Brevet FR2733060A1 — publié le 19961018

i SYSTEME OPTIQUE A DEUX BANDES DE LONGUEURS D'ONDE L'invention concerne des systèmes optiques à deux bandes de longueurs d'onde, destinés en particulier, mais non exclusivement à être utilisés dans la bande des lon- gueurs d'onde de l'infrarouge thermique. On sait que la formation d'images de cibles à émission thermique est possible soit dans la bande de lon- gueurs d'onde de 3-5 pm, soit dans la bande de longueurs d'onde de 8-12 pm et que la discrimination d'une cible est meilleure dans la bande de longueurs d'onde de 8-12 pm en raison du fait qu'il existe moins d'échos fixes dûs à des émissions thermiques parasites que dans la gamme des lon- gueurs d'onde de 3-5 pm. Ainsi, pour la détection initiale d'une cible thermique, un système fonctionnant dans la bande des longueurs d'onde de 8-12 pm possédant un champ d'observation étendu est utilisé, mais pour l'identifica- tion de cibles, après une détection initiale, il est néces- saire de disposer d'un système optique à champ de vision étroit et à grandissement accru. C'est pourquoi, il existe un besoin pour un système mécanique de changement de champ d'observation, qui rend le système comparativement com- plexe. En outre, le degré de résolution obtenu pour le grandissement élevé est limité par la diffraction, sauf si on utilise des composants optiques très grands. De tels composants optiques étendus sont coûteux, difficiles à fabriquer et d'une utilisation peu commode. Un but de la présente invention est de fournir une nouvelle forme perfectionnée de système optique à deux bandes de longueurs d'onde destiné à être utilisé dans la bande des longueurs d'onde de l'infrarouge thermique. Conformément à la présente invention, il est pro- posé un système optique destiné à être utilisé dans la bande des longueurs d'onde de l'infrarouge thermique, caractérisé en ce qu'il comporte: un réseau détecteur refroidi de façon cryogénique et qui est sensible à un rayonnement incident situé à la fois dans les bandes de longueurs d'onde 3-5 pm et 8- 12 pm, et un dispositif optique de formation d'images ser- vant à recevoir un rayonnement dans lesdites deux bandes de longueurs d'onde sur un composant optique commun et déli- vrer des images formées respectivement à partir de chacune desdites bandes de longueurs d'onde sur le réseau détec- teur, en ce que ledit dispositif comprend un premier canal pour transmettre et former une image à partir du rayonnement situé dans la bande des longueurs d'onde de 8- 12 pm, ledit premier canal possédant une première distance focale pour un champ de vision large avec un grandissement comparativement faible, un second canal pour transmettre et former une image à partir d'un rayonnement situé dans la bande de longueurs d'onde de 3-5 pm, ledit second canal pos- sédant une seconde distance focale pour un champ de vision étroit avec un grandissement comparativement élevé, et un écran froid sélectif du point de vue spectral, situé au voisinage du réseau détecteur et au niveau d'une pupille commune de sortie pour les premier et second canaux, l'écran froid fournissant une ouverture de transmission de faible diamètre pour le rayonnement dans le second canal et une ouverture de transmission annulaire de grand diamètre pour le rayonnement dans le premier canal, le rapport des- dits diamètres des ouvertures de transmission étant sensi- blement égal au rapport desdites distances focales, et en ce qu'un système électronique de lecture est connecté audit réseau détecteur, ce système de lecture étant à même d'établir une discrimination entre lesdites images pour fournir une lecture séparée d'image dans la bande des longueurs d'onde de 8-12 pm et de l'image dans la bande des longueurs d'onde de 3-5 pm. Grâce à la présente invention, on peut réaliser une détection de cibles et une identification ultérieure de cibles sans qu'il soit nécessaire d'utiliser un système mécanique de changement du champ de vision et sans qu'il soit nécessaire d'introduire des composants optiques de grande taille. L'ouverture complète du composant optique commun, qui reçoit le rayonnement provenant des champs de vision, est utilisée pour les images dans les deux bandes de longueurs d'onde, et la taille du spot dans le plan focal, qui contient le réseau détecteur, est la même pour les deux bandes de longueurs d'onde de sorte que la netteté des images est essentiellement la même dans les deux bandes de longueurs d'onde. Un autre but de la présente invention est de fournir une forme nouvelle perfectionnée d'un système optique à deux bandes de longueurs d'onde, destiné à être utilisé dans n'importe quelle bande de longueurs