Brevet FR2740637A1 — publié le 19970430

SYSTEME OPTOELECTRIQUE D'IMAGERIE INFRAROUGE DANS UNE LARGE BANDE La présente invention concerne un systeme optoélectrique d'imagerie infrarouge dans une large bande. Le domaine spectral du rayonnement visible s'étend entre 0,5 et 0,7 micron environ, le domaine infrarouge commence auelà de 0,7 micron. On distingue généralement l'infrarouge très proche accessible à des techniques télévision (jusqu'à un micron environ), de l'infrarouge proche, moyen et lointain, ces trois bandes s'échelonnant entre 1,8 micron environ et 12 microns ou plus ; on situe la bande moyenne généralement entre 3 à 5 microns. Ces trois bandes définissent le domaine de détection infrarouge proprement dit et sont communément désignées bandes I, Il et III respectivement, correspondant aux fenêtres infrarouge de transmission atmossphérique. Pour la détection infrarouge, utilisée notamment dans certains domaines tel que celui des autodirecteurs pour missiles, le dispositif détecteur est souvent réalisé au moyen d'une simple barrette détectrice formant un réseau linéaire d'éléments photodétecteurs. Pour constituer avec une barrette détectrice un capteur d'image, il est nécessaire de produire un balayage circulaire ou linéaire de l'image du champ instantané observé, balayage qui déplace l'image devant la barrette détectrice. Ce déplacement s'effectue perpendiculairement à la direction de la barrette dans le cas d'un balayage linéaire et circulairement dans l'autre cas, la barrette étant alors disposée radialement. Dans ces systèmes, le rayonnement reçu par une optique d'entrée est focalisé sur la barrette après passage dans un dispositif de balayage de champ pour déplacer l'image. Cependant, les barrettes détectrices sont sensibles dans une bande limitée du domaine infrarouge. Selon le matériau utilisé pour former les éléments photodétecteurs, la sensibilité de ces capteurs se situe soit dans le domaine infrarouge proche ou bien dans celui de l'infrarouge moyen ou dans celui de l'infrarouge lointain. I1 n'est donc pas possible de couvrir aisément une large bande infrarouge. Pour y parvenir il est nécessaire de disposer de plusieurs voies optoélectriques détectrices ou bien de diviser une voie réceptrice en plusieurs canaux à l'aide d'un dispositif optique séparateur de voies, quitte à perdre en énergie lumineuse détectée. Un objet de l'invention est de remédier aux inconvénients précités en réalisant un système optoélectrique d'imagerie infrarouge sensible dans une très large bande qui est susceptible de couvrir pratiquement les bandes infrarouge I, II et III, ou au moins deux de ces bandes, ceci à l'aide d'une unique voie optoélectrique détectrice. Un autre objet de l'invention est de couvrir une pluralité de champs coaxiaux avec le système par exemple, un champ circulaire central à haute résolution et un champ annulaire de résolution moindre dans une version multispectrale (couvrant deux bandes ou l'ensemble des trois bandes IR) ou simplement monospectrale. Les particularités et avantages de l'invention apparaîtront dans la description qui suit donnée à titre d'exemple non limitatif, à l'aide des figures annexées qui représentent - la figure 1, un bloc diagramme général d'un système optoélectrique d'imagerie infrarouge multispectral conforme à l'invention - la figure 2, un exemple de réalisation des circuits de traitement et de visualisation des différentes voies détectées - la figure 3, un schéma du détecteur utilisant deux barrettes en version multispectrale pour couvrir un champ central circulaire ; - la figure 4, un schéma du détecteur utilisant un jeu de barrettes pour obtenir une version multispectrale et la couverture d'un champ annulaire; - la figure 5, un schéma d'un détecteur rassemblant les techniques des montages selon les figures 3 et 4 pour obtenir à la fois une version multispectrale et multichamp - la figure 6, une variante simplifiée du détecteur de la figure 5 en version monospectrale bande large. En se reportant à la figure 1 le système comporte dans une version multispectrale large bande une optique réceptrice 1 d'axe optique Z qui focalise le rayonnement incident provenant du champ observé. Cette optique peut être déjà dotée de moyens de filtrage pour sélectionner le rayonnement compris dans une bande utile couvrant celle d'exploitation prévue. Le filtrage est réalisé par le choix des matériaux optiques ou par des traitements optiques. Le dispositif optique 2 est un dispositif de rotation d'image, il est disposé entre l'objectif d'entrée 1 et le dispositif détecteur 3. Le bloc 20 représente un dispositif de commande en rotation du dispositif optique de rotation d'image 2, la rotation s'effectuant autour de l'axe Z du trajet optique. La vitesse de