Brevet FR2649493A1 — publié le 19910111

CAPTEUR OPTIQUE POUR L'IDENTIFICATION ET LA DETECTION DIRECTIONNELLE DE RAYONNEMENTS OPTIQUES L'invention se rapporte à un capteur optique pour l'identification et la détection directionnelle de rayonnements optiques à l'aide d'une mesure du temps de parcours et de la détermination des signaux par comparaison d'amplitudes. Par le brevet allemand 33 23 828 et la demande de brevet allemand 35 25 518, on connaît des capteurs dans lesquels la direction du rayonnement laser incident est établie et déterminée à l'aide d'une mesure du temps de parcours. En pareil cas le rayonnement laser est guidé dans des fibres optiques. Ici, avec un très petit nombre d'éléments détecteurs et de circuits électroniques, on capte un grand angle solide avec une bonne résolution angulaire. Cette solution proposée suppose cependant des guides de lumière qui peuvent fonctionner dans toute la zone spectrale d'une menace laser possible. Dans la zone de 0,4 Pm à 2 pm, qui englobe les plus fréquentes sources laser, comme les lasers à rubis, les diodes lasers, les lasers à cristal d'Alexandrite, les lasers Nd: YAG et les lasers à erbium et à holmium etc. , on peut utiliser des fibres de silice. Pour franchir la zone jusqu'à 4, 5 pm avec par exemple des lasers au fluorure de deuterium (à 4,2 pm), des fibres optiques en fluorures - par exemple en fluorure de zirconium - ce sont avérées idoines. Dans les zones spectrales de 8 Mm à 14 Mm si importantes militairement, aucune des fibres optiques précitées ne peut être utilisée en raison de la transmission défectueuse du matériau. Au cours de ces dernières années, on a certes mis au point des fibres optiques, comme par exemple des fibres en forme de conducteurs creux en matériaux plastiques et en métaux, des fibres en sels cristallins tels que NaCl, KCl, des fibres polycristallines en Cs Br, Tl Ce ou des fibres en chalcogénures en AS, Ge, Se, Te. Par rapport aux fibres optiques pour les plus courtes longueurs d'onde, les fibres sus-mentionnées présentent cependant toujours de sérieux inconvénients, à savoir une forte atténuation et une grande sensibilité à l'humidité, une toxicité non négligeable et une faible flexibilité. C'est pourquoi il n'a pas été possible jusqu'ici de construire des capteurs d'alerte laser pouvant fonctionner sans histoire dans la zone spectrale de 8 pm à 14 Mm. L'invention a pour objet de concevoir un capteur qui fonctionne sans fibre ou tout au plus avec des fibres de courtes longueurs et qui permette une bonne résolution angulaire avec un petit nombre d'éléments détecteurs même dans la zone de l'infrarouge lointain, ce capteur de construction compacte devant garantir une grande sensibilité optique tout en étant insensible à la lumière de l'arrière plan et à la scintillation du rayon laser dans l'atmosphère ainsi qu'une grande zone dynamique. Ce résultat est atteint selon l'invention par le fait que l'optique d'entrée du capteur est réalisée sous la forme d'une section de coque sphérique diélectrique et transparente dont les surfaces - avec des épaisseurs de sections transversales appropriées - et/ou dont les combinaisons des sections transversales, sont constituées par une mince surface de coque, un espace d'air ou un interstice sous vide et une surface de miroir totalement réfléchissante, que le rayonnement incident est amené par réflexion au bord de la section de coque sphérique et de là est directement amené par un anneau réfecteur ou à l'aide d'une conduction par guides d'ondes lumineuses à plusieurs détecteurs électro- optiques et que la direction de l'incidence dans l'espace est déterminée à partir du rapport des signaux de ces détecteurs. Dans un mode de réalisation avantageux de l'invention, le capteur comporte des dispositfs intégrés qui, à partir du tracé du rayonnement des détecteurs, déterminent des paramètres du rayonnement tels que la longueur d'onde, la durée du rayonnement et la fréquence de répétition. Dans le capteur selon l'inventon, la surface intérieure de la coque est réalisée sous la forme d'un miroir métallique et le signal optique, qui est réfléchi entre les deux surfaces de la coque, est introduit dans le détecteur directement sur le bord de la section de coque sphérique. Selon une autre particularité de l'invention, la section de coque sphérique diélectrique et transparente a une épaisseur telle que le rayonnement traverse la première surface et la seconde surface de la coque avec un décalage prédéterminé du rayon et, après traversée d'un interstice d'air ou de vide, est rétroréfléchi sur la seconde surface de la coque par une surface sphérique métallique et que la partie du rayonnement incident, alternativement réfléchie entre ces deux surfaces, est amenée aux détecteurs. Dans le capteur selon l'invention, comme