Brevet FR2708353A1 — publié le 19950203

L'invention concerne un système de grossissement pour dispositif d'imagerie, notamment thermique, à balayage optomécanique. Les imageurs thermiques actuellement en service, notamment dans les forces armées, utilisent un balayage opto-mécanique selon une ou deux directions associé à un détecteur groupant des cellules élémentaires disposées en ligne ou en matrice. Des circuits électroniques de traitement convertissent les signaux détectés en signaux vidéo, permettant ainsi de visualiser une image au standard télévision sur un moniteur. Dans le domaine militaire, les besoins opérationnels conduisent à assigner plusieurs missions à un imageur thermique, à savoir la détection, la reconnaissance et l'identification d'un hostile. La détection correspond à la mise en évidence de la présence de l'hostile, par séparation par rapport au fond de la scène, la reconnaissance à son classement parmi un groupe d'hostiles potentiels, et l'identification à la détermination des caractéristiques de l'hostile reconnu. La phase de détection exige de disposer d'un champ d'observation suffisamment grand pour permettre à l'observateur de se repérer spatialement dans la scène observée, et d'une image contenant suffisamment de détails pour distinguer un hostile éventuel du fond de la scène. Un compromis entre ces deux exigences conduit à choisir un grand champ supérieur à 100 x 50, par exemple 150 x 7,50. Pour la phase de reconnaissance, le champ d'observation doit être réduit pour améliorer la résolution, mais dans des proportions telles que l'observateur ne perde pas tout repère spatial dans l'image affichée. Le petit champ est par exemple de 4,40 x 2,20. Pour passer ainsi d'un grand champ à un petit champ, il est déjà connu d'utiliser des imageurs thermiques bifocaux dans lesquels la longue focale, pour laquelle le champ est le plus étroit, est obtenue au moyen d'une lentille ou d'un ensemble de lentilles en matériau tel que le germanium derrière laquelle ou lequel se trouve un miroir oscillant permettant de réaliser le balayage opto-mécanique. Pour commuter l'imageur en focale courte, afin d'explorer un champ plus large, des lentilles additionnelles sont basculées entre les deux éléments précédents. Une autre solution décrite dans le document FR-A2 623 298 consiste à équiper l'objectif de l'imageur thermique de trois lentilles dont une est mobile en translation entre deux positions définissant respectivement la courte et la longue focale. Toutefois, l'expérience montre que le passage d'un grand champ à un petit champ ne permet pas, dans de nombreux cas, d'assurer la phase d'identification dans des conditions de fiabilité satisfaisantes, faute d'une résolution suffisante. Tout se passe comme si le petit champ n'était pas assez petit. Par ailleurs, il est souhaitable d'augmenter autant que faire se peut la portée de reconnaissance des imageurs thermiques, ce qui nécessite une augmentation de la résolution. Malheureusement, cette résolution est liée au champ de vision car le nombre de pixels par ligne d'image est une constante (typiquement 500). L'augmentation de la résolution par simple réduction du petit champ au moyen des dispositifs optiques connus précités ne convient pas car un champ trop réduit ne permet pas à l'observateur de se situer par rapport à l'environnement. De plus, réduire le champ conduit à augmenter le grossissement et, par conséquent, la pupille d'entrée. Or, cette pupille ne peut raisonnablement pas dépasser 100 à 150 mm pour des raisons de discrétion et de coût des matériaux, tels que le germanium, utilisés pour la fabrication des lentilles des imageurs thermiques. Enfin, les contraintes d'encombrement limitent les possibilités de grossissement des systèmes optiques interposés entre la pupille d'entrée et le dispositif de balayage. Pour les mêmes raisons d'encombrement, de taille de la pupille d'entrée et de coût, le recours à un dispositif trifocal ou à un deuxième dispositif optique commutable, entre la pupille d'entrée et le dispositif de balayage, dans le but d'offrir un troisième champ très petit, est difficilement envisageable. Pour tenter de résoudre ce problème, il est connu de grossir électroniquement l'image sur le moniteur par répétition de lignes et/ou modification de vitesse des balayages. Le gain obtenu (par exemple un grossissement G x 2) se situe essentiellement sur le moniteur et se traduit par un confort amélioré pour l'observateur. Un tel dispositif de grossissement électronique conduit, en fonctionnement opérationnel, à l'enchaînement suivant des opérations - détection dans le grand champ et orientation de la visée sur l'hostile - passage en petit champ en vue de la reconnaissance de l'hostile - passage en grossissement électronique pour assurer l'identification de l'hostile - retour en petit champ et engagement du système d'arme. Cependant, un tel dispositif de grossissement électronique n'entraîne pas de modification de la résolution intrinsèque de l'instrument, au niveau de la taille angulaire des pixels, et n'apporte donc pas d'amélioration décisive dans le domaine de l'identification et de la portée de reconnaissance. L'invention vise à fournir un système de grossissement pour dispositif d'imagerie, notamment thermique, à balayage opto-mécanique, qui permette de pallier les insuffisances des dispositifs existants. Plus particulièrement, l'invention vise à fournir un système de grossissement qui permette d'accroître la résolution intrinsèque d'un tel dispositif d'imagerie, qui soit peu coûteux à fabriquer et compatible avec les objectifs mono ou multifocaux des dispositifs d'imagerie existants. A cet effet, l'invention a pour objet un système de grossissement pour dispositif d'imagerie comprenant une optique d'entrée, un dispositif opto-mécanique de balayage d'un champ objet suivant au moins une direction selon un angle déterminé (8), des moyens de détection du rayonnement reçu du dispositif de balayage, et des moyens de formation d'image couplés audit détecteur, caractérisé en ce que ledit système de grossissement comprend un dispositif optique de grossissement G2 interposable entre ledit dispositif de balayage et lesdits moyens de détection, et des moyens de pilotage dudit dispositif de balayage pour diviser par un facteur G2 égal audit grossissement l'amplitude dudit angle (8) de balayage en réponse à l'interposition dudit dispositif de grossissement entre ledit dispositif de balayage et lesdits moyens de détection. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre d'un mode de réalisation donné uniquement à titre d'exemple et illustré par le dessin annexé sur lequel la figure unique est une vue schématique d'un dispositif d'imagerie thermique infrarouge équipé d'un système de grossissement selon l'invention. En se référant à la figure unique, un dispositif d'imagerie thermique infrarouge comprend, au niveau de sa pupille d'entrée 1 de diamètre fel une optique afocale de tête 2 de grossissement G1 derrière laquelle est placé un dispositif opto-mécanique de balayage 3 comprenant un miroir 4 capable d'osciller d'un angle 8 autour d'un axe 5 sous la commande d'un mécanisme d'entraînement 6. Le rayonnement reçu par le miroir 4 est réfléchi en direction d'un dispositif optique 7 assurant un grossissement G2. Un groupe de lentilles schématisé sur le dessin par une lentille unique 8 de diamètre Do et de distance focale Fo focalise sur un détecteur 9 le rayonnement issu du dispositif de grossissement 7. Le détecteur 9 est un dispositif à transfert de charges (CCD) se présentant sous la forme d'une barrette de hauteur h constituée de N éléments alignés ayant chacun une dimension d x d'. En considérant le dessin, la barrette 9 est supposée être orientée perpendiculairement au plan de la feuille et, par convention, on considérera dans la suite que cette direction correspond à la dimension verticale du champ observé, tandis que le miroir 4 assure un balayage parallèle des éléments de la barrette 9 selon la direction horizontale du champ objet. Les signaux électriques produits par le détecteur 9 sont traités par un dispositif électronique conventionnel 10 assurant leur conversion en un signal vidéo qui est appliqué à un moniteur 11 permettant à un observateur de visualiser le champ objet. Le dispositif optique de grossissement 7 peut être déplacé, au moyen d'un dispositif de commande 12 connu en soi et comprenant, par exemple, un moteur électrique, entre une position escamotée et une position active dans laquelle il se trouve interposé entre le miroir de balayage 4 et la lentille 8. Le dispositif optique de grossissement 7 est constitué par l'assemblage conventionnel d'au moins deux lentilles propres à assurer le grossissement G2, le dispositif 7 étant du type afocal dans l'exemple représenté au dessin. Les lentilles constitutives des optiques 2, 7 et 8 sont réalisées en un matériau approprié à l'imagerie infrarouge, par exemple en germanium. Compte tenu de ce qui précède, le dispositif d'imagerie thermique représenté offre, dans la position escamotée du dispositif de grossissement 7 - une résolution angulaire ou IFOV a0 = d x 1 Fo G - un champ horizontal ex = e G1 - un champ vertical 8, = 2 Arctg h G1 2Fo Lorsque le dispositif optique de grossissement 7 est interposé entre le miroir 4 et la lentille 8 au moyen du dispositif de commande 12, ce dernier pilote le mécanisme 6 d'entraînement du miroir 4 pour diviser l'amplitude de l'angle 8 de balayage par un facteur G2 égal au grossissement apporté par le dispositif optique 7. Dans ces conditions, le champ horizontal devient égal à 8, et le champ vertical à 8,, , et la géométrie de G2 G2 l'image est ainsi conservée. Corrélativement, le diamètre fe et la section de la pupille d'entrée restant constants, la réduction du champ image entraîne une réduction de l'ouverture numérique dont la valeur nominale No = Fo se trouve divisée par le facteur Do G2. Cette diminution de l'ouverture numérique entraîne une perte de résolution sur les fréquences élevées à cause de la diffraction. En contrepartie, la réduction de l'amplitude de l'angle e de balayage du miroir 4 selon le facteur G2 entraîne une amélioration de la sensibilité thermique du dispositif d'imagerie, qui se trouve multipliée par le facteur M'Q. Globalement, la résolution du dispositif d'imagerie thermique se trouve sensiblement améliorée et la portée de reconnaissance accrue grâce au système de grossissement combinant une optique de grossissement intercalée entre le miroir de balayage et le détecteur et une réduction de l'angle 8 de balayage comme décrit ci-dessus. C'est ainsi que, selon le critère de Johnson, la portée de reconnaissance d'une cible carrée à sept cycles de dimensions 2,3 x 2,3 m ayant un contraste de 2"C se trouve accru, pour