Brevet FR2446468A1 — publié le 19800808

La présente invention concerne un dispositif- optoélectrique de détection dans lequel un dispositif détecteur reçoit le rayonnement incident focalisé par un objectif optique Le signal video prélevé en sortie du détecteur est ensuite traité dans des circuits déterminés en fonction de l'appl-cation envisagée. Les applications sont nombreuses et variées, le dispositif de détection pouvant etre incorporé dans un système utilise au sol ou embarqué pour réaliser, par exemple, une localisation angulaire de cible, ou une visualisation d'image de télévision, ou une poursuite automatique de cible à partir de la localisation angulaire, ou une poursuite par contraste video, etc. Un domaine d'application est celui des systèmes autodirecteurs montés sur des missiles. On distingue les autodirecteurs infrarouge dit IR, Laser, électromagnétique, télévision dit TV, les dispositifs détecteurs étant déterminés en conséquence. Certains de ces détecteurs, notamment les senseurs matriciels réalisés avec des dispositifs à transfert de charge couramment désignés CCD (de l'appelation anglo-saxonne Charge Coupled Device), présentent une grande sensibilité et une faible dynamique. I1 en résulte que la plage de variation du flux lumineux capté par le détecteur doit rester assez limitée pour l'ob- tention d'un fonctionnement satisfaisant correspondant à une réponse sensiblement linéaire du détecteur. Dans ces conditions, le signal détecté présente une valeur moyenne correspondant sensiblement à la valeur de fonctionnement optimal prévue par le fabricant et les risques de saturation se trouvent éliminés. Une solution consiste à réduire les dimensions de la surface optique réceptrice qui focalise le rayonnement incident mais cette solution peut s'avérer insuffisante. Il en résulte des difficultés d'utiiisation de tels détec-- teurs, notamment dans le cadre d'une application plus particulièrement envisagée pour l'invention à un système autodirecteur TV où le remplacement d'une caméra de prise de vue par un senseur CCD procure d'indéniables avantages, en particulier, pour les aspects suivants intégration plus aisés sur une structure gyroscopicue par suite de la compacité plus élevée et de la réduction ce poids ; simpli fication de l'équipement ; élimination de certains défauts,micro- phonie et dérive de balayage par exemple. L'objet de la présente invention est de remédier aux inconvénients cités en mettant en service des moyens d'obturation variables du faisceau lumineux incident, contrôlés a' partir de la valeur moyenne du signal détecté, afin de réguler la valeur de ce dernier et préserver le bon fonctionnement du détecteur. Suivant une caractéristique de l'invention, il est réalisé un dispositif optoélectrique de détection comportant un dispositif obturateur sous forme d'un diaphragme à pales articulées par éloignement du centre, un dispositif d'entrainement en rotation du diaphragme autour de l'axe optique-de l'objectif de focalisation pour déplacer les pales en fonction de la force centrifuge créée et des circuits de traitement produisant successivement la mesure de la valeur moyenne du signal détecté, la comparaison différentielle de cette valeur moyenne a une valeur de référence et l'asservissement de la vitesse de rotation en fonction du résultat de la comparaison. Les particularités et avantages de la présente invention apparaitront 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 général simplifié d'un dispositif optoélectrique de détection conforme à l'invention - les figures 2 et 3, des schémas d'exemples de montage du diaphragme à pales articulées utilisé - la figure 4, une vue de détail d'un exemple de réalisation du diaphragme - la figure 5, un schéma simplifié du dispositif selon la figure 1 monté sur un gyroscope - la figure 6, un schéma de réalisation préférée de 1- par tie optique avec son diaphragme dans le concept de la figure 5;et ---la figure 7, un schéma d'un exemple de réalisation du dispositif selon les figures 5 et 6-en vue d'une application à un système autodirecteur. En se reportant~à la figure 1, le dispositif cptoélectri- que de détection comporte un objectif optique 1 qui reçoit le rayonnement et le focalise, un dispositif détecteur 2 dont la surface photosensible est positionnée dans le plan focal de l'objectif et centréesur l'axe optique Z et des circuits de traitement et d'exploitation annexes 3 correspondant à l'application envisagée. Le signal détecté est préamlifié dans un circuit 4 avant utilisation par les circuits en aval Le boîtier ou bâti- support de l'ensemble est symbolisé en 5. L'objectif