surface d'entrée du détecteur, on utilise la surface convexe de la section de coque sphérique ou la surface intérieure concave de la section de coque sphérique. Selon une autre caractéristique de l'invention, le signal optique du rayonnement sur le bord entre les deux surfaces limites réfléchissantes peut être amené directement au détecteur électro-optlque. Ce signal optique du rayonnement sur le bord entre les deux surfaces limites réfléchissante peut aussi être introduit dans un ou plusieurs guides d'ondes lumineux qui sont reliés au détecteur. Il est aussi possible que le signal optique du rayonnement sur le bord de l'interstide d'air ou de vide entre les surfaces réfléchissantes soit amené à des dispositifs auxiliaires, comme des déflecteurs de rayons, des lentilles convergentes, pour améliorer la focalisation. Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, la section de coque sphérique diélectrique et transparente est mise en rotation autour de l'axe du rayon par rapport au centre de la coque sphérique au moyen d'un système d'entraînement. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description de modes de réalisation pris comme exemples, mais non limitatifs, et illustrés par le dessin annexé, sur lequel: la figure I est un schéma représentant la propagation vers le bord de la coque du capteur d'un rayon lumineux central arrivant sur la surface du capteur; la figure 2 est un schéma représentant en coupe transversale un premier exemple de réalisation d'une optique d'entrée du capteur d'alerte laser; la figure 3 est un schéma représentant en coupe transversale un autre exemple de réalisation d'une optique d'entrée du capteur d'alerte laser; la figure 4 est un schéma représentant en coupe transversale un troisième exemple de réalisation d'une optique d'entrée du capteur d'alerte laser; les figures 5a à 5c représentent trois schémas illustrant différents modes de réalisation de dispositifs pour amener au détecteur le signal de mesure du rayonnement marginal; la figure 6 est un diagramme représentant l'intensité lumineuse d'un capteur à double coque selon l'invention; la figure 7 est un diagramme représentant le rapport des signaux optiques au niveau du capteur à double coque selon la figure 6; la figure 8 est un diagramme illustrant le rapport des signaux "V" des intensités au niveau du capteur à double coque selon la figure 6. En raison de l'utilisation croissante du rayonnement laser pour la mesure, le repérage et la commande de systèmes de conduite de tir sur les champs de bataille etc., le besoin en capteurs d'alerte laser se fait de plus en plus pressant pour identifier un rayonnement laser dans l'entourage naturel et pouvoir déterminer la position de la source de rayonnement sur le terrain ou dans l'air. Comme pour de telles utilisations, on recourt déjà actuellement à des sources laser allant de la lumière visible à la zone de l'infrarouge moyen du rayonnement thermique, il faut donc aussi disposer de capteurs d'alerte pour ces zones spectrales. On a déjà expliqué au début que jusqu'ici ni les fibres optiques de silice, ni celles en fluorure de zirconium ne pouvaient être employées dans la zone spectrale de 8 pm à 14 pm si importantes du point de vue militaire. Or, c'est précisément dans cette zone qu'avec À = 10,6 pm se situe la longueur d'onde du laser à C02 qui prend de plus en plus d'importance en tant que télémètre, marqueur de cibles et source de rayon de guidage. Et c'est ici qu'intervient l'invention avec une conception étonnamment simple pour une tête de capteur optique qui repose sur le principe de la comparaison d'amplitudes de signaux optiques. En pareil cas, on part du principe que si un rayonnement dirigé tombe sur une plaque transparente d'un diélectrique, par exemple du verre, une partie du rayonnement traversant, en raison de la différence des indices de réfraction de l'air et du diélectrique, est rétroréfléchie sur la seconde surface dans le diélectrique, c'est-à-dire qu'une partie du rayonnement S traverse la première surface, et qu'une autre partie est rétro-réfléchie dans le diélectrique o le processus se répète plusieurs fois. Dans le cas d'une incidence perpendiculaire à la plaque, la partie de la puissance du rayonnement, qui est rétroréfléchie sur de telles surfaces, est, d'après la formule de Fresnel: Ir /Io = (n - 1)2 / (n + 1) 2 formule dans laquelle n est le rapport des indices de réfraction du diélectrique et de l'air. En cas de verre à vitre normal avec n = 1,5, cette partie représente environ 4%, avec des verres à indices de réfraction élevés dans la zone infrarouge comme le germanium avec N = 4, elle est d'environ 36%. En cas d'incidence non perpendiculaire d'un faisceau lumineux sur une plaque plane, la partie réfléchie croit avec l'angle d'incidence et