Brevet FR2535859A1 — publié le 19840511

SYSTEME DE DETEUTION DE RAY O NNEMENT INFRAROUGE La présente invention concerne des systèmes de détection de rayonnement infrarouge. Les perfectionnements continuels des détecteurs de rayonnement infrarouge, comme ceux qui résultent de l'in- corporation de l'élément détecteur ou des éléments détec- teurs dans une enceinte formant un écran froid ayant une ou- verture refroidie, ce qui limite l'angle d'acceptation du rayonnement et constitue ce qu'on appelle un détecteur "li- mité par le bruit de fond", et ceux qui résultent de la sensibilité accrue des éléments détecteurs individuels et de l'utilisation de surfaces de détection d'aire élevée, formées soit par un réseau d'éléments détecteurs soit par un seul élément détecteur, exigent un système optique à hautes performances pour appliquer le rayonnement au détec- teur. L'invention a donc pour but de procurer une forme perfectionnée de système de détection de rayonnement infré- rougeo L'invention propose un système de détection -de rayonnement infrarouge comprenant un système optique de formation d'image destiné à recevoir un rayonnement prove- nant d'un champ et à appliquer ce rayonnement à une surface image, un détecteur ayant une surface de détection formée par un ou plusieurs éléments détecteurs placés dans une en- ceinte formant un écran froid ayant une ouverture refroidie, qui limite l'angle d'acceptation du rayonnement du détec- teur, ce qui fait que ce dernier est du type "limité par le bruit de fond", et un système de lentilles de transfert en- tre la surface image et le détecteur, pour transférer le rayonnement infrarouge entre eux et pour focaliser le rayonnement transféré sur la surface de détection du détec- teur, dans lequel ce système de lentilles de transfert est constitué par quatre lentilles parmi lesquelles celle des lentilles qui est adjacente à la surface image a une ver- gence négative tandis que les trois autres lentilles ont des vergences positives, les vergences relatives desquatre lentilles étant choisies par rapport à la courbure de la surface image de façon à donner une courbure de champ du rayonnement focalisé sur la surface de détection qui coïn- cide avec la courbure physique de cette surface de détec- tion, et les dimensions axiales respectives de l'espace d'air entre les deux lentilles proches de la surface image et entre les deux lentilles proches de la surface de détec- tion étant notablement supérieures à celle de l'espace d'air restant du système de lentilles de transfert, ces di- mensions axiales étant sélectionnées de façon à placer la pupille formée par le système de lentilles de transfert en coïncidence avec l'ouverture, refroidie, la vergence globale du système de lentilles étant sélectionnée de façon à di- mensionner la pupille formée par le système de lentilles de transfert de façon qu'elle corresponde à la dimension de l'ouverture refroidie, et la courbure des surfaces réfrin- gentes des lentilles étant choisie de façon à donner de faibles aberrations de champ et de pupille L'épaisseur centrale de chaque lentille du système de lentilles de transfert est de préférence faible, ce qui maximise la transmission du rayonnement et minimise la quantité de ma- tière utilisée pour les lentilles Il est également préfé- rable que l'espace d'air axial entre les deux lentilles centrales du système de lentilles de transfert soit prati- quement égal à zéro, ce qui donne au système de lentilles de transfert un encombrement relativement réduit. Chacune des surfaces réfringentes des lentilles peut commodément 9 tre sphérique (avec la signification qu'on donne à ce terme en optique), de façon que la fabrication de ces lentilles soit simple, au point de vue optique et méca- nique. On obtient commodément des variations de courbure de champ par la sélection de l'épaisseur des lentilles indi- viduelles et/ou de la matière à partir de laquelle les len- tilles sont fabriquées, bien que dans le cas o on utilise plus d'une matière dans le système de lentilles-de transfert, ilpui Ese tre nécessaire de compenser les aberrations chroma- tiques introduites. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif La suite de la description se réfère aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 est une vue latérale en élévation d'un système de détection infrarouge conforme à l'invention; et La figure 2 est une vue en plan du système de la figure 1. Le système de détection infrarouge qui est repré- senté sur les dessins comprend un système de formation d'image 25 qui reçoit un rayonnement provenant-d'un espace objet 23 et qui applique le rayonnement reçu à une surface image 16 Un système de lentilles de transfert 24 collecte le rayonnement sur la surface 16 et le transfère vers un détecteur 26 Le détecteur 26 comprend une surface de détec- tion 0 qui est formée par un ou plusieurs éléments détec- teurs qui sont situés à l'intérieur d'une enceinte formant un écran froid, ayant une ouverture refroidie 13 qui limite l'angle d'acceptation du rayonnement du détecteur 26, ce qui fait que ce dernier est "limité par le bruit de fond". Le système de lentilles de transfert 24 est conçu, comme on l'expliquera, de façon à focaliser le rayonnement transféré sur la surface 0 du détecteur 26, de façon que la courbure 25358 59 de champ de l'image de rayonnement soit identique à la cour- bure physique de la surface 0, et de façon que le rayonne- ment forme une pupille dont la position et les dimensions coïncident avec l'ouverture 15. Le système de lentilles de transfert 24 est formé par quatre lentilles A, B, C, D alignées sur un axe optique commun et ayant des surfaces réfringentes sphériques respec- tives 1 et 2, 3 et 4, 5 et 6, 7 et 8, qui rencontrent l'axe optique la lentille A est adjacente au détecteur 26 et la lentille D est adjacente à la surface image 16 Chacune des lentilles A, B et C a une vergence positive, tandis que la lentille D a une vergence négative, et les vergences relati- ves sont sélectionnées de façon à faire en sorte que la courbure de champ de l'image de rayonnement formée dans le détecteur 26 soit identique à la courbure physique de la surface O En sélectionnant diverses combinaisons différen- tes pour les valeurs de vergence des lentilles individuelles, on peut s'adapter à diverses courbures physiques de la sur- face 0, indépendamment de la courbure de champ de la surface image 16 (qui peut varier en fonction de la nature du sys- tème de formation d'image 25, comme on l'expliquera) On sélectionne la vergence globale du système 24 de façon que la dimension de la pupille de rayonnement soit identique à la dimension de l'ouverture 13 - Le système de lentilles de transfert 24 comporte également un espace d'air L séparant les lentilles A et B, un espace d'air M séparant les lentilles B et C et un espace d'air N séparant les lentilles C et D Pour faire varier axialement la position de la pupille de sortie de façon qu'elle corncide exactement avec l'ouverture 13 du détecteur 26, on donne à chacun des espaces d'air X et N une valeur notablement supérieure à celle de l'espace d'air M En fait, pour réduire l'encombrement, on donne à l'espace d'air M une valeur pratiquement égale à zéro Avec cette configuration, la pupille de sortie du système 24 se trouve toujours entre la lentille A et le détecteur 26, de façon qu'il soit phy- siquement possible de faire en sorte que la pupille formée par le système 24 coïncide avec l'ouverture 13 La position de la pupille formée par'le système 24 est déterminée par la valeur numérique des espaces d'air 1 et N. le système de formation d'image 25 n'est qu'une forme de système de formation d'image approprié qui peut être utilisé avec le système de lentilles de transfert 24 et le détecteur 26 A titre d'exemple, les systèmes de for- mation d'image pourraient être du type à balayage par ligne et par trame, avec ou sans grossissement et avec des objec- tifs, des télescopes à champs multiples ou des télescopes à distance focale variable, achromatisés ou non, dans chacun desquels la surface image 16 est formée le système 25 qui est décrit,simplement à titre d'exemple,comprend un miroir oscillant 12 forméparun ulet qui ip Lvote autour d'un axe 20 et qui forme une pupille 15, un miroir concave sphérique 11 formant une image intermédiaire 17, un tambour à miroirs 18 pouvant tourner autour d'un axe 19 et comportant des fa- cettes planes 10 parallèles à l'axe 19, et qui forme une pupille 14, et un miroir de transfert sphérique concave 9 qui produit la surface image 16 Le système 25 est décrit de façon plus détaillée au point de vue fonctionnel dans le-brevet GB 1 586 099. Le tableau I en annexe donne un exemple de systè- me de lentilles de transfert 24 et de système de formation d'image 25 associé, dans lequel le rayon de courbure et l'ouverture optique de chaque surface optique sont donnés par rapport à la surface de détection È Ainsi, par exemple, la surface 9 a un rayon de courbure de -236,09 mm, le signe moins indiquant que le centre de courbure est du côté gauche de la surface 9; le sommet de la surface 9 est décalé de -11,33 mm par rapport à l'axe Z dans la direction Y (comme il est indiqué sur la figure 1), et est séparé par un espace d'air de 294,62 mm du sommet de la surface précédente (dans la direction de référence) 8, dans la direction Z qui est axiale le système 24 produit un grossissement X 0,5 et il a une ouverture oelatived'environ f 13 dans l'espace d'air entre la surface O et la surface 1, avec une ouverture relati- ve d'environ f/6 dans l'espace d'air entre la surface 8 et la surface de miroir 9 Le tableau II en annexe donne des valeurs spécifiques de la qualité d'image dans l'ensemble du système optique. Le système 24 décrit en relation avec les tableaux I et II produit de faibles aberrations de champ et de pupil- le et une distorsion minimale, et il peut être utilisé avec une surface 0 d'aire élevée, avec une bonne qualité de for- mation d'image sur cette surface et avec un diaphragme de détecteur efficace à l'ouverture 13. On peut faire varier les paramètres du système 24 pour régler le facteur de grossissement dans la plage allant de 0,3 à 3,0, tout en conservant la qualité de résolution précitée, mais cette dernière se dégrade de façon inaccepta- ble hors de cette plage de grossissement Bien entendu, le facteur de grossissement sélectionné dépend de l'ouverture relative du détecteur 26 d'une part, et de l'ouverture rela- tive à la sortie du système de formation d'image 25, d'autre part, ces deux paramètres nécessitant une adaptation avec les parties respectivement adjacentes du système 24. Bien que l'exemple décrit fonctionne dans la ré- gion de longueur d'onde de 8-13 pm, du fait des matières utilisées (c'està-dire le germanium), le système 24 peut fonctionner dans n'importe quelle partie de la région 1-13 pm, par l'utilisation d'autres matières pour les lentilles (par exemple le silicium) Du germanium revêtu avec un re- vêtement de ARG 3, commercialisé par Barr and Stroud Limited, dont les caractéristiques sont une transmission élevée (en- viron 98 % ou plus), et une faible réflectivité (environ 0,2 % ou moins), donne un effet "narcisse" pratiquement nul pour la bande 8-12 pm qui est particulièrement utile. On notera que les données numériques indiquées ici concernent une température de 20 O et que l'ouverture rela- tive considéréeest obtenue par la formule ( 2 sin)1 dans laquelle e est le demi-angle au sommet du c 8 ne formé par le pinceau de champ axial après réfraction en sortie de la len- tille sur laquelle il est projeté. Il va de soi que de nombreuses modifications peu- vent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. ANN Ei XE: TABILEAU I iii,, i,, ,,r ,, Elément SurfaceSéparationDécalageRayon de Matière Diamètre d'ouverture ( 2) ( 1) courbure Direction de Direction de l'axe X l'axe Y Détecteur O O O Plan Air 7,5 1,0 Pupille et 13 14,80 O Plan Air 4,9 4,9 diaphragme Lnl A 1 5, 20 O -40,00 Air 10,1 6,7 entille A2 4,00 O -32,15 Ge 11,2 7,6 Lentille 3 51,17 O -92,80 Air 41,5 13,4 4 5,00 0 -74,97 Ge 43,8 14,0 , i pi i i, i (o 0,10 O 97,70 Air 44,8 14,2 Lentille 6 5,00 O 266,25 Ge 45,1 14,5 e 7 29,05 O -47,24 Air 23,1 5,4 lentille 8 4,00 O -87,86 Ge 23,7 5,6 ,i i__ i, , Ii,, Miroir 9 294,62 -11,33 -236,09 Air 81,7 36,4 Facett e du 2,, Facette du 10 -152,27 -3,31 Plan Air 23,0 12,0 rotor ( 3) Pupille 14 O -0, 0 Plan Air 11,2 11,2 ,, r,1,,' ' Miroir 11 147,53 -7,64 -159,24 Air 149,3 14,2 Ydroir os 23, Mi roiro12, -258,94 -6,55 Plan Air 14,0 23,0 ant -( 4)) Lw Pupille 15 O -0,00 Plan Air 13,1 13,1 IA ___ I_ _ ic, kp. Notes concernant le tableau I ( 1) Le décalage est mesuré-de façon cumulée à partir de l'axe Z, dans la direction de l'axe Y. ( 2) Comme l'exige un détecteur ayant des dimensions de + 3,75 mm dans la direction de l'axe X et de + 0,5 mm dans la direction de l'axe Y, pour des angles de rotation carac- téristiques pour le rotor et le miroir oscillant. ( 3) Pour une facette du rotor dans un plan perpendiculaire à l'axe Z. ( 4) Données mesurées au-centre de l'axe de rotation du miroir oscillant. TABLEAU II Tailles de spot appropriées (en valeur efficace) dans le plan du détecteur (en microns) Repère Champ du Angle du rotor Rayonnement mono- détecteur (mm) (degrés) chromatique à 9,3 Pm A 0 O 32,5 B + 1,875 O 37,2 C + 3,750 0 49,8 D + 3,750 79,46 45,5 E + 1,875 77,78 31,4 F O + 6,09 33,6 , _ G + 1,875 + 4,40 42,2 H + 3,750 72,71 53,4 I 73,750 + 15,55 49,3 J 71,875 + 13,87 28,5 K O I 712,18 34,3 L + 1,875 710,49 47,8 M + 3,750 7 y 8,81 59,3 REVEEDICATIONS 1 Système de détection de rayonnement infrarouge comprenant un système optique de formation d'image ( 25) des- tiné à recevoir un rayonnement provenant d'un champ ( 23) et à appliquer ce rayonnement à une surface image ( 16), un dé- tecteur ( 26) ayant une surface de détection ( 0) formée par un ou plusieurs éléments détecteurs placés dans une enceinte formant un écran froid qui comporte une ouverture refroidie ( 13) qui limite l'angle d'acceptation du rayonnement par le détecteur ( 26), grâce à quoi le détecteur est limité par le bruit de fond, caractérisé en ce qu'il comporte un système de lentilles de transfert ( 24) entre la surface image ( 16) et le détecteur ( 26) destiné à transférer le rayonnement in- frarouge entre eux et à focaliser le rayonnement transféré sur la surface de détection ( 0) du détecteur ( 26), et ce système de lentilles de transfert ( 24) est constitué par quatre lentilles (A, B, C, D) parmi lesquelles celle (D) des lentilles, qui est adjacente à la surface image ( 16) a une vergence négative tandis que les trois autres lentilles (A, B, C) ont des vergences positives, les 'vergences relatives des quatre lentilles (A, B, C, D) étant sélectionnées en relation avec la courbure de la surface image ( 16) pour donner une courbu- re de champ du rayonnement focalisé sur la surface de détec- tion ( 0) qui corncide avec la courbure physique de cette surface de détection (X), et les dimensions axiales respec- tives de l'espace d'air (N I L) entre les deux lentilles (C, D) les plus proches de la surface image ( 16) et entre les deux lentilles (A, B) les plus proches de la surface de dé- tection ( 0) étant notablement supérieures à celle de l'es- pace d'air restant (M) du système de lentilles de transfert ( 24), les dimensions axiales (L, M, N) étant sélectionnées de façon à placer la pupille formée par le système de len- tilles de transfert ( 24) en coïncidence avec l'ouverture refroidie ( 13), la vergence globale du système de lentilles de transfert ( 24) étant sélectionnée de façon à dimension- 4 er la pupille formée par le système de lentilles de trans- fert ( 24) pour qu'elle corresponde à la dimension de l'ou- verture refroidie ( 13), et la courbure des surfaces ré- fringentes ( 1-8) des lentilles (A, B, C, D) étant sélec- tionnée de façon à donner de faibles aberrations de champ et de pupille. 2 Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'épaisseur centrale de chaque lentille (A, B, C, D) du système de lentilles de transfert ( 24) est faible, ce qui a pour effet de maximiser la transmission du rayonne- ment et de minimiser la quantité de matière utilisée pour les lentilles. 3 Système selon l'une quelconque des revendica- tions 1 et 2, caractérisé en ce que l'espace d'air axial (DI) entre les deux lentilles centrales (B, C) du système de lentilles de transfert ( 24) est pratiquement égal à zéro, ce qui donne un encombrement relativement faible au système de lentilles de transfert ( 24). 4 Système selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractérisé en ce que chacune des surfaces réfringentes ( 18) des lentilles (A, B, G, D) est sphérique, pour que la fabrication de ces lentilles soit simple, du point de vue optique comme du point de vue mécanique. Système selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 4, caractérisé en ce qu'on réalise des changements de courbure de champ par la sélection de l'épaisseur des lentilles individuelles (A, B, C, D) et/ou de la matière à partir de laquelle on fabrique les lentilles (A, B, C, D).