Brevet FR2659752A1 — publié le 19910920

i SYSTEMES OPTIQUES DE FORMATION D'IMAGE La présente invention se rapporte à des systèmes optiques en général et en particulier à des systèmes optiques de formation d'image. Les systèmes optiques de formation d'image, tels que le système optique Cassegrain, sont bien connus De tels systèmes emploient des miroirs primaire et secondaire, généralement circulaires, se faisant face, disposés coaxialement autour d'un axe optique, dans un montage rigide Le miroir primaire a un diamètre significativement plus grand que le diamètre du miroir secondaire et définit une ouverture centrale à travers laquelle s'étend l'axe optique Des faisceaux de radiations tombant sur le miroir primaire se réfléchissent en direction du miroir secondaire d'o ils se réfléchissent à nouveau en direction d'un foyer du miroir secondaire, situé sur l'axe optique Un appareil approprié de formation d'image peut être disposé au foyer. Les systèmes optiques de formation d'image tels que décrits doivent satisfaire des critères de précision très élevés Les systèmes de formation d'image pour applications militaires doivent également satisfaire des conditions de robustesse, compacité, fiabilité et insensibilité aux changements de l'environnement thermique Les critères de précision sont déterminés à la fois par les caractéristiques géométriques finales des surfaces réfléchissantes définies par les miroirs, et par l'habileté avec laquelle les miroirs sont assemblés dans leur monture Cette monture et cet assemblage nécessitent du temps supplémentaire et sont donc coûteux. Tandis que la précision géométrique des surfaces réfléchissantes est fonction du processus d'usinage par lequel les miroirs sont formés, l'assemblage des miroirs dans leur monture s'effectue manuellement et la précision d'ensemble du système dépend donc largement de l'habileté de la personne ou des personnes qui assemblent le système. Les erreurs sur les systèmes conventionnels sont les suivantes: Centrage entre les deux miroirs par rapport à l'axe optique: 0,05 mm Perpendicularité des deux miroirs par rapport à l'axe optique: 0,05 mm Distance entre les projection des miroirs: 0,01 mm. Comme l'homme de l'art pourra l'apprécier, bien que des erreurs sur le système telles qu'indiquées ci-dessus puissent être acceptables pour de nombreuses applications, des systèmes à axe optique unique présentant des erreurs inhérentes sur le système telles que celles indiquées ne conviennent pas pour des applications de formation d'image o une précision plus grande est demandée. En outre, la complexité très élevée de l'assemblage manuel de ces systèmes optiques pour rendre maximale leur précision nécessite de nombreuses heures et se traduit en un produit de coût relati- vement élevé. Dans un article intitulé "Aplanatic two-mirror compact collimator/Collimateur compact aplanétique à deux miroirs" par I -Fu Shih et collaborateurs SPIE V 01 554, International Lens Design Conference/ Conférence internationale sur la conception des lentilles ( 1985, pages 265 272, est décrit un collimateur qui ne convient pas pour la formation d'image mais qui emploie deux miroirs, usinés au tour au diamant, sur une unique pièce de métal. La présente invention s'efforce de proposer un système optique amélioré de formation d'image. Par conséquent, conformément à une réalisation préférée de l'invention, on propose un système optique, formé d'une seule pièce, de formation d'image comportant deux surfaces réfléchissantes se faisant face, définissant un axe optique unique et formées sur une unique pièce de matériau. En outre, conformément à une réalisation préférée de l'invention, les deux surfaces réfléchissantes comportent une première surface réfléchissante définissant une ouverture centrale à travers laquelle s'étend l'axe optique; et une seconde surface réfléchissante formée coaxialement avec la première surface réfléchissante et définissant un foyer situé sur l'axe optique, le rayonnement tombant sur la première surface réfléchissante étant réfléchi par celle-ci en direction de la seconde surface réflé- chissante et étant en outre réfléchi