sont ensuite transmis à travers la lentille 68 vers un réflecteur 72 à 45 et de là vers un détecteur 74. La lentille 68 est nécessaire pour faire converger les rayons traversant le côté de la lentille 16 si le détecteur 74 est placé à une certaine distance de la lentille 16. La lentille 18, qui présente une aurface frontale convexe î8a. et une surface arrière convexe 18b, est fixée parson pourtour arrière extérieur à la surface frontale concave 22a de la lentille 22, avec un espace d'air 76 formé entre la surface arrière centrale de la lentille 18 et la surface avant centrale de la lentille 22. La surface arrière plane 22b de la lentille 22 est adjacente à une plaque de face 80 d'un tube de détection 82 sur sa surface frontale 80a. Le tube 80 contient une surface de photocathode incurvée 84 qui est adjacente à la surface arrière 80b de la plaque de face. Les deux lentilles 18 et 22 sont montées dans un flasque de montage 86, à diamètre réduit, formé dans la section arrière 34. L'extrémité avant de l'élément eylindrique- 30 présente une plaque de verre protectrice 92. 1h réflecteur 94 à 45 , présentant un orifice central 96, est placé entre la plaque de verre 92 et le miroir secondaire 26 à l'extrémité avant 43 du cylindre 42. Un autre réflecteur 98 à 45 , qui réfléchit les rayons à travers l'orifice 96 est monté sur la face arrière du réflecteur 94. Une source d'impulsions telle qu'un laser, dont les rayons sont réfléchis par le réflecteur 98 à 450 et transmis à travers la plaque de verre frontale 92, est montée sur le sommet de la section avant du bot- tier 30.Une source 104, à ondes entretenues, qui transmet un signal de lumière à ondes entretenues sur le réflecteur 94 à 450 et, de là, à travers la plaque frontale- 92, est montée sur le fond de'la section avant du bottier 30. Le système qui est ainsi décrit peut être utilisé pour l'acquisition d'illumination active et la poursuite quand à la fois, la distance et le rapport des distances sont nécessaires. Des impulsions provenant de la source de laser 102 avec les signaux à ondes entretenues provenant de la source 104, sont transmises respectivement à travers les réflecteurs 98 et 94. Quand une cible a été initialement détectée et que des signaux réfléchis sont reçus par le système dans le mode d'acquisition, ces signaux sont transmis à travers les lentilles 12, 14, 16, 18 et 22, qui arrivent sur la surface 84 du tube 82. Le tube 82 ou élément détecteur, peut être utilisé à la fois comme poursuiveur d'angle et comme circuit de mesure de longue distance et de rapport de distance.Un montage de lentilles électrostatiques dans le nez du tube, forme une image électronique de la photocathode sur une ouverture de dissection. L'ouverture, avec la longueur focale optique,determine le champ de vue instantané de ltélément de détection. En plaçant la bobine de déviation à deux axes autour du nez du tube, la projection d'ouverture peut hêtre déviée vers un endroit quelconque de la photocathode, permettant d'avoir les champs d'acquisition et de poursuite qui sont beaucoup plus grands que les champs de vue instantanés. Directement derrière l'ouverture de dissection se trouve un multiplicateur d'électrons à 15 étages. Quand une cible est acquise au moyen de l'élément de détection 82, les signaux de correction du système de lentilles 12, 14, 16, 18 et 22, peuvent être engendrés normalement par ltéquipement périphérique (qui ne fait pas partie de l'invention), de telle sorte que le système tourne vers une position où le mode de poursuite peut commencer à fonctionner. Dans le mode de poursuite, les signaux provenant de la source à laser 102 se projettent sur le miroir primaire 24 et sont réfléchis sur le miroir secondaire 26 et à travers le diviseur de faisceau 56 et les lentilles 18 et 22, où ils entrent en contact avec l'élément de détection 82, comme décrit précédemment.Les signaux réfléchis, à partir de la source à ondes entretenues, sont toutefois réfléchis par le réflecteur 94 à 45",transmis sur la cible et réfléchis ensuite en arrière sur le miroir primaire elliptique 24. Le miroir primaire elliptique réfléchit le signal à ondes entretenues vers le miroir secondaire sphérique et,de là,vers le diviseur de faisceau fui6. Le diviseur de faisceau qui se comporte comme un filtre passe-bandeS laisse passer le spectre de fréquence étroit des signaux réfléchis de la source laser. Toutefois, la source à ondes entretenues contient un spectre à bande latérale centré normalement sur la même fréquence que la source d'impulsions à laser, et une large bande extérieure à la bande de fréquence centrale étroite est réfléchie par le diviseur de faisceau 56 56,à travers le c8té de la lentille 16 où les rayons sont convergés au moyen de la lentille 68 et réfléchis par le réflecteur 72 où ils sont détéctés par le détecteur 74.Ainsi, la source à ondes entretenues qui peut permettrc-des vitesses de données-élevées, pour une évaluation fine, peut utiliser le même système de lentilles co-axial que les rayons d'impulsions de laser qui délivrent les donnés d'évaluation de trajet. Les systèmes de lentilles d'acquisition et de poursuite superposent leurs informations sur la surface de photocathode, qui est la surface image 84. Toutefois, par suite de l'intensité du signal de poursuite, comme cela est comparé à celui du signal d'acquisition, l'effet du signal d'acquisition est minimal. A titre d'exemple, le système de lentilles d'acquisition constitué par les lentilles 12, 14, 16, 18 et 22 avec la surface image 84, est réalisé comme un système de lentilles 94 présentant une longueur focale effective de 8 cm,6 et est réalisé avec une pupille d'entrée proche de la surface frontale de la lentille 12. Ce système optique est tel pour conserver les hauteurs des rayons dans les lentilles 12, 14 et 16, suffisamment au-dessus de l'axe optique afin de permettre l'enlèvement du verre à partir de la portion centrale de ces lentilles, pour faire passer les rayons provenant du système de poursuite. Les lentilles 18 et 22, qui concernent à la fois les trajets d'acquisition et dc poursuite, engendrent l'effet souhaitable de réduction de la distance focale du système de poursuite, ainsi que la formation de la courbure de la surface image correcte. Le système de poursuite représenté sur le dessin est du type Dall-Kirkham, constitué par le miroir primaire elliptique 24 et le miroir secondaire sphérique 26 et comporte, naturellement, les lentilles 18 et 22. En variante, d'autres types de systèmes catadioptriques réflecteurs à étroit pourraient être utilisés pour la poursuite. Toutefois, avec un champ relativement étroit, le système choisi doit être le moins critique au point de vue des alignements et être relativement facile à fabriquer. A titre d'exemple la distance focale le champ de vue, l'ouverture effective, le rayon de surface image, et le diamètre de "flou" pour le système de poursuite à champ double, sont indiqués sur le tableau I pour un système optique typique. De plus, les caractéristiques des lentilles pour le système d'acquisition et de poursuite sont indiquées sur les tableaux II et III, respectivement. TABLEAU I Système d'acquisition Système de poursuite Distance focale 8,6 cm 61,7 cm Champ de vue 100 0,75 Ouverture effective 6,53 cm 14,74 cm Rayon de la surface image 3,12 cm 3,12 cm Nombre de f 0,94 4,2 Diamètre de flou 0,127 mm 0,05 mm TABLEAU II Caractéristiques des lentilles d'acquisition. Lentille N Surface N Rayon Intervalle Epaisseur Type de verre (cm) (cm) (cm) 12a 7.59 12 2,030 SK16 12b -344 0.000 Air 14a 7,70 14 1,905 SK16 14b 35,78 0,660 Air 16a -23,40 16 3,086 SF8 16b 7,81 1,955 Air 18a 4,10 18 1,460 SK16 i8b -11,73 0,711 , Air 22a -1,775 22 0,0254 EK-450 22b 0,00635 Air 80a @@ Faee plate du 0,114 7056 photomultiplicateur 8Q 80b 3,125 TABLEAU III Caractéristiques des lentilles de poursuite Lentille N Surface N Rayon Distance entre Epaisseur Type de verre (cm) éléments (cm) (cm) Elliptique K= -6.06 Miroir Rayon du centre Pyrex primaire 24 de-49,15 16,13 Air Miroir secondaire 26 -24,58 24,60 Air 18a 4,10 18 1,460 SK16 18b -11,73 o,711 Air 22a -1,775 22 0,0254 EK450 22b 0,00635 Air 80a @@ Face plate du photomultiplicateur 80 0,114 7056 80b 3,125 Bien que les principes de la présente invention aient été décrits ci-dessus en relation avec un exemple particulier de réalisation, on comprendra clairement que ladite description est faite seulement à titre d'exemple et ne limite pas la portée de l'invention. RFVENDICATIONS 10) Système optique approprié pour l'acquisition et la poursuite d'une source éloignée de l'émetteur, caractérisé en ce qu'il comporte : - un système de lentilles d'acquisition présentant un premier champ de vue, formé par une pluralité de lentilles ayant des ouvertures centrales et placées coaxialement pour recevoir directement les rayons de lumière provenant de la source, et des lentilles placées co-axialement derrière les lentilles à orifice central, le système de lentilles d'acquisition ayant une surface image située derrière les lentilles ;; - un système de lentilles de poursuite présentant un second champ de vue placé co-axialement par rapport au système de lentilles d'accuisition3 comprenant un miroir primaire elliptique à orifice central, l'orifice du miroir ayant un diamètre plus grand que le diamètre extérieur des lentilles d'acquisition à orifice central, le miroir primaire elliptique étant placé pour recevoir directement les rayons de lumière provenant de la source et un miroir secondaire sphérique, placé pour recevoir les rayons de lumière provenant du miroir primaire elliptique et les réfléchir à travers ltouverture centrale de la lentille d'acquisition et transmettre les rayons de lumière à travers les lentilles, la surface image du système de lentilles de poursuite coSncidant avec la surface image du système de lentilles d'acquisition ;; - des moyens de filtrage, montés dans l'orifice des moyens d'acquisition pour réfléchir une portion des rayons de la source de lumière transmis par le système de lentilles de poursuite sur une seconde surface image éloignée de la première surface image. 2) Système optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de filtrage comprennent un diviseur de faisceau qui transmet les rayons filtrés à travers le système de lentilles d'acquisition sur la seconde surface image. 30) Système optique selon la revendication 2, caractérisé en ce que le diviseur de faisceau se comporte comme un filtre passe-bande. 40) Système optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface image en coïncidence est incurvée. 50) Système optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface image en eoincidenee comporte une surface de photocathode incurvée. 60) Système optique selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une lentille pour faire converger les rayons filtrés transmis à travers le système de lentilles d'acquisition quand la seconde surface image est éloignée du système de lentilles d'acquisition.