d'onde. Conformément à cet objectif, la présente inven- tion fournit un système optique, dont la distance focale est différente pour les deux bandes de longueurs d'onde spectrales, caractérisé en ce que la pupille de sortie pour chaque bande de longueurs d'onde est déterminée par une ouverture sélective du point de vue spectral, l'ouverture pour chaque bande de longueurs d'onde étant choisie de telle sorte que le diamètre de la pupille d'entrée est similaire dans les deux bandes, que ledit système optique comprend un premier composant (ou groupe de composants) convergent, des moyens sélectifs du point de vue spectral pour diriger le rayonnement correspondant à l'une des ban- des de longueurs d'onde à travers un second composant ou groupe de composants optiques qui, en combinaison avec ledit premier composant optique, forme un système optique convergent ayant une distance focale qui diffère de celle du premier composant optique ou groupe de composants opti- ques, et des moyens pour amener le centre de l'image formé par ledit premier groupe optique, de façon indépendante, et le centre de l'image formé par ledit premier groupe optique et ledit second groupe optique en combinaison, à coïncider du point de vue foyer et position dans le plan focal et des moyens pour limiter le rayonnement dans chacune des bandes de longueurs d'onde choisies, reçues par un détecteur, à celui qui pénètre dans ledit premier groupe optique, les- dits moyens comprenant un système optique de reformation d'images apte à transmettre un rayonnement dans les deux bandes, et un filtre spectral comportant des zones spa- tiales, dont chacune retransmet un rayonnement uniquement dans chacune des bandes spectrales sélectionnées. Lorsque cette forme de réalisation fonctionne dans la bande des longueurs d'onde de l'infrarouge ther- mique, les moyens servant à limiter le rayonnement reçu par le détecteur sont l'écran froid mentionné précédemment. Cependant, on comprendra que l'écran froid peut être ou non refroidi en tant que partie du système cryogénique. L'écran froid peut être situé à l'extérieur du système cryogénique et fonctionner à la température ambiante, auquel cas il est agencé de façon appropriée, sur sa surface arrière adja- cente au détecteur, pour réfléchir le rayonnement émanant du détecteur à ce dernier tout en excluant un rayonnement externe à l'extérieur de l'angle d'acceptation désiré. D'autres caractéristiques et avantages de la pré- sente invention ressortiront de la description donnée ci- après prise en référence aux dessins annexés, sur les- quels: - la figure 1 représente une première forme de réalisation de la présente invention, dans laquelle les deux canaux de rayonnement ne présentent aucune obstruc- tion; - la figure 1A représente un détail de la figure 1; - la figure 2 représente une seconde forme de réalisation de la présente invention; - la figure 3 représente une autre forme de réa- lisation de la présente invention, qui fonctionne selon le principe catadioptique; et - les figures 3A et 3B représentent différents détails du système de la figure 3. Le système optique 10 représenté sur la figure 1 est destiné à être utilisé dans la bande de longueurs d'onde de l'infrarouge thermique et comprend un réseau détecteur 11 refroidi par voie cryogénique et qui est sen- sible au rayonnement incident à la fois dans la bande de longueurs d'onde 3-5 pm et dans la bande de longueurs d'onde de 8-12 pm. Le réseau 11 est monté à l'intérieur d'un boî- tier 12 refroidi de façon cryogénique, qui possède une fenêtre 13 de transmission du rayonnement, réalisée par exemple en germanium. Le rayonnement émanant d'un champ distant 14 est reçu au niveau d'une pupille d'entrée com- mune formée sur un composant optique commun 15 qui, dans ce cas, est une lentille (par exemple une combinaison achroma- tique d'éléments de lentille formés en un ou plusieurs des matériaux germanium, sulfure de zinc et séléniure de zinc) et qui forme l'objectif d'un dispositif optique de forma- tion d'images désigné d'une manière générale par la réfé- rence 16 et qui délivre au réseau 11 des images respective- ment formées par la bande de longueurs d'onde de 3-5 pm et la bande de longueurs d'onde de 8-12 pm. Le dispositif 16 comprend un premier canal ser- vant à transmettre et former un rayonnement de formation d'images dans la bande de longueurs d'onde de 8-12 pm, le premier canal étant formé par l'objectif 15, deux diviseurs de faisceaux 17, i8, qui transmettent la bande de longueurs d'onde de 8-12 pm, et une lentille relais 19 (qui peut être formée en un ou plusieurs des matériaux germanium, sulfure de zinc et séléniure de zinc de manière