i peut entre constitué de dioptres et/ou de miroirs et également comporter des moyens de filtrage spectral optique. Le dispositif détecteur est considéré dans un sens large, comportant un ou plusieurs éléments ; dans le cas, par exemple, d'une matrice xy en circuits CCD, l'amplificateur 4 peut être intégré dans la structure CCD dont la sortie vidéo délivre le signal SV a' traiter. Les aménagements suivant l'invention comportent un dispositif- obturateur réglable et des moyens d'entraînement et d'asser pissement L'obturateur représenté est un diaphragr..e à pales articulées 6 du type dont les pales sont déplacées par ëloigne- ment du centre pour intercepter le rayonnement. Ce diaphragme 6 est monté centré sur l'axe optique Z et interposé sur le trajet optique incident au voisinage du plan de la pupille optique de l'objectif. Selon l'invention, le diapragme est agencé pour pouvoir- être entraîné en rotation autour de l'axe Z et pour produire un écartement des pales du centre en fonction de la force centrifuge engendrée par la rdtation.Ainsi un accroissement de la vitesse de rotation va se traduire par un accroissement du diamètre D d'obturation du faisceau par les pales et consécutive- ment par une diminution du flux lumineux détecté, et vice-versa. Les moyens d'entraînement mécanique en rotation sont constitués, par exemple, par un circuit 11 alimentant à partir d'une tension Voles bobines d'excitation 12 d'un moteur 13. La vitesse de rotationRdu diaphragme 6 autour de Z est liée à la valeur vil de la tension de commande. La vitesse est modifiée par asservissement du signal video moyen SVm à une valeur de référence VR. Le signal SV est pour ce faire d'abord appliqué à un circuit de mesure 7 délivrant la ua- leur vidéo moyenne SVm. Le circuit 7 peut consister en un circuit amplificateur séparateur suivi d'un circuit intégrateur ; sa constante de temps doit correspondre à une ou plusieurs trames dans le cas d'un senseur d'images TV. Les circuits d'asservissement comportent un circuit comparateur 8, tel un amplificateur différentiel, délivrant 1 écart entre les signaux SVm et UP. en grandeur et en signe. Cet écart est préalablement intégré dansoun circuit 9 pour etre ensuite sommé dans un circuit 10 avec la valeur VSl initiale. En considérant que le signal d'erreur 6 résultant de la comparaison représente par exemple SVm - VR et qu'il est de signe négatif, il en résulte un signal - AV après intégration, ce qui entraîne une diminution de la vitesse de rotation, c'est-à-dire un rapprochement des pales vers le centre par diminution de la force centrifuge, ceci, jusqu a ~ que le ilux lumineux détecté soit suffisant pour obtenir l'annulation de l'écart par accroissement de la valeur moyenne SVm. Un raisonnement inverse correspond au cas d'un écart 6 positif. La représentation donnée des circuits d'asservissement 8 à 13 de la figure 1 n'est pas à considérer limitative pour l'invention, par exemple le moteur peut être un moteur synchrone ou un moteur à effet Hall. La figure 2 représente un exemple de montage du diaphragme sur une optique dioptrique 20 évidée dans sa partie centrale, le support mécanique cylindrique 21 de l'ensemble étant entraîné en rotation autour de l'axe optique. La figure 3 représente un autre exemple de montage dans le cas d'une optique Cassegrain. Le diaphragme 6 est disposé dans un plan de trace P1 situé à proximité du miroir primaire 23 et il est évidé dans sa partie centrale pour permettre le passage des rayons réfléchis par le miroir secondaire 24 vers le détecteur 2. L'entraînement en rotation peut se faire comme représenté par l'intermédiaire d'un organe mécanique cylindrique 25 découplé du miroir 23 par un roulement à billes 26. Le diaphragme 6 peut aussi être disposé dans-un plan P2 à proximité du miroir secondaire 24 et tournant avec ce dernier, dans ce contexte sa partie centrale n'a pas a' être évidée. La figure 4 représente un exemple de réalisation du diaphragme 6. Une pale 30 est monte en position moyenne correspondant par exemple à la vitesse occasionnée par la tension VQ initiale, en position min maie 30a pour vne vitesse minimale ou nulle et en position maximale 30b pour une vitesse maximale prévue. La pale tourne autour d'un tourillon 31 solidaire d'un support 32 des pales. Le déplacement de la pale est limité par l'action d'un ressort de rappel dont la tension, ou la compression, ou la flexion selon diverses formes de réalisations envisageables va s 'op- poser jusqu'à l'équilibre à l'action de la force centrifuge. Sur la figure, l'élément ressort est symbolisé sous forme d'une lame 33 maintenue par une extrémité en 31 et déformée par action d'un-axe 34 solidaire de a pale et sur lequel elle s'appuie vers son autre extrémité. L'élément 35 constitue une butée en position minimale 30a pour ménager une partie centrale évidée du support 32. Une butée de fin de course pour la position extrême 30b peut également être prévue. La pièce 32 supporte une pluralité de pales disposées régulièrement, à titre d'exemple une deuxième pale 36 a été figurée en trait mixte. I1 y a lieu de remarquer que parmi les formes de réalisation possibles, le diaphragme peut être réalisé sans ressorts r au moyen de pales déformables épousant sensiblement la forme d'un cône d'axe Z au repos et dont l'angle d'ouverture va varier et croître sous l'effet de la force centrifuge produite par la rotation. Suivant la figure 5, le système optique 1, le détecteur 2 et le diaphragme 6 sont suspendus à la cardan selon un montage gyroscope libre à toupie extérieure. La suspension à deux degrés de liberté est identifiable par un premier cadre 41 solidaire du bâti ou corps extérieur 5, une partie centrale 42 figurée sous forme d'un anneau et pouvant tourner autour de l'axe de référence Yo, et un deuxième cadre 43 pouvant tourner autour d'un axe X perpendiculaire à Yo et à l'axe optique Z ou axe du gyroscope. La toupie 13 ou masse gyroscopique est entraînée en rotation autour de l'axe Z et entraîne le diaphragme 6. Le bloc 44 symbolise les circuits 7 à 11 de la figure. 1. Le système optique sera de préférence du type Cassegrain dêja' cité 9c amcnagé selcn le schéma de la figure E qui montre le diaphragme 6 positionné à proximité du miroir principal 23 au moyen d'une pièce 45 qui le supporte dans sa partie centrale, cette pièce support étant- elle-même couplée mécaniquement à la toupie 13 par sa périphérie. Selon un aménagement particulier, le support 45 consiste en une lame présentas' une transparence variable encore appelée filtre à densité variable.Avec une variation de la transparence allant croissant de la périphérie vers le centre située sur l'axe optique Z, l'effet du filtre 45 se trouve conjugué avec l'action d'obturation variable par lec cales en so:t d'obtenir une variation plus rapide du flux lumineux moyen détecté et consécutivement un calage plus rapide de l'asservissement. Le support filtre 45 peut être constitué par une lame circulaire dont la partie centrale correspondant au passage du faisceau réfléchi par le miroir.secondaire est rendue transparente ou a été ôtée par usinage comme sur l'exemple figuré. La loi de variation radiale de la transparence peut être une loi linéaire ou une loi plus complexe de degré supérieur ou encore une loi exponentielle, etc le choix dépendant de la rapidité de réponse désirée pour l'asservissement. La figure 7 reprend les montages des figures 5 et 6 dans le cadre de l'application à système autodirecteur de télévision à détecteur représentant une très haute sensibilité tel que des senseurs CCD. Le gyroscope y est représenté avec son axe Z dirigé selon la position de référence Zo correspondant à l'axe longitudinal du missile (angle de pointage e nul, axe X perpendiculaire au plan de figure) - Outre les éléments déjà référencés précédemment, on distingue sur cette vue en coupe selon Zo Yo un radome d'extrémité transparent 50, une optique correctrice 51 précédant le détecteur, un dispositif de réfroidissemant 52 qui maintient le détecteur à une température donnée durant le fonctionnement. La toupie peut consister en un aimant, ou comporter des bobinages 53.Les bobines 12 dites de précession sont montées fixes sur un support 54 solidaire- du corps 5 du missile. La toupie 13 est découplée de ensemble optique et detecteur par un roulement à billes 55 et elle entrains en rotation le diap.lragme 6 par la lame circulaire 45. Le miroir secondaire 24 est supporté par des moyens mécaniques 56 pouvant consister en un ensemble de bras en matériau plastique par exemple. Les pièces cylindriques 57, 58 et 59 servent de moyens support mécaniques de l'optique 23, 24, 51 et de l'ensemble détecteur 2 - 52 et de couplage de ces éléments au deuxième cadre 43. Il y a lieu de remarquer que le diaphragme à pales articulées peut être du type Iris conventionnel, c'est-à-dire à couronne support circul,wtre avec les pales produisant un effet d'obturation par rapprochement vers le centre. Dans ce concept, la-fixation à une toupie extérieure d'un gyroscope peut s'effectuer par la couronne support des pales. D'autre part, le signal ss V traduisant l'erreur 6 devra être sommé au signal Vfl initial (figure 1) avec un signe inversé pour obtention de l'asservissement étant donné l'effet obturateur inversé produit par la force centrifuge en fonction d'un accroissement de la vitesse. I1 peut être remarqué en outre que le dispositif gyroscopique libre n'implique pas nécessairement une suspension à la cardan avec la toupie extérieure, le montage avec la toupie intérieure est également envisageable. A titré d'exemple, l'optique peut comporter une lentille d'entrée fixe solidaire du bâti et un miroir convexe solidaire de la toupie et qui renvoie le rayonnement vers le détecteur disposé dans la partie centrale évidée de l'optique d'entrée. Ainsi de multiples variantes sont possibles répondant aux caractéristiques de l'invention dont la description qui précède fait apparaltre les avantages résultant de l'application à tout système comportant des éléments photosensibles de haute sensibilité et notamment aux systèmes autodirecteurs télévision à CCD. REVENDICATIONS 1. Dispositif optoélectrique de détection dans lequel un dispositif détecteur reçoit le rayonnement focalisé par un objectif optique, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif obturateur sous forme d'un diaphragme (6) à pales articulées, un dispositif d'entraînement en rotation (12-13) du diaphragme autour de l'axe optique (Z) pour déplacer les pales (30) en fonction de la force centrifuge créée et des moyens de controle de la vitesse de rotation pour asservir la valeur moyenne (SVm) du signal video détecté à une valeur de référence (VR) déterminée, lesdits moyens comprenant un circuit de mesure de la valeur video moyenne (7), un circuit de comparaison (8) a' la valeur de référence et un circuit d'asservissement (9-10-11) recevant le résultat de la comparaison et alimentant le dispositif d'entraînement. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le diaphragme (6) est du type à pales articulées (30) obturant par éloignement du centre. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 a 2, caractérisé en ce que l'objectif optique et le détecteur (2) sont montés sur un gyroscope libre (41-42-43) dont la toupie entraîne le diaphragme en rotation. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'objectif optique comporte au moins un élément optique (23) solidaire de la toupie et entrainé en rotation. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3, 4, caractérisé en ce que le gyroscope est du type à toupie extérieure (13). 6. Dispositif selon lTune quelconque des revendications 1 a' 5, caractérisé en ce que le diaphragme comporte des moyens élastiques déformables (33) pour compenser la force centrifuge appliquée aux pales par la rotation. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le détecteur est un senseur d'image TV réalisé en circuits CCD. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que, le circuit d'asservissement comporte un circuit intégrateur (9) en série avec un circuit sor.nateur (10) recevant par la deuxième entrée une tension d'alimentation déter minée (VQ ) et dont la sortie alimente le dispositir d'entraînement. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le dispositif d'entraînement comporte un moteur (13) dont les bobinages statoriques (12) sont alimentés par un circuit (11) recevant la sortie du sommateur. 10. Dispositif selon la revendication 2 et l'une quelconque des revendications 3 à 9, caractérisé en ce que l'objectif optique est du type Cassegrain et que le diaphragme est positionné sensiblement dans le plan (P1) d3 la pupille optique, c'est-à-irP a l'aplomb du réflecteur primaire (23), et est aménagé avec une partie centrale évidée pour laisser passer le rayonnement réfléchi par le réflecteur secondaire (24). 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comporte un filtre à densité variable (45) dont la transparence varie radialement en allant vers le centre situé sur l'axe optique. 12. Dispositif selon l'ensemble des revendications 2, 3, 10 et ll ou, selon cet ensemble et l'une quelconque des revendications 4 à 9, caractérisé en ce que le filtre à densité variable (45) est constitué par une lame solidaire de la toupie (13) par sa périphérie et supportant vers sa partie centrale le diaphragme (6). 13. Dispositif selon l'ensemble des revendications 3, 5 et 7 et selon l'une quelconque des revendications 8 à 12, appliqué à réaliser un système autodirecteur télévision a' senseur en circuits CCD, caractérisé en ce que le circuit d'asservissement de l'axe optique alimente des bobines de précession (12), l'optique (2324-51) est solidiaire de supports cylindriques (57, 58) disposés selon l'axe du gyroscope, et la toupie (13) est découplée de ces supports au moyen de roulements à billes (55).