Brevet FR2620239A1 — publié le 19890310

SYSTEME OPTIQUE POUR CAPTEUR DE RAYONNEMENT La présente invention concerne un système optique pour un capteur de rayonnement, en particulier pour un capteur de rayonnement infrarouge, avec fixation d'au moins un corps de lentille au boîtier du capteur. Un tel système optique pour capteurs destiné à la détection de cibles sur la base du rayonnement infrarouge, est connu par le brevet allemand 33 26 876. A la. différence de l'exemple de réalisation qui y est représenté sur le dessin, le capteur peut aussi comporter un boîtier en forme de cylindre creux qui peut être rabattu autour d'un axe de pivotement parallèle à l'axe de la munition de l'intérieure de celle-ci dans une position active, vers l'extérieur. Selon les conditions de place existantes, on peut aussi prévoir, en outre, de monter le capteur coaxialement, donc de monter l'élément détecteur sans déviation du faisceau dans le boîtier cylindrique creux du capteur axialement après le système optique à lentilles inséré dans l'ouverture. Cela donne, avec une structure plus compacte, des possibilités d'ajustement plus simples en ce qui concerne la géométrie optique souhaitée et permet globalement de réaliser le capteur de façon qu'il puisse subir des contraintes plus fortes, donc qu'il soit plus résistant au tir. Cependant, la fermeture hermétique de l'intérieur du boîtier du capteur du côté de l'ouverture pourvue du système optique à lentilles peut poser des problèmes. En effet, l'assemblage en un capteur complet de modules séparés, fabriqués en étant encapsulés hermétiquement, est très complexe. Après le montage du détecteur et du circuit hybride, ainsi qu'après le contrôle de leur fonctionnement, on peut certes effectuer une fermeture sûre du boîtier cylindrique creux du capteur vers l'arrière en soudant hermétiquement un couvercle, mais il reste la fermeture fonctionnellement critique du boîtier du capteur au raccordement entre le corps de la lentille et la paroi du boîtier. Des tentatives de collage radial du corps de lentille avec la paroi du boîtier au moyen de résine epoxy, comme c'est connu en soi en optique industrielle pour coller un composant optique à une monture, ont échoué, du fait que de telles Jonctions ne se sont pas avérées étanches au vide; elles dégagent du gaz, ce qui est préjudiciable au fonctionnement des composants à semi-conducteurs contenus dans le capteur, et elles sont hygroscopiques, ce qui peut entraîner des perturbations de fonctionnement électriques en raison de la corrosion des pistes conductrices. L'encastrement radial avec des Joints toriques ne s'est pas avéré, non plus, hermétique, du fait qu'en cas de fortes accélérations axiales, il se produit de fortes déformations de ces Joints annulaires, ce qui peut entraîner une destruction du système optique. Compte tenu de ces faits, l'invention a pour objet de concevoir un système optique du type indiqué de façon qu'ils satisfasse à des exigences mécaniques supérieures du point de vue de l'herméticité et de la qualité optique. Pour atteindre cet objectif, selon l'invention, un système optique à lentilles de section en arc en matière semi-conductrice cristalline est encastré dans un anneau de monture en métal du boîtier avec interposition d'un anneau en poudre fritté pour la soudure du verre. Selon cette solution, on peut admettre un intervalle annulaire relativement grand entre la périphérie de la lentille et l'anneau de monture, intervalle qui loge un anneau fritté, facile à manipuler, constitué par la matière de soudure du verre pulvérulente en soi, que l'on fond alors, après positionnement du système optique à lentilles à l'intérieur du boîtier du capteur. On obtient par le refroidissement une Jonction hermétique entre le corps de lentille et l'anneau de monture étanche aux gaz, dépourvue de molécules d'eau et pouvant subir des contraintes mécaniques élevées. Comme choix de matière pour l'anneau de monture (ou pour le boîtier du capteur dans son ensemble, lorsque celui-ci est réalisé en une seule pièce>, un alliage fer-nickel satisfait aux exigences de concordance du gradient de température entre le corps de lentille cristallin et la monture métallique, bien que la courbe de température sur l'intervalle étendu entre la température de fusion de l'anneau fritté de matière de soudure du verre et la température de stockage environnante présente cependant des écarts considérables entre les deux. Il s'est cependant avéré de façon surprenante que, dans le cas d'une géométrie de section convexe, en forme de calotte, du corps du système optique à lentilles appuyé le long de sa périphérie, celui-ci accepte sans destruction les tensions résiduelles encore présentes après un traitement de refroidissement, qui doivent être attribuées en particulier à des différences des courbes de température; de plus malgré les deux surfaces de corps de lentille bombées différemment nécessaires en raison de l'optique géométrique des lentilles convergentes, il n'y a pratiquement plus non plus