Brevet FR2660764A1 — publié le 19911011

OBJECTIF BISPECTRAL A FAIBLE DISPERSION DANS L'INFRAROUGE ET DISPOSITIF DE VISUALISATION COMPORTANT UN TEL OBJECTIF L'invention concerne les objectifs destinés à four- nir l'image infrarouge d'une scène dans un plan objet et elle trouve une application particulièrement importante dans les dispositifs de visualisation associant un tel ob- jectif à des barrettes de capteurs placées dans le plan fo- cal et à des moyens de balayage de la scène. Il est souvent nécessaire de former l'image d'une scène émettant dans l'infrarouge pour plusieurs bandes spectrales et notamment pour les bandes allant de 3 à 5 pm et de 8 à 12 em, c'est-à-dire pour des fenêtres de transpa- rence atmosphérique. Pour que l'image obtenue soit de bonne qualité, la dispersion de l'objectif dans chaque bande spectrale doit être faible De plus, pour permettre l'exploitation de l'image dans le plan objet, le tirage de l'objectif doit être au moins approximativement le même pour les deux ban- des spectrales. La première idée qui vient à l'esprit pour attein- dre ce résultat est l'utilisation de miroirs, qui ne pré- sentent aucune aberration chromatique Malheureusement on est conduit à utiliser des surfaces asphériques et des mon- tages hors d'axe difficiles à centrer De plus, les miroirs sont limités à un champ angulaire faible, souvent insuffi- sant. Les systèmes dioptriques doivent être constitués de lentilles transparentes dans l'infrarouge On connaît de nombreux matériaux remplissant cette condition Malheureu- sement, beaucoup d'entre eux n'ont qu'une résistance méca- nique insuffisante ou ne sont utilisables que sous forme de pièces de petit diamètre et/ou de faible épaisseur: c'est le cas par exemple des chalcogénure, du tellurure de cad- nium et de l'AMTIR Pratiquement les seuls matériaux qui permettent de constituer des systèmes embarqués sont le si- licium (qui a cependant l'inconvénient d'être opaque vers 9 pm), le germanium, Zn S et Zn Se. Mais, l'association de deux de ces matériaux, si elle permet de corriger le chromatisme d'un objectif dans une bande infrarouge limitée, ne permet pas de maintenir la dispersion à une valeur acceptable pour deux bandes infra- rouge éloignées à la fois, comme les bandes 3-5 pm et 8-12 Pm. On sait qu'on corrige le chromatisme d'un objectif en associant des lentilles convergentes, peu dispersives dans la bande de fréquence o la correction doit être ef- fectuée, avec des lentilles divergentes très dispersives et de faible puissance La dispersion v est définie comme: v = (n Xm 1) / (n X Max N Xmin) ( 1) o n Xm est l'indice pour la longueur d'onde moyenne dans la bande, n X Max est l'indice pour la longueur d'onde maximum de la bande, N Xmin est l'indice pour la longueur d'onde minimum de la bande. Plus la valeur de v est élevée, moins la matière est dispersive. A titre d'exemple, les dispersions pour trois maté- riaux utilisables pour constituer des systèmes embarqués sont les suivantes: Ge: 860 Zn Se: 58 Zn S: 23. On peut en conséquence constituer un objectif ayant une faible dispersion dans la bande allant de 8 à 12 Im en associant des lentilles convergentes en germanium à des lentilles divergentes en Zn S ou en Zn Se. Malheureusement, une telle constitution interdit de corriger le chromatisme dans la bande de 3 à 5 pm, du fait que la dispersion V des matériaux dans cette bande est très différente de celle qu'ils ont dans la bande de 8 à 12 gm: elle est en effet: 102 pour Ge 178 pour Zn Se 113 pour Zn S. La correction dans la plage de 8 à 12 pm se tra- duit, dans la bande de 3 à 5 pm, par un chromatisme qui est même supérieur à celui d'une lentille simple. Il semble donc nécessaire d'utiliser deux objectifs différents corrigeant chacun le chromatisme dans une bande particulière. La présente invention vise à fournir un objectif dont les lentilles sont uniquement constituées de matériaux présentant des propriétés