Brevet FR2380561A1 — publié le 19780908

la présente invention concerne un dispositif de prise de vue de télévision à bas niveau de lumière et un système comportant un tel dispositif. l'invention s'adresse plus particulièrement à des équipements de prise de vue qui sont destinés à fonctionner dans le domaine visible et éventuellement proche infra-rouge, avec un éclairement de scène qui peut être très limité et correspondre notamment à celui produit par la lumière nocturne résiduelle. Ces dispositifs équipent notamment des systèmes de surveillance industriels ou militaires. A titre d'exemple, selon une application plus particulièrement envisagée, le dispositif de prise de vue peut faire partie d'un système de conduite de tir, pour permettre la visée et le tir de nuit. Dans le domaine de la télévision à bas niveau de lumière, les caméras comportent généralement un système optique de formation d'images indépendant du sous-ensemble constitué par le tube et ses servitudes électroniques : alimentations haute tension, très haute tension ; circuits de synchronisation, de balayage, etc... l'amélioration des performances de la caméra peut donc etre obtenue par un accroissement des caractéristiques du système optique et/ou du tube. I1 en resulte un matériel plus sensible et une augmentation de la portée. Dans le cadre d'une réalisation conforme à la présente invention, l'amélioration des performances est obtenue par action sur le système optique de formation d'images. les formules optiques utilisées pour constituer une partie optique indépendante, sont dutype dioptrique, c'est-à-dire uniquement composées de lentilles. Cependant, un accroissement des paramètres focale et ouverture conduit à des diamètres importants, à un nombre plus élevé de lentilles pour conserver la qualité optique en dépit de l'ouverture plus grande, et à une longueur totale entre la lentille frontale et le plan focal plus importante. I1 en résulte des objectifs dioptriques encombrants et très lourds. Un objet de l'invention est de réaliser un dispositif de prise de vue doté d'une optique de grande focale et de grande ouverture et présentant des caractéristiques d'encombrement et de bpoids réduits contrairement aux dispositifs précités. Ainsi qu'il apparaltra dans la description ultérieure, ce résultat a été obtenu en utilisant une formule catadioptrique c'est-à-dire associant des lentilles et des miroirs ; les avantages d'une formule optique catadioptrique sont, de réduire la longueur selon l'axe optique par repliement du faisceau lumineux formant l'image, et de réduire le nombre d'éléments optiques en profitant de l'achromatisme des miroirs introduits, donc de limiter le poids.En outre, une compacite élevée résulte d'une conception intégrée par la caméra suivant laquelle, l'optique et le tube sont regroupés selon une structure unique, contrairement aux dispositifs connus précités oW ils forment deux sous-ensembles distincts réunis par des liaisons mécaniques. Selon une caractéristique de la présente invention, le dispositif de prise de vue comporte un tube de prise de vue avec ses circuits associés maintenus dans une structure mécanique, un objectif optique et des moyens pour coupler l'objectif mécaniquement à la structure et optiquement avec le tube en sorte que sa cible est dans le plan focal, et dans lequel l'objectif optique répond à une formule optique catadioptrique type CASSEGRAIN comportant, centrés sur un axe optique, un premier groupe d'eléments dioptriques dit groupe avant situé à l'entrée, un miroir de MANGIN principal, un miroir de MANGIN secondaire et un deuxième groupe d'éléments diop-' triques dit groupe arrière qui précède la cible, ladite formule catadioptrique étant déterminée en sorte que le plan focal est situé à l'intérieur de l'objectif entre le groupe arrière et le miroir principal lequel est évidé dans sa partie centrale pour livrer passage au tube et positionner la cible. les particularités et avantages de l'invention apparaîtront dans la description qui suit donnée à titre d'exemple non limitatif à l'aide des figures annexées qui représentent - la figure 1, un schéma de la partie optique de formation d'images d'un