Brevet FR2602060A1 — publié le 19880129

La présente invention concerne un dispositif optoélectrique de détection à détecteur solide refroidi et s'applique avantageusement à des systèmes comportant un montage gyroscopique tel que, en particulier, des systèmes de guidage d'engin Le guidage d'engin (missile, bombe guidée, roquette etc...) par autodirecteur optronique peut s'effectuer dans le domaine spectral visible ou infrarouge, il en résulte différents types d'autodirecteurs (télévision, infrarouge, laser).Pans chaque cas, le détecteur en circuit solide est spécifique et l'ensemble optoélectrique est déterminé en fonction des contraintes d'utilisation, notamment de : la qualité d'image à réaliser par le dispositif optique récepteur, la taille de l'objectif (dimension de la pupille d'entrée) qui joue directement sur la portée, la qualité de la stabilisation par dispositif inertiel de l'axe optique qui conditionne les possibilités d'accrochage de l'autodirecteur et la température de fonctionnement du détecteur qui joue sur sa sensibilité, donc sur la portée. Pour améliorer la sensibilité du dispositif et obtenir un rapport signal à bruit satisfaisant, il est généralement nécessaire de refroidir le détecteur solide. Ceci est particulièrement vrai pour les autodirecteurs de hautes performances, notamment ceux dans lesquels on forme une image video du-champ observé et où le détecteur , mobile avec l'optique réceptrice, est refroidi à des températures pouvant être très basses. La température de fonctionnement peut varier selon le type de détecteur solide utilisé entre 0 et -2O00C environ. La nécessité de procurer au niveau du détecteur une énergie de refroidissement, au moyen par exemple d'un gaz sous pression que l'on détend, implique des solutions techniques volumineuses et complexes pour loger le dispositif de refroidissement, tel un cryostat à détente Joule-Thomson à azote liquide. Le détecteur se trouve placé dans une enceinte fermée où circule le fluide de refroidissement, la paroi de l'enceinte en regard du détecteur étant en matériau transparent pour le rayonnement à détecter. L'invention a pour but de remédier aux difficultés précitées en solutionnant de manière économique et simple le problème du refroidissement du détecteur solide, en réalisant un ensemble compact qui, en utilisant comme on le verra ultérieurement la rotation de l'équipage mobile d'un gyroscope, peut être intégré facilement en préservant les caractéristiques de compacité, de poids et de coût de l'équipement. Suivant une caractéristique de l'invention, le détecteur solide est refroidi au moyen d'un dispositif réfrigérateur thermoélectrique par effet Peltier monté sur un boîtier bon conducteur pourvu d'ailettes. Suivant une autre caractéristique, le boîtier comporte une ailette circulaire ou conique disposée en regard et à proximité d'une face latérale corres- pondante de l'organe tournant d'un gyroscope pour amé- liorer le refroidissement par convection forcée du fluide gazeux compris dans l'intervalle séparant ces deux pièces. Les particularités et avantages de la présente invention apparaîtront au cours de la description qui suit donnée à titre d'exemple, à l'aide des figures annexées qui représentent - Fig. 1, un schéma d'une première version d'un dispositif optoélectrique de détection conforme à l'invention, envisageable en fonction de la place disponible ; - Fig.2, un schéma d'un seconde version, préfé rentielle,d'un dispositif optoélectrique de détection selon l'invention, mettant à profit la rotation de la toupie d'un gyroscope - Figs.3 eut4, des schémas d'exemples de réalisation du dispositif selon la Fig.2 pour constituer notamment des systèmes de guidage d'engin. En se reportant à la version représentée sur la Fig.l, le dispositif optoélectrique comporte, un détecteur 1 en circuit solide, une optique réceptrice 2 pour focaliser le rayonnement provenant du champ observé sur le détecteur généralement centré sur l'axe optique Z, et des moyens de refroidissement. La partie électronique de traitement et-d'exploitation du signal détecté n'est pas prise en considération dans la présente description , ni figurée. Les moyens de refroidissement comportent un dispositif réfrigérateur thermoélectrique 3. Ce dispositif est entièrement statique et fonctionne par effet Peltier. Le bloc 4 représente une alimentation en courant nécessaire pour le dispositif réfrigérateur 3.Ce dernier présente une première face latérale dite face froide FF, sur laquelle est monté le détecteur 1 à