rotation u) imprimée au dispositif 2 est choisie de valeur moitié de celle que l'on veut imposer à l'image dans le plan détecteur compte tenu que pour une rotation angulaire donnée, l'image tourne d'un angle double. Les dispositifs optiques de rotation 2 travaillant de préférence en faisceau parallèle, le montage optique pourra comporter deux éléments optiques additionnels 4 et 5, le premier constituant un montage afocal avec l'objectif récepteur 1 pour reformer un faisceau parallèle et le second pour refocaliser le faisceau parallèle sortant du dispositif 2. L'image dans le plan détecteur tourne autour du point O sur lequel aboutit l'axe optique, les circuits en aval comportent des circuits de traitement 6 et des circuits de visualisation d'image 7. Le circuit 10 représente un circuit de base de temps pour synchroniser les différents circuits 6, 7 et 20 et imposer une cadence d'image déterminée. Pour les applications infrarouges concernées il est entendu que le dispositif détecteur 3 est monté sur la table froide d'un dispositif de refroidissement non figuré, par exemple un DEWAR pour obtenir un refroidissement de l'ordre de 77"K. Conformément à l'invention le dispositif détecteur 3 comporte une pluralité de barrettes disposées radialement autour du point O et à la même distance de ce point. Ces barrettes peuvent être identiques ou non, des points de vue : nombre d'éléments, dimensions des éléments et espacement ou pas entre éléments, de manière à avoir la même résolution d'image ou non. Leur disposition est telle que l'on évite de les placer colinéairement selon un diamètre, afin de réduire les inconvénients résultant des effets parasites dans l'ensemble optique 1, 4, 5 dont l'effet Narcisse suivant lequel, I'image du rayonnement émis par une barrette et réfléchi par l'optique en amont se retrouve sensiblement diamétralement opposée à la barrette émettrice. Le nombre de barrettes sera choisi au moins égal à trois si l'on veut couvrir l'ensemble du domaine infrarouge qui s'étend dans les différentes bandes infrarouges I, II et III. Ceci peut être obtenu en utilisant des barrettes en matériaux différents. Selon la réalisation représentée sur la figure 1 le système utilise trois barrettes 31, 32 et 33 qui peuvent être disposées à 1200 l'une de l'autre. En considérant que le dispositif détecteur 3 est refroidi à 770K, une première barrette 31 peut être constituée de détecteurs en InAs en sorte de détecter, dans la bande infrarouge proche adaptée à la détection des départs de missiles, des corps très chauds tels que les tuyères de réacteurs par exemple. Une autre possibilité de réalisation de la première barrette est en InSb avec un filtre spectral associé rejetant la bande infrarouge moyen. Pour la détection en bande moyenne on peut utiliser une barrette 32 ayant des détecteurs en matériau InSb, cette fois sans filtrage spectral, destinés plus particulièrement à la détection des jets de gaz chauds des réacteurs d'avions et la flamme de propulseurs. Enfin, la troisième barrette 33 peut être constituée de détecteurs HgCdTe pour détecter l'infrarouge lointain ce qui correspond à la détection de cibles thermiquement peu contrastées par rapport à l'environnement. En désignant selon leur appelation courante bande I, Il et III ces bandes successives, avec le montage proposé on pourra par exemple couvrir respectivement, pour la bande I la plage 1,8 à 2,7 microns environ, pour la bande II de 3 à 5 microns environ, et pour la bande 111 de 8 à 12 microns environ. Avec un même nombre d'éléments détecteurs sur chaque barrette et une même résolution spatiale pour chaque détecteur et des espacements identiques entre détecteurs, les trois images vidéo détectées présenteront les mêmes caractéristiques de résolution, de champ et de définition, c'est-a' dire du nombre de points dans l'image. Ceci permet de faciliter les traitements, tels que par exemple des corrélations entre images obtenues dans les bandes I, Il et III, et leur présentation pour visualisation et analyse. Le dispositif de balayage de champ 2 qui produit un balayage rotatif circulaire peut être avantageusement réalisé selon la forme représentée, comportant un ensemble de deux petits prismes 21 et 22 et un miroir réfléchissant 23. L'ensemble est monté symétriquement par rapport à un plan médiateur orthogonal au miroir, en sorte que le trajet optique dans le milieu transparent constitué par les prismes se trouve notablement réduit, la majeure partie du trajet optique à l'intérieur du dispositif s'effectuant dans l'air ambiant entre les deux prismes avec réflexion sur le miroir 23. Cette forme est dérivée de réalisations conventionnelles du type prisme de WOLLASTON et elle convient particulièrement bien pour travailler dans le domaine