dispositif de prise de vue conforme à la présente invention - les figures 2, 3a et 3b des schémas partiels relatifs à des moyens de liaison mécanique entre structures d'un dispositif selon la figure 1 ; la figure 4, une représentation en coupe longitudinale d'une réalisation du dispositif de prise de vue; - la figure 5, un schéma partiel montrant une variante de réalisation des moyens de liaison mécanique entre structures. le schéma simplifié de la figure 1 représente plus particulièrement la partie optique de formation d'images selon une coupe longitudinale. L'optique de type catadioptrique adoptée permet d'apporter une puissance de convergence par des surfaces de réflexion et d'y adjoindre des éléments dioptriques dont le rôle est principalement d'introduire des paramètres de correction des aberrations. L'absence de chromatisme des surfaces réfléchissantes est un avantage fondamental d ce type de combinaison. na formule optique est déterminée en sorte de répondre à un choix de répartition entre les puissances des éléments de réfraction et de réflexion conduisant à la qualité d'image requise avec un poids aussi réduit que possible, ainsi qu'à une position de l'image et consécutivement du plan focal, permettant de répondre aux impératifs d'intégration à la caméra. En outre, la formule optique est choisie en sorte que les verres sont facilement réalisables en grandes dimensions avec une tenue mécanique et une tenue thermique compatibles avec les conditions d'environnement définies pour l'exploitation. La formule optique comporte : un groupe avant 1, à l'entrée de la caméra, un miroir principal 2 du type MANGIN, - un miroir secondaire 3 également du type MANGIN et un groupe arrière 4. Sur l'exemple représenté à la figure 1, le groupe avant comporte une lentille et le groupe arrière trois lentilles. le cheminement des rayons lumineux est indiqué sur la figure ; par réflexion sur les miroirs, le faisceau se trouve replié et l'ensemble présente une structure compacte de faible dimension selon l'axe optique Z comparée à la focale de la formule optique En outre, les éléments optiques sont déterminés en sorte que le plan focal 5 se situe à l'intérieur de l'optique à une distance D de la face arrière du miroir principal ; ainsi, le tube de prise de vue 6 pénêtre largement dans l'optique par un trou central ménagé dans le miroir principal 2.De meme, l'optique d'entrée 1 est évidée dans sa partie centrale par suite notamment de l'occultation produite par le miroir secondaire 3 et de la nécéssité de positionner des moyens de support mécanique symbolisés en 7. le trou central ménagé dans le groupe avant 1 est ainsi utilisé pour positionner des.mécanismes et accessoires comportant un dispositif de mise au point 8 pour entrainer le miroir secondaire 3 selon la direction axiale Z. les moyens de support mécanique de l'objectif optique comportent une structure cylindrique externe 9 d'axe Z pour recevoir les éléments optiques 1 et 2 par leur périphérie extérieure et une structure interne pour supporter les éléments restants 3 et 4 centrés sur l'axe optique. Cette structure interne comporte les éléments 7 - 8 déjà cités rendus solidaires d'une pièce cylindrique 11 aménagée pour recevoir les lentilles 4 et pour former des caches ou diaphragmes d'ouverture respective déterminée aux extrémités indiquées en 12 et 13. la structure externe comporte également des usinages internes 14 - 15 - 16 - 17 destinés à former des caches qui délimitent avec les précédentes le faisceau optique de réception et permettent d'éliminer la lumière parasite. Dans les systèmes de télévision sensibles à très bas niveau de lumière, il est en effet fondamental de limiter le plus possible la lumière parasite et la formation d'images parasites. Un premier type de lumière parasite est la lumière directe, située hors du champ utile, et qui à travers le groupe avant 1 entre directement sur le groupe arrière, sans aller se réfléchir sur le miroir de MANGIN principal 2. le cache 13 placé, près du miroir de MANGIN secondaire 3 et le cache 12 placé sur le groupe arrière éliminent cette lumière parasite directe. Un deuxième type de lumière parasite est celle refléchie