par la seconde surface réfléchissante en direction du foyer. Conformément à une réalisation de l'invention, le système est un télescope à système réfléchissant Cassegrain, mis, selon une variante de réalisation, le système peut être un système optique Gregorian. En outre, conformément à une réalisation préférée de l'invention, on propose un système optique multi- spectral de formation d'image comportant le système optique, décrit cidessus, de formation d'image ainsi qu'un appareil de décomposition du faisceau et une pluralité de détecteurs, chacun opérant à une longueur d'onde optique différente. C'est une caractéristique particulière de l'invention que des systèmes optiques réfléchissants partagés soient employés pour deux longueurs d'onde. En outre, conformément à une réalisation préférée de l'invention, on propose un système optique de formation d'image à plusieurs champs visuels comportant le système optique de formation d'image décrit ci- dessus et comportant également un appareil de décomposition du faisceau et une pluralité de détecteurs, chacun observant un champ visuel différent Les systèmes optiques réfléchissants peuvent être introduits à l'avant d'un ou plusieurs détecteurs pour définir la pluralité de champs visuels. L'appareil de la présente invention satisfait les conditions de robustesse, compacité, fiabilité et insensibilité aux changements de l'environnement thermique. La présente invention sera plus complètement comprise et appréciée à partir de la description détaillée qui suit prise en liaison avec les dessins sur lesquels: la figure 1 est une vue perspective d'un système optique de formation d'image construit conformément à une réalisation préférée de l'invention; la figure 2 est une vue en élévation latérale du système représenté sur la figure 1 et montrant une configuration du système conforme à une réali- sation de l'invention; la figure 3 A est une vue en coupe du système représenté sur les figures 1 et 2, prise selon la ligne III-III de la figure 2; la figure 3 B est une vue en coupe correspondant à la vue de la figure 3 A, mais sur laquelle le système représenté est construit selon une variante de réalisation de l'invention; la figure 4 est une vue en coupe représentant le système représenté sur les figures 1 et 2, prise selon la ligne IV-IV de la figure 2; la figure 5 est une vue en coupe d'un système optique bispectral de formation d'image construit et fonctionnant conformément à une réalisation préférée de la présente invention; et la figure 6 est une vue en coupe d'un système optique de formation d'image à deux champs visuels construit et fonctionnant conformément à une réalisation préférée de la présente invention; et la figure 7 est une vue latérale du système de la figure 5 et de la figure 6. On se réfère maintenant aux figures 1 4 qui représentent différentes vues d'un système optique de formation d'image, formé d'une seule pièce, à axe optique unique, désigné de façon générale par le repère 10 et construit conformément à la présente invention. Le système optique de formation d'image représenté sur les figures 1 4 est un télescope Cassegrain bien qu'en variante le système optique de l'invention puisse être un type différent de système optique, tel qu'un système Gregorian Un avantage particulier de la présente invention par rapport à l'art connu est que la totalité du système optique est constituée d'un unique élément optique, ne nécessitant pas d'assemblage manuel. Par conséquent, le système 10, non seulement nécessite moins de temps pour sa fabrication mais élimine totalement les erreurs sur le système telles que celles qui sont introduites dans les systèmes conventionnels à axe optique unique par leur assemblage manuel Ceci deviendra apparent à partir des caractéristiques d'un système typique énumérées ci-dessous. Le système 10 peut être fait d'une unique pièce de métal sur laquelle sont formées les surfaces réfléchissantes primaire et secondaire, se faisant face, usinées, respectivement désignées 12 et 14 et disposées sur un axe optique commun désigné par le repère 16 De préférence, les surfaces réfléchissantes primaire et secondaire sont formées par usinage au tour au diamant En variante, la surface primaire 12 peut être formée par des techniques de repro- duction. Typiquement, chacune des surfaces réfléchissantes présente une configuration inférieure qui est circulaire en projection parallèle à l'axe optique. Telle que représentée, la surface réfléchissante primaire 12 a un diamètre qui est supérieur à celui de la surface réfléchissante secondaire 14 La surface réfléchissante primaire 12 définit une ouverture centrale 18 (figures 3 A 4) qui est coaxiale aux surfaces réfléchissantes primaire et secondaire 12 et 14. Comme l'homme de l'art l'appréciera, les surfaces réfléchissantes primaire et secondaire sont de préférence positionnées de façon que le foyer de la surface réfléchissante primaire coincide, au point 19 (figures 3 A et 3 B) avec le premier foyer de la surface réfléchissante secondaire. Par conséquent, dans la présente réalisation, la surface réfléchissante secondaire 14 est configurée de façon à avoir un second foyer 20 coincidant avec l'axe optique 16, là o se forme une image Comme schématiquement représenté sur les figures 3 A et 3 B, les faisceaux de rayonnement, désignés 22, tombant sur la surface réfléchissante primaire 12 sont réfléchis par celle-ci en direction de la surface réfléchissante secondaire 14 et sont en outre réfléchis par la surface réfléchissante secondaire en direction du foyer 20. Les surfaces réfléchissantes, primaire et secondaire, sont reliées par l'intermédiaire d'une pluralité d'éléments 24 formant nervures allongées, définissant un croisillon, qui définissent entre eux une pluralité d'ouvertures 26 communiquant avec l'ouverture centrale 18 de la surface réfléchissante primaire de façon à permettre le passage des faisceaux du rayonnement réfléchis par la surface réfléchissante secondaire en direction du foyer 20 Comme cela est connu de l'homme de l'art, des systèmes à axe optique unique peuvent également nécessiter des déflecteurs pour éviter que des rayonnements parasites n'envahissent la zone de l'image Ceci est particu- lièrement vrai lorsqu'il faut un champ visuel parti- culièrement important Par conséquent, on propose également une portion cylindrique 25, axialement alignée, qui constitue un déflecteur, étant configurée pour empêcher, au moins partiellement, l'incidence du rayonnement parasite sur la surface réfléchissante secondaire 14. Comme représenté plus clairement sur la figure 3 A, le système 10, constituant l'élément optique unique, est configuré, à sa portion arrière 28, pour permettre d'y monter un appareil de formation d'image, indiqué schématiquement par le contour 30, à proximité du foyer 20 de la surface réfléchissante secondaire. La configuration de la portion arrière 28 n'est donnée qu'à titre d'exemple et la portion arrière 28 peut être formée avec toute configuration convenable pour permettre le montage de tout appareil approprié de formation d'image. Conformément à une réalisation préférée de l'invention, les surfaces réfléchissantes sont asphériques, bien que, conformément à une réalisation variante, l'une des surfaces ou les deux peuvent être sphériques Lorsque le système 10 est, comme dans la réalisation des figures 1 4, construit comme système Cassegrain, la surface réfléchissante primaire 12 est typiquement parabolique, et la surface réfléchissante secondaire 14 est typiquement hyper- boloide En variante, les deux surfaces peuvent être hyperbolo des dans un système Cassegrain. En se reportant maintenant aux figures 1 4, bien que les surfaces réfléchissantes soient, typiquement, directement formées sur une unique portion de métal, un revêtement métallique 32 (représenté sur la figure 3 B à une échelle exagérée) peut être appliqué sur des surfaces non polies 34 avant l'usinage au tour au diamant, de façon que les surfaces réfléchissantes soient en fait formées sur le revêtement plutôt que sur le matériau de base. Le matériau de base peut être un métal, tel qu'un métal non ferreux convenable, par exemple aluminium, cuivre, laiton, molybdène ou tout alliage non ferreux convenable En variante, le matériau de base peut être un matériau non métallique, par exemple du béryllium ou tout matériau composite convenable Le revêtement peut être tout métal non ferreux convenable, par exemple cuivre, nickel, laiton, argent, or ou cadmium. Comme décrit brièvement ci-dessus, la fabrication d'un système optique conforme à la présente invention résulte en un système optique présentant des caracté- ristiques qui sont meilleures que celles obtenues par la fabrication conventionnelle, dans laquelle deux éléments optiques définissant leur surface réfléchissante respective sont assemblés manuellement sur une base avant d'être fixés en position sur celle-ci. Les caractéristiques typiques d'un système optique Cassegrain conçu conformément à la présente invention sont les suivantes: grossissement approximativement lambda/4, pour une longueur d'onde lambda = 0,6328 pum; irrégularité approximativement lambda/4, pour une longueur d'onde lambda = 0,6328 hum; précision de centrage des surfaces réfléchis- santes primaire et secondaire par rapport à l'axe optique de préférence approximativement 0,2,um et au moins supérieureà 0,05 mm; précision de perpendicularité des surfaces réfléchissantes primaire et secondaire par rapport à l'axe optique de préférence approximativement 0,2 pum et au moins meilleureque 0,05 mm; et précision de la distance entre les projections des surfaces réfléchissantes primaire et secondaire approximativement 0,05 mm. On se réfère maintenant à la figure 5 qui est une vue en coupe d'un système optique bispectral de formation d'image construit et fonctionnant conformément à une réalisation préférée de la présente invention Comme dans les réalisations décrites ci-dessus, les surfaces respectives, primaire et secondaire, 50 et 52 sont formées sur une unique pièce de matériau, par exemple par usinage au tour au diamant En plus de la configuration générale semblable à celle décrite ci-dessus, l'unique pièce de matériau comporte également une portion de montage 54 sur laquelle est monté un organe 56 de décomposition du faisceau, typiquement du type dichroique. L'organe 56 de décomposition du faisceau reçoit le rayonnement réfléchi provenant de la surface réfléchissante secondaire et définit les deux faisceaux de sortie 58 et 60 Le faisceau 58 est typiquement envoyé à un détecteur infrarouge 62 tandis que le faisceau 60 est typiquement envoyé à un détecteur 64 du spectre visible, qui peut être un détecteur du genre dispositif à couplage de charge ou tout autre détecteur, tel qu'un détecteur à faisceau laser Dans une réalisation, les détecteurs 62 et 66 peuvent être l'un et l'autre des détecteurs à infrarouge, fonctionnant sur les plages différentes de longueur d'onde, par exemple 3 5 microns et 8 12 microns. On se rendra compte de ce que le système de la figure 5 peut fonctionner pour détecter simulta- nément sur plus de deux longueurs d'onde, en prévoyant un organe convenable de décomposition du faisceau. On se réfère maintenant à la figure 6 qui est une vue en coupe d'un système optique de formation d'image, à deux champs visuels, construit et fonctionnant conformément à une réalisation préférée de la présente invention Comme dans les réalisations décrites ci-dessus, les surfaces respectives primaire et secondaire 70 et 72 sont formées sur une unique pièce de matériau, par exemple par usinage au tour au diamant En plus, de la configuration générale qui est semblable à celle décrite ci-dessus, l'unique pièce de matériau comporte également une portion de montage 74 sur laquelle est monté un organe 76 de décomposition du faisceau. L'organe 76 de décomposition du faisceau reçoit le rayonnement réfléchi en provenance de la surface réfléchissante secondaire et définit deux faisceaux de sortie 78 et 80 Le faisceau 78 est typiquement envoyé à un premier détecteur 82 tel qu'un détecteur du type dispositif à couplage de il charge à large champ visuel Le faisceau 80 est typiquement envoyé, par l'intermédiaire d'un miroir de renvoi 84, à un second détecteur 86 qui est typiquement un détecteur du type dispositif à couplage de charge à champ visuel étroit On se rendra compte de ce que, conformément à la présente invention, on peut employer deux détecteur quelconques à champs visuels différents Par exemple, un détecteur à champ visuel large peut avoir un champ visuel de 5 degrés et le détecteur à champ visuel étroit peut avoir un champ visuel de 1 degré. On se rendra compte de ce que le système de la figure 6 peut fonctionner pour détecter simul- tanément plus de deux champs visuels si l'on prévoit un organe convenable de décomposition du faisceau. On se rendra compte de ce que les systèmes optiques de formation d'image décrits ci-dessus sont des systèmes typiquement sans balayage et que par conséquent, les détecteurs employés sont des réseaux fixes En variante, la présente invention peut s'utiliser avec un dispositif à balayage et avec des configurations appropriées de détecteurs. On se réfère maintenant à la figure 7 qui représente la configuration extérieure d'un système du type des figures 5 et 6 On peut voir que l'on peut monter de façon commode et compacte les tableaux électroniques 90 de traitement du signal à l'extérieur de l'unique pièce de matériau 92, en particulier à l'extérieur de sa portion de montage 94. L'homme de l'art se rendra compte de ce que l'objet de la présente invention n'est pas limité à ce qui a été spécifiquement représenté et décrit ci-dessus à titre d'exemple L'objet de la présente invention n'est plutôt limité que par les revendi- cations qui suivent. R E V E N D I C A T I O N S 1 Système optique ( 10) de formation d'image, formé d'une seule pièce, caractérisé par le fait qu'il comporte: au moins deux surfaces réfléchissantes ( 12,14), se faisant face, définissant un système optique unique ( 10) et formées sur une unique pièce de matériau. 2 Système selon la revendication 1, caractérisé en outre par le fait que ladite unique pièce de matériau présente au moins des portions de surface faites en métal et par le fait que lesdites surfaces réfléchissantes ( 12,14) sont des surfaces usinées au tour au diamant, formées sur lesdites portions de surface du métal. 3 Système selon l'une ou l'autre des revendications 1 ou 2, caractérisé en outre par le fait que lesdites au moins deux surfaces réfléchissantes ( 12, 14), comportent: une première surface réfléchissante ( 12) définissant une ouverture centrale ( 18) par laquelle passe ledit axe optique ( 16); et une seconde surface réfléchissante ( 14) formée coaxialement avec ladite première surface réfléchis- sante ( 12) et définissant un foyer ( 20) situé sur ledit axe optique, le rayonnement tombant sur ladite première surface réfléchissante ( 12) et étant réfléchi par celle-ci en direction de ladite seconde surface réfléchissante ( 14) et étant en outre réfléchi, par ladite seconde surface réfléchissante ( 14), en direction dudit foyer ( 20). 4 Système selon la revendication 3, caractérisé en outre par le fait que chacun de ladite première et de ladite seconde surfaces réfléchissantes a une configuration extérieure qui est, de façon générale, circulaire en projection parallèle audit axe optique, et par le fait que le diamètre de ladite première surface réfléchissante est supérieur au diamètre de ladite seconde surface réfléchissante. 5 Système selon l'une ou l'autre des revendi- cations 3 ou 4, caractérisé en outre par le fait que ladite unique pièce de matériau définit également une pluralité d'éléments allongés ( 24) formant nervures, rigidement associés avec ladite première et ladite seconde surfaces réfléchissantes, ladite pluralité d'éléments allongés formant nervures définissant entre eux une pluralité d'ouvertures ( 26) communiquant avec ladite ouverture centrale ( 18) pour permettre le passage, jusqu'au foyer ( 20) de ladite seconde surface réfléchissante ( 14), du rayonnement réfléchi par cette surface. 6 Système selon la revendication 5, caractérisé en outre par le fait que ladite unique pièce de matériau définit également des moyens formant déflecteurs ( 25) disposés entre ladite première surface réfléchissante ( 12) et lesdits éléments formant nervures ( 24), lesdits moyens formant déflecteurs pouvant opérer pour empêcher au moins partiellement le rayonnement parasite de tomber sur ladite seconde surface réfléchissante. 