Brevet FR2734375A1 — publié le 19961122

SYSTEME OPTIQUE CATADIOPTRIQUE MULTISPECTRAL La présente invention a pour objet un système optique catadioptrique multispectral à longue focale, capable de fournir des images dans le spectre visible et dans le spectre infrarouge, notamment pour une bande allant de 3 à 5 microns et de 8 à 12 microns, incorporant des fenêtres de transparence atmosphérique dans linfra-rouge. La plupart des systèmes connus de ce genre sont constitués de lentilles. Certains d'entre eux comportent cependant des miroirs, qui ont l'avantage de ne pas présenter d'aberration chromatique. Mais en contrepartie ces derniers systèmes ou bien utilisent des miroirs qui travaillent hors d'axe, ou bien présentent une forte obturation centrale. Quant aux systèmes purement dioptriques, ils exigent, si on souhaite leur donner une grande ouverture et une longue focale, un nombre important de lentilles placées sur le trajet commun du rayonnement infrarouge et visible. Or le seul matériau actuellement commercialisé et ayant une transparence élevée dans l'ensemble du spectre visible et jusqu'à 12 microns est le sulfure de zinc, tel que celui fabriqué par CvD INC. et vendu sous la marque CLEAR TRAN, qui est très coûteux. La présente invention vise notamment à fournir un système optique multispectral à longue focale, pouvant être réalisé à un coût acceptable même avec une grande ouverture et ayant une faible occultation, en dépit du fait qu'il comporte un miroir de renvoi ou de stabilisation. Dans ce but, l'invention propose notamment un système optique multispectral comprenant un miroir concave placé au niveau de la pupille d'entrée du système qui reçoit le faisceau de lumière incident dévié par un miroir de renvoi et le renvoie à travers un trou.central du miroir de renvoi vers un séparateur dichroique suivi d'une part d'une voie recevant la lumière visible sortant du séparateur et compor tant des lentilles de correction des aberrations chromatiques dans le domaine visible et de focalisation sur un détecteur, d'autre part d'une voie infrarouge recevant la partie infrarouge du spectre, constituée de lentilles en matériau transparent jusqu'à 12 microns environ, de correction d'aberration chromatique et de focalisation sur un détecteur, la face avant desdites lentilles étant à une distance du miroir de renvoi qui ne dépasse pas 20% de la distance entre le miroir de renvoi et le miroir concave. Généralement la distance entre la face avant et le centre du miroir de renvoi est compris entre 5% et 10% de la distance entre le centre et le miroir concave. A condition d'utiliser un miroir concave asphérique, il est possible -grace au fait qu'il est situé au niveau de la pupille d'entrée du système- de donner au système des performances qui ne sont limitées que par la diffraction. Si en revanche on souhaite utiliser un miroir concave sphérique, une optique de correction d'ouverture, ayant une lentille à surface asphérique en matériau transparent dans les spectres visible et IR, est interposée entre le miroir de renvoi et le miroir concave. Cette optique, faiblement convergente, traversée deux fois, corrige les aberrations d'ouverture. Le séparateur dichroique est placé en aval de l'optique de correction dans le sens de la lumière réfléchie par le miroir. Le système trouve une application importante, bien que non exclusive, dans les appareils d'observation du sol à visée latérale ou ventrale montés sur des aéronefs, soit directement en soute, soit dans une nacelle ou sur des satellites. Dans de tels dispositifs, le déplacement du porteur assure le balayage de la scène à observer qui est en forme de bande allongée dans le sens du déplacement. Les détecteurs sont en général des matrices de capteurs à couplage de charges, dits CCD. I1 existe dans le commerce des matrices linéaires de capteurs sensibles dans le visible et le proche IR. De telles barrettes seront généralement utilisées sur la voie visible et disposées transversalement au sens de défilement. En revanche de telles barrettes ne sont à l'heure actuelle pas disponibles pour la détection dans l'infra-rouge lointain. On peut alors utiliser