refroidir et, sur son autre extrémité, une deuxième face, dite face chaude FC. Pour évacuer l'énergie calorifique accumulée sur la face chaude FC, l'ensemble 1-3 est monté dans un boîtier 5 aménagé pour permettre la dissipation calorifique vers l'extérieur. Le boîtier 5 est couplé à la face chaude FC du dispositif 3 et forme une enceinte fermée contenant l'ensemble 1-3 isolé du gaz ambiant extérieur ; cette enceinte refroidie est munie d'un hublot 6 pour la transmission du rayonnement foca lisé vers le détecteur 1. Le dispositif réfrigérateur thermoélectrique 3 permet, suivant un principe bien connu, de transférer de la chaleur de la face froide FF vers la face chaude FC. Ce transfert est obtenu grâce à l'effet Peltier produit par le passage d'un courant continu provenant de l'alimentation 4. Le dispositif 3 peut être réalisé selon les techniques connues, au moyen de deux plaquettes en céramique correspondant aux faces terminales FC et FF et qui sont reliées par l'intermédiaire de rondelles en matériau semi-conducteur lesquelles sont soudées respectivement par leur face opposée à ces plaquettes-Un module comporte deux rondelles, l'une de type P, l'autre de type N t le montage comporte généralement une batterie de plusieurs le-- rpA aux -nter la puissance pompée ou l'écart de telipérature en - FC et FF. Afin de maintenir la température du détecteur 1 porté par la face froide sensiblement à la valeur de fonctionnement désirée, il est nécessaire d'évacuer les calories produites sur la face chaude FC. A cet effet, le boltier 5 qui contient l'ensemble 1-3 est en un matériau bon conducteur de la chaleur, en alliage de cuivre par exemple et est aménagé comme représenté avec la partie en contact avec la face FC équipée d'ailettes 7 dont le rôle est d'augmenter la surface de dissipation de la face chaude. Un tel montage présente certains inconvénients liés à l'ordre de grandeur des puissances à dissiper et qui conduisent, dans ce mode d'échange de chaleur par convection naturelle, à une surface d'ailette qui peut être importante, de l'ordre de 50 à 250cm2 pour des puissances à dissiper de 2 à 10 Watts. Cette version s'avère ainsi , dans la plupart des cas, incompatible avec le volume disponible dans la partie gyroscopique d'un autodirecteur d'engin. Pratiquement, elle n'est donc envisageable que pour de gros calibres, ou si l'on dissocie le gyroscope de l'ensemble optique et détecteur, ce qui conduit alors également à des calibres d'engins assez important (supérieurs à 200mm). Un mode de réalisation préféré est maintenant exposé à l'aide de la Fig.2 dans le concept où le dispositif optoélectrique de détection équipe un système pourvu d'un gyroscope. Le gyroscope à deux degrés de liberté, ou plus, est destiné principalement à stabiliser l'axe optique Z ou axe de visée du dispositif il supporte l'ensemble optique et détecteur. I1 comporte une partie tournante symbolisée en 8, dite rotor ou toupie, qui est entraînée en rotation autour de l'axe Z à stabiliser. Le gyroscope est utilisé pour participer, conformément à l'invention, au refroidissement du détecteur et permettre une réalisation compacte de l'en- semble détecteur 1 avec ses organes de refroidissement 3 et 5. Le couplage mécanique de cet ensemble 1-3-5 à la suspension (cardan ou rotule) du gyroscope est schématisé par une pièce 9 cylindrique d'axe Z, à titre d'exemple. La toupie 8 est découplée de la suspension par les éléments 10, tels des roulements à billes. La fixation de la partie optique réceptrice 2 à la suspension n'est pas figurée par souci de simplification. La toupie 8 présente des faces latérales 80 éloignées de l'axe Z et qui sont exploitées pour participer au refroidissement en donnant une structure particulière au boîtier 5, telle que les sufaces dissipatrices épousent la forme de ces faces latérales et se trouvent disposées en vis-à-vis de celles-ci à faible distance. I1 est produit ainsi un volume délimité correspondant à l'intervalle séparant les faces en regard et la rotation de la toupie produit un effet de pompe centrifuge chassant le fluide gazeux vers l'extérieur et refroidissant au passage les surfaces dissipatrices.Celles-ci peuvent consister en une seule ailette 70 de forme symétrique par rapport à l'axe de rotation Z de la toupie,circulaire comme représenté ou conique (Figs 3-4) selon l'inclinaison présentée par rapport à l'axe Z.La structure d'ensemble doit être prévue pour renouveler le fluide gazeux ambiant à l'entrée de l'intervalle de séparation et en ce sens, il peut être