Brevet FR2723216A1 — publié le 19960202

OPTIQUE DIFFRACTIVE EN INFRAROUGE APPLICABLE A UN SYSTEME DE DESIGNATION D'OBJECTIF PAR LASER La présente invention concerne une optique prévue essentiellement pour travailler en rayonnement infrarouge mais susceptible également de transmettre un rayonnement proche du visible. L'utilisation de l'invention est plus particulièrement envisagée pour un système de désignation d'objectif par laser équipé d'une caméra thermique. Pour cette application on utilise deux voies optiques, une voie infrarouge qui peut se situer de 8 à]12 microns (abréviation pour micromètre) et une voie laser par exemple à 1,06 microns c'est-à-dire dans le proche infrarouge. La caméra thermique trop importante ne peut être logée dans la tête orientable du système de désignation d'objectif. Il faut utiliser des optiques distinctes pour chaque voie ce qui entraîne des problèmes d'harmonisation en rotation compte tenu de la précision importante désirée. En outre, l'optique de la voie infrarouge est généralement en germanium ce qui pose des problèmes de refroidissement avec risque ultérieur de pollution des optiques. Pour réaliser une optique infrarouge afocale il faut disposer d'une première lentille de courte focale c'est-à-dire très ouverte à l'entrée. Le matériau germanium d'indice élevé, de l'ordre de 4, permet de réaliser ce type de lentille mais il présente plusieurs inconvénients. Il défocalise en température c'est-à-dire l'indice varie avec la température et il absorbe le rayonnement visible, étant limité aux longueurs d'onde qui se trouvent au-dessus de deux microns. Ceci ne le rend pas applicable pour traiter la deuxième vole optique dans l'application envisagée. Pour remédier à certains des inconvénients cités, notamment celui du refroidissement, on remplace la lentille d'entrée convergente au germanium par des lentilles en autre matériau, notamment en séléniure de zinc et sulfure de zinc. L'optique pourrait être constituée, par exemple, d'un doublet comportant une lentille convergente ouverte en séliniure de zinc et suivie d'une lentille divergente en sulfure de zinc. En effet, ces lentilles présentent du chromatisme produisant une déviation plus grande pour les faibles longueurs d'onde autour de 8 microns, que pour les longueurs d'onde plus importantes autour de 12 microns, dans la bande infrarouge considérée. Le couplage d'une lentille divergente a la lentille convergente très ouverte d'entrée permet de remédier en partie a cette inconvénient mals par contre il allonge considérablement le tirage c'est-à-dire la distance focale de l'ensemble par rapport à la solution au germanium. Cet accroissement de distance focale n'est pas compatible avec certaines applications dont celle envisagée pour un système de désignation d'objectif o les impératifs de compacité sont sévères. L'invention a pour but de remédier aux inconvénients précités en réalisant une optique diffractive en infrarouge de grande ouverture qui ne présente pas de défauts de chromatisme, qui admet une compacité élevée et qui ne nécessite pas de dispositif de refroidissement. Suivant l'invention, il est réalisé une optique diffractive en infrarouge formée de deux lentilles convergentes répondant chacune à la bande de longueur d'onde d'exploitation envisagée dans l'infrarouge, la première lentille étant en un matériau répondant à cette bande de longueur d'onde et la deuxième lentille étant formée par un hologramme de surface. Suivant une autre caractéristique de l'invention, l'hologramme de surface est obtenu par usinage d'un des dioptre de la première lentille convergente selon des données optimisées par calcul numérique. Les particularités et avantages de l'invention apparaîtront dans la description qui suit donnée à titre d'exemple et à l'aide des figures annexées qui représentent: - Fig. 1, un schéma d'une optique diffractive conforme à l'invention; - Fig. 2, un schéma montrant plus en détail l'aspect de l'optique diffractive et son agencement avec d'autres éléments dans le cadre d'une application à un système de désignation d'objectif par laser; - Fig. 3, un schéma relatif a l'élaboration de l'hologramme de