Brevet FR2715470A1 — publié le 19950728

DISPOSITIF D'ETUDE DES PROPRIETES D'EMISSION LUMINEUSE D'UNE SURFACE EMETTRICE DE LUMIERE DESCRIPTION Domaine technique La présente invention a pour objet un dispositif pour étudier les propriétés d'émission lumineuse de la surface d'un objet apte à émettre des rayons lumineux. Elle s'applique, notamment, à la cartographie de surfaces dont on cherche à caractériser les propriétés d'émission. Etat de la technique La cartographie de la surface d'un objet nécessite une observation, à une distance finie de la surface de cet objet. La grandeur physique que l'on cherche généralement à déterminer pour permettre la caractérisation de la surface est l'indicatrice d'émission. Cette indicatrice d'émission tient compte de la température de la surface et de ses propriétés optiques. I1 est connu, pour observer une surface, d'utiliser des systèmes de mesure comportant des optiques qui présentent des profils de fonctions de transfert spatiales de type gaussien ou lorentzien. De telles optiques influencent généralement les mesures effectuées en apportant un poids différent à chaque point de la surface de l'objet en fonction de sa position sur cette surface (l'objet étant considéré, dans ce cas, comme une somme de points). La détermination de l'indicatrice d'émission de la surface considérée nécessite une connaissance parfaite des poids de chaque point de la surface afin de déconvoluer la valeur de mesure obtenue. Or, le calcul des poids nécessite une bonne connaissance de la surface considérée ainsi que de l'angle solide de détection. L'indicatrice d'émission influence donc, directement, le système de mesure ; la déconvolution de la valeur de mesure est alors une opération difficile à mettre en oeuvre, voire impossible. En outre, de tels systèmes de mesure ne prennent en compte aucune variation des conditions métrologiques qui, cependant, conditionnent le résultat de la mesure. Exposé de l'invention La présente invention a justement pour but de remédier à ces inconvénients. A cette fin, elle propose un dispositif permettant de déterminer l'indicatrice d'émission en tenant compte des variations des conditions métrologiques ; pour cela, elle autorise la sélection d'une dimension de surface et la sélection d'une puissance captée par ses optiques. De façon plus précise, l'invention concerne un dispositif d'étude des propriétés d'émission lumineuse d'une surface d'un objet émettant des faisceaux de rayons lumineux (f et f'), caractérisé en ce qu'il comporte - des moyens collecteurs aptes à collecter les faisceaux lumineux émis par la surface de l'objet et à en sélectionner une puissance - des moyens de définition d'une surface aptes à sélectionner une dimension de la surface à observer de l'objet ; - des moyens de minimisation aptes à minimiser des écarts angulaires entre les faisceaux lumineux issus de la surface à observer ; - des moyens de détection aptes à déterminer des valeurs caractéristiques des faisceaux lumineux issus de cette surface à observer. Avantageusement, les moyens collecteurs comportent une optique plan-convexe apte à collecter les faisceaux lumineux ainsi qu'un diaphragme apte à définir un angle solide sous lequel sont transmis les rayons des faisceaux lumineux. Selon l'invention, les moyens de détection comportent un détecteur de rayons lumineux ainsi qu'un objectif de focalisation assurant la formation d'une image de la surface à observer sur le détecteur. Selon un mode de réalisation de l'invention, le dispositif d'étude comporte, entre les moyens collecteurs et les moyens de définition, une lentille convergente assurant une convergence des faisceaux lumineux vers les moyens de définition. Selon l'invention, le dispositif peut comporter une source lumineuse introduite entre les moyens de minimisation et les moyens de détection par un miroir amovible. Brève description des dessins - La figure 1 représente le dispositif selon l'invention traversé par deux faisceaux lumineux ; et - la figure 2 représente graphiquement un profil de fonction de transfert spatiale du dispositif de l'invention. Exposé détaillé de modes de réalisation Sur la figure 1, on a représenté le dispositif optique permettant d'étudier les propriétés d'émission lumineuse de la surface d'un objet. Ce dispositif optique assure l'obtention directe de l'indicatrice d'émission moyennée de la surface, c'est-à-dire de l'indicatrice d'émission d'une surface dont les poids affectés à chacun des points de cette surface sont identiques. Le profil de la fonction de transfert spatiale de ce dispositif a donc la forme d'un créneau. Un tel profil de la fonction de transfert spatiale du dispositif optique est obtenu lorsque les angles solides prélevés en chaque point de la surface S sont identiques autour d'une même direction d'observation OX. On comprendra par angle solide, le cône optique sous lequel les rayons émis par la surface S sont transmis à travers le dispositif optique. Il est à préciser que tout rayon émis en dehors d'un cône optique est arrêté par le dispositif. Selon l'invention, ce dispositif consiste en des moyens collecteurs comportant une lentille collectrice Li et un diaphragme d'ouverture Dl. La lentille collectrice Li permet de collecter les faisceaux lumineux f et f' provenant de la surface S à observer, cette