nécessaire de ménager des. ouvertures dans des pièces mécaniques pour créer un libre courant de circulation. Dans le cas de figure représenté ces ouvertures 15 sont disposées sur la pièce support 9, elles pourraient l'entre également sur la partie inférieure de l'ailette 70 (Fig.3). Le gaz capté est chassé du centre vers la périphérie de la toupie par la rotation. A l'aide d'une structure particulière du type qui vient d'être décrit, ménageant des faces en regard entre la toupie et les surfaces dissipatrices, la rotation de la toupie contribue au refroidissement du détecteur et l'efficacité de l'échange calorifique est considérablement plus élevée que dans le montage selon la Fig. 1. Cette efficacité peut par exemple être multipliée par un facteur de 10, ce qui ramène la surface de l'ailette 70 à une valeur aisément réalisable du point de vue intégration de l'ensemble détecteur. refroidi dans l'équipement gyroscopique , ce qui est particulièrement avantageux pour des systèmes autod-irecteurs où la place est très contingentée. Deux exemples d'application de ce type sont représentés sur les figures 3 et 4 où les mêmes élé ments sont référencés comme précédemment. L'optique réceptrice du type Cassegrain comporte, derrière un dome transparent 20, un miroir principal 21 et un miroir secondaire 22. Le miroir principal est rendu solidaire dans sa partie centrale du boîtier 5 auquel le miroir secondaire est couplé au moyen de bras 23. Les surfaces latérales (80, Fig.2) de la toupie sont réalisées au moyen d'une pièce 81 support de la toupie 8 proprement dite. L'ailette de refroidissement 70 est de forme conique. La pièce 81 dans sa partie en regard avec l'ailette peut présenter la même inclinaison par rapport à l'axe Z. Les ouvertures 15 sont réalisées dans le boîtier à la partie inférieure de l'ailette 70 dans la première réalisation.Dans la seconde réalisation suivant Fig.4, la pièce 81 comporte des ouvertures 15a et d'autres ouvertures 15b sont ménagées sur une deuxième pièce 30 de la suspension gyroscopique à la cardan pour fermer le trajet de circulation F du gaz ambiant. La figure 3 représente une réalisation avec un gyroscope du type à cardans extérieurs. La toupie 8 à l'intérieur de l'anneau de cardan, est maintenue en rotation dans son boîtier par un moteur à stator 25 intérieur. La circulation du fluide gazeux de refroidissement est illustrée en F. La dérive du gyroscope due à cette ventilation, lorsque l'axe optique est dépointé par rapport à celui de l'engin porteur et qu'il en résulte une dissymétrie structurelle vis-à-vis de l'axe engin , reste assez faible pour ce mode de réalisation, environ 0,010/sec,et est généralement compatible avec les performances exigées pour la stabilisation gyroscopique d'un autodirecteur d'engin. Dans le second mode représenté sur la Fig.4, le gyroscope est à cardans intérieurs, la toupie 8 étant extérieure à la suspension et entraînée par un moteur à stator extérieur 26. Le couple CV nécessaire pour maintenir la rotation est exercé surla toupie et lié à la dérive due à la ventilation par la relation CV d = K H tg y, où H représente le moment cinétique de la toupie et y l'angle de dépointage entre l'axe Z du gyroscope et celui de l'engin. Cette dérive, si elle dépasse les limites tolérées, pourra être aisément compensée par un dispositif électronique annexe à partir de l'information y. La valeur de dépointage y est mesurée par des capteurs tels l'élément 277 la valeur du couple CV étant l'image du courant absorbé par le moteur d'entretien. Pour améliorer encore le refroidissement, des dispositifs à ailettes 28 montés sur le corps de l'engin peuvent être prévus sur le. trajet d'écoulement du fluide gazeux en vue d'accroître le transfert calorifigue vers l'extérieur de l'engin, à travers ses parois 29. Les dispositifs 28 peuvent être avaltageuse- ment conçus selon des techniques analogues e elles utilisées pour l'ensembl 2 3-5 de la Fig.l poa constituer un montage statique qui fonctionne par effet Peltier en procurant cette fois un transfert de calories de la face chaude vers la face froide, laquelle est en contact avec le corps de l'engin. Le dispositif optoélectrique de détection qui vient d'être décrit combine, selon une réalisation préférentielle , à l'intérieur d'un gyroscope, un détecteur optronique et son dispositif de refroidissement disposés dans un boîtier bon conducteur de la chaleur et pourvu d'une surface de dissipation, la surface étant disposée en regard d'une partie tournante pour produire une évacuation