Brevet FR2577327A1 — publié le 19860814

Dispositif de détection et de localisation de sources de lumière, utilisable sur véhicule spatial. L'invention a pour objet un dispositif de détec- tion et de localisation de sources de lumière. Une ap- plication particulièrement importante est' constituée par les dispositifs destinés à être montés sur véhicule spa- tial et permettant notamment, bien que non exclusive- ment, de détecter et de localiser des sources de lumière lointaine ponctuelles (ou de faible dimension) ayant une très faible intensité et éventuellement dispersées dans le champ objet. Des dispositifs de ce type sont notam- ment utilisés sur satellites pour l'observation d'objets stellaires. On peut également les envisager comme sen- seurs pour système de rendez-vous spatial. Ils peuvent notamment être du type comportant des éléments dioptri- ques de formation d'image sur une matrice, linéaire ou plus fréquemment à deux dimensions, de capteurs électro- optiques associée à une électronique de traitement. Etant donné la quasi-impossibilité d'effectuer des réglages ou des réparations sur le dispositif une fois qu'un véhicule spatial qui le porte a été lancé, il est essentiel, d'une part., que des essais complets puissent être effectués au sol dans des conditions re- présentatives de celles qui sont rencontrées lors de la mission, d'autre part, que le dispositif n'exige aucun réglage consécutif aux modifications des conditions de fonctionnement, et notamment aux variations de tempé- rature. Il est au surplus nécessaire de réduire le plus possible le poids et l'encombrement du dispositif. Or, le dispositif de détection doit remplir des conditions extrêmement strictes pour donner des résul- tats satisfaisants. La mise au point géométrique doit être réalisée avec précision et maintenue en dépit des contraintes mécaniques et thermiques. L'électronique analogique directement associée au capteur doit être protégée contre les parasites électriques. La tempéra- ture de la matrice de capteurs doit être maintenue dans une plage étroite alors qu'il n'est pratiquement pas possible de réguler celle des organes de structure qui les supportent et que les fils de transmission des signaux constituent des ponts thermiques. L'invention vise à fournir un dispositif répon- dant à ces conditions. Elle propose dans ce but un dis- positif comportant des éléments dioptriques de formation d'image sur une matrice de capteurs électro-optiques placée dans un plan image proche du plan focal et asso- ciée à une électronique de traitement, dans lequel la matrice est contenue dans un corps tubulaire obturé de façon étanche sur une face par l'élément dioptrique de sortie appartenant à un module regroupant l'ensemble des éléments dioptriques et sur l'autre face par un module, qu'on peut qualifier de module électronique, contenant l'électronique de traitement du signal de la matrice. Le corps tubulaire et les composants qu'il con- tient, c'est-à-dire la matrice (généralement une matrice de capteurs à transfert de charges, dits CTD, tels que ceux couramment dénommés CID et CCD) et l'électronique qui lui est directement associée, constituent un module électro-optique manipulable en bloc. Du fait que ce module est fermé par le module optique qui le précède et le module électronique qui le suit, on améliore la sta- bilité mécanique par réduction du nombre d'interfaces et on réalise un gain notable de poids par rapport à un dispositif comportant trois modules complets. En parti- culier, le module électro-optique peut être fermé à l'avant par une lentille plan concave constituant le dernier élément dioptrique de sortie du module optique. Du fait qu'elle est proche du plan focal et que sa forme est plan-concave, la lentille de sortie permet de corri- ger la courbure du champ. Les liaisons entre l'électro- nique directement associée à la matrice (portée par un circuit imprimé en général) et le module électronique pourront être effectuées par l'intermédiaire de connec- teurs étanches équipant le module électronique. Le corps tubulaire peut aisément être équipé d'un raccord obturable permettant de le relier à une source de vide primaire en vue d'essayer le dispositif dans des conditions représentatives de celles qui seront rencontrées dans l'espace. Ce raccord peut être muni d'une soupape d'obturation commandée à distance ou auto- matiquement de façon à relier l'intérieur du corps tubu- laire à l'ambiance soit immédiatement avant le tir, soit une fois le dispositif dans l'espace. Il est