surface S émettant une pluralité de faisceaux lumineux dont deux seulement sont représentés (f et f') par mesure de simplification de la figure. Chaque faisceau f et f' est défini par un point d'émission respectivement P et P', et un demi-angle au sommet e lui-même défini par rapport à la direction OX. Ce demi-angle au sommet e définit l'angle solide ss des faisceaux lumineux f et f' à partir de l'expression ss = 2w X (1 - cosy) L'angle O est donc l'angle géométrique représentatif de l'angle solide ss. La lentille collectrice Li est choisie de façon à ce que les faisceaux limites f et f' puissent la traverser. La focale de cette lentille collectrice Li est choisie de manière à ce que les angles solides ss en bord de champ (c'est-à-dire en bordure de la surface à observer) ne soient pas aplatis. Aussi, selon un mode de réalisation de l'invention, la lentille collectrice Li est de type plan-convexe. Pour l'application représentée sur la figure 1, dans laquelle la surface étudiée est regardée à une distance finie comme si elle était à l'infini, les rayons lumineux provenant de la surface doivent être sensiblement parallèles. Aussi, la lentille collectrice Li est choisie convergente. Pour une application dans laquelle la surface étudiée est regardée comme si elle était à une distance plus proche que la distance réelle, la lentille collectrice Ll serait choisie divergente. Au foyer de la lentille convergente Li, est disposé un diaphragme d'ouverture Dl. Ce diaphragme Dl permet de définir l'angle solide ss de détection de chaque point P, P' de la surface S. Le diamètre maximal de ce diaphragme Dl est déterminé de façon à ce que le demi-angle au sommet e soit accepté par le diaphragme, cette condition assurant l'obtention du profil de la fonction de transfert spatiale en forme de créneau. Cette détermination est réalisée au moyen de la formule de LAGRANGE, rappelée ci-dessous AB.sinO = A'B'.sinB' = constante, où AB est la dimension de la surface S à observer, A'B' est la dimension de l'image de la surface S et 0' est l'image du demi-angle au sommet i. Le dispositif de l'invention comporte en outre des moyens de définition de la surface. Ces moyens comportent un diaphragme de champ D2 permettant de définir la dimension de la surface S que l'on veut observer. Ce diaphragme de champ D2 est positionné au point de convergence des faisceaux f et f', c'est-à-dire à l'emplacement où les faisceaux limites f et f' convergent. Cet emplacement correspond au plan image de la surface S observée par la lentille collectrice LI ; il est déterminé à partir de la formule de GAUSS suivante 111 ~ = ~ + ~ F d d' où F est la focale de la lentille collectrice Li, d est la distance entre la surface S et la lentille Li et d' est la distance à déterminer entre la lentille Li et le plan image de la surface S. La dimension de la surface S à observer dépend alors directement de l'ouverture du diaphragme de champ D2. Selon le mode de réalisation préféré de l'invention, ces moyens de définition de la surface comportent une lentille d'ouverture L2 positionnée entre le diaphragme d'ouverture Dl et le diaphragme de champ D2 pour permettre une intégration du dispositif. Cette lentille d'ouverture L2 assure, en effet, une réduction de la distance entre les deux diaphragmes Dl et D2 et, par conséquent, une diminution de l'ouverture du diaphragme de champ D2. Le dispositif de l'invention comporte, de plus, des moyens de minimisation aptes à minimiser l'aberration sphérique de l'ensemble. De façon plus précise, ces moyens consistent en une lentille de champ L3 disposée juste après le diaphragme de champ D2 dans le sens de propagation des faisceaux lumineux f et f'. Cette lentille de champ L3 permet de limiter l'écart angulaire entre les faisceaux f et f', chacun des faisceaux arrivant ainsi dans la même zone de l'optique suivante dans le dispositif, à savoir l'objectif de focalisation M. Cette lentille de champ L3 assure ainsi la formation de l'image de la surface S sur l'objectif de focalisation M devant le détecteur N. L'objectif de focalisation M est positionné dans le plan image du diaphragme d'ouverture Dl par l'ensemble optique L2-L3 pour former l'image du champ de surface S délimité par le diaphragme de champ D2 sur le détecteur N. L'objectif de focalisation M est choisi de façon à ce que l'image géométrique de la surface S provenant du diaphragme de champ D2 augmentée de la taille d'aberration géométrique soit incluse dans la surface du détecteur N. Le détecteur N reçoit ainsi une image de la surface S située à une distance finie correspondant à une image de la surface S située à l'infini. A partir de cette image, le détecteur est apte à déterminer les valeurs caractéristiques (par exemple la valeur d'intensité) des faisceaux lumineux issus de la surface S comme si elle était à l'infini. Le flux reçu par le détecteur N est donc directement proportionnel à l'angle solide ss et la valeur d'intensité mesurée correspond au flux rayonné dans cet angle solide ss. Selon un mode de réalisation de l'invention, les lentilles Li, L2 et L3 ainsi que l'objectif M sont traitées de façon à être anti-reflets. Selon un mode de réalisation de l'invention, le dispositif peut comporter une source d'éclairage permettant un contrôle visuel de la surface de l'objet. Cette source