une matrice à deux dimensions et transformer l'image d'une nappe transversale à la direction du déplacement en une image rectangulaire, à l'aide d'un faisceau de fibres optiques. Le miroir plan de renvoi, placé sur le trajet du faisceau lumineux provenant de la scène observée, est lorsqu'il est destiné à la stabilisation, orientable au moins autour d'un axe orthogonal à l'axe optique et parallèle aux barrettes. Un tel système suivant l'invention, placé de façon que le faisceau réfléchi par le miroir et ayant traversé l'optique de correction d'ouverture soit focalisé immédiatement derrière le miroir de stabilisation, ne présente pas doccul- tation autre que celle nécessitée par le passage à travers le miroir plan, qui peut être minime étant donné que le plan image est près de ce miroir. Le système optique peut être rendu quasi athermal. Il est encore possible (et avantageux , du point de vue de l'usinage des surfaces optiques) d'utiliser un miroir concave sphérique et de constituer l'optique de correction d'ouverture, prévue pour corriger les aberrations d'ouverture du miroir sphérique, de deux lentilles à surfaces sphériques, présentant chacune une puissance très faible, en sulfure de zinc puisqu'elles doivent travailler dans le visible et jusqu'à 12 microns environ. Du fait que le miroir de renvoi est percé d'un trou, une zone homologue du miroir concave est inutilisée. Le système optique peut en conséquence être complété de façon à être bifocal sans pour cela augmenter l'occultation. Une ouverture, conjuguée de celle qui est pratiquée dans le miroir de stablisation et/ou de renvoi, est alors utilisée pour loger un second objectif, purement dioptrique, colinéaire à l'objectif catadioptrique de longue focale défini plus haut. Ce deuxième objectif peut être placé suivant un axe secon daire et permet alors d'observer la scène suivant une nappe linéaire, éventuellement décalée angulairement de celle qui est vue par les détecteurs principaux. En cas de balayage par l'aéronef, la nappe linéaire peut être en avance dans le sens du déplacement pour fournir une information sur lenvironne- ment de la zone qui sera ensuite balayée par les détecteurs principaux. On peut également utiliser la zone morte que représente l'ouverture centrale du miroir de renvoi pour placer un second objectif qui reçoit deux faisceaux angulairement espacés dans le sens du déplacement, permettant une vision stéréoscopique. Le détecteur principal placé sur la voie infrarouge peut être dédoublé. En particulier, l'image infrarouge peut être recueillie dans un plan focal par un faisceau de fibres optiques permettant de former, à partir de limage (en forme de bande dans le cas d'une observation par barrette de capteurs et d'un balayage par le déplacement même de laéro- nef), deux images formées sur deux détecteurs infrarouge ayant chacun une matrice de capteurs à deux dimensions. Les deux détecteurs peuvent avoir des sensibilités allant par exemple de 3 à 5 microns pour l'un et de 8 à 12 microns pour l'autre.Une telle disposition peut en particulier être celle décrite dans la demande de brevet français nO 89 07105. Le dispositif étant télécentrique, les fibres optiques travaillent dans de bonnes conditions, puisqu'elles reçoivent la lumière avec une très faible inclinaison sur leur face d'entrée. L'objectif travaillant dans 1'IR, destiné à effectuer la correction de champ et en particulier à décambrer le champ, à assurer l'achromatisme et à corriger les aberrations géométriques résiduelles, peut être du genre décrit dans le document EP-A-0 452 203. 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 est un schéma montrant la disposition relative des différents composants d'un système constituant un premier mode de réalisation - la figure 2, similaire à la figure 1, montre une variante de réalisation - la figure 3, similaire à la figure 1, montre une autre variante encore - la figure 4 est un schéma en perspective montrant une disposition possible relative des nappes d'observations à l'aide du système de la figure 3. Le système montré en figure 1 peut notamment être utilisé dans une nacelle d'observation destinée à être fixée sous un aéronef et dont seul le hublot 10 d'entrée du faisceau de lumière provenant du sol est représenté. Ce faisceau, provenant d'une tranche de terrain dont l'image est simultanément formée, est dévié, généralement de 900 environ, par un miroir de renvoi 12. Dans le mode de réalisation montré en figure 1, ce faisceau parallèle est reçu directement par un miroir concave 14, généralement en verre à faible coefficient de dilatation désigné par la marque zérodurS et renvoyé, sous forme d'un faisceau convergent, vers un point placé derrière le miroir de renvoi 12, à travers une ouverture 16 de ce dernier.La distance focale du miroir concave peut être élevée tout en conservant une grande ouverture, du fait qu'un miroir n'introduit pas d'aberration chromatique. Pour une observation du sol en incidence oblique à partir d'un avion d'observation, on utilisera fréquemment une distance focale d'environ 1200 mm. Le miroir concave 14 est asphérique, de façon à constituer un correcteur d'ouverture. Pour que cette correction soit satisfaisante, le miroir est placé au niveau de la pupille d'entrée du système. Cela signifie que les dimensions des autres composants optiques (hublot 10 et miroir de renvoi 12) doivent être suffisantes pour ne pas limiter le champ. Un séparateur optique 18 placé immédiatement derrière le miroir de renvoi 12, généralement constitué par une lame dichroique, renvoie la partie visible du faisceau vers un objectif correcteur de champ visible constitué par exemple de quatre lentilles, ayant une faible puissance totale, donc modifiant peu la position du plan focal final par rapport à celle qu'imposerait le miroir concave seul. L'image fournie par cet objectif 20 est recueillie par un premier détecteur 22, formé par une barrette de capteurs CCD sur un substrat silicium. Cette barrette est orientée orthogonalement au plan de la figure 1, de façon à fournir l'image d'une tranche de terrain transversale à la bande balayée. La seconde voie, destinée par exemple au spectre infrarouge, comporte un objectif de correction des aberrations géométriques résiduelles, d'achromatisme et de décambrage du champ. Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 1, il comporte quatre lentilles. Du fait qu'il n'a pas à être transparent dans le visible, il peut associer des lentilles en ZnS, ZnSe et Ge et être par exemple du genre décrit dans le document EP-A-0 452 203. A l'heure actuelle, on ne dispose pas commercialement de barrettes de capteurs sensibles à la fois dans la bande de 3 à 5 microns et dans la bande de 8 à 12 microns. En revanche, il existe des détecteurs constitués par une matrice à deux dimensions de capteurs à large bande. L'image en forme de tranche fournie par le second objectif 24 est changée de format à laide d'un faisceau de fibres optiques 26 dont les tranches terminales à une extrémité du faisceau sont disposées suivant une bande, tandis que les tranches terminales de l'autre côté sont réparties suivant un rectangle. Ces dernières tranches sont placées en face d'un détecteur matriciel 28. Cette solution peut être adoptée en dépit du fait que les fibres optiques ont un angle d'acceptance faible à l'entrée du fait que l'ensemble constitué par le miroir concave 14 et l'objectif 24 est presque télécentrique : les rayons lumineux arrivant sur le faisceau de fibres optiques ont en consé quence peu d'inclinaison sur la normale au plan image. On peut ainsi constituer un système ayant une focale très longue et une grande ouverture, avec une faible occultation centrale : en effet le trou 16 peut être de faible diamètre, car il est très près du plan focal du miroir 14. La résolution obtenue peut être très proche de la limite fixée par la diffraction. A titre d'exemple, un système du genre décrit ci-dessus a été réalisé avec un miroir concave 14 ayant une distance focale de 1200 mm et une ouverture f/3,4. Le champ obtenu était linéaire sur la longueur de 120 mm de la barrette 22. La distance entre le miroir sphérique 14 et la face en regard du miroir de renvoi 12, suivant l'axe, était de 1180 mm et la distance entre la lame séparatrice 18 et la barrette 22 était de 195 mm. Le système s'est révélé quasi athermal : aucune dégradation de la fonction de transfert de modulation n'est apparue dans une plage de + 200C autour de la température de fonctionnement nominale. Dans une variante de réalisation de l'invention, l'image reçue par la nappe de fibres optiques 26 est répartie entre deux détecteurs matriciels ayant des plages de sensibilité infra-rouge différentes, encore suivant une disposition du genre décrit dans la demande de brevet FR nO 89 07105. I1 est possible d'utiliser des éléments optiques ayant uniquement des surfaces planes ou sphériques. Dans ce cas un correcteur d'ouverture formé de deux lentilles sphériques, en sulfure de zinc du fait qu'elles doivent être transparentes pour l'ensemble du spectre observé, est placé entre le miroir de renvoi 12 et le miroir concave 14. Dans le cas illustré sur la figure 2, ces deux lentilles 30 et 32 sont formées par des ménisques faiblement convergents, du genre correcteur de Schmitt. Les lentilles sont traversées deux fois, ce qui évite la nécessité d'une ouverture pour livrer passage au faisceau de retour. Si cette disposition présente l'avantage d'éviter l'usinage de surfaces asphériques, elle exige en contrepartie deux lentilles 30 et 32 de grand diamètre, en un matériau qui est coûteux et difficile à usiner. Dans une variante de réalisation, seule la lentille 30, dont les deux surfaces ont une concavité tournée vers le miroir 14, est conservée. Mais en revanche, soit cette lentille, soit le miroir concave doit présenter une surface asphérique. Dans tous les cas, la faible transparence de ZnS utilisé pour constituer le correcteur d'ouverture constitue un inconvénient, d'autant plus que ce correcteur est traversé deux fois par la lumière. Une longue focale est souvent nécessaire lors des missions de reconnaissance, de façon à identifier les détails au sol ; mais elle a l'inconvénient que le système est aveugle hors d'un champ angulaire transversal faible, par exemple d'environ 5,70 dans le cas particulier indiqué plus haut. Le système montré en figure 3 réduit cet inconvénient, du fait qu'il comporte une seconde optique, de plus courte focale que la première, permettant une observation et/ou un enregistrement de l'image d'une bande plus large de terrain, éventuellement décalée en avant ou en arrière de la bande observée par les détecteus 22 et 28, et cela sans perturber l'observation principale. Pour cela le dispositif comprend une voie optique supplémentaire, qui traverse le miroir concave 14 à travers une ouverture centrale 34. Cette ouverture correspond à une zone inutilisée pour l'observation principale. Cette voie peut être prévue pour une observation soit dans le visible, soit dans l'infra-rouge. Elle comporte un objectif supplémentaire en deux parties 36 et 38, placées l'une en avant, l'autre en arrière du miroir concave 14. Dans le mode de réalisation illustré, un miroir de repliement 40 réduit la longueur du système. L'objectif formé par les groupes de lentilles 36 et 38 fournit une image sur une barrette de capteurs 42. La voie supplémentaire peut être disposée suivant un axe secondaire 44 tel que la tranche observée soit en avant d'un angle ô par rapport à celle que voient les détecteurs 22 et 28 (figure 3). Dans le cas où le miroir 12 est gyrostabilisé autour d'un axe 46, la voie supplémentaire bénéficie de cette gyrostabilisation. La disposition montrée en figure 3 peut également être adoptée lorsque le système comporte un correcteur d'ouverture, du fait que les lentilles qui le constituent sont de très faible puissance. La voie supplémentaire utilise par exemple un objectif constitué par des jeux de lentilles 36 et 38 de 350 mm de distance focale, fournissant un champ angulaire latéral d'environ 200. Le décalage angulaire ô peut être de 8 à 100, en particulier lors d'un montage sur avion d'observation. Il permet de déceler par exemple les mouvements de véhicules au sol ou peut être utilisé comme aide à la navigation. La figure 3 montre également, en tirets, une seconde voie supplémentaire utilisant le même objectif que la première voie supplémentaire, mais ayant un détecteur différent 48, qui recueille une seconde nappe, d'axe 50. Cette seconde nappe, placée en arrière de la première et pouvant par exemple faire l'angle 6 avec la nappe de base, autorise l'observation stéréoscopique lors du dépouillement au sol elle permet une détection d'activité par détection des modifications de l'image entre l'instant d'observation sur l'axe 44 et l'instant d'observation sur l'axe 50. Elle permet aussi d'obtenir encore une voie supplémentaire, sans optique additionnelle. La figure 4 montre un exemple de champs d'observation qui peuvent être choisis pour les différentes voies, dans le cas du mode de réalisation de la figure 3. Le cas illustré correspond à celui d'un avion d'observation effectuant une reconnaissance latérale, à distance de sécurité. La nappe 60 correspond à une observation multispectrale dans un champ faible, par exemple de 5,70. Les nappes 52 et 54 correspondent à des observations dans le visible uniquement, dans un champ de 200. Lors des mouvements de l'avion, il y a enregistrement d'une scène constituée par la bande 56 avec une haute résolution, et éventuellement deux enregistrements de la bande 58, vue sous deux angles différents. REVENDICATIONS 1. Système optique catadioptrique multispectral à longue focale comprenant un miroir concave placé au niveau de la pupille d'entrée du système qui reçoit le faisceau de lumière incident dévié par un miroir de renvoi et le renvoie à travers un trou central du miroir de renvoi vers un séparateur dichroique suivi d'une part d'une voie recevant la lumière visible sortant du séparateur et comportant des lentilles de correction des aberrations chromatiques dans le domaine visible et de focalisation sur un détecteur, d'autre part d'une voie infrarouge recevant la partie infrarouge du spectre, constituée de lentilles en matériau transparent jusqu'à 12 microns environ, de correction d'aberration chromatique et de focalisation sur un détecteur, la face avant desdites lentilles étant à une distance du miroir de renvoi qui ne dépasse pas 20% de la distance entre le miroir de renvoi et le miroir concave. 2. Système optique selon la revendication 1, pour appareil d'imagerie porté par un aéronef dont les déplacements assurent un balayage d'une scène en forme de bande, comprenant de plus un miroir de renvoi (12) orientable au moins autour d'un axe orthogonal à l'axe optique du système et orthogonal au sens de déplacement, percé d'un trou central (16) de passage du faisceau focalisé par le miroir concave (14). 3. Système optique selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'axe de rotation du miroir de renvoi est situé à une distance des lentilles du détecteur infrarouge comprise entre 1/5ème et l/lOème de la distance entre le miroir de renvoi et le miroir concave. 4. Système optique selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que le miroir concave a une surface sphérique et en ce que l'optique de correction d'ouverture comprend deux lentilles à faces sphériques. 5. Système optique selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que le miroir concave est asphérique et en ce que l'optique de correction d'ouverture comporte une seule lentille à surfaces sphériques. 6. Système optique selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que le miroir concave est asphérique et en ce qu'aucun élément dioptrique n'est interposé sur le trajet du faisceau lumineux en amont des lentilles de correction. 7. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif comprend une voie optique supplémentaire traversant un ouverture centrale (34) du miroir concave (14), ayant un objectif de distance focale plus faible que celle du miroir concave. 8. Système selon la revendication 7, caractérisé en ce que la voie supplémentaire est disposée suivant un axe secondaire (44) tel que la tranche observée soit en avant d'un angle ô par rapport à celle que voient les détecteurs (22,28). 9. Système selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'une autre voie optique encore comporte le même objectif que la première, mais un détecteur différent placé de façon à former l'image d'une nappe d'axe (50) décalé en arrière.