nécessaire que les variations de tempé- rature ne modifient la position relative de la matrice constituant le détecteur et du module optique ni axia- lement, ni transversalement à l'axe optique. Pour assu- rer le maintien en alignement (maintien transversal), la matrice peut être portée par la partie centrale d'un support plat dans lequel sont ménagées des fentes déli- mitant des ailes symétriques de réception de moyens de fixation sur le module optique. Ces fentes ont un double r6le: elles donnent au support plat la possibilité d'absorber des dilatations thermiques differentielles sans déplacement de la matrice par rapport à l'axe optique du module optique. Elles augmentent notablement le chemin thermique entre le corps du bloc optique et le détecteur lui-meme. Les ailes seront maintenues par des pions solidaires du support de l'élément dioptrique de sortie. Quant au maintien le long de l'axe, il pourra comporter des moyens de fixation en trois points, répar- tis autour de l'axe optique, isolés thermiquement de la plaque par des manchons en matière plastique renforcee. Ces moyens assurent un maintien transversal (parallèle- ment à l'axe optique) et laissent une possibilité de dé- placement dans le plan parallèle au plan de détection. Le détecteur doit généralement être maintenu à température basse et régulée. Pour cela, on utilisera généralement un refroidisseur n'intervenant pas dans les liaisons mécaniques, utilisant l'effet thermoélectrique (effet Peltier), relié directement au corps tubulaire qui a une capacité thermique importante et permet d'évacuer un débit thermique élevé sans échauffement notable du "module" électro-optique. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un dispositif de détection et de location de sources stellaires constituant un mode d'exécution, donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels: - la Figure 1 est une représentation éclatée, en perspective, du dispositif de détection, - la Figure 2 est une vue en coupe, suivant l'axe, du module électro-optique du dispositif de la Fi- gure 1, - la Figure 3 est une vue d'arrière du support de détecteur du module plan focal de la Figure 2, - la Figure 4 est une vue d'arrière montrant le montage du détecteur sur son support et l'emplacement des connexions. Le dispositif montré en Figure 1 peut être re- gardé comme comportant un bloc optique 10, un bloc électro-optique 12 et un bloc électronique 14 dont seule la face avant est montrée. Chacun de ces blocs comporte un boîtier et les bottiers des trois blocs sont fixés l'un à l'autre de façon étanche. La paroi arrière 16 du bloc optique 10 est per- cée en son centre d'une ouverture de réception du barillet 18 de la lentille de sortie 20 du bloc. Cette lentille sera généralement de forme plan concave, la face plane étant tournée vers le bloc électro-optique 12. Ce bloc optique fait fonction de couvercle avant pour le corps tubulaire 22 du boîtier du bloc 12. Le couvercle arrière du corps 22 est formé par la paroi avant 24 du bloc électronique 24, traversée par des con- necteurs étanches 26 de raccordement. Par ces connect- eurs s'effectuent les échanges de signaux électriques et la fourniture de la puissance électrique requise pour le fonctionnement du bloc électro-optique 12. Les étanché- ités entre les parois 16 et 24 d'une part, le corps 22 d'autre part, peuvent être assurées de façon classique par des joints toriques en matière synthétique, par exemple en "VITON". La paroi 24 porte également un queusot 28 débouchant à l'intérieur du. boitier du bloc 12 et muni, au moins pour les essais, d'une conduite 30 de raccordement à une source de vide. Lors de la mise en service du dispositif, cette conduite peut être rempla- cée par une vanne à commande automatique de mise en com- munication avec le vide ambiant lorsque le dispositif de détection est dans l'espace. Le module électro-optique 12 contient un détec- teur 32 constitué par une matrice à deux dimensions de CTD (CCD ou CIT). Le détecteur doit être placé de façon extrêmement précise, aussi bien le long de l'axe pour se trouver dans le plan focal que transversalement à l'axe. Il faut de plus que la position transversale et longitu- dinale du détecteur reste extrêmement stable. Pour cela, le dispositif suivant l'invention réduit au minimum le nombre d'interfaces mécaniques entre le détecteur et le bloc optique 10 et donne aux matériaux de liaison une forme et une nature telles que les variations de différence de température entre le détecteur et son support (qui