Brevet FR2531237A1 — publié le 19840203

OPTIQUE BIFOCALE ET SON UTILISATON DANS UN APPAREIL DETECTEUR D'IMAGES VIDEOFREQUENCE La présente invention concerne une optique bifocale et son utilisation dans un appareil détecteur d'images vidéofréquence. L'invention s'applique dans le secteur optronique, à des dispositifs de prise de vues télévision, infrarouge ou autres, utilisés dans le domaine militaire (missile, guidage, autodirecteur> ou civil (télé- vision, photographie, etc). Lorsque l'on veut réaliser un objectif bifocal, c'est-à-dire qui présente deux champs d'observation différents, le cas peut se présenter par exemple pour un système de guidage de missile, le grand champ servant à la détection de la cible et le petit champ au pointage fin sur cette cible, la technique conventionnelle met en oeuvre des solutions de type dynamique, c'est-à-dire avec des mouvements d'organes ou de pièces Une première solution connue consiste à avoir un ensemble optique en ligne, ou replié à l'aide de miroirs pour des raisons d'encombrement, avec un dispositif de permutation des objectifs pour passer d'un fonctionnement petit champ à un fonctionnement grand champ, ou l'inverse. -Selon une autre solution connue, les deux objectifs utilisent des pupilles d'entrée distinctes et un prisme mélangeur permet de former chaque image au niveau d'un plan détecteur Il suffit dans cette version de basculer un obturateur sur une voie ou sur l'autre pour sélectionner le petit champ ou le grand champ. Ces solutions présentent divers inconvénients qui sont essen- tiellement, pour la première solution rappelée la nécessité de déplacer des objectifs ce qui exige des mécanismes de précision, des moteurs relativement puissants pour obtenir une commutation en un temps court; en outre, cette solution n'est guère utilisable sur un autodirecteur de missile à effet gyroscopique direct à cause du déplacement des masses mécaniques importantes Pour la seconde solution les inconvénients majeurs résultent en ce que: les deux pupilles sont différentes ce qui nécessite un hublot de grande taille, le volume de l'ensemble est important à cause du mélange optique à réaliser dans le prisme, le dispositif nécessite un moteur ou un électro-aimant pour commander l'obturation sur une voie ou sur l'autre, et n'est donc guère exploitable dans un autodirecteur, il faut également signaler une perte de moitié du flux dans le prisme mélangeur. L'invention a pour but de remédier aux inconvénients des techniques précitées et de réaliser une optique bifocale statique, c'est-à-dire sans aucun équipage mécanique mobile, et particu- lièrement apte à une utilisation sur un autodirecteur de missile stabilisé par effet gyroscopique direct On entend par effet gyros- copique direct le montage dans lequel l'axe de rotation de la toupie correspond à l'axe de l'image sur la caméra ou le détecteur d'images. L'optique bifocale statique selon l'invention est particulièrment adaptée à cette utilisation car elle ne nécessite pas de modifications d'équilibrage En outre, comparée à l'art antérieur précité, l'inven- tion est réalisable avec une optique plus simple et plus compacte ce qui entraîne un gain de volume, de poids et une diminution de coût. Selon l'invention telle que revendiquée, il est réalisé une optique bifocale caractérisée en ce qu'elle comporte un miroir concave et une cellule ayant un électrolyte contenant des ions métalliques, l'électrolyte étant intercallé entre deux parois revêtues d'électrodes reliées à des moyens d'alimentation électrique pour produire par réaction électrochimique, le dépôt ou la dissolution, selon le sens du courant d'alimentation, d'une couche métallique dont les propriétés de transmission et de réflexion varient en fonction de l'épaisseur du dépôt, une première optique de focali- sation de type Cassegrain résultant de l'utilisation conjointe du miroir et de la cellule, cette dernière comme élément réfléchissant par réflexion sur la couche métallique du rayonnement lumineux de réception réfléchi auparavant par le miroir concave, une deuxième optique de focale différente de la première optique et focalisant sur 2531237, le même plan de photoréception résultant de l'utilisation de la cellule avec absence de dépôt métallique, les moyens d'alimentation commandant la cellule pour présenter respectivement un premier état avec couche métallique réfléchissante et un deuxième état avec absence de dépôt. Les particularités et avantages de la présente invention res- sortiront de la description qui suit donnée à titre d'exemple non limitatif à l'aide des figures annexées qui représentent: Fig l, un schéma d'une optique bifocale conforme à l'inven- 1 0 tion; Fig 2, un schéma d'une variante de réalisation d'une optique bifocale conforme à l'invention; Fig 3 a, 3 b et 3 c, des variantes de réalisation de la cellule électrolytique utilisée dans une optique bifocale selon l'invention; Fig 4, un schéma relatif à-upe réalisation d'un appareil détec- teur d'images vidéofréquence utilisant une optique bifocale confor- me à l'invention dans une version gyrostabilisée; Figs 5 et 6, des schémas de détail relatifs à la réalisation du système optique de focalisation et d'atténuation utilisé dans l'appa- reil selon la version Fig 4. En se reportant à la Fig 1, l'optique bifocale comporte un montage du type Cassegrain avec un miroir principal l et un miroir secondaire 2 pour focaliser le rayonnement de réception sur un plan de photoréception 3, par exemple celui d'un détecteur Le miroir principal est réalisé de manière conventionnelle sous forme d'un miroir concave l qui réfléchit le rayonnement incident viers le miroir secondaire 2 Le miroir secondaire 2 est réalisé au moyen d'une cuve électrolytique particulière et est constitué par le dépôt métallique 2 formé dans la cuve par application d'une tension continue VC d'alimentation Cette tension est produite par un- circuit d'alimention et de commande 4 O La cuve est -utilisée en tout ou rien, c'est-à-dire, que sur application d'une tension continue VC, de sens et d'amplitude déterminés il se produit un dépôt métallique 2 jouant le rôle de réflecteur optique et sur application d'une tension de signe inverse on produit la dissolution du dépôt Le passage de la cuve électrolytique dans l'un ou l'autre de ces deux états s'effectue rapidement, en une fraction de seconde, sous l'effet du courrant continu polarisé en conséquence. La structure de la cellule électrolytique 5 va maintenant être rappelée dans ce qui suit à l'aide de la Fig 5 qui montre les détails. La cellule comporte un électrolyte 10 comprenant des ions métal- liques et qui est intercalée entre une première paroi Il -revêtue d'une première couche conductrice transparente 12 formant élec- trode et une seconde paroi 13 associée à une contre-électrodre 14 qui a une forme en anneau pour permettre le passage du rayon- nement lumineux et autoriser le fonctionnement bifocal comme on le verra ultérieurement Les moyens d'alimentation électrique 4 en courant continu sont connectés aux bornes des électrodes 12 et 14 pour provoquer le dépôt ou la dissolution, par réaction électro- chimique à partir des ions, d'une couche métallique 2 sur l'électrode transparente 12 La première paroi Il est transparente de même que Pélectrode 12 pour laisser passer le rayonnement R 1 réfléchi par le miroir concave 1 Pour un sens donné de branchement de la source continue en 4, les ions métalliques, par exemple de l'argent, con- tenus dans l'électrolyte 10 vont se déposer sur l'électrode trans- parente 12 qui peut être à base d'oxyde d'étain ou d'indium, pour former le dépôt métallique 2 Par contre, si le branchement est inversé, la couche métallique 2 se dissout et le métal se dépose alors sur la contre-électrode 14. La version de la Fig l ou de la Fig 5 est relative à une utilisation par réflexion de la cuve 5 dans un premier état de fonctionnement et par transmission dans le second état de fonction- nement A ce titre, la deuxième paroi 13 est également transparente pour laisser passer le rayonnement lumineux incident R 2 dans ce deuxième état, la contre-électrode 14 étant de forme annulaire ne perturbe pas le passage de ce rayonnement, ni le dépôt métallique 2 qui est dissout dans ce deuxième état de fonctionnement Dans l'état petit champ correspondant à l'optique de focale FI formée par le montage Cassegrain 1-2, la face postérieure de la cuve 5 est réflé- chissante grâce à la présence du dépôt électrolytique, cette face a une forme convexe L'optique, dans ce cas, est comparable à un Cassegrain dont le secondaire est un miroir de Mangin Dans l'état grand champ, on a une optique de focale F 2 inférieure à Fl; la cuve est totalement transparente, le dépôt électrolytique sur la face postérieure a été dissout par l'électrolyte sous l'action du courant. Moyennant des formes courbes données aux parois au moins à l'une d'entre elles, la cuve est équivalente et une optique dioptrique de 1 i focale plus faible que celle de l'optique Cassegrain précédente avec formation d'image dans le même plan de détection 3. Dans cette configuration, on peut avoir une superposition dans le plan de détection de l'image grand champ avec une image parasite petit champ d e à la réflexion R 3 des rayons RI sur la face arrière de la cuve, c'est-àdire la face à droite sur la figure En pratique, avec des traitements anti-reflets performants sur cette face arrière de la paroi 11, l'image parasite peut avoir une intensité inférieure au centième à celle de l'image grand champ ce qui reste acceptable dans la majorité des cas. La Fig 2 représente une variante de réalisation de l'optique bifocale suivant laquelle la paroi 13 de la cuve est opaque et sa face interne en contact avec l'électrolyte est traitée réfléchissante pour renvoyer le rayonnement -par réflexion Dans cette variante on réalise un montage Cassegrain dans les deux états de fonction- nement Les deux champs sont obtenus en imposant la réflexion des rayons soit sur le dioptre constitué par le dépôt métallique 2 lorsque celui-ci existe, soit sur le dioptre constitué sur la face réfléchis- sante de la paroi 13 lorsque le dépôt 2 est inexistant Le premier dioptre est composé par le dépôt 2 sur l'électrode transparente 12 de forme courbe, le deuxième dioptre est constitué par le miroir convexe de la face correspondante de la paroi 13 L'électrode annulaire 14 est disposée à proximité de ce deuxième dioptre Dans fe premier état de fonctionnement on obtient une focale F 2 corres- pondant au fonctionnement en grand champ Dans l'autre état de fonctionnement (réflexion sur la paroi 13) la focale FI est plus grande et correspond au fonctionnement en petit champ. La solution selon la Fig 1 conserve un éclairement égal de l'image pour les deux champs ce qui permet son application à l'imagerie d'objets ou de scènes étendus La solution selon la Fig 2 par contre, permet de conserver un flux reçu d'un point à l'infini égal pour les deux champs et s'appliquera donc de préférence à la détection de points lumineux (traceur de missile, images d'étoiles en astronomie, etc). La remarque précédente concernant la formation d'une image parasite reste valable et pourra être traitée de la même façon avec la différence que dans ce cas c'est en petit champ que se forme l'image parasite à l'inverse du cas précédent. Les Figs 3 a, 3 b et 3 c montrent à titre d'exemples quelques variantes possibles de la cuve à électrolyte utilisables dans une optique bifocale selon la Fig l Dans les cas Fig 3 a et Fig 3 b l'une des parois est courbe trandis que l'autre est plane L'électrode 12 n'est pas figurée par souci de simplification Ces deux versions sont applicables également à la variante selon la Fig 2 en utilisant une paroi 13 opaque et réfléchissante pour sa face en contact avec l'électrolyte Dans la version Fig 3 c on utilise une cuve électro- lytique de forme simple étant donné que les parois sont des faces planes parallèles; par contre, la focalisation du faisceau est obtenue par adjonction d'une optique additionnelle 15 en amont ou en aval de la cellule. L'utilisation de l'optique bifocale est plus particulièrement envisagée pour un appareil détecteur d'images vidéofréquence d'un type pouvant constituer un autodirecteur télévision et de préférence en version gyroscopée La Fig 4 est destinée à représenter une telle utilisation Dans un appareil détecteur d'images vidéofréquence, l'image de la scène observée est formée par l'optique réceptrice sur la surface photosensible d'un dispositif détecteur Ce dernier, dans une version autodirecteur est fréquemment constitué par un circuit solide du genre dispositif à transfert de charges, ou bien par un tube de prise de vues de petite dimension dont la cible est à base de silicium Ces détecteur présentent un inconvénient en ce que leur sensibilité reste constante mais dans une plage très limitée Pour accroître la dynamique des détecteurs il y a lieu de prévoir un dispositif de correction automatique de sensibilité Une solution avantageuse consiste à utiliser un montage avec atténuateur optique à cellule électrolytique, de préférence à un diaphragme à pales, en sorte d'avoir un organe statique sans pièces en mouvement La Fig 6 de détail représente les moyens d'atténuation optique 28 et de commande 42. L'optique bifocale selon l'invention est montée sur une sus- pension gyrostabilisée L'optique bifocale réceptrice, le dispositif détecteur et le dispositif atténuateur variable sont suspendus à la Cardan selon un montage gyroscope libre représenté à toupie extérieure La suspension à deux degrés de liberté est identifiable par: un premier cadre 21 solidaire du -bâti ou corps du missile 20, une partie centrale 22 peut tourner autour de l'axe Y compris dans le plan de figure, et un deuxième cadre 23 peut tourner autour d'un axe X perpendiculaire à Y et à 1 'axe optique Z, ou axe du gyroscope. 2 O La toupie 24 ou masse gyroscopique est entratnée en rotation autour de l'axe Z et le montage gyroscopique stabilise cette direction dans. l'espace lorsque l'axe de référence lié à la structure portante, tel l'axe longitudinal du missile, s'écarte de la direction Z (sur la figure ces axes sont représentés confondus) La toupie comporte un rotor 24 et des bobinages statoriques 25 alimentés à partir d'un circuit annexe non figuré. L'optique Cassegrain comporte le miroir principal 1 et le miroir secondaire formé dans la cellule 5 a Cette dernière est du type représenté à la Fig I c'est-à-dire avec la paroi 13 transpa- rente La focalisation après réflexion sur la cellule s'effectue à travers des éléments optiques complémentaires qui comportent une première lentille correctrice 26 et une deuxième lentille pour foca- liser le rayonnement 27 Entre ces deux éléments optiques se trouve un atténuateur optique variable à cellule 28 fonctionnant par trans- mission L'ensemble des éléments optiques allant du miroir secon- daire jusqu'au détecteur se trouve représenté en détail sur les Figs 5 et 6 La toupie 24 comporte un aimant annulaire 30 qui subit les effets magnétiques engendrés par les bobines 25 dites de précession qui sont montées fixes sur un support mécanique 31 solidaire du corps 20 du missile La toupie 24 est découplée du cadre 23 suppor- tant l'ensemble optique atténuateur et détecteur par des roulements à billes 32 La cellule 5 a est supportée par des bras 33 et un cache conique 34 Le découplage mécanique entre les éléments 21 et 22 s'effectue également avec des roulements à billes 35; il en est de même pour les découplages entre les éléments 22 et 23 mais dans ce dernier cas ils ne sont pas visibles sur la figure L'arbre 21 est creux pour laisser le passage aux fils de connexion divers aboutissant d'une part, au dispositif détecteur et d'autre part, aux cellules 5 a et 28, ces fils étant connectés en aval vers des circuits électroniques correspondants Ces connexions comportent en particulier la sortie vidéo du dispositif détecteur, l'alimentation par tout ou rien de la cellule réflectrice 5 a, et l'alimentation variable de la cellule atténu- atrice 28 à partir d'une boucle d'asservissement en fonction de l'amplitude du signal vidéo; les autres connexions sont destinées à l'exploitation du signal vidéo et aux alimentations continues et synchronisations nécessaires au dispositif détecteur 3. Les Figs 5 et 6 montrent de manière plus détaillée l'ensemble optique allant du miroir secondaire 5 a au détecteur 3 La cellule atténuatrice 28 est constituée de manière analogue à celle de la Fig 3 c à l'exception que la contre-électrode 40 est disposée dans la zone centrale étant donné que cette zone ne participe pas dans le montage Cassegrain à la propagation du rayonnement optique utile. En vis à vis de la contre-électrode mais du côté de l'électrode 12 se trouve déposé un isolant opaque 41 également dans la zone centrale qui constitue un masque et évite le dépôt du métal 2, ce dépôt n'ayant pas d'utilité dans la zone centrale Le circuit 42 constitue la boucle d'asservissement de la cellule atténuatrice et produit une tension d'alimentation en fonction de l'amplitude moyenne du signal vidéo en sorte que celui-ci présente une dynamique suffisante pour l'exploitation La correction automatique de sensibilité résulte de l'épaisseur variable du dépôt métallique 2 qui crée une transmission variable On notera également sur l'optique correctrice de champ 26 un dépôt 43 dans la partie centrale destiné à arrêter le rayonnement parasite résiduel résultant de la première réflexion du rayonnement lumineux RI sur la face externe de la paroi Il Ce dépôt 43 forme un diaphragme d'arrêt pour le rayonnement R 3 et ne perturbe pas le fonctionnement puisqu'il est en dehors de la transmission du rayon- nement utile R 4 vers le détecteur. Sur les Fig 4 et Fig 5 la cuve 5 a à été représentée avec le fond arrière transparent mais il va de soi qu'une version avec fond opaque et concave comme représentée sur la Fige 2 est possible. Dans une application à un autodirecteur de missile, le fonc- tionnement s'effectuera d'abord en grand champ pour l'acquisition de la cible puis il passera en petit champ y subsistant jusqu'à la fin de l'opération; il n'est donc pas nécessaire de prévoir le passage petit champ à grand champ Par ailleurs, dans la version réfléchissante selon la Fig 2, le dépôt électrolytique de métal 2 ne procure qu'un taux de réflexion limité, ceci pour des considérations d'ordre tech- nologique et de faisabilité actuelle En conséquence, il est envisagé pour ce type d'application et avec la version cuve réfléchissante d'effectuer, de préférence, un dépôt préalable d'une couche métal- lique 2 ce qui procurera un coefficient de réflexion très élevé en fonctionnement grand champ Au cours du vol du missile, après acquisition de la cible en grand champ, le passage en petit champ est produit par dissolution du métal prédéposé, par électrolyse sous l'effet du passage du courant électrique Le système n'est pas reversible avec les mêmes performances du point de vue réflexion en grand champ mais ceci n'est pas gênant pour un autodirecteur de missile puisque celui-ci doit rester en petit champ jusqu'à l'impact final. Le dispositif selon la Fig 4 comporte deux cuves électro- lytiques ce qui procure des avantages étant donné que la première cuve 5 a selon l'invention permet le changement de champ de vision et la seconde cuve, permet de réaliser automatiquement la régu- l;ation du niveau de lumière sur le détecteur Pour une application à un autodirecteur de missile ce montage est particulièrrnement intéressant du fait de l'aspect entièrement statique des éléments mis en jeu (pas de déplacement significatif de masse matérielle), et la cellule électrolytique 5 a permet d'avoir une commutation du champ de vision sur un autodirecteur stabilisé par effet gyrosco- pique direct. Dans un grand nombre de dispositifs de guidage (guidage de missile, pointage de laser, pointage d'armement divers canons, roquettes, etc), il est nécessaire de disposer d'une caméra télé- vision de prises de vues ayant au moins deux champs de vision, un grand champ pour détecter la cible et un petit champ pour en effectuer la poursuite fine L'invention appliquée à ce type de dispositif permet de réduire la complexité, le volume, le poids et le coût ce qui est appréciable pour des équipements portables et suceptibles d'être fabriqués en grande série. La bande spectrale d'exploitation est limitée à celle de la cuve électrolytique, c'est-à-dire aux caractéristiques correspondantes de l'électrolyte Cette bande spectrale peut couvrir le visible et le proche infrarouge, ce qui permet d'utiliser la majorité des dispositifs détecteurs existants, qu'il s'agisse de tubes ou de détecteurs solides du type dispositif à transfert de charge (ou circuit CCD, Charge Coupled Device en terminologie anglo-saxonne). il REVENDICATIONS 1 Optique bifocale caractérisée en ce qu'elle comporte un miroir concave ( 1) et un cellule ( 5) ayant un électrolyte ( 10) conte- nant des ions métalliques, l'électrolyte étant intercallé entre deux parois ( 12 et 14) revêtues d'électrodes reliés à des moyens d'ali- mentation électrique ( 4) pour produire par réaction électrochimique,. le dépôt ou la dissolution selon le sens du courant d'alimentation, d'une couche métallique ( 2) dont les propriétés de réflexion et de transmisssion varient en fonction -de l'épaisseur du dépôt, une première optique de focalisation du type Cassegrain résulte de l'utilisation conjointe du miroir, et de la cellule, cette dernière comme élément réfléchissant par réflexion sur la couche métal- lique ( 2) du rayonnement lumineux de réception réfléchi auparavant par le miroir concave ( 1), une deuxième optique de focalisation ( 2) de focale différente de la première optique et focalisant sur le même plan de photo-réception ( 3) résultant dé l'utilisation de la cellule avec absence de dépôt métallique, les moyens d'alimen- tation ( 4) commandant la cellule pour présenter respectivement un premier état avec couche métallique réfléchissante et un deuxième état avec absence de dépôt. 2 -Optique bifocale selon la revendication 1, caractérisée en ce que la paroi ( 11) et l'électrode ( 12) côté formation du dépôt métallique ( 2) constituent un milieu transparent pour le rayon- nement lumineux de réception réfléchi par le miroir concave, et que l'électrode ( 14) dite contre-électrode et qui est associée à la se- conde paroi ( 13) est de forme annulaire pour permettre' le passage du rayonnement lumineux dans le deuxième état de fonctionnement de la cellule, cette dernière constituant un miroir de Mangin dans le premier état de fonctionnement. 3 Optique bifocale selon la revendication 2, caractérisée en ce que la seconde paroi ( 13) est également transparente et le rayonnement lumineux dans le second état de fonctionnement de la cellule traverse totalement la cellule. 4 Optique bifocale selon la revendication 3, caractérisée en ce que la cellule constitue la seconde optique de focalisation, au moins une paroi ayant une face courbe pour que la cellule constitue une lentille convergente. Optique bifocale selon la revendication 3, caractérisée en ce que la cellule a des parois ( 11 et 13) planes et qui sont associées avec une optique convergente ( 15) pour produire la deuxième optique de focalisation. 6 Optique bifocale selon la revendication 2, caractérisée en ce que la seconde paroi ( 13) est opaque pour arrêter le rayonnement et traitée réfléchissante sur sa face en contact avec l'électro- lyte ( 10) pour produire la réflexion dans le deuxième état du rayonnement réfléchi par le miroir concave ( 1) et le renvoyer vers le plan de photo-réception ( 3), le rayonnement traversant ainsi deux fois la cellule et l'ensemble cellule et miroir concave constituant la seconde optique de focalisation, également de type Cassegrain. 7 Optique bifocale selon la revendication 6, caractérisée en ce que les parois ( 11-13) présentent des faces courbes en sorte que pour chaque état de fonctionnement on obtient un miroir convexe. 8 Opitique bifocale selon la revention 6 ou 7, caractérisé en ce qu'elle comporte un dépôt préalable formant ladite couche métallique réfléchissante ( 2) pour le premier état de fonction- nement. 9 Utilisation d'une optique bifocale selon l'une quelconque des revendications précédentes dans un appareil détecteur d'images vidéofréquence pour former l'image de la scène observée sur le plan photosensible d'un dispositif détecteur d'images ( 3), caractérisée en ce que l'optique réceptrice ( 1-5 a) et le détecteur sont supportés par un montage gyroscopique ( 21 à 25) pour stabiliser l'axe optique (Z) de réception.