après le refroidissement de l'anneau de matière de soudure fondu, de défauts optiques, ce qui peut être dû au fait que les déformations d'un côté de la lentille sont très largement compensées, du point de vue de l'optique géométrique, par des déformations à la surface de lentille opposée. D'autres variantes, développements, caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre, d'un exemple de réalisation représenté sur le dessin annexé, se limitant à l'essentiel, et non & l'échelle, dont la figure unique représente en coupe axiale longitudinale le' montage d'une lentille convergente dans l'ouverture du boîtier d'un capteur de rayonnement. Le capteur de rayonnement 11 représenté comporte un détecteur 12 pour capter de l'énergie rayonnée 10 dans le domaine infrarouge du spectre des ondes électromagnétiques. Le détecteur 12 comporte au moins un élément détecteur 13 est enfermé hermétiquement dans un boîtier 15. L'élément détecteur 13 reçoit l'énergie rayonnée 10 à travers une fenêtre de détection 16 par l'intermédiaire d'une ouverture de capteur 17 qui comporte un système optique & lentilles 18 monté dans le boitier 19 du capteur, pour transformer l'énergie rayonnée 10 en signaux électriques. Pour cela, on prévoit dans un boîtier 21 qui est relié hermétiquement au boîtier 15 du détecteur, un montage hybride raccordé électriquement à l'élément détecteur 13, comme on l'a décrit en détail dans la demande allemande 36 36 422 du 25/10/1986. La cavité intérieure 41 du boîtier 19 du capteur est remplie d'un gaz de protection enfermé hermétiquement. L'inclusion a lieu d'une part par l'insertion du boîtier 21 du circuit hybride sous un couvercle de boîtier 42 et, d'autre part, par l'encastrement du système optique à lentilles 18 dans l'ouverture 17. Lorsqu'en particulier le capteur 11 fait partie d'une fusée chercheuse pour une (sous)- munition pouvant être tirée à partir d'armes à tube, la monture du système optique doit pouvoir accepter les forces d'accélération élevées se présentant lors du tir et garantir encore, même après, le positionnement géométrique exact du système optique à lentilles 18 et la fermeture hermétique de la cavité intérieure 41. Pour cela, le système optique à lentilles 18, comprenant au moins une lentille convergente, a une section globalement bombée (donc présente une surface extérieure convexe et une surface extérieure concave). Une zone marginale 43 du système optique à lentilles 18 est disposée coaxialement A l'intérieur du boîtier cylindrique creux 19 du capteur, c'est-à-dire appuyée axialement contre un épaulement d'appui 44. Il reste ainsi entre la périphérie 45 du corps du système optique à lentilles et la surface latérale intérieure de la partie du boîtier 19 du capteur constituant un anneau de monture 46, une fente annulaire périphérique 47 dans laquelle est inséré un anneau de matière frittée 48 constitué par de la poudre de soudure pour verre telle qu'on en trouve couramment dans le commerce, par exemple sous la forme de borosilicate chez la société Firma Schott Glaswerke). De préférence, le centrage du système optique à lentilles 18 n'est pas effectué au moyen de cet anneau de matière frittée 48, mais sur des surfaces inclinées tronconiquement des épaulements d'appui 44 de la monture et de la zone marginale 43 de la lentille, de sorte que l'anneau de matière de soudure de verre 48 peut être inséré avec un ajustement à léger jeu. On peut fritter l'anneau de matière de soudure 48 sans problèmes à une épaisseur de paroi constante, ce qui garantit une épaisseur de couche de soudure uniforme pour la Jonction de la périphérie 25 de la lentille avec l'anneau de monture 46 par l'intermédiaire de la fente annulaire 48, lorsque l'on fait fondre l'anneau de matière frittée 48 après l'insertion. Le corps du système optique à lentilles 18 est constitué par une matière transparente pour le domaine spectral intéressant, dans le cas d'énergie rayonnée infrarouge 10, une matière semiconductrice monocristalline ou polycristalline telle que du silicium ou du germanium. Le boîtier 19 du capteur ou, dans le cas d'un boîtier 19 divisé, au moins sa partie servant d'anneau de monture 46, doit présenter sur l'intervalle de température étendu entre la température de fusion de l'anneau de matière frittée de soudure de verre 48 (de l'ordre de +700'C) et la température environnante la plus basse admissible du capteur [11 (de l'ordre de -40'C) ], une concordance'du coefficient de dilatation thermique avec la matière du système, optique à lentilles 18, donc en particulier avec le silicium. Des métaux comme le tungstène ou le molybdène constituent donc une matière particulièrement appropriée pour l'anneau de monture 46. En fait, elles ne conviennent pas particulièrement pour la fabrication en série, du fait qu'elles sont d'une manipulation difficile, par exemple elles se soudent mal avec d'autres composants ou éléments du boîtier 19 du capteur (comme par exemple un socle de détecteur 49 produit séparément). Un alliage fer-nickel, tel que par