doivent être régulés) et les pièces de structure (à température très variable) ne provoquent pas de déplacement. Dans ce but, le détecteur 32 est porté par un support 34 qui est directement fixé à la paroi arrière 16 du bloc optique 10. Le support 34 sera généralement réalisé en titane, qui a un coefficient de dilatation thermique proche de celui du verre et de l'alumine. Le support est positionné en utilisant comme référence l'axe 35 situé au milieu de l'intervalle entre deux trous ménagés dans la paroi 16. Dans ces trous sont em- manchés, lors du montage, deux pions 36 qui sont prévus pour s engager également dans deux trous 38 percés dans le support 34 (Figure 3). Le support 34 présente une ouverture centrale 40 permettant aux photons d'arriver sur le détecteur, collé ]0 sur la face arrière du support. Ce support, de forme plate, présente une découpe conçue pour remplir deux fonctions. D'une part, la découpe doit allonger les tra- jets d'écoulement de chaleur entre le détecteur et le bottier. D'autre part, cette découpe doit autoriser les dilatations différentielles sans provoquer un décentre- ment du détecteur. Les Figures i et 3 montrent deux fentes 42 déli- mitant dans le support des ailes symétriques dans les- quelles sont ménagés les trous 38 et qui sont prévues pour recevoir des moyens de fixation sur la paroi 16. Ces fentes donnent au support plat la possibilité d'ab- sorber des dilatations thermiques différentielles sans déplacement du détecteur par rapport à l'axe optique du module. Les encoches, orthogonales à l'axe reliant les pions 36, absorbent en effet de façon symétrique les dilatations thermiques du bottier du module optique 10, transmises par les pions de centrage. Une troisième fente 44, orthogonale aux précédentes, a notamment pour fonction d'allonger les trajets thermiques. Trois trous 46 percés dans le support 34 et régulièrement répartis autour de l'axe sont destinés à recevoir des vis 48 de fixation. L'alignement du détecteur 32 dans le sens trans- versal (par rapport à l'axe optique 36) est assuré par les pions de centrage 36. Ces deux pions sont enfoncés à force dans deux trous ménagés dans deux manchons en matière plastique chargée, de faible conductibilité thermique. On peut notamment utiliser des manchons en polysulfone chargé de 30Z de verre, constituant ainsi un matériau rigide ayant une très mauvaise conductibilité électrique. Les manchons sont d'abord emmanchés à force dans la paroi 16 du bloc optique, puis percés pour as- surer une bonne précision de positionnement. Le détecteur est retenu dans le sens longitu- dinal (par rapport au plan focal) à l'aide des manchons étagé 50 enfilés sur les vis 48 et dont les longueurs sont déterminées en fonction des caractéristiques du bloc optique (longueur focale, ouverture, distance entre le plan focal et la face arrière du bloc optique) et des écarts de hauteur entre la surface sensible du détecteur et la face avant de la plaque support. Ces derniers écarts peuvent être mesurés une fois le détecteur collé sur la plaque support. Les vis 48 assurent également, comme on le verra plus loin, le maintien d'un circuit imprimé 52 percé d'un trou central, sur lequel sont céblées les fonctions directement associées au détecteur. Ce circuit imprimé 52 est isolé des vis 48 par des rondelles 54 en poly- sulfone charge. Le détecteur 32 est muni d'un dispositif de re- froidissement, représenté sous forme d'un refroidisseur Peltier 56 à plusieurs étages. La face chaude du refroi- disseur est brasée sur un méplat interne du corps 22. La liaison thermique avec le détecteur est constituée par au moins une lame d'argent 58 dont une extrémité est brasée sur la face froide du refroidisseur et l'autre est collée, à l'aide d'une colle thermiquement conduc- trice, sur la face arrière du détecteur 32. Le refroi- disseur est alimenté en énergie électrique par des fils de fort calibre 60 provenant d'un des connecteurs 26. Des thermistances 62 collées sur la face froide du refroidisseur sont reliées par des fils fins à des connecteurs 26 de raccordement d'un circuit de régula- tion (non représenté). Une thermistance serait suffi- sante mais, dans la pratique, il est plus avantageux d'utiliser une des thermistances pour effectuer la me- sure et l'autre pour contrôler la première. Le circuit imprimé 52 déjà mentionné présente dans sa partie centrale une ouverture de passage des pattes du détecteur et la lame 58. Les liaisons élec- triques du détecteur avec le circuit imprimé sont avan- tageusement