une atténuation atmosphérique a = 0,24 km-l, de plus de 20W dans le cas d'un dispositif optique 7 ayant un grossissement G2 x 2. Les avantages inattendus procurés par le système de grossissement selon l'invention apparaissent résulter du fait que la portée de reconnaissance d'un dispositif d'imagerie thermique est davantage liée à la résolution géométrique qu'à la sensibilité thermique du dispositif. Lorsque celui-ci a dès le départ une sensibilité thermique intrinsèque élevée, liée à une bonne efficacité du détecteur, il est aisé, au moyen du système de grossissement décrit ci-dessus, d'améliorer la résolution spatiale, et par conséquent la portée de reconnaissance, au détriment d'une perte de sensibilité thermique acceptable. Il est important de noter que le système de grossissement selon l'invention n'entraîne aucune augmentation de taille de la pupille d'entrée et de la distance généralement critique entre celle-ci et le miroir de balayage. De plus, son coût est relativement limité du fait que, de par leur position entre le miroir de balayage 4 et le détecteur 9, les lentilles du dispositif optique 7 ont une dimension réduite. Dans le cadre d'une application militaire, le système de grossissement décrit ci-dessus pourra être utilement combiné à un objectif de tête bifocale, permettant ainsi de passer d'un grand champ pour la détection (par exemple 150 x 7,50) à un petit champ pour la reconnaissance (par exemple 4,40 x 2,20), puis à un très petit champ pour l'identification (par exemple 2,50 x 1,250) par interposition du dispositif optique 7 et limitation de l'angle de balayage 8, puis à nouveau au petit champ pour l'engagement d'un système d'arme. Par ailleurs, le système de grossissement décrit cidessus constitue un moyen économique et léger d'offrir un petit champ lorsque l'équipement de base n'en possède qu'un seul, ce qui est le cas par exemple des modèles portables. Il va de soi que le mode de réalisation décrit n'est qu'un exemple et l'on pourrait le modifier, notamment par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour cela du cadre de l'invention. C'est ainsi, par exemple, que le dispositif optique 7 peut, par des moyens conventionnels, être rendu mobile en translation de manière commandée parallèlement à la barrette 9 afin d'explorer selon la direction verticale l'ensemble du champ objet vu depuis la pupille d'entrée 1. Par ailleurs, dans le cas où le système de grossissement selon l'invention est utilisé avec un dispositif opto-mécanique de balayage suivant deux directions perpendiculaires, l'angle de balayage suivant chaque direction devra être réduit en proportion du grossissement apporté par le dispositif optique de grossissement 7. D'une manière générale, le système de grossissement selon l'invention est applicable à tous les types de balayage utilisés dans les techniques d'imagerie infrarouge, à savoir - balayage selon deux axes avec détecteur unique - balayage selon deux axes avec détecteur série - balayage selon deux axes avec détecteur sérieparallèle ; - balayage selon un axe avec détecteur parallèle, ou série-parallele, ce dernier type d'image étant a priori le plus adapté au système de grossissement selon l'invention en raison de sa sensibilité intrinsèque plus élevée. Il est à noter que le grossissement G2 du dispositif optique 7 peut être optimisé en fonction du type de mission auquel le dispositif imagerie est destiné. REVENDICATIONS 1. Système de grossissement pour dispositif d'imagerie comprenant une optique d'entrée, un dispositif optomécanique de balayage d'un champ objet suivant au moins une direction selon un angle déterminé (8), des moyens de détection du rayonnement reçu du dispositif de balayage, et des moyens de formation d'image couplés audit détecteur, caractérisé en ce que ledit système de grossissement comprend un dispositif optique (7) de grossissement G2 interposable entre ledit dispositif de balayage (4) et lesdits moyens de détection (9), et des moyens (6, 12) de pilotage dudit dispositif de balayage (4) pour diviser par un facteur G2 égal audit grossissement l'amplitude dudit angle (8) de balayage en réponse à l'interposition dudit dispositif de grossissement (7) entre ledit dispositif de balayage (4) et lesdits moyens de détection (9). 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (12) de commande de déplacement dudit dispositif optique (7) de grossissement entre une position escamotée et ladite position d'interposition entre ledit dispositif de balayage (4) et lesdits moyens de détection (9). 3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits moyens de pilotage sont couplés auxdits moyens de commande (12). 4. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit dispositif optique (7) de grossissement est du type afocal. 5. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdits moyens de détection (9) sont constitués par un dispositif à transfert de charges. 6. Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit dispositif à transfert de charges (9) est une barrette d'éléments détecteurs à transfert de charges alignés. 7. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit dispositif opto-mécanique (4) est du type à balayage parallèle de ladite barrette (9). 8. Dispositif d'imagerie thermique infrarouge, caractérisé en ce qu'il comprend un système de grossissement selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.