à permettre un contrôle de l'aberration chromatique). La lentille relais 19 est agencée de manière à former une image de l'objectif sur un écran froid 20 (par exemple formé en germanium), qui est monté sur un chicane 21 dans le boitier étanche 12. L'écran froid 20 est représenté plus particuliè- rement sur la figure 1A et est constitué par exemple par un disque ou une plaque de germanium possédant ou plusieurs revêtements de surface sélectifs du point de vue spectral et disposés dans des zones concentriques sur le disque. La zone centrale 22A réalise une transmission dans la région de la bande des longueurs d'onde de 3-5 pm, et la zone annu- laire adjacente 22B réalise une transmission dans la bande de longueurs d'onde de 8-12 pm. Sur la figure lA, la zone annulaire la plus extérieure 22C ne réalise aucune trans- mission dans les bandes de longueurs d'onde thermiques. Les revêtements requis pour l'écran froid 20 sont d'un type bien connu. Pour la zone extérieure, on peut uti- liser des revêtements du type déjà utilisé sur des fenêtres de détecteurs pour limiter la réponse à des longueurs d'onde supérieures à 7,5 pm (par exemple comme indiqué dans les données techniques de code de produits FA et NR publiés en Janvier 1984 et en Mars 1986 respectivement par la société dite STC Components Ltd.). Dans certains cas, la zone intérieure peut être constituée simplement par un revêtement antireflet (par exemple Pilkington Optronics ARG3) de sorte que l'ensemble de l'ouverture de l'écran froid est disponible pour le champ d'observation large, bien que dans certains cas il soit préférable d'utiliser un filtre qui supprime le rayonnement à des longueurs d'onde supérieures à environ 5 pm, pour éliminer le rayonnement hors bande. Tous les revêtements filtrants requis ou sou- haitables sont connus dans l'état de la technique et la fabrication de forme annulaire peut être obtenue par mas- quage au cours de l'évaporation ou, pour une précision supérieure, au moyen de techniques utilisant une résine photosensible. De façon appropriée, le revêtement servant à former la zone 22B est formé sur la surface opposée du disque ou de la plaque par rapport au revêtement qui forme la zone centrale 22A. Le premier canal du dispositif 16, qui transmet la bande de longueurs d'onde de 8-12 pm, est illustré au moyen d'un centre et d'un bord de rayons de champ 23A, 23B et possède une première distance focale, qui fournit un champ d'observation large avec un grandissement comparati- vement faible. De façon typique, la première distance focale est égale à environ 150 mm. La pupille de sortie formée par le diviseur de faisceau 18 est retransmise de manière à coïncider du point de vue taille avec la zone annulaire 22B de l'écran froid et est focalisée sur le réseau détecteur 11. Le dispositif 16 comprend en outre un second canal pour transmettre et former une image avec le rayonne- ment dans la bande des longueurs d'onde de 3-5 pm, le second canal étant formé par l'objectif 15, le diviseur de fais- ceau 17 fonctionnant maintenant en tant que réflecteur, une lentille 25 de changement de distance focale (formée par exemple de germanium), des miroirs de renvoi 26, 27, une lentille de champ 28 (formée par exemple de germanium), qui modifie la position de la pupille de sortie pour qu'elle coïncide avec le diviseur de faisceau 18 fonctionnant main- tenant en tant que réflecteur, mais sans modifier la dis- tance focale du second canal, et la lentille relais 19. Le second canal est illustré par le centre des rayons de champ 24 et possède une seconde distance focale, qui fournit un champ étroit d'observation avec un grandissement comparati- vement élevé. De façon typique, la seconde distance focale est égale à environ 500 mm et la pupille de sortie formée par le diviseur de faisceau dans la bande de longueurs d'onde de 3-5 pm est retransmise par la lentille relais 19 de manière que sa taille coincide avec la zone centrale 22a de l'écran froid 20. Le rapport des diamètres des zones 22A et 22B est sensiblement égal à celui du rapport des distances focales des canaux, qui est d'environ 3 à 1, de sorte que la taille du spot flou au niveau du réseau détecteur 11, qui apparaît en raison de la diffraction, est sensiblement la même pour les deux canaux de sorte que la netteté des images formées est essentiellement la même dans les deux bandes de lon- gueurs d'onde. En outre, l'ouverture complète de l'objectif est utilisée pour les deux bandes de longueurs d'onde et il n'existe aucun composant mobile dans le système. Le réseau détecteur 11 utilise de préférence des détecteurs multiples à puits de quanta du type fabriqué et commercialisé