réalisées par des fils souples émaillés. La Figure 4 montre schématiquement deux de ces fils de, liaison 64. Ces fils, ayant par exemple un diamètre de 0,16 mm, donc de faibles pertes thermiques, ont une extrémité enroulée et soudée sur une patte de détecteur, l'autre extrémité soudée sur des pastilles conductrices du circuit imprimé. Les liaisons électriques depuis le circuit imprimé jusqu'au connecteur 26 sont réalisées avec des fils de cuivre multi-brins de quelques centi- métres de long, de faible section, n'impliquant que des écoulements thermiques faibles. Les fils peuvent être fixés mécaniquement au corps 22 sur leur trajet pour limiter les vibrations et améliorer la tenue mécanique. REVENDICATIONS 1. Dispositif de détection et de localisation de sources de lumière comportant des éléments dioptriques de formation d'image sur une matrice de capteurs électro-optiques placée dans un plan image proche du plan focal et associée à une électronique de traitement, caractérisé en ce que ladite matrice f32) est contenue d'air dont on fait varier mécaniquement l'épaisseur pour faire varier la réflectivité au niveau de la base du prisme. Un tel type de modulateur présente les inconvénients précités de ne pas être intégrable, d'être peu sensible et de manquer de rapidité, compte tenu de la commande mécanique de variation d'épaisseur. Il a été également proposé de réaliser une modulation d'amplitude à haute fréquence d'un faisceau lumineux en utilisant un prisme dont la base est recouverte d'une couche d'or ou d'argent, laquelle couche métallique est elle-même recouverte d'une autre couche plus épaisse de matériau, tel que de la silice ou du poly- tétrafluoroéthylène, afin de produire un alignemept moléculaire et réaliser un couplage permettant d'utiliser une onde optique guidée 1'rnt...fo te>ent absrbant oui ta. P. I __ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ de formation d'image sur une matrice de capteurs électro-optiques maintenue à basse température et placée dans un plan image proche du plan focal et associée à une électronique de traitement, caractérisé en ce que ladite matrice (32) est contenue dans un corps tubulaire (22) étanche placé entre un module (10) regroupant l'en- semble desdits éléments dioptriques et un module (14) contenant l'électronique de traitement du signal de sor- tie de la matrice et en ce que la matrice est portée par la partie centrale d'un support plat dans lequel sont ménagées des fentes (42) délimitant des ailes symétri- ques de réception de moyens de fixation sur le module optique, lesdites fentes donnant au support plat la pos- sibilité d'absorber des dilatations thermiques différen- tielles et allongeant le trajet d'écoulement thermique entre la matrice et le module optique. 6. Dispositif selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que le support plat (34) présente également une fente (44) transversale aux fentes déli- mitant les ailes. 7. Dispositif selon la revendication 4, 5 ou 6, caractérisé en ce que le support plat est maintenu par rapport à l'axe du module optique (10) par des pions de centrage emmanchés dans la paroi arrière du module op- tique portant l'élément dioptrique de sortie, s'enga- geant dans des trous des ailes et placés de façon que la ligne qui les relie passe par l'axe optique. 8. Dispositif selon l'une quelconqu des revendi- cations 4 à 7, caractérisé en ce que le support plat (34) est fixé à la paroi (16) arrière du module, portant l'élément dioptrique de sortie (20), par lesdites fentes (42, 44). 9. Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un refroidisseur à effet Peltier, porté par le corps tubulaire (22), relié par une lame (5, 8) en matériau *1 bon conducteur à la face arrière du détecteur et, par des fils d'alimentation électrique de faible section, à des connecteurs étanches de liaison avec le module (14) contenant l'électronique. 10. Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit imprimé fixé derrière la matrice, percé d'une ouverture centrale de passage des connexions de sortie de la matrice, et portant des composants électroniques directement associés à la matrice, composants reliés au module (14) par des fils de faible conductivité élec- trique et des connecteurs étanches. - 11. Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications précédentes, destiné à l'observation de sour- ces lointaines de faible intensité, caractérisé en ce que ladite matrice est maintenue au plan focal du sys- tème constitué par l'ensemble des éléments dioptriques.