surface; - Fig.4, une courbe de réponse en transmission de l'hologramme de la figure 3, en fonction de la longueur d'onde. En se reportant au schéma figure 1, l'optique diffrative selon l'invention se compose d'une première lentille convergente L1 en un matériau répondant à la bande de longueur d'onde infrarouge d'exploitation envisagée, et d'une deuxième lentille convergente LH constituée par un hologramme de surface. Les matériaux optiques dévient plus le 8 microns que le 11 microns tandis qu'un hologramme dévie plus par diffraction les longueurs d'onde importante et donc dans le cas de bande considérée le 11 microns que le 8 microns. La représentation en pointillé des rayons correspond au point F1 au rayonnement 8 microns dévié par la lentille L1 seule et en F2 au rayonnement 11 microns dévié par la lentille L1 seule. Le couplage de la lentille convergente L1 avec la lentille holographique convergente LH est déterminé pour ramener tous les rayons en un même point F3. L'optique est très ouverte, l'angle A est important. La lentille L1 figurée est de préférence plan-convexe car la réalisation de l'hologramme de surface sur la face plane de la lentille Ll est plus aisé A exécuter que sur une face courbe. La lentille L1 peut être une lentille en sulfure de zinc (ZnS) car ce matériau est plus dispersif que le séléniure de zinc (ZnSe). La face considérée pour réaliser l'hologramme peut être l'un quelconque des dioptres de Ia lentille LI aussi bien le dioptre placé en aval qui a été considéré, que celui placé en amont et qui reçoit le rayonnement. L'hologramme de surface plus visible sur les figures 2 et 3 vues en coupe axiales selon l'axe optique Z a sensiblement la forme d'une lentille de Fresnel. A titre indicatif, le pas des franges au bord pourra être de 0,5mmn et le diamètre de la zone centrale de 9rm pour un diamètre de l'optique de 40rmm. L'usinage de surface peut être opéré avec une précision très élevée à l'aide d'une machine MOORE. Les données d'usinage du dioptre sont calculées par un ordinateur annexe pour réaliser un hologramme numérique et donc optimisé, répondant aux conditions d'utilisation prévues, notamment au point de vue bandes spectrales à traiter. L'hologramme de surface encore appelée réseau "blazé" (de la terminologie anglaise) est comparable à une antenne réseau à balayage dans le domaine électromagnétique. Le pas variable P entre les profils circulaires successifs entraîne la déviation du faisceau selon l'angle désiré. L'inclinaison 0 variable des différents profils permet de supprimer les lobes secondaires et d'obtenir une diffraction du premier ordre. On obtient un rendement de % pour une longueur d'onde moyenne donnée dans la plage d'exploitation choisie. A titre d'exemple pour la plage 8 Aàll microns le rendement peut atteindre 97,4% et pour une extension de 8 à 12 microns il reste de l'ordre de 95,8%. L'épaisseur E du profil de l'hologramme peut être pour cet exemple de l'ordre de 7 microns avec un pas P variant entre 0,2 et 6, 5 mm (13mm de diamètre au centre). Ainsi qu'il a été dit, le profil particulier usiné avec une machine de haute précision telle une machine MOORE est calculé selon le principe de l'holographie numérique qui consiste A avoir une expression mathématique avec des coefficients aux paramètres, variables pour représenter la formule optique que l'on désire obtenir. En fonction du choix des paramètres, l'ordinateur calcule les aberrations présentées par la formule optique. Ensuite les valeurs des paramètres sont modifiées et consécutivement la formule optique en sorte de diminuer les aberrations par déformation de front d'onde. On obtient ainsi progressivement, à l'aide de calculs numériques, une formule optique optimisée avec des aberrations minimisées ou très faibles. Ces calculs sont effectués en tenant compte du champ total désiré pour le système et en définitive permettent de définir une optique holographique LH diffractive en infrarouge, achromatique, de grande ouverture, ne nécessitant pas de refroidissement et de grande compacité. La figure 2 représente un montage dans le cadre de l'application envisagée qui comporte un système optique afocal constitué de l'optique 1 groupant les éléments L1 et LH de la figure 1 et une optique 2 constituée par une lentille divergente. Cet ensemble afocal permet de reproduire un rayonnement parallèle. Il est complété par un miroir dichroique 3 qui laisse passer le rayonnement à 1,06 microns d'un Wlluminateur laser 4 et qui réfléchit à la réception le rayonnement infrarouge compris dans la bande 8-12 microns vers une caméra infrarouge 5. On se rend compte que si le rayonnement laser, comme indiqué, est d'un diamètre suffisamment faible il n'aboutit que sur la partie centrale de l'hologramme qui se comporte comme une simple lentille. Par contre, si le rayonnement laser est d'un plus large diamètre et couvre d'autres parties de la lentille holographique LH il faut tenir compte de la courbe de réponse à la transmission de l'hologramme (figure 4) et jouer sur la bande infrarouge en modifiant ses limites en sorte que pour 1, 06 microns on se trouve vers la crête d'un lobe secondaire. La modification du paramètre de bande infrarouge permet de décaler la courbe de réponse le long de l'axe des abscisses jusqu'à obtention du résultat désiré. Cette courbe est en sinus K/A, les valeurs en ordonnée représentent la transmission T. La diminution de la bande passante infrarouge d'exploitation entraîne une augmentation de la précision d'usinage. A titre d'exemple, si l'on considère une distance focale globale de 1OOmm avec une lentille L1 de diamètre 4Omm, la distance focale de cette lentille en sulfure de zinc étant de mm il faut réaliser un hologramme de distance focale de l'ordre de 1000mm avec un indice équivalent de l'ordre de 2,5. Les précisions d'usinage requises pour cette réalisation sont en latéral de + O, 03mm et en profondeur de + 0, 5 microns. La lentille holographique LH aura un profil défini par la relation du cercle h2=x2+y2 et par la fonction de phase P(h)=(h2/2f) Modulo (o/n-l) dans laquelle f=lOOOmm, L est la longueur d'onde moyenne (par exemple 9,26 microns pour la bande 8 à 11 microns) et n est l'indice du sulfure de zinc qui est de l'ordre de 2,33. Il en résulte le profil indiqué sur la figure 3 ol l'épaisseur est donnée par >o/n-1 et est de l'ordre de 7 microns et o la courbe C représentée est égale à (h 2/2f). Ce dernier terme représentant la fonction de phase est déterminé pour corriger un cas de chromatisme pur. En pratique, la fonction est calculée avec des termes plus complexes pour corriger également les autres aberrations par un procédé analogue à celui utilisé en holographie numérique. REVENDICATIONS 1. Optique diffractive en infrarouge, caractérisée en ce qu'elle se compose d'une première lentile convergente (L1) en un matériau répondant à la bande de longueur d'onde infrarouge d'exploitation envisagée et d'une seconde lentille convergente holographique (LH) formée par un hologramme de surface. 2. Optique diffractive selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit hologramme de surface (LH) est obtenu par usinage d'un des dioptres de la première lentille convergente selon des données d'usinage optimisées par calcul numérique. 3. Optique diffractive selon la revendication 2, caractérisée en ce que la première lentille (L1) est en sulfure de zinc. 4. Optique diffractive selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la première lentille (L1) est en séléniure de zinc. 5. Optique diffractive selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit hologramme de surface (LH) a sensiblement la forme d'une lentille de Fresnel. S. Optique diffrative selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'elle est définie par les relations h2=x2 +y et par la fonction de phase P(h)(h /2f) Modulo ( l'hologramme et h2/2f la fonction de phase. 7. Système utilisant une optique diffractive selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite optique diffractive (1) est combinée avec une lentille divergente (2) pour constituer un système optique afocal, lequel est suivi d'un miroir dichroique (3) pour séparer une voie Infrarouge de réception d'une voie laser d'émission. 8. Système selon la revendication 7, caractérisé en ce que la voie laser se situe dans l'infrarouge proche vers 1,06 microns.