par la structure 9 et qui peut se réfléchir sur le miroir de MANGIN principal 2 et pénétrer sur le tube TV 6. les caches périphériques 14, 15, 16 et 17 arrêtent cette lumière parasite. La partie optique comporte en outre des moyens de liaison 18 pour relier mécaniquement et rendre solidaire la structure interne 7 et la structure externe 9. Les moyens de liaison 18 peuvent consister en des bras mécaniques, par exemple trois bras 18 a, b, et c disposés symétriquement à 1200 comme représenté sur le schéma de la figure 2 qui correspond à une coupe transversale selon aa (fig 1). Une structure similaire peut êt-re réalisée pour constituer la pièce support 11 et les caches 12 et 13 comme représenté sur les figures 3a et 3b en vues longitudinale et transversale avec coupes selon bb et cc respectivement. Il est entendu que la forme des bras est déterminée en sorte de réduire le plus possible l'occultation partielle qu'ils introduisent tlécessalrement de part leur présence sur le trajet optique. La formule optique catadioptrique du type CASSEGRÍN utilisée présente de nombreux avantages : un poids très faible, une longueur axiale réduite, un nombre peu élevé d'éléments dioptriques, une très bonne qualité, une grande accessibilité aux mécanismes pàr l'avant d'où une maintenance aisée, et une bonne tenue à la température, aux chocs et aux vibrations. La structure principale est unique pour l'optique et le tube 6, ce dernier est rendu solidaire de cette structure par une bride d'attache 21 visible sur la figure 4 qui montre de manière plus détaillée un exemple de réalisation d'un dispositif de prise de vue selon figure 1.Des traitements interférentiels multicouches permettent une transmission très élevée des surfaces de réfraction, par exemple 99,5 %, et des dépôts multicouches appliqués sur des miroirs aluminés assurent un facteur de réflexion également très important, par exemple 93 %. Bes éléments optiques de grand diamètre, lentille frontale 1 et miroir principal 2, sont chacun dans un barillet 22, 23, tenu dans la structure principale 9. La tenue mécanique du groupe dioptrique arrière 4 et du bloc de mécanismes 7 - 8 avec le miroir secondaire 3 peut être réalisée à l'aide de bras mécaniques comme précité ou par l'intermédiaire du groupe avant 1 qui joue alors à la fois sa fonction optique et un fonstion mécanique, dans la mesure où le groupe 1 peut assurer cette dernière fonction dans les conditions d'exploit-ation prévue. le schéma partiel simplifié de la figure 5 représente un tel mode de tenue mécanique ; cette solution a l'avantage de supprimer les éléments mécaniques dans le faisceau lumineux et donc d'éviter des réflexions parasites et de diminuer l'occultation. Pour mener à bien cette réalisation, des interfaces verre-métal 24 et 25 entre la lentille 1 et les structures externe 9 et interne 7 respectivement doivent être particulièrement déterminés pour compenser notamment les contraintes dues aux variations de température et aux vibrations mécaniques. les interfaces 24 et25 qui forment les zone de contact entre l'élément optique , et les structures t et 9 à relier peuvent être réalisés au moyen d'organes mécaniques de serrage et de positionnement présentant une élasticité déterminée pour assurer le centrage optique dans les conditions d'environnement climatique et mécanique imposées à l'équipement.Ces organes mécaniques peuvent comporter, par exemple, dans chaque interface 24 et 25 de liaison, une pièce cylindrique munie de fentes transversales à l'axe optique pour constituer des secteurs déformables sur lesquels le groupe avant 1, réduit à une lentille, prend appui transversalement. le dispositif de mise au point 8 permet de déplacer le miroir secondaire 7 en translation parallèlement à lui-EXme, c'est-i-dire selon la direction Z de l'axe optique. La caméra a un champ exploration compris entre la limite de portée et une distance minimale prédéterminée. Pour préserver des qualités optiques désirées, notamment une tache de diffusion dont le diamètre n'excède pas une valeur prévue dans cette gamme de distance, il s'avère généralement nécessaire d'effectuer une mise au point notamment pour les distances faibles afin de ramener le plan image dans le plan focal 5 à l'avant du tube récepteur 6. Be réglage de la mise au point permet en outre de compenser des défocalisations dues à d'autres causes.En particulier, les écarts de température occasionnent un décalage de l'image et les écarts de position du tube lors de l'assemblage, dus aux tolérances de fabrication, sont également générateurs de décalage. Le dispositif de mise au point 8 est constitué par un dispositif mécanique de guidage agencé pour produire le déplacement selon l'axe Z du miroir 3. La réalisation d'un tel dispositif relève de techniques connues ; on pourra se reporter, par exemple, au brevet français nO 1 304 090 déposé le 4 Août 1961 au nom de M. Pierre ANGENIEUX. Be mouvement de translation peut etre obtenu par manoeuvre d'un excentrique commandé par un moteur, un potentiomètre de répétition permettant d'asservir la mise au point. La partie pptique de la caméra peut comporter d'autres accessoires tels que, obturateur et rideau de ciel. L'obturateur a pour but de protéger le tube d'un excès d'écai- rement violent en cours d'utilisation et d'assurer l'étanchéité à la lumière en cours de stockage. Il peut se situer au niveau du groupe dioptrique arrière 4 entre ce groupe et la cible, donc à proximité du plan focal. Cette formule a l'avantage d-'un encombrement réduit. La commande d'obturation, non représentée, peut être produite par l'intermédiaire du cardan solidaire d'un électro aimant situé dans le groupe de mécanismes 7 à l'avant de l'objectif. A l'obturateur est associée une cellule photosensible qui déclenche l'obturateur lorsque le niveau d'éclairement est supérieur à un seuil fixé à l'avance. La cellule non figurée est située à l'avant de l'objectif 1, dans le bloc de mécanismes 7. L'obturateur peut être du type à pales articulées. Be rideau de ciel constitue un diaphragme de champ et est situé devant le tube sensible. Il a pour but d'obturer une partie de la scène observée fortement éclairée, par exemple l'image du ciel lumineux lors de l'observation d'objets terrestres. Un tel obturateur partiel, à commande manuelle, peut être mis en place pour améliorer les performances de la caméra. Suivant une réalisation préférée de l'invention, correspondant à la représentation de la figure 4, le dispositif de prise de vue à bas niveau de lumière est du type décrit dans le brevet français enregistré sous le nO 74 3308?, publié sous le nO 2 287 136 et déposé le 1 Octobre 1974 au nom de la société THOMSON-CSP. Suivant ce brevet, les circuits associés au tube comportent une alimentation THT commutable qui alimente l'étage intensificateur d'entrée du tube 6. La très haute tension fournie est rendue variable en durée et en amplitude selon une loi prédéterminée en fonction de la valeur moyenne présentée par le signal vidéo pour produire un effet diaphragme variable désiré.En outre des moyens de protection assurent un effet obturateur par commutation instantanée de descente de la très haute tension commutée, dès que l'énergie reçue par la cible du tube atteint une valeur critique prédéterminée. Ainsi, par une commande électronique d'une alimentation découpée à facteur de forme variable qui alimente le premier étage intensificateur, il est'produit dtune part, un diaphragme variable en fonction de ltéclairement de la scène observée et d'autre part, un obturateur pour tout éclairement qui serait nuisible pour le tube entrainant des risques de saturation ou de destruction de la cible. les dispositifs accessoires obturateur, diaphragme ajustable ne sont donc pas nécessaires sous forme mécanique dans un tel concept ce qui se traduit par une simplification de la partie optique, un accroissement de la compacité et une diminution du poids. L'espace annulaire 31 comporte les circuits associés au tube, notamment 1'alimentation THT commutable représentée en 30 et d'autres circuits non figurés tels que des circuits de synchronisation, des générateurs de balayage et des alimentations. A titre d'exemple, une caméra réalisée selon le montage de la figure 4 peut répondre aux caractéristiques optiques suivantes - focale : f = 280 mm, pour une longueur de l'optique de 225 