la lumière, qui est incluse dans la plaque, migre vers le bord de celle-ci après réflexion multiple. Cet effet - comme l'illustrent les exemples de réalisation suivants - est utilisé pour déterminer le sens de l'incidence du rayonnement lorsque, à la place d'une plaque plane constituée par un diélectrique, on utilise une section de coque sphérique. A ce propos, on propose trois modes de réalisation différents. Le premier mode de réalisation - schématisé à la figure 2 - est formé par une section de coque sphérique 11 en matériau diélectrique. Le rayonnement incident S arrive sur cette section de coque sphérique 11 en matériau diélectrique dont les surfaces extérieure 11' et intérieure 11" présentent les rayons ri et r2. Les sections de coques sphériques - rapportées au centre M de la sphère - ont un angle d'ouverture de 8/2. La surface intérieure est de préférence fortement métallisée 13, si bien que le rayon incident S est complètement réfléchi. La partie du rayonnement, traversant la surface extérieure, est alternativement réfléchie plusieurs fois entre les deux surfaces 11' et 11" et, au cas o le rayon arrive obliquement sur la surface, s'éloigne du point d'impact. Comme on peut le voir à la figure 1, en cas d'une observation bidimentionnelle, la partie du faisceau du rayon S, arrivant à droite du rayon passant par le centre M, va vers la droite, la partie arrivant à gauche de celui-ci, vers la gauche. En fonction de l'angle d'incidence ?f de la totalité du faisceau de rayons, on obtient donc & l'extrémité droite et à l'extrémité gauche de la section de coque sphérique différents signaux qui sont soit amenés directement à un détecteur 16, soit introduits dans les guides d'onde 15 raccordés au détecteur 16, puis amenés à celui-ci et utilisés pour la détermination de l'angle d'incidence. L'exemple de réalisation de la figure 3 prévoit d'insérer un interstice d'air ou de vide 12 d'épaisseur ri - r2 entre la surface 13 fortement métallisée de rayon r2 et le diélectrique (la section de coque sphérique transparente 11). Ce n'est que par la surface de rayon ri que se raccorde le diélectrique 11 d'épaisseur r3 - ri. Le diélectrique est de préférence réalisé entièrement anti-reflet du côté externe, si bien que les rayons arrivant peuvent pénétrer dans celui-ci de l'extérieur pratiquement sans perte par réflexion. Pour la déviation transversale du rayonnement incident, on utilise dans cette version non pas le diélectrlque, mais l'interstice d'air ou de vide 12. Ici, un rayon incident à l'entrée dans le diélectrique 11 est diffracté du côté de la normale à la surface et à la sortie du diélectrique du côté opposé à la normale à la surface. Si le diélectrique 11 est de faible épaisseur, comme illustré à la figure 3, les directions de la normale à la surface au point d'entrée et de sortie ne diffèrent guère. Le changement de direction en résultant du rayon S est donc négligeable, de sorte que l'on peut admettre que celui-ci ne traverse pratiquement le diélectrique qu'avec un déplacement parallèle. Dans le troisième cas, on propose un mode de réalisation avec une section de coque sphérique diélectrique 11 épaisse et transparente, ce mode de réalisation étant schématisé à la figure 4. Ici, après passage du rayon S à travers la section de coque sphérique 11, il se produit un net changement de direction, avec une plus grande obliquité par rapport à la normale à la surface. Après un bien plus petit nombre de réflexions sur la surface 13 totalement réfléchissante, le rayon arrive ainsi au bord de l'interstice d'air ou de vide 12. Il va de soi que le cas tridimentionnel, qui n'est pas représenté sur les figures 2 à 4, s'obtient par rotation de la section de coque sphérique 11 autour de il l'axe du rayon par rapport au centre de la coque sphérique, c'est-à-dire que les rayons, vus du dessus de la coque, partent du point de traversée M sur la surface de la coque et se dirigent radialement vers les bords, comme cela est schématisé à la figure 1. Pour capter une zone angulaire de 90', il faut un secteur de la section de coque sphérique 11 de 90'. Lors de l'acheminement ultérieur du rayonnement optique aux détecteurs opto-électroniques, il faut tenir compte de la répartition superficielle et angulaire du rayonnement. Les rayons se répartissent de façon largement homogène sur la surface marginale. Mais les angles de sortie sur le bord R sont limités à une zone angulaire fixe autour de la normale à la section de coque sphérique 11, soit vers l'extérieur, soit vers l'intérieur selon que la dernière réflexion s'est produite sur la coque intérieure 11" ou extérieure 11'. Dans l'exemple de réalisation le premier cité (figure 2), l'angle limite en pour une détection angulaire de 90', donc avec des angles d'incidence de a. = 45', est Be = sin