exemple celui qui est commercialisé sous la dénomination de "Vacon 10" par la société Vakuumschemelze, représente un compromis particulièrement bon entre les conditions imposées aux courbes de température et les conditions imposées à la fabrication. On peut souder sans problèmes cette matière avec de l'acier machine courant à partir duquel on peut fabriquer au tour le socle de détecteur 49, comme on l'a représenté schématiquement dans le schéma de principe du dessin par le cordon de soudure périphérique 50 d'un boitier de capteur 19 divisé. Cette matière fer-nickel ne présente certes pas forcément sur un domaine étendu une bonne concordance de coefficient de dilatation thermique avec la matière cristalline du système 18; c'est pourquoi il ne s'avère pas possible de Joindre, avec insertion de l'anneau de matière de soudure 48, une plaque plane à l'anneau de monture 46, du fait que cette Jonction perd son étanchéité lors du refroidissement de la température de soudure à la température environnante et peut même rompre la plaque cristalline. Cependant, les tensions apparaissant encore méme une fois le refroidissement effectué, en raison de la concordance encore insuffisante des coefficients de dilatation thermique, sont supportées sans problèmes lorsque le système 18 présente, comme on l'a représenté schématiquement sur le dessin, des surfaces supérieure et inférieure courbes dans le mêmes sens, en section, entre les points d'encastrement radiaux. La fusion de l'anneau de matière frittée pour soudure du verre 48 entraîne alors directement, sans écoulement de la matière de soudure de verre, une soudure hermétiquement étanche du système 18 avec l'anneau métallique 46, en conservant la qualité optique du système 18 utilisé, tant pendant le refroidissement que pendant et après des accélérations axiales importantes. La Jonction est étanche aux gaz et à l'humidité et convient bien pour la fabrication en série tant en ce qui concerne la soudure du verre dans l'anneau 46 qu'en ce qui concerne la Jonction de cet anneau 46 pour obtenir le boîtier de capteur 19 complet; même le long de la périphérie 45 de la lentille, donc sur la fente annulaire 47, on peut admettre de plus fortes tolérances que dans le cas d'une Jonction par collage courante, qui sont aplanies en assurant l'étanchéité et la résistance mécanique par l'anneau de matière fritté pour soudure du verre 48. La fermeture hermétique postérieure de la cavité intérieure 41 du capteur peut être effectuée directement par insertion ajustée du boîtier 21 du circuit hybride qui y est fixé, ou encore, plus simplement, par un couvercle postérieur 51. Comme on l'a représenté symboliquement sur le dessin, celui-ci est d'abord, de façon appropriée, vissé pour vérifier le fonctionnement du capteur 11 achevé, pour compenser des tolérances axiales des composants insérés; éventuellement, après l'achèvement des opérations de montage et d'ajustement, on le relie hermétiquement au reste du boitier cylindrique creux 19 du capteur par un cordon de soudure périphérique. Pour maintenir protégé contre les chocs le corps du système optique 18 à l'opposé de son assise périphérique sur l'épaulement d'appui 44, on peut, comme on l'a également représenté sur le dessin, introduire dans le dégagement de l'ouverture 17, un anneau d'appui 52, par exemple le visser Jusqu'au contact avec le système optique 18. REVENDICATIONS 1. Système optique (18) pour un capteur de rayonnement (11), en particulier pour un capteur (11) de rayonnement infrarouge, avec fixation d'au moins un corps de lentille au boîtier (19) du capteur, caractérisé en ce qu'un système optique à lentilles (18), de section en arc, constitué par une matière semi-conductrice cristalline, est encastré dans un anneau de monture (46) en métal du boîtier (19) avec interposition d'un anneau (48) en poudre frittée pour soudure du verre. 2. Système optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'anneau de matière frittée pour soudure du verre (48) est inséré dans un intervalle annulaire (47) entre la périphérie (45) du corps de lentille et l'anneau (46) du boîtier. 3. Système optique selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le système optique à lentilles (18) est appuyé axialement par une zone marginale (43) contre un épaulement d'appui tronconique creux (44) à la surface périphérique intérieure de l'anneau (46) du boîtier. 4. Système optique selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'à l'opposé de l'épaulement d'appui (44), un anneau d'appui (52) s'appuie axialement à l'intérieur de l'anneau de monture du système optique à lentilles (18). 5. Système optique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est incorporé dans un boîtier de capteur (19) en plusieurs parties, dont une partie constitue l'anneau de monture (46) du corps de lentille. 6. Système optique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'anneau de monture (46) pour le corps cristallin du système optique à lentilles (18) est constitué par un alliage fer-nickel.