efficace de la chaleur dégagée par le détecteur et maintenir celui-ci à température basse. Ce dispositif est aisément intégrable sur un autodirecteur et procure une solution économique au problème de refroidissement. L'utilisation d'un dispositif conforme à l'invention est envisageable pour tout système dans lequel le détecteur procure un fonctionnement satisfaisant pour une température située dans une plage compatible avec le dispositif réfrigérateur thermoélectrique statique par effet Peltier. A titre indicatif et non limitatif cette plage globale peut déjà être située aisément entre +2O0C et au moins jusqu'à -400C. Le dispositif admet diverses variantes conformes aux caractéristiques exposées et de ce fait incluses dans le cadre de la présente invention. En particulier, le mode préféré selon Fig.2 et suivantes peut également comporter une pluralité d'ailettes comme dans le cas de la Fig.l si le volume disponible le permet. Par ailleurs, les formes de l'ailette de révolution et des surfaces tournantes en regard pourront être plus complexes que celles représentées, par exemple, s'inspirer de celles de pales de turbine pour améliorer l'écoulement du fluide par convection forcée et consécutive- ment, le refroidissement. Dans le même esprit, l'inclinaison des surfaces en regard peuvent être déterminées différentes REVENDICATIONS 1 - Dispositif optoélectrique de détection à détecteur solide refroidi, dans lequel le détecteur, associé à une optique de focalisation, est disposé dans une enceinte refroidie d'un dispositif de refroidissement, l'ensemble étant monté sur la-suspension d'un gyroscope qui stabilise l'axe optique, caractérisé en ce que le dispositif de refroidissement comporte, un dispositif refrigérateur thermoélectrique (3) par effet Peltier avec une face chaude (FC) et une face froide (FF) sur laquelle le détecteur (1) est monté, un boîtier (5) formant l'enceinte contenant le détecteur ainsi que le dispositif refrigérateur auquel il est couplé par la face chaude, le boîtier étant muni d'au moins une ailette (70) pour produire des surfaces de dissipation calorifique avec une forme adaptée pour être positionnée à proximité et en regard de surfaces latérales (80) solidaires de la toupie (8) du gyroscope, la rotation de celle-ci autour dudit axe (Z) produisant par convection forcée une circulation centrifuge du fluide gazeux ambiant compris dans l'intervalle séparant ces surfaces. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ailette est sensiblement parallèle auxdites surfaces latérales tournantes. 3 - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en cette l'ailette est de révolution autour dudit axe. 4 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que des ouvertures (15) sont ménagées dans des pièces pour renouveler le fluide gazeux ambiant remplaçant celui chassé par effet centrifuge résultant de la rotation. 5 - Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les ouvertures sont pratiquées dans le boîtier à la base de l'ailette. 6 - Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les ouvertures sont pratiquées sur des pièces du gyroscope. 7 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, disposé à l'intérieur d'un engin porteur et caractérisé en ce que les moyens de refroidissement comportent en outre, un dispositif à ailettes (28) de dissipation calorifique solidaire du corps (29) de l'engin et placé sur le trajet de circulation (F) du fluide gazeux chassé par la rotation. 8 - Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le dispositif à ailettes est aménagé pour constituer un convertisseur de puissance thermoélectrique par effet Peltier. 9 - Dispositif optoélectrique de détection à détecteur solide refroidi, dans lequel le détecteur, associé à une optique de focalisation, est disposé dans une enceinte refroidie d'un dispositif de refroidissement, caractérisé en ce que les moyens de refroidissement comportent, un dispositif réfrigérateur thermoélectrique (3) par effet Peltier avec une face chaude (FC) et une face froide (FC) sur laquelle est monté le détecteur (1), un boîtier (5) pour former l'enceinte contenant le détecteur ainsi que le dispositif réfrigérateur auquel il est couplé par la face chaude, le boîtier étant aménagé avec des ailettes (7) extérieures dans sa partie solidaire du disposée tif réfrigérateur pour produire des surfaces de dissipation calorifique. 10 - Dispositif selonl'une quelconque des revendications 1 à 9, appliqué à un système de guidage d'engin par autodirecteur optronique.