a./n En pareil cas "n" est l'indice de réfraction du matériau de la coque sphérique, par exemple avec n = 1,45 (verre quartzeux) B. = 29,2' et avec n = 4 (germanium) B. = 10,2'. Pour que les rayons sur le bord R, qui sont dirigés vers l'extérieur, parviennent au détecteur 16, on prévoit sur ce bord R un anneau 14 réfléchissant vers l'intérieur qui dévie ces rayons en direction du détecteur 16. Dans le deuxième exemple de réalisation selon la figure 3, l'angle limite est à peu près am = 45', et dans le troisième exemple de réalisation selon la figure 4, il est supérieur à 45'. Dans ces deux cas, une déviation des rayons est également avantageuse afin qu'une quantité de lumière utile aussi grande que possible soit offerte au détecteur 16. Comme la totalité de la lumière, qui sort de la zone marginale R après déviation, est répartie dans une zone angulaire relativement étroite - vue dans le plan de coupe transversale bidimentionnelle - il est préfable de concentrer le faisceau de rayons Si sur le détecteur au moyen d'une lentille 17' ou d'un autre type de concentrateurs de lumière 17 - par exemple des miroirs coniques etc. -. La grandeur de la surface utile sur le bord du miroir après cette reproduction avec adaptation optimale à la surface et à l'angle d'acceptance du détecteur 16 est: AN = AD QD / QN Dans cette formule, AD est la surface du détecteur, QD l'angle d'acceptance spatiale du détecteur et QN l'angle de rayonnement de la zone marginale R. La figure représente trois exemples de réalisation pour la reproduction du faisceau de rayon sur un détecteur 16 ou les surfaces d'entrée d'un faisceau de fibres 15 qui est relié à un détecteur 16, lequel est placé à une certaine distance de la section de coque sphérique 11. Pour utiliser les sections de coques sphériques diélectriques l en tant qu'optique d'entrée d'un capteur ayant une sensibilité aux rayonnements suffisamment élevée et un bon pouvoir de résolution angulaire, les conditions préalables suivantes sont nécessaires; d'une part, il faut une intensité d'irradiation suffisante sur le bord R de la coque pour la détection du rayonnement laser incident S. D'autre part, il faut que le rapport du rayonnement au niveau des détecteurs soit établi de manière à fournir une détermination univoque de l'angle d'incidence. Par ailleurs, il convient de garantir l'insensibilité de la détection vis-à-vis de la scintillation du rayon laser due aux turbulences atmosphériques et vis-àvis d'une éventuelle polarisation du rayonnement laser. Un calcul détaillé de la répartition de l'intensité sur le bord des sections de coques sphériques en cas de rayons, d'épaisseurs de coque et d'indices de réfraction différents et dans divers modes de réalisation des coques, montre qu'avec des rayons se situant dans la zone de 2 à 3 cm et un angle d'incidence de ' = 45', on obtient une intensité (intensité d'irradiation) de même ordre de grandeur que l'intensité lumineuse tombant sur les coques sphériques. En cas de f plus petit ou plus grand, le signal augmente d'un côté et diminue de l'autre côté du bord R. Cela revient à dire qu'avec des coques relativement petites ou un diamètre de 2-3 cm, on peut s'attendre lors du déplacement du rayonnement dans la coque à des rapports d'intensité sur le détecteur tels qu'ils se produisent en cas d'une irradiation directe du détecteur sans optique placée en amont. L'avantage de la coque réside dans le fait que le rapport des intensités à gauche et à droite du bord représente une fonction croissante de façon monotone de l'angle d'incidence et que, par suite de la répartition angulaire limitée du rayonnement sur le bord de la coque, les signaux sont en plus considérablement amplifiés par l'augmentation du rayon de la coque. La figure 6 représente un exemple pour les paramètres d'un mode de réalisation typique d'un capteur à coque sphérique pour la lumière infrarouge de grande longueur d'onde avec du germanium comme matériau de la coque sphérique. On y a porté: l'intensité du rayonnement laser sur le bord Ir normalisée avec l'intensité lumineuse incidente Io en tant que fonction de l'angle d'incidence P de 0 à 90' - comme indiqué sur - les figures 3 et 4 - pour le mode de réalisation d'une double coque avec un interstice sous vide. Comme l'indiquent les courbes, les signaux pour les deux sens de polarisation IrII et Iri perpendiculaires l'un à l'autre dans ce cas ne diffèrent pas notablement, et tous deux atteignent un maximum à environ 1. 