par la société dite Thomson CSF, S.A. ou la société dite Martin Marrietta Inc., les principes de base de tels détecteurs étant décrits dans "Infra-red detectors reach new lengths" de Gunapala et consorts, publié dans Physics World, Décembre 1994), et est connecté à un système électronique de lecture 30 (représenté schématiquement) apte à établir une discrimination entre les deux images de manière à fournir une lecture séparée de l'image dans la bande de longueurs d'onde de 8-12 pm et de l'image dans la bande de longueurs d'onde de 3-5 pm. Le réseau détecteur 11 est naturellement un réseau d'observation possédant une géométrie identique pour les deux bandes de longueurs d'onde. Dans une variante du système 10, les composants 17, 18, 25, 26, 27 et 28 sont montés en commun sur une pla- teforme pivotante de sorte qu'en fonctionnement, les divi- seurs de faisceaux 17, 18 du premier canal ne sont pas uti- lisés et que seul un rayonnement dans la bande des lon- gueurs d'onde de 8-12 pm rencontre le réseau détecteur 11. Les diviseurs de faisceaux 17, 18 peuvent dans ce cas ne pas réaliser de transmission dans la région de 8-12 pm, mais être réfléchissants dans la région de 3-5 pm, de sorte que, lorsqu'on déplace la plateforme pour amener les diviseurs de faisceaux 17, 18 dans le trajet de rayonnement seule la bande des longueurs d'onde de 3-5 pm rencontre le réseau détecteur 11. Dans cette variante, le système électronique de lecture 30 établit une discrimination, à partir du réseau détecteur 11, entre les images des deux bandes de longueurs d'onde, sur une base temporelle. En outre, on comprendra qu'il existe de nombreuses formes possibles de plateformes pivotantes, et que les éléments de lentille du premier canal peuvent etre retirés du circuit lorsque des éléments de lentille du second canal sont introduits dans le circuit, afin de supprimer la nécessité de prévoir des diviseurs de faisceaux 17, 18. Dans ce cas, chaque canal nécessiterait naturellement un filtre de blocage pour blo- quer le rayonnement relatif à l'autre canal. La figure 2 représente schématiquement une variante de réalisation du système optique 10, dans laquelle les diviseurs de faisceau dichroiques 17, 18 sont réunis en un seul diviseur de faisceau pour réduire les pertes de transmission. Le diviseur de faisceau unique est logé dans un cube 31 et le second canal pour la bande de longueurs d'onde de 3-5 pm est réfléchi par des prismes de renvoi 32, 33 entre lesquels est intercalée une lentille de téléobjectif 34 qui associe les fonctions des lentilles 25 et 26 de la figure 1. Dans ce cas, l'écran froid 20 est situé à l'extérieur du boîtier cryogénique et de sa fenêtre 13. Dans une variante de réalisation du système de la figure 2, le diviseur de faisceau en forme de cube 31 est remplacé par un diviseur de faisceau en forme de plaque ou de pellicule, et les prismes de renvoi 32, 33 sont rempla- cés par une série de miroirs. La figure 3 représente une autre forme du système 10 fonctionnant selon le principe catadioptique. Dans ce cas, les diviseurs de faisceaux dichroïques 17, 18 sont remplacés par un seul diviseur de faisceau 36, qui présente une sélectivité spectrale annulaire en rapport avec la bande des longueurs d'onde de 3-5 pm. Le diviseur de fais- ceau 36 est représenté sur la figure 3B et possède une zone centrale 36A, qui transmet un rayonnement de 3-5 pm, et une zone annulaire extérieure 36B qui réfléchit un rayonnement de 3-5 pm mais transmet un rayonnement de 8-12 pm. La sur- face arrière de la lentille 15 porte un réflecteur méca- nique 37 servant à réfléchir le rayonnement de 3-5 pm réflé- chi par la zone 36B, à travers la zone 36A en direction de la lentille relais 19. La figure 3A représente l'écran froid 30 pour le système de la figure 3, ce système étant semblable à celui de la figure lA, à l'exception d'un petit spot centralisé 22D, qui ne transmet pas le rayonnement dans la bande des longueurs d'onde de 3-5 pm ou dans la bande des longueurs d'onde de 8-12 pm. Dans le système de la figure 3, la lentille relais 19 projette une image du diviseur de faisceau 36 sur l'écran froid 20, de sorte que seul le rayonnement, qui traverse la zone centrale 36A du diviseur de faisceau 36, traverse la zone centrale 22A de l'écran froid 20. Dans une variante du système de la figure 3, la lentille relais 19 est agencée de manière à projeter une image du réflecteur 37 sur l'écran froid 20. Ceci conduit à une adaptation améliorée de la position de la pupille pour les deux bandes de longueurs d'onde, mais il peut être nécessaire, dans ce cas, d'entourer le réflecteur 37 par une chicane annulaire de manière à bloquer le rayonnement de fuite. REVENDICATIONS 1. Système optique destiné à être utilisé dans la bande des longueurs d'onde de l'infrarouge thermique, caractérisé en ce qu'il comporte: un réseau détecteur (11) refroidi de façon cryo- génique et qui est sensible à un rayonnement incident situé à la fois dans les bandes de longueurs d'onde 3-5 pm et 8-12 pm, et un dispositif optique (16) de formation d'images servant à recevoir un rayonnement dans lesdites deux bandes de longueurs d'onde sur un composant optique commun (15) et délivrer des images formées respectivement à partir de cha- cune desdites bandes de longueurs d'onde sur le réseau détecteur (11), en ce que ledit dispositif (16) comprend un pre- mier canal (15,17,18,19) pour transmettre et former une image à partir du rayonnement situé dans la bande des lon- gueurs d'onde de 8-12 pm, ledit premier canal possédant une première distance focale pour un champ de vision large avec un grandissement comparativement faible, un second canal (15,17,25,26,27,28,18) pour transmettre et former une image à partir d'un rayonnement situé dans la bande de longueurs d'onde de 3-5 pm, ledit second canal possédant une seconde distance focale pour un champ de vision étroit avec un grandissement comparativement élevé, et un écran froid (20) sélectif du point de vue spectral, situé au voisinage du réseau détecteur (11) et au niveau d'une pupille commune de sortie pour les premier et second canaux, l'écran froid (20) fournissant une ouverture de transmission de faible diamètre (22A) pour le rayonnement dans le second canal et une ouverture de transmission annulaire de grand diamètre (22B) pour le rayonnement dans le premier canal, le rapport desdits diamètres des ouvertures de transmission étant sen- siblement égal au rapport desdites distances focales, et en ce qu'un système électronique de lecture (30) est connecté audit réseau détecteur (11), ce système de lecture (30) étant à même d'établir une discrimination entre lesdites images pour fournir une lecture séparée d'image dans la bande des longueurs d'onde de 8-12 pm et de l'image dans la bande des longueurs d'onde de 3-5 pm. 2. Système optique selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que le second canal contient une lentille de champ (28). 3. Système optique selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les premier et second canaux sont séparés et recombinés par un ou plusieurs diviseurs de faisceau dichroïques (17,18). 4. Système optique selon la revendication 3, caractérisé en ce que le diviseur de faisceau dichroïque se présente sous la forme d'un seul élément annulaire (36) et que le composant optique commun (15) fait partie d'un dis- positif catadioptique (15,37) pour un rayonnement présent dans le second canal. 5. Système optique selon la revendication 4, dans lequel l'écran froid (20) comprend en outre un petit spot centralisé (22D), qui ne transmet pas le rayonnement dans l'une ou l'autre des bandes de longueurs d'onde de 3-5 pm ou 8-12 pm. 6. Système optique, dont la distance focale est différente pour les deux bandes de longueurs d'onde spec- trales, caractérisé en ce que la pupille de sortie pour chaque bande de longueurs d'onde est déterminée par une ouverture sélective du point de vue spectral, l'ouverture pour chaque bande de longueurs d'onde étant choisie de telle sorte que le diamètre de la pupille d'entrée est similaire dans les deux bandes, que ledit système optique comprend un premier composant (ou groupe de composants) convergent, des moyens sélectifs du point de vue spectral pour diriger le rayonnement correspondant à l'une des bandes de longueurs d'onde à travers un second composant optique ou groupe de composants optiques, qui, en combinai- son avec ledit premier composant optique, forme un système optique convergent ayant une distance focale qui diffère de celle du premier composant optique ou groupe de composants optiques, et des moyens pour amener le centre de l'image formé par ledit premier groupe optique, de façon indépen- dante, et le centre de l'image formé par ledit premier groupe optique et ledit second groupe optique en combinai- son, à coïncider du point de vue foyer et position dans le plan focal et des moyens pour limiter le rayonnement dans chacune des bandes de longueurs d'onde choisies, reçues par un détecteur, à celui qui pénètre dans ledit premier groupe optique, lesdits moyens comprenant un système optique de reformation d'images apte à transmettre un rayonnement dans les deux bandes, et un filtre spectral comportant des zones spatiales, dont chacune retransmet un rayonnement unique- ment dans chacune des bandes spectrales sélectionnées.