d'éclairage est introduite entre la lentille de champ L3 et l'objectif de focalisation M au moyen d'un miroir. Le dispositif de l'invention a été représenté sur la figure 1 dans son application à l'étude d'une surface située à une distance finie et regardée comme si elle était à l'infini. On comprendra bien sûr que ce dispositif peut être appliqué à l'étude d'une surface située à une distance dl et regardée comme si elle était à une distance d2 (dl et d2 étant quelconques) ; seul le type de la lentille collectrice Li varie (comme expliqué précédemment) en fonction de l'application choisie. Un exemple illustratif de l'application représentée sur la figure 1 va maintenant être décrit. Si l'on considère l'observation d'une surface S de 30 mm de côté située à 350 mm de la lentille collectrice Li et l'utilisation d'un détecteur N présentant un élément sensible de 1,6 mm de diamètre avec un demi-angle d'ouverture de 13 , le demi-angle au sommet e déterminé à partir de la formule de LAGRANGE équivaut à e = 0,655 . La construction du dispositif optique peut alors être réalisée au moyen, par exemple, de - une lentille collectrice Li de focale 254 mm présentant un diamètre utile de 40 mm ; cette lentille collectrice Li est choisie de type plan-convexe, avec le côté plan dirigé vers la surface S; - une lentille d'ouverture L2 de focale 50 mm présentant un diamètre utile de 9 mm - une lentille de champ L3 de focale 50 mm présentant un diamètre utile de 7 mm - un diaphragme d'ouverture Dl ayant une ouverture maximale de 5,9 mm ; - un diaphragme de champ D2 ayant une ouverture maximale de 5,6 mm ; - un objectif formé d'une première lentille ayant une focale de 392 mm et un diamètre utile de 41 mm et d'une seconde lentille ayant une focale de 240 mm et un diamètre utile de 40 mm. Le dispositif de l'invention peut être appliqué, en outre, à la simulation de sources lumineuses. Pour cette application, on considère comme chemin de la lumière le chemin inverse à celui des applications décrites précédemment. Selon cette application, le dispositif de l'invention comporte, en plus des moyens décrits précédemment, une source lumineuse éclairant la surface S par réflexion sur un miroir placé entre la lentille de champ L3 et l'objectif de focalisation M. Une telle application permet d'imager une source lumineuse dans un autre plan que le plan dans lequel se situe cette source lumineuse. On peut alors effectuer une analyse de la répartition d'émittance de cette source. Si la source lumineuse présente une émittance uniforme dans tout l'angle solide ss défini par la lentille de champ L3, la surface S dans le plan image du dispositif est éclairée uniformément. Si l'émittance de la source n'est pas uniforme, des diffuseurs (de type verre dépoli, par exemple) peuvent être introduits dans le dispositif pour unifier cette émittance. Sur la figure 2, on a représenté un profil de fonction de transfert spatiale. Ce profil en forme de créneau est obtenu pour un dispositif appliqué à la simulation de source lumineuse, ce dispositif comportant une source lambertienne de 1,6 mm de diamètre émettant un angle solide ss correspondant à un demi-angle au sommet O de 13". On précise que la fluctuation du palier du créneau est due au fait que le nombre de rayons émis par la source lumineuse vers l'ensemble optique du dispositif n'est pas infini. Une telle application permet de simuler l'éclairage d'un objet par une source semblant être située à une distance inférieure ou supérieure à sa distance réelle. Par exemple, on peut simuler l'illumination d'un satellite par une source lumineuse représentant le soleil. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'étude des propriétés d'émission lumineuse d'une surface (S) d'un objet émettant des faisceaux de rayons lumineux (f et f'), caractérisé en ce qu'il comporte - des moyens collecteurs (Li, Dl) aptes à collecter les faisceaux lumineux émis par la surface de l'objet et à en sélectionner une puissance - des moyens de définition d'une surface (D2) aptes à sélectionner une dimension de la surface à observer de l'objet ; - des moyens de minimisation (L3) aptes à minimiser des écarts angulaires entre les faisceaux lumineux issus de la surface à observer - des moyens de détection (M, N) aptes à déterminer des valeurs caractéristiques des faisceaux lumineux issus de cette surface à observer de l'objet. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens collecteurs comportent une optique plan-convexe (Ll) apte à collecter les faisceaux lumineux ainsi qu'un diaphragme (Dl) apte à définir un angle solide sous lequel sont transmis les rayons des faisceaux lumineux. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications l et 2, caractérisé en ce que les moyens de détection comportent un détecteur (N) de rayons lumineux ainsi qu'un objectif de focalisation (M) assurant la formation d'une image de la surface à observer sur le détecteur. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte, entre les moyens collecteurs et les moyens de définition, une lentille convergente (L2) assurant une convergence des faisceaux lumineux vers les moyens de définition. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte une source lumineuse introduite entre les moyens de minimisation et les moyens de détection par un miroir amovible.