mm, - ouverture photométrique : T = 1,35 (ouverture géométrique F/0.95), - qualité en termes de fonction de transfert de modulation MTF > 70ffi0 pour 12 paires de lignes par millimètre dans tout le champ utile, - bande spectrale d'utilisation : 0,48 à 1,1 Pm. le dispositif décrit a été plus particulièrement envisagé pour le domaine de la prise de vues à bas niveau de lumière. Ceci n'exclut pas l'application à d'autres types de caméra de télévision ou de systèmes formateurs d'images pour lesquels une compacité élevée et une bonne tenue mécanique et climatique sont exigées. L'invention s'applique notamment à des systèmes ayant une longue distance focale et utilisant différents types de récepteurs et formateurs d'images. Parmi les avantages précités par le dispositif de-prise de vue on peut encore citer l'accès aussi aux éléments à durée de vie limitée tels que tube, moteurs et commandes d'organes mobiles, d'où une maintenance simplifiée. REVENDICATIONS 1. Dispositif de prise de vue de télévision comportant, un tube de prise de vue avec ses circuits associés maintenus dans une structure mécanique, un objectif optique et des moyens pour coupler l'objectif mécaniquement à la structure et optiquement avec le tube en sorte que sa cible est dans le plan focal, caractérisé en ce que l'objectif optique répond à une formule optique catadioptrique type CASSEGRAIN comportant, centrés-sur un axe optique (Z), un premier groupe d'éléments dioptriques (1) dit groupe avant situé à l'entrée, un miroir de MANGIN principal (2), un miroir de MANGIN secondaire (3) et un deuxième groupe d'éléments dioptriques (4) dit groupe arrière qui précède la cible, ladite formule catadioptrique étant déterminée en sorte que le plan focal est situé à l'intérieur de l'objectif entre le groupe arrière et le miroir principal lequel est évidé dans sa partie centrale pour livrer passage au tube et positionner la cible. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure mécanique qui supporte le tube supporte également l'objec- tif optique et constitué une structure externe (9) unique. 7. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le groupe avant est évidé dans sa partie centrale pour recevoir une structure mécanique interne (7) qui supporte le miroir secondaire et le groupe arrière et que des moyens de liaison mécaniques sont prévues pour relier les deux structures. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits moyens de liaison comportent des bras mécaniques (18). 5. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits moyens de liaison comportent le groupe avant (1), constitué de préférence par une seule lentille évidée, et des interfaces verremétal (24-25) particulièrement aménagés dans la zone de liaison entre le groupe avant et les structures externe et interne respectivement. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de mise au point par. déplacement du miroir secondaire parallèlement à l'axe optique, le dispositif de mise au point étànt localisé dans la partie évidée du groupe avant. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'obturation partielle type diaphragme réglable et totale type obturateur. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens d'obturation totale comportent un dispositif à pales articulées disposés entre le groupe arrière et la cible. 9. Dispositif selon la revendication 6, destiné plus particulièrement à la prise de vue à bas niveau de lumière, caractérisé en ce que lesdits moyens d'obturation partielle et totale sont produits par l'ensemble tube et circuits associés, ledit ensemble étant du type comportant un premier étage intensificateur alimenté -par une alimentation THT commutable délivrant une très haute tension variable en durée et en amplitude selon une loi prédéterminée en fonction de la va'eur moyenne présentée par le signal vidOo pour produit un efxst diaphragme variable et comportant, des moyens de protection assurant un effet obturateur dès que l'énergie reçue par la cible atteint une valeur critique prédéterminée. 10. Système de télévision ou de formation d'image comportant un dispositif de prise de vue selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.