infrarouge en diminuant les pertes par transmission. Ce dispositif optique rotateur d'image est décrit dans la demande de brevet français n" 84 03425 déposée le 6 Mars 1984. I1 est entendu que d'autres dispositifs de balayage circulaire peuvent être également utilisés. On signalera par exemple une solution à lentilles cylindriques décrite dans le brevet français 2 492 616. On peut également utiliser les solutions classiques du type prisme de WOLLASTON, prismes de PECHAN, dispositifs à trois miroirs, etc. On peut encore considérer d'autres solutions pour le balayage circulaire suivant lesquelles le dispositif de balayage circulaire et l'optique réceptrice forment un ensemble. On citera par exemple la solution décrite dans le brevet français 2 528 980 suivant laquelle l'optique réceptrice est un montage Cassegrain avec un miroir principal et un miroir secondaire monté sur l'axe optique Z, le miroir secondaire étant constitué par un dièdre droit tournant entraîné en rotation autour de l'axe Z et dont l'arête est perpendiculaire à cet axe. Ce montage permet par rotation du dièdre de produire un balayage circulaire de champ et l'ensemble est particulièrement adapté à une intégration gyroscopée. Dans une version de ce genre, le dièdre est entraîné par la toupie du gyroscope. Le rayonnement est focalisé dans le plan détecteur soit directement, soit par l'intermédiaire d'une optique de reprise d'image pour positionner le détecteur plus en aval ; on peut ainsi réaliser un montage à détecteur mobile porté par la tête stabilisée, ou fixe porté par le corps du missile. La figure 2 représente un exemple possible d'aménagement des circuits de traitement 6 et de visualisation 7. Les trois voies vidéo issues des détecteurs 31, 32 et 33 sont transmises après préamplification vers les circuits de traitement 6, ceuxci pouvant comporter, comme représenté, un circuit sommateur 61 pour additionner les trois voies de détection et des circuits soustracteurs 62, 63 et 64 pour soustraire les différentes voies deux par deux. Le circuit 65 permet de sélectionner la voie de sortie désirée pour représentation sur un indicateur principal 70, par exemple la sortie de la voie somme 61 ou celle de l'un des trois soustracteurs 62 à 64. La sélection est commandée par l'opérateur qui, par un dispositif de commande approprié non figuré tel un bouton de commande à plusieurs positions par exemple, permet d'envoyer un signal approprié SC au dispositif 65 pour commander la voie désirée ou de commuter directement la sortie choisie. Le dispositif 65 pourra comporter également des circuits complémentaires pour effectuer d'autres opérations à partir des signaux détectés 31, 32 et 33 avec les sorties des circuits 61 à 64, par exemple sommer uniquement deux voies ou bien rajouter une troisième voie au résultat d'une voie de soustraction, etc. On a représenté également trois petits moniteurs de visualisation 71, 72 et 73 qui peuvent être alimentés respectivement par les trois voies détectées. Ainsi l'observateur peut apprécier les différences entre la visualisation qu'il aura programmée et celle obtenue directement par chacune des voies. On peut aussi présenter les voies vidéo traitées délivrées par les sorties des circuits 62 à 64 sur les moniteurs 71 à 73 pour les comparer. Le circuit de traitement 6 est de préférence conçu pour travailler en numérique en vue d'élaborer des traitements plus complexes tels que : filtrage spectral complémentaire, extraction de contours, rapports, etc.... entre deux bandes ou toute combinaison de deux bandes par rapport à une troisième. Dans ce contexte il est prévu des moyens de conversion analogiquenumérique 75 à l'entrée et inversement de conversion numérique-analogique 76 en sortie avant visualisation. Dans la mesure où l'on ne désire couvrir que deux des bandes I, Il et III, le dispositif détecteur 3 pourra ne comporter que deux barrettes comme indiqué sur la figure 3. La position angulaire relative de ces deux barrettes peut être quelconque en évitant une disposition colinéaire. Le système en version multispectrale présente de nombreuses variantes. On peut jouer notamment sur le facteur résolution en utilisant des barrettes ayant, par exemple, un nombre différent d'éléments. La résolution pourra être choisie différente d'une bande à une autre selon la barrette choisie. En utilisant plusieurs barrettes par bande on obtiendra aussi des résolutions différentes pour ces mêmes bandes. Les exemples décrits montrent les barrettes réparties radiale ment à partir du point O représentant l'axe optique de rotation de l'image. Ceci revient à couvrir un champ d'observation d'image circulaire CHI. L'une des barrettes a l'une de ses extrémités en coïncidence avec l'axe optique O. Suivant le schéