Brevet FR2496866A1 — publié le 19820625

DISPOSITIF DE DETECTION DE RAYONNEMENT MODULE EN AMPLITUDE. L'invention concerne un dispositif de détection d'un rayonnement modulé en amplitude pour la transmission d'informations, ce rayonnement étant reçu sur une pupille d'entrée selon une direction pouvant varier à l'intérieur d'un certain champ de vue. Un tel dispositif de détection peut être utilisé par exemple sur un missile télécommandé par faisceau laser pour capter et convertir en signal électrique un rayonnement laser infrarouge émis depuis un poste de tir et modulé en amplitude pour la transmission d'ordres de télécommande au missile. Pour diverses raisons, telles que la rotation du missile autour da son axe, un mouvement de lacet du missile ou les changements de direction imposés au missile, la direction du rayonnement reçu sur la pupille d'entrée peut varier plus ou moins rapidement. Les dispositifs de détection connus comportent généralement une optique d'entrée convergente (par exemple une simple lentille) qui est disposée sur la pupille d'entrée et un détecteur de rayonnement dont la surface sensible est située dans le plan focal de cette optique convergente. Sur cette surface du détecteur se forme une tache lumineuse correspondant à la source de rayonnement et qui a de faibles dimensions, en général limitées par le pouvoir de résolution de l'optique. La position de cette tache sur la surface du détecteur dépend de la direction variable du rayonnement dans le champ de vue du dispositif de détection. Or si ce champ de vue doit être assez grand, il se pose des problèmes de réalisation pratique de ce dispositif de détection connu. Par exemple, dans le cas évoqué ci-dessus de la détection d'un rayonnement laser pour la télécommande d'un missile, le champ de vue imposé est de 300, le diamètre maximum de la pupille d'entrée est de 15 mm et le missile tourne autour de son axe longitudinal à raison de 10 tours/sec environ. Si le détecteur de rayonnement n'a pas la même sensibilité aux différents endroits de sa surface, le déplacement de l'image de la source sur cette surface produit dans le signal électrique fourni par le détecteur, une modulation parasite qui peut être très gênante pour l'extraction de l'information utile de télécommande. Pour obtenir un détecteur ayant une sensibilité homogène sur toute sa surface et éviter cette modulation parasite, on est conduit avec le dispositif de détection connu à diminuer la surface du détecteur.Mais on est limité dans cette voie par la possibilité de réalisation de l'optique d'entrée. Par exemple, pour un champ de vue de 300 et un diamètre de pupille d'entrée de 15 mm, on peut montrer aisément que le diamètre du détecteur de rayonnement doit être supérieur à 4 mm environ pour que l'optique d'entrée ait une ouverture numérique réalisable d'au moins 0,5. Or actuellement il est extrêmement difficile et coûteux de réaliser des détecteurs de rayonnement infrarouge de diamètre 4 mm et suffisamment hogènes en surface pour éviter la modulation parasite. La présente invention fournit un dispositif de détection évitant la modulation parasite précitée, sans aucune limitation concernant notamment le diamètre et l'homogénéité du détecteur de rayonnement. Conformément à l'invention, ce dispositif de détection comporte un concentrateur d'énergie de révolution du typé ne formant pas d'image, l'ouverture d'entrée de ce concentrateur formant ladite pupille d'entrée tandis que son ouverture de sortie est entièrement recouverte par la surface dtun détecteur de rayonnement pouvant avoir des sensibilités différentes aux différents endroits de sa surface. Dans une forme de réalisation de l'invention, le concentrateur est un corps creux à paroi interne réfléchissante ayant une forme de révolution autour de l'axe de la pupille d'entrée, cette -forme de révolution étant engendrée par un segment de parabole dont l'axe est différent de l'axe de la pupille d'entrée, ce segment de parabole étant défini par le diamètre de la pupille d'entrée et le champ. de uue. Dans une autre forme de réalisation de l'invention permettant de diminuer la longueur du concentrateur, on dispose dans le plan de la pupille d'entrée une lentille convergente et le concentrateu est un corps creux à paroi interne réfléchissante ayant. une forme de ré volution autour de l'axe de la pupille d'entrée, cette forme de révolution étant engendrée par un segment d'une branche d'hyperbole dont l'ax est différent de l'axe de la pupille d'entrée, ce segment de branche d'hyperbole étant défini par la distance focale de la lentille, le diamètre de la pupille d'entrée et le champ de vue. Dans tous les cas, avec ce type de concentrateur, l'éner gie du rayonnement reçu à l'intérieur du champ de vue est uniformément répartie sur toute la surface du détecteur de rayonnement, ce qui évite tous les problèmes de dimensions et d'homogénéité de ce détecteur. La description suivante en regard des dessins annexés, le tout donné à titre d'exemple, fera bien comprendre comment l'inven. tion peut être réalisée. La figure 1 montre le schéma optique d'un premier mode de réalisation de l'invention comprenant un concentrateur à profil parabolique. La figure 2 montre le schéma optique du deuxième mode dx réalisation de l'invention comprenant l'association lentille-concentrateur à profil hyperbolique. La figure 3 représente un mode de réalisation d'un détecteur de rayonnement. La figure 4 représente une vue en coupe du dispositif de détection de l'invention, utilisant l'association lentille-concentrateur Sur la figure 1 est représenté le schéma optique d'un premier mode de réalisation du dispositif de détection de rayonnement de l'invention. Ce dispositif a une forme de révolution autour d'un axe XX' constituant son axe optique. La figure représente le schéma optique du dispositif dans un plan passant par l'axe XX'. La pupille d'entrée circulaire du dispositif de détection est représentée par la ligne AB et a un diamètre D. Le champ de vue que doit avoir le dispositif est représenté par l'angle 2a entre les droites aa' et bb' passant par le point O milieu de AB et symétriques par rapport à l'axe XX'.Le rayonnement à détecter provient d'une source pratiquement ponctuelle et que l'on peut considérer à l'infini, et il est reçu suivant une direction variable faisant avec l'axe optique XX' un angle variable égal au maximum au demi-champ de vue o. Un dispositif de détection connu consiste à disposer une lentille convergente sur la pupille d'entrée AB et un détecteur de rayonnement dans le plan focal de cette lentille. Si l'on appelle H l'ouvertu- re numérique de cette lentille et d le diamètre du détecteur on a H= d 2D.sino On déduit facilement de cette formule que pour l'ouverture numérique maximum réalisable H = 0,5, pour 2o = 300 et D = 15 mm, le diamètre d du détecteur dans le dispositif connu est sensiblement de 4 mm. Sur la figure 1, un détecteur dont le diamètre serait calculé de cette manière occuperait sensiblement la position représentée par la ligne en pointillé 1.Comme on l'a expliqué, les variations dans la direction du rayonnement reçu risquent de produire une modulation parasite gênante dans le signal électrique porteur d'information, fourni par le détecteur. Afin de pallier cet inconvénient, le dispositif de détection de l'invention utilise pour la collection du rayonnement dans le champ de vue 2a, un concentrateur d'énergie 2, du type ne formant pas d'image. Ce concentrateur est un corps creux dont on n'a représenté que la paroi interne qui a une forme de révolution autour de l'axe XX' et qui est optiquement réfléchissante. La cavité du concentrateur est munie d'une ouverture d'entrée circulaire coïncidant avec la pupille d'entrée représentée par la ligne AB et d'une ouverture de sortie circulaire représentée par la ligne EF. Cette ouverture de sortie EF est entièrement recouverte par la surface d'un détecteur de rayonnement 3 pouvant avoir des sensibilités différentes aux différents endroits de sa surface. Dans le mode de réalisation de la figure 1, la cavité du concentrateur a un profil parabolique. Un concentrateur de ce genre qui trouve habituellement ses applications dans la collection de l'énergie solaire est décrit au chapitre 4 de l'ouvrage "The Optics of Nonimaging Concentrators" de W.T. Welford et R. Winston, Academic Press, Nev York 1978. Comme on peut le voir dans cet ouvrage, la cavité du concentrateur résulte de la rotation autour de l'axe .XX', d'un segment de parabole AE qui est parfaitement défini par le diamètre D de la pupille d'entrée et par le champ de vue 2o. Comme le montre la figure, les deux points E et F définissant l'ouverture de sortie du concentrateur se trouvent sur les deux rayons extrêmes passant par les points A et B de la pupille d'entrée et faisant l'angle + a avec l'axe XX'. Dans le plan de la figure, la parabole servant à engendrer la cavité du concentrateur a son foyer au point F, l'axe de cette parabole étant la droite YFY' faisant avec l'axe XX' l'angle z. Cette parabole est prolongée au-delà du point E par une ligne en pointillé.On peut remarquer ici que la forme de la cavité du concentrateur n'est pas un parabololde de révolution dont le foyer serait sur l'axe XX' et qui aurait des propriétés optiques tout à fait différentes. Si d est le diamètre de l'ouverture de sortie du concentrateur et L la distance entre son ouverture d'entrée et son ouverture de sortie, on peut établir les relations suivantes : d = D sin a (1) 2L = (D + d) cotg a (2) En négligeant les pertes faibles dues aux réflexions sur ses parois, un tel concentrateur restitue à travers son ouverture de sortie toute l'énergie du rayonnement qu'il reçoit à travers son ouverture d'entrée dans des directions se trouvant à l'intérieur de son champ de vue 2a.Pour des directions se trouvant à l'extérieur de ce champ de uue, le concentrateur ne transmet pas d'énergie sur son-ouverture de sortie, car alors, l'énergie entrante, par réflexion sur les parois du concentrateur, en ressort entièrement par son ouverture de sortie. I1 possède en outre la propriété particulièrement intéressante de répartir l'éner- gie reçue, quasi-uniformément sur toute la surface de son ouverture de sortie, quelle que soit la direction du rayonnement reçu à l'intérieur du champ de vue ; les rayons émergeant du concentrateur par son ouverture de sortie sont répartis dans un angle solide de 2H stéradians.Il est donc clair qu'avec un tel concentrateur, il ne se pose plus aucun problème concernant l'homogénéité en sensibilité de la surface du détecteur de rayonnement 3 qui recouvre l'ouverture de sortie EF. En outre il est très intéressant que tous les rayons parasites entrant dans le con centrateur dans des directions extérieures au champ de vue, n'atteignent pas le détecteur. Si, par exemple, le dispositif de l'invention est utilisé sur un missile télécommandé par laser, avec D = 15 mm et 2a = 300, le détecteur de rayonnement peut, d'après la formule (1), avoir un diamètre d environ égal à 4 mm tandis que d'après la formule (2) la longueur L du concentrateur est d'environ 35 mm. Avec le dispositif de l'invention, il devient ainsi possible d'utiliser un détecteur de rayonnement de 4 mm de diamètre, auquel on ne demande aucune qualité particulière d'homogénéité. Il est possible, si cela est utile, de réduire la longueur du concentrateur en disposant devant son ouverture d'entrée une lentille convergente, le profil de la cavité ayant alors une forme d'hyperbole. L'ouvrage précité décrit au chapitre V une telle association d'une lentille convergente et d'un concentrateur à profil hyperbolique. La figure 2 qui, paur permettre des comparaisons, est construite à la même échelle que la figure 1, représente le schéma optique du dispositif de détection de l'invention utilisant cette association lentilleconcentrateur. Les éléments identiques des deux figures sont référencés de la mame manière. On voit sur la figure 2 une lentille convergente 4 placée sur la pupille d'entrée AB formant l'ouverture d'entrée du concentrateur 5. Cette lentille a une distance focale f égale à la longueur L du concentrateur 2 à cavité parabolique de la figure 1 Le concentrateur 5 de révolution à profil hyperbolique a une ouverture de sortie E'F' qui est entièrement recouverte par la surface du détecteur de rayonnement 3. La cavité du concentrateur résulte de la rotation autour de l'axe XX' d'un segment AE' de branche d'hyperbole qui est entièrement défini par le diamètre D de la pupille d'entrée, le champ de vue 2a et la distance focale f de la lentille 4. La figure montre dans le plan focal PP' de la lentille 4, les deux points G et G' sur lesquels, en l'absence du concert trateur, convergeraient les rayons appliqués à la lentille avec l'inclinaison + a ; ces deux points sont obtenus en prolongeant les droites bb' et aa'. Les deux points E' et F' définissant l'ouverture de sortie du concentrateur se trouvent sur les deux rayons extrêmes BG et AG' sortant de la lentille. Dans le plan de la figure, l'hyperbole servant à engendrer la cavité du concentrateur 5 a l'un de ses foyers au point F' et l'autre au point G.La cavité du concentrateur est obtenue par rotation autour de l'axe XX' d'un segment AE' de l'une des branches de cette hyperbole. On a prolongé cette branche par un trait en pointillé au-delà du point E'. On peut établir dans l'association lentille-concentrateur des formules donnant le diamètre d' de l'ouverture de sortie du concentrateur et sa longueur L' en fonction du diamètre D de l'ouverture d'entrée, du champ de vue 2a et de 13 distance focale f de la lentille. En utilisant une lentille de distance focale 35 mm (égale à la longueur L du concentrateur de la figure 1) et avec D = 15 mm et 2a = 300, on trouve sensiblement d' = 4 mm et L' = 20 mm. Par rapport au concentrateur de la figure 1, on obtient pour le même diamètre 4 mm du détecteur, une longueur réduite de 35 mm à 20 mm. On peut remarquer également que la lentille 4 a une ouverture numérique de 2,33 tout à fait réalisable. L'association lentille-concentrateur à profil hyperbolique de la figure 2, présente sensiblement les mêmes propriétés que le concentrateur à profil parabolique de la figure 1. On peut notamment utiliser un détecteur de rayonnement 3 auquel on ne demande pas d'avoir une sensibilité homogène en surface, ce qui permet d'utiliser des détecteurs de grandes dimensions. L'utilisation, dans le dispositif de l'invention, d'un concentrateur qui permet un éclairage quasiment uniforme d'un détecteur de rayonnement de grande surface, peut être très avantageuse en ce qui concerne le choix de ce détecteur. Ainsi, si l'on veut utiliser un détecteur de grande surface, de type photoconducteur, il peut se poser pour ce dernier un problème d'alimentation en courant d'excitation. Par exemple pour un détecteur photoconducteur de type CMT (Tellure deCadmium et de Mercure) qui est utilisé en infrarouge, le courant d'excitation exigé est de 2 mA pour une surface de 115o î03mmS2. Le courant d'excita- tion requis pour un détecteur de grande surface, par exemple |4 mmi 2 de- vient inacceptable.Mais l'invention permet d'utiliser un détecteur dans l'épaisseur duquel sont incisées de fines rainures imbriquées suivant la représentation simplifiée de la figure 3, pour augmenter la résistance du détecteur et donc diminuer son courant d'excitation. En effet, dans le dispositif de l'invention, la même surface du détecteur est toujours éclairée de façon uniforme de sorte que les rainures ne produisent aucune modulation parasite quand la direction du rayonnement varie. On peut également utiliser un détecteur formé d'une mosaïque de détecteurs I mentaires, par exemple de type photovoltaique, montés en parallèle ou en série, l'intervalle inévitable entre ces détecteurs ne donnant lieu à aucune modulation parasite. La figure 4 montre comment peut être réalisé un dispositif détecteur pour rayonnement infrarouge utilisant une association lentille-concentrateur. Le dispositif comporte un tube métallique 6 de diamètre intérieur 15 me. A une extrémité de ce tube est scellée une lentille convergente 4 de 35 mm de distance focale et réalisée en germanium pour transmettre un rayonnement infrarouge de 10,6 microns. Derrière la lentille 4, se trouve le concentrateur 5 à profil hyperbolique qui peut être construit par moulage en matière plastique et qui est revêtu inté- rieurement et extérieurement d'un dépôt d'aluminium réfléchissant. Une pièce support 7 maintient le détecteur 3 du type Cuit, derrière l'ouverture du concentrateur, et le tube de détente 8, derrière le détecteur. Le tube de détente 8 reçoit de l'argon sous pression par la tubulure 9, la détente de ce gaz comprimé assurant le refroiaissement du détecteur 3 L'extrémité du tube 6 est fermée par un disque 10 traversé par une micro- valve 11 permettant d'évacuer le gaz de refroidissement quart sa pres- sion après détente devient supérieure à la pression atmosphérique, REVENDICATIONS : 1. Dispositif de détection d'un rayonnement modulé en amplitude pour la transmission d'informations, ce rayonnement étant reçu sur une pupille d'entrée selon une direction pouvant varier à l'intérieur d'un certain champ de vue, caractérisé en ce qu'il comporte un concentrateur d'énergie de révolution du type ne formant pas d'image, l'ouverture d'entrée de ce concentrateur formant ladite pupille d'entrée tandis que son ouverture de sortie est entièrement recouverte par la surface d'un détecteur de rayonnement pouvant avoir des sensibilités différentes aux différents endroits de sa surface. 2. Dispositif de détection selon la revendication 1, caractérisé en ce que la concentrateur est un corps creux à paroi interne réfléchissante ayant une forme de révolution autour de l'axe de la pupille d'entrée, cette forme de révolution étant engendrée par un segment de parabole dont l'axe est différent de l'axe de la pupille d'entrée, ce segment de parabole étant défini par le diamètre de la pupille d'entrée et le champ de vue. 3. Dispositif de détection selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte dans le plan de la pupille d'entrée une lentille convergente et le concentrateur est un corps creux à paroi interne réfléchissante ayant une forme de révolution autour de l'axe de la pupille d'entrée, cette forme de révolution étant engendrée par un segment d'une branche d'hyperbole dont l'axe est différent de l'axe de la pupille d'entrée, ce segment de branche d'hyperbole étant défini par la distance focale de la lentille, le diamètre de la pupille d'entrée et le champ de vue. 4. Dispositif de détection selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le détecteur de rayonnement est fractionné au moyen de rainures imbriquées le traversant dans toute son épaisseur. 5. Dispositif de détection selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le détecteur de rayonnement est constitué par une mosalque de détecteurs élémentaires.