mécaniques suffisantes pour ré- sister à des vibrations et plus généralement à constituer des systèmes embarqués, présentant une dispersion faible dans deux bandes de fréquences éloignées, notamment les bandes 3 à 5 pm et 8 à 12 gm. L'invention propose dans ce but un objectif à fai- ble dispersion comportant un jeu de lentilles convergentes en matériau à faible dispersion et un jeu de lentilles di- vergentes en matériau à dispersion plus élevée et à puis- sance plus faible, caractérisé en ce que les lentilles con- vergentes sont en Zn Se et en ce que les lentilles divergen- tes sont en Zn S et en Ge, la puissance de la lentille ou des lentilles en Ge étant comprise entre 1/3 et 2/3 de la puissance de la lentille ou des lentilles en Zn S Souvent un rapport d'environ 1/2 sera proche de l'optimum. On reconstitue ainsi, de façon artificielle, un jeu de lentilles divergent équivalent à des lentilles toutes constituées en un même matériau fictif dont la dispersion est voisine de 35 dans la bande de 8 à 12 gm et de 105 dans la bande de 3 à 5 pm, c'est-à-dire présente une loi de va- riation qui se rapproche de celle du séléniure de zinc. Si on se limite au cas d'un doublet de puissance P, le choix des puissances à affecter aux lentilles en Zn S et en Ge peut être déterminé par le calcul Si on désigne par Pl et par P 2 la puissance totale des lentilles convergentes et divergentes, respectivement et si on désigne par v, et v 2 la dispersion du matériau constituant les lentilles con- vergentes et par 2 la dispersion du matériau fictif qui vient d'être défini, on doit respecter les relations sui- vantes pour les deux bandes de fréquence Pl = (vl vl / -v 2) P P 2 = (-92 /v v 2) P ( 2) Les objectifs classiques destinés à travailler dans la bande de 8 à 12 gm comportent généralement des lentilles convergentes en germanium, du fait de la faible dispersion de ce matériau Mais sa variation d'indice en fonction de la température est extrêmement élevée, de l'ordre de 100 fois celle des verres habituels d'optique Du fait que les objectifs selon l'invention n'utilisent le germanium que pour constituer des lentilles de puissance faible, les con- séquences de cette variation sont écartées: Zn Se et Zn S ont en effet des coefficients de variation d'indice 10 fois inférieurs à ceux du germanium Pratiquement on peut ainsi réaliser des objectifs athermiques, autorisant l'emploi sans stabilisation thermique dans un environnement qui peut être celui prévu pour les matériels militaires, allant de -300 C à + 700 C. La constitution de cet objectif est contraire aux idées habituelles, puisque c'est Zn Se qui est utilisé pour constituer les lentilles convergentes, alors que habituel- lement on utilise le germanium. On voit que l'invention permet non seulement de constituer un objectif ayant peu de dispersion et sensible- ment le même tirage pour les deux bandes de longueur d'onde, mais aussi présentant, moyennant un choix particu- lier dans les plages de valeurs mentionnées ci-dessus, un tirage qui ne change pratiquement pas en fonction de la température, évitant ainsi la nécessité d'un asservissement de la position du plan focal ou d'une stabilisation de tem- pérature qui l'un et l'autre exigent des dispositifs encom- brants, complexes et coûteux. L'invention propose également un dispositif de vi- sualisation (le terme "visualisation" devant être compris dans un sens large et comme signifiant toute représentation d'une scène par affichage sur un moniteur ou sous forme de signaux) fournissant deux images infrarouge de la même scène, correspondant à des bandes spectrales différentes. Dans ce but l'invention propose un dispositif comportant des moyens de balayage de la scène, une optique du type ci-dessus défini et deux barrettes de capteurs placées dans le plan focal, parallèles l'une à l'autre et décalées dans le sens du balayage. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent dans lesquels: la figure 1 montre schématiquement un dispositif de visualisation suivant un mode particulier de réalisation de l'invention; les figures 2 et 3 montre deux constitutions pos- sibles d'objectif utilisable dans le dispositif de la figu- re 1. Le dispositif montré schématiquement en figure 1 comporte un miroir de balayage 10, rotatif autour d'un axe 12, dont le faisceau de sortie traverse l'objectif 14 Dans le plan focal de cet objectif sont placées deux barrettes de capteurs infrarouge 16 et 18, choisies chacune pour avoir une sensibilité optimale dans l'un des deux domaines. Etant donné que les détecteurs destinés à la bande 8-12 pm doivent être très refroidis, l'ensemble des deux détecteurs est placé dans un refroidisseur 20 qui peut être un vase Dewar Si les tirages correspondant aux deux bandes de fré- quence sont légèrement différentes, les détecteurs peuvent être légèrement décalés l'un de l'autre dans le sens de propagation de la lumière ou une lame correctrice en germa- nium peut être placée devant l'un des deux Toutefois il est possible de tolérer des écarts de tirage, à condition qu'il restent compatibles avec la dimension de la tache de bifraction Par exemple, pour un tirage de 100 mm, on peut tolérer une variation de 50 pm environ pour une ouverture numérique d'environ f/2. On donnera maintenant, à titre d'exemple de mise en oeuvre de l'invention, deux constitutions possibles d'objectif bispectral. La figure 2 montre un premier objectif comportant sept lentilles, ayant une focale de 60 mm et un tirage de 21 mm, donnant des résultats satisfaisants dans la bande spectrale allant de 3 pm à 10,5 gm Les rayons de courbure des dioptres successifs, dans le sens de propagation de la lumière et la nature des lentilles sont donnés dans le tableau ci-joint. TABLEAU I LENTILLE RAYON DE COURBURE MATERIAU (mm) 1 89 1 216 Zn Se 2 -173 2 -368 Germanium 3 61 3 118 Zn Se 4 39 4 64 Zn Se 64 28 Zn S 6 45 6 26 Zn S 7 39 7 166 Zn Se L'objectif représenté sur la figure 3 est destiné à travailler dans la même bande spectrale que le premier, mais a une focale et un tirage plus élevés. Les caractéristiques de ce second objectif, qui, tel qu'illustré sur la figure 3, est associé à des miroirs de renvoi, dont le plus proche de l'objectif est placé au niveau de la pupille d'entrée, sont données dans le tableau II ci-dessous. TABLEAU II LENTILLE RAYON DE COURBURE MATERIAU (mm) 1 81 1 230 Zn Se 2 -275 2 ce Germanium 3 56 3 148 Zn Se 4 97 4 42 Zn S 66 5 33 Zn S 6 61 6 416 Zn Se On voit que, dans les deux exemples ci-dessus, les lentilles convergentes sont en Zn Se: ce sont par exemple les première, troisième, quatrième et septième lentilles dans le cas de la figure 1 Les lentilles divergentes sont en germanium (ménisques divergents à convexité tournée vers l'aval dans le cas de la figure 2) ou en Zn S (ménisques divergents à convexité tournée vers l'amont dans le cas de la figure 2). REVENDICATIONS 1 Objectif à faible dispersion dans l'infrarouge, comportant un jeu de lentilles convergentes en matériau à faible dispersion et un jeu de lentilles divergentes en ma- tériau à dispersion plus élevée et à puissance plus faible, caractérisé en ce que les lentilles convergentes sont en Zn Se et en ce que les lentilles divergentes sont en Zn S et en Ge, la puissance de la lentille ou des lentilles en Ge étant comprise entre 1/3 et 2/3 de la puissance de la len- tille ou des lentilles en Zn S. 2 Objectif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la puissance de la lentille ou des lentilles en germanium est d'environ la moitié de la puissance de la lentille ou des lentilles en Zn S. 3 Dispositif de visualisation fournissant deux images infrarouge de la même scène, correspondant à des bandes spectrales différentes ayant un objectif suivant la revendication 1 ou 2 et deux barrettes de capteurs placées dans le plan focal, parallèles l'une à l'autre et décalées dans le sens du balayage.