2. Le rapport des deux signaux sur les bords gauche et droit Q croit de façon monotone avec l'angle d'incidence de 0 à 80' d'un facteur 0 à 4. Pour que l'accroissement asymptomatique perturbateur du signal à 90' soit éliminé, il est judicieux de prendre comme valeur de mesure la relation: V = Ir - I1 / Ir + Il La figure 7 représente V en tant que fonction de l'angle d'incidence f: V = V (f). En dehors du fait positif que ia fonction est presque symétrique autour de ', la différence des rapports des signaux des deux sens de polarisation autour du plan d'incidence du rayonnement sur la coque ne se distingue plus. Il va de soi que la relation V ne varie pas de façon linéaire avec l'angle. Comme, toutefois, le tracé de la fonction n'est déterminé que par les paramètres géométriques et optiques de la coque, ce tracé, qui est déterminé par calculs ou par mesures, peut être pris en ligne de compte lors du traitement des signaux et l'angle d'incidence peut être déterminé de façon précise à partir de chaque rapport des signaux V. La mesure de l'amplitude des signaux au niveau des détecteurs sur le bord du capteur peut être exécutée au moyen de différents procédés de mesure électroniques connus, par exemple par "Amplitude Peak Detection" (détection des pics d'amplitude) ou "Sample and Hold Detection" (détection d'échantillonnage et de maintien). Le reste du traitement des signaux se fait - comme il est d'usage actuellement - par une technique à microprocesseur. REVENDICATIONS 1. Capteur optique pour l'identification et la détection directionnelle de rayonnements optiques à l'aide d'une mesure du temps de parcours et de la détermination des signaux par comparaison d'amplitudes, caractérisé par le fait que l'optique d'entrée du capteur (10) est réalisée sous la forme d'une section de coque sphérique (11) diélectrique et transparente dont les surfaces de la coque (11', 11") - avec des épaisseurs de sections transversales appropriées - et/ou dont les combinaisons des sections transversales sont constituées par une mince surface de coque (11'), un espace d'air ou un interstice sous vide (12) et une surface de miroir totalement réfléchissante (13), que le rayonnement incident (S) est amené par réflexion au bord (R) de la section de coque sphérique (11) et de là est directement amené par un anneau réflecteur (14) ou à l'aide d'une conduction par guide d'ondes lumineuses (15) à plusieurs détecteurs électro-optiques (16) et que la direction de l'incidence dans l'espace est déterminée à partir du rapport des signaux de ces détecteurs (16). 2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte des dispositifs intégrés qui, à partir du tracé du rayonnement des détecteurs (16), déterminent des paramètres du rayonnement (S) tels que la longueur d'onde, la durée du rayonnement et la fréquence de répétition. 3. Capteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que la surface intérieure (11") de la coque est réalisée sous la forme d'un miroir métallique (13) et que le signal optique (Si), qui est réfléchi entre les deux surfaces (11', 11") de la coque, est introduit dans le détecteur (16) directement sur le bord (R) de la section de coque sphérique (11). 4. Capteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que la section de coque sphérique diélectrique et transparente (11) a une épaisseur telle que le rayonnement (S) traverse la première surface (11') et la seconde surface (11") de la coque avec un décalage prédéterminé du rayon et, après traversée d'un interstice d'air ou de vide (12), est rétroréfléchi sur la seconde surface (11") de la coque par une surface sphérique métallique (13) et que la partie du rayonnement incident (S), alternativement réfléchie entre ces deux surfaces, est amenée aux détecteurs (16). 5. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait qu'on utilise comme surface d'entrée du détecteur (16) la surface convexe de la section de coque sphérique i11) ou la surface intérieure concave de la section de coque sphérique (11). 6. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que le signal optique (Si) du rayonnement (S) sur le bord (R) entre les deux surfaces limites réfléchissantes est amené directement au détecteur électro-optique (16). 7. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que le signal optique (Si) du rayonnement (S) sur le bord (R) entre les deux surfaces limites réfléchissantes est introduit dans un ou plusieurs guides d'ondes lumineuses (15) qui sont reliés au détecteur (16). 8. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 & 7, caractérisé par le fait que le signal optique (Si) du rayonnement (S) sur le bord (R) de l'interstice d'air ou de vide (12) entre les surfaces réfléchissantes (13, il") est amené à des dispositifs auxiliaires (17, 17') comme des déflecteurs de rayons, des lentilles convergentes pour améliorer la focalisation. 9. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que la section de coque sphérique (11) diélectrique et transparente est mise en rotation autour de l'axe du rayon par rapport au centre de la coque sphérique au moyen d'un système d'entraînement.