7 Système selon l'une quelconque des revendi- cations 3 6, caractérisé en outre par le fait que ladite unique portion de matériau définit en outre des moyens pour monter un appareil de formation d'image en association avec ledit foyer de ladite seconde surface réfléchissante. 8 Système selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé en outre par le fait qu'au moins l'une de ladite première et de ladite seconde surfaces réfléchissantes est asphérique. 9 Système selon l'une quelconque des revendi- cations 1 8, caractérisé en outre par le fait que ladite unique pièce de matériau comporte un matériau de base sur lequel, en des emplacements prédéterminés, un revêtement métallique ( 32) a été prévu, et par le fait que chaque dite surface réfléchissante est une surface usinée au tour au diamant, formée sur ledit revêtement en chacun desdits emplacements prédéterminés. 10 Système selon la revendication 3, caractérisé en outre par le fait que ledit système constitue un télescope à système réfléchissant Cassegrain. 11 Système selon la revendication 10, caractérisé par le fait qu'il présente au moins l'une des caractéristiques suivantes: précision de centrage de ladite première et de ladite seconde surface réfléchissantes par rapport audit axe optique supérieure à approximati- vement 0,05 mm; précision de perpendicularité de ladite première et de ladite seconde surfaces réfléchissantes par rapport audit axe optique supérieure à approxima- tivement 0,05 mm; et précision de la distance entre les projections de ladite première et de ladite seconde surfaces réfléchissantes supérieure à approximativement 0,lmm. 12 Système selon la revendication 10, caractérisé par le fait qu'il présente au moins une des caractéristiques suivantes: précision de centrage de ladite première et de ladite seconde surfaces réfléchissantes par rapport audit axe optique d'approximativement 0,2 Fum; précision de perpendicularité de ladite première et de ladite seconde surfaces réfléchissantes par rapport audit axe optique d'approximativement 0,2 sm; et précision de la distance entre les projections de ladite première et de ladite seconde surfaces réfléchissantes d'approximativement 0,05 mm. 13 Système optique multispectral de formation d'image caractérisé par le fait qu'il comporte: au moins deux surfaces réfléchissantes, se faisant face, définissant un unique axe optique et formées sur une unique pièce de matériau; des moyens ( 56) de décomposition du faisceau recevant le rayonnement réfléchi par l'une desdites surfaces réfléchissantes; et une pluralité de détecteurs ( 62, 66) chacun opérant à une longueur d'onde optique différente, recevant un rayonnement en provenance dudit moyen de décompostion du faisceau. 14 Système optique multispectral de formation d'image selon la revendication 13, caractérisé en outre par le fait que le rayonnement qui atteint ladite pluralité de détecteurs passe le long de systèmes optiques réfléchissants partagés. Système optique de formation d'image à plusieurs champs visuels, caractérisé par le fait qu'il comporte: au moins deux surfaces réfléchissantes, se faisant face, définissant un unique axe optique et formées sur une unique pièce de matériau; des moyens ( 76) de décomposition du faisceau recevant le rayonnement réfléchi par l'une desdites surfaces réfléchissantes; et une pluralité de détecteurs ( 82,86) observant chacun un champ visuel différent, chacun recevant un rayonnement en provenance desdits moyens de décomposition du faisceau. 16 Système optique de formation d'image à plusieurs champs visuels selon la revendication 15, caractérisé en outre par le fait que le rayonnement qui atteint ladite pluralité de détecteurs passe le long de systèmes optiques réfléchissants partagés. 17 Système optique selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte également un circuit électronique monté sur ladite unique pièce de matériau. 18 Système optique selon la revendication 13, caractérisé en outre par le fait qu'au moins l'un de ladite pluralité de détecteurs peut fonctionner pour détecter un rayonnement laser.