Brevet FR2746514A1 — publié le 19970926

L'invention concerne des systèmes optiques, en particulier des systèmes optiques qui dirigent ou pointent un faisceau de lumière en direction d'un espace objet, et forment l'image d'objets dans l'espace objet sur une sur- face de détection et sont équipés d'un dispositif de visée, c'est-à- dire d'un dispositif formant sur la surface de détection une marque qui désigne la direction de pointage du système. Dans un dispositif de visée habituellement uti- lisé on emploie un miroir triple pour réfléchir le faisceau sortant, à travers la lentille de formation d'images du système, pour le renvoyer exactement dans la direction opposée au faisceau sortant et former de ce fait un spot de référence en forme de point sur la surface de détection. Lorsque le spot est centré sur l'image de l'objet formée sur la surface de détection, le faisceau de sortie est cen- tré de façon précise ou est pointé sur l'objet. Cette tech- nique est satisfaisante dans de nombreux cas, mais si l'image de l'objet est petite et possède une luminosité inférieure au spot de référence ou est étendue et possède une luminosité nettement supérieure au spot de référence, il est difficile à un observateur humain d'évaluer la pré- cision de visée. Si l'observation est de type électro- optique, comme par exemple au moyen d'un appareil de prise de vues CCD (CCD = dispositif à couplage de charges), il est extrêmement difficile d'évaluer la précision de visée à mieux que la taille d'un pixel du capteur. Un but de la présente invention est de fournir un système optique incorporant un nouveau dispositif perfec- tionné de visée. Conformément à la présente invention, il est prévu un système optique, caractérisé en ce qu'il comporte une source de lumière, des moyens pour diriger un faisceau de lumière partant de la source de lumière en direction d'un espace objet, une surface de détection, une lentille S de formation d'image servant à former l'image d'objets situés dans l'espace objet sur la surface de détection et un dispositif de visée servant à produire sur la surface de détection une marque qui désigne la direction de pointage du système, et que le dispositif de visée forme deux couples de lignes droites parallèles qui se recoupent et définissent une marque à configuration en forme de cadre étroitement centré sur la direction de pointage. Grâce à la présente invention, la marque formée par le dispositif de visée n'obscurcit pas la partie de l'image de l'objet, qui coincide avec la direction de poin- tage de sorte que pour un observateur humain, la précision de visée peut être évaluée d'une manière relativement aisé- ment indépendamment de la luminosité et de la taille rela- tives de l'image et, lorsque l'observation est exécutée par des moyens électro-optiques, on peut obtenir une visée sur un spot d'une taille inférieure à la taille d'un pixel du capteur, lorsque la configuration en forme de cadre est oblique par rapport à l'orientation des lignes et des colonnes de pixels. La source de lumière peut fonctionner dans n'importe quelle partie du spectre, tel que le spectre visible ou dans l'infrarouge et par exemple peut être une source laser ou une lampe à tungstène. En outre, on peut prévoir plusieurs sources de lumière qui fonctionnent res- pectivement à des longueurs d'onde différentes et dirigent simultanément ou successivement des faisceaux de lumière en direction de l'espace objet, et le dispositif de visée forme un nombre correspondant de marques à configuration en forme de cadres. Les dimensions des marques à configuration en forme de cadres peuvent être différentes pour les diffé- rentes longueurs d'onde. Le dispositif de visée comprend de préférence deux sous-systèmes optiques, dont chacun réfléchit des par- ties du faisceau sortant, sous la forme de deux faisceaux qui ont des angles de déviation égaux et opposés par rap- port au faisceau sortant, chaque sous-système comprenant un composant anamorphique amenant les deux faisceaux réfléchis à former deux lignes droites parallèles espacées (plutôt que deux spots circulaires) sur la surface de détection. Il est en outre préférable que chaque sous-système fournisse le même angle de déviation de sorte qu'on obtient une marque à configuration en forme de cadre carré. L'angle de déviation est de façon typique inférieur à 1 et de pré- férence est de l'ordre de 0,5 , ce qui, en association avec la distance focale de la lentille, permet à la configura- tion en forme de cadre d'être centrée de façon plus précise sur la direction de pointage. Plus l'angle de déviation est grand, plus les dimensions de la configuration en forme de cadre sont grandes; plus la configuration en forme de cadre s'écarte de la direction de pointage, plus il est difficile d'évaluer son centre et par conséquent d'évaluer la préci- sion de visée. 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 un système optique selon la présente invention, comportant un dispositif de visée formé par des miroirs; - la figure 2 représente la surface de détection du système de la figure 1; - la figure 3 représente une modification du sys- tème de la figure 1, qui utilise des prismes pentagonaux à la place de miroirs; - la figure 4 représente schématiquement une autre configuration du système de la figure 1; - la figure 5 représente un système utilisant une source de lumière collimatée; - la figure 6 représente un système utilisant deux sources de lumière; et - la figure 7 représente la surface de détection du système de la figure 6. Comme cela est représenté sur la figure 1, le système optique 10 comprend un diviseur de faisceau 11 ser- vant à diriger un faisceau de lumière depuis une source de lumière ponctuelle 12 en direction d'un espace objet 13, et une ientille de formation d'images 14 pour former l'image objet dans l'espace objet 13 sur une surface de détection formée dans le plan focal de la lentille 14. Le système 10 comporte également un dispositif de visée servant à pro- duire, sur la surface de détection 15, une marque qui désigne la direction de pointage du système 10. La direc- tion de pointage coïncide avec le centre du faisceau de lumière sortant produit par la source 12. Dans le système de la figure 1, le dispositif de visée est équipé d'un premier sous-système optique 16 situé dans ie plan du dessin et d'un second sous-système optique (représenté en partie en 161) perpendiculaire au plan du dessin. Le sous-système 16 comprend un couple de miroirs espacés 16A, 16B et un composant anamorphique se présentant sous la forme d'une lentille cylindrique 16C située dans l'espace objet 13, à la périphérie de la lentille 14, o la lumière provenant de la source ponctuelle 12 est collima- tée. L'axe de la lentille cylindrique 16C est situé dans le plan du dessin. Par conséquent un premier faisceau colli- maté est réfléchi par le miroir 16A en direction du miroir 16B, sur lequel il est réfléchi de manière à traverser la lentille 14 pour être focalisé sous la forme d'une première ligne droite unique 17A sur la surface de détection 15. La surface de détection 15 est représentée sur la figure 2. En l'absence de la lentille cylindrique 16C, la ligne serait un spot circulaire. En outre, un second faisceau collimaté est réfléchi par le miroir 16B en direction du miroir 16A et, de là, est réfléchi à travers la lentille 14 de manière à être focalisé sous la forme d'une seconde ligne droite unique 17B sur la surface de détection 15. Les miroirs 16A, 16B sont des miroirs plans, qui sont presque, mais pas exactement, perpendiculaires entre eux, et l'écart par rap- port à l'orthogonalité conduit à ce que les deux lignes 17A, 17B ne coïncident pas et sont situées au-dessus et au- dessous de la direction précise de pointage 18. Le second sous-système est identique au sous-sys- tème 16 hormis qu'il est physiquement perpendiculaire au précédent et comprend une lentille cylindrique 161C, dont l'axe est perpendiculaire au plan du dessin et qui produit par conséquent des lignes 19A, 19B perpendiculaires aux lignes 17A, 17B de sorte qu'une marque à configuration en forme de cadre est formée sur la surface de détection 15. Les couples de lignes 17, 19 se recoupent et sont centrés sur la direction de pointage 18 qui, dans cette forme de réalisation, est déterminée par l'orientation du diviseur de faisceau 11. Si cette orientation ne se situe pas à 45' de l'axe optique de la lentille 14, le spot de la direction de pointage n'est pas situé au centre de la surface de détection 15. La lentille cylindrique 16C peut être remplacée par une surface cylindrique sur l'un des miroirs et, étant donné que les faisceaux formant les deux lignes 17A, 17B traversent les deux miroirs 16A, 16B, on comprendra qu'un seul composant anamorphique est nécessaire pour chaque sous-système 16. La longueur de chaque ligne 17A, 17B est déterminée par la lentille 16C et l'épaisseur des lignes 17A, 17B est déterminée par diffraction. L'espace entre les lignes 17A, 17B est déterminé par 4.b.F, S étant l'angle de déviation par rapport à l'orthogonalité des miroirs 16A, 16B et F étant la distance focale de la lentille 14. Pour un rendement maximum, le rayon de la lentille 16C doit être tel que l'étalement angulaire perpendiculairement au plan du dessin soit comparable à la séparation angulaire entre les faisceaux. Comme cela est représenté sur la figure 2, les lignes 17, 19 sont parallèles aux bords de la surface de détection rectangulaire 15. Ceci se produit en raison de l'orientation des sous-systèmes 16. En faisant tourner les deux sous-systèmes par rapport à l'axe optique de la len- tille 14 sur par exemple 30 , la configuration de la marque en forme de cadre formée par les lignes 17, 19 est inclinée d'un angle de 30 par rapport au bord de la surface de détection. Ceci présente un intérêt particulier lorsque la surface de détection 15 est formée d'une matrice de capteurs électro-optiques parallèles au bord de la surface 15, étant donné que le positionnement précis de la ligne de pointage 18 peut être évalué, avec une précision à un sous-pixel près, au moyen d'une interpolation exécutée par l'unité de traitement de données (non représentée), qui est connectée à la surface 15. La figure 3 représente une variante du système de la figure 1, dans laquelle les miroirs 16A, 16B, etc. sont remplacés par des prismes 20A, 20B, etc. produisant une déviation constante. De tels prismes pentagonaux possèdent un degré élevé de résistance physique et de stabilité à la température, et les dimensions et la forme de la marque en forme de cadre sont indépendantes de l'alignement angulaire réciproque des couples de prismes 20A, 20B et sont détermi- nés uniquement par l'angle entre les surfaces des diffé- rents prismes, qui naturellement est fixé au stade de la fabrication. Le composant arn.amorphique requis peut être une lentille cylindrique comme cela a été décrit précédemment ou une surface cylindrique située sur au moins une surface d'un prisme. La figure 4 représente une autre configuration du système 10, dans laquel= el source de rumière 12 produit un faisceau collimaté, qui est dirigé vers un objet distant 21 et traverse un dispositif formant diviseur de faisceau 22. Une partie de la puissance du faisceau sortant est dérivée par le dispositif 22 en direction des quatre miroirs réunis 16A, 16B, etc., qui dirigent leurs quatre faisceaux réfléchis, par l'intermédiaire du dispositif 22, sur la lentille 14 et ainsi sur la surface de détection 15. Le reste de la puissance du faisceau sortant éclaire l'objet 21, dont une image est formée par la lentille 14 sur la surface de détection 15. Cette configuration évite un obscurcissement d'une partie du faisceau sortant par l'ensemble de miroirs 16A, 16B, etc., et les miroirs peu- vent par conséquent être disposés en étant serrés les uns contre les autres au lieu d'être séparés par une distance égale au diamètre de la lentille 14. La figure 4 représente également la marque formée d'une configuration en forme de cadre, inclinée d'un angle d'environ 45 par rapport aux bords de la surface de détection 15. La figure 5 représente une autre configuration du système 10 de la figure 3, dans laquelle le faisceau sor- tant d'une source de lumière collimatée 12 est dirigé par un diviseur de faisceau 25 situé en arrière d'une lunette 26. Les formes de réalisation précédentes s'appli- quent dans le cas d'une seule source de lumière 12. Si une seconde source de lumière adjacente est prévue, une seconde marque en forme de cadre est formée sur la surface de 3 détection 15 et les deux marques ne sont pas faciles à dis- tinguer l'une de l'autre à l'oeil ou par un système électro-optique, sauf si on peut utiliser la biréfringence pour rendre les dimensions de la configuration de la marque dépendantes de la polarisation. Cependant, si les deux sources de lumière ont des longueurs d'onde différentes, les sous-systèmes 16 sont dépendants du point de vue spec- trai en ce qui concerne l'angle de déviation, les dimen- sions des deux marques en forme de cadres deviennent diffé- rentes et ainsi ces deux marques peuvent être distinguées l'une de l'autre. La dépendance spectrale de l'angle de déviation est obtenue aisément moyennant l'insertion d'un réseau de diffraction ou par remplacement d'un prisme pen- tagonal par un prisme dispersif produisant une déviation constante, ce qui est illustré sur la figure 6. La surface de détection 15 pour le système de la figure 6 est repré- sentée sur la figure 7, qui montre les deux estimations des lignes de pointage 18 et 181 provenant respectivement des sources de lumière 12 et 121. On peut obtenir un résultat similaire avec le système de la figure 1 en remplaçant l'un des miroirs 16A, 16B par un réseau de diffraction réflé- chissant. REVENDICAiOCNS i. Système optique (10), caractérisé en ce qu'il comporte une source de lumière (12), des moyens (11,22) pour diriger un faisceau de lumière partant de la source de lumière en direction d'un espace objet (13), une surface de détection (15), une lentille de formation d'image (14) ser- vant à former l'image d'objets situés dans l'espace objet (13) sur la surface de détection et un dispositif de visée (16) servant à produire sur la surface de détection une marque qui désigne la direction de pointage du système, et que le dispositif de visée forme deux couples de lignes droites parallèles (17A,17B,19A,19B) qui se recoupent et définissent une marque à configuration en forme de cadre étroitement centré sur la direction de pointage (18). 2. Système optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de visée comprend deux sous-systèmes optiques (16), dont chacun renvoie par réflexion des parties du faisceau sortant, sous la forme de deux faisceaux qui font des angles de déviation égaux et opposés par rapport au faisceau sortant, chaque sous-sys- tème incorporant un composant anamorphique (16C) amenant les deux faisceaux à former deux lignes droites parallèles espacées (plutôt que deux spots circulaires) sur la surface de détection. 3. Système optique selon la revendication 2, caractérisé en ce que les deux sous-systèmes (16) sont dis- posés orthogonalement de sorte que la marque à configura- tion en forme de cadre est rectiligne. 4. Système optique selon la revendication 3, caractérisé en ce que chaque sous-système (16) fait le même angle de déviation de sorte qu'on obtient une marque à configuration en forme de cadre carre. 5. Système optique selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque scus-système (16) comprend un couple de miroirs (16A,16B) et une lentille cylindrique (16C). 6. Système optique selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque sous-système (16) comprend un couple de miroirs, dont l'un au moins possède une courbure cylindrique. 7. Système optique selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque sous-système (16) comprend un couple de prismes produisant une déviation constante (pen- tagonaux) (20A,20B) et une lentille cylindrique (14). 8. Système optique selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque sous-système (18) comprend un couple de prismes produisant une déviation constante (pen- tagonaux) (20A,20B), dont l'un au moins possède une cour- bure cylindrique sur l'une de ses faces réfléchissantes. 9. Système optique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la source de lumière (12) est une source ponctuelle et que le dispo- sitif de visée est situé dans l'espace objet sur la péri- phérie de la lentille de formation d'images. 10. Système optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la source de lumière (12) est une source co!limatée et que le dispositif de visée est séparé de l'espace objet par un dispositif formant diviseur de faisceau (22). 11. Système optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caracterisé en ce que la source de lumière est l'une d'une quantité de sources de lumière (12, 121) fonctionnant avec des longueurs d'onde diffé- rentes, et que le dispositif de visée présente une dépen- dance spectrale et forme une quantité correspondante de marques, ayant chacune une configuration en forme de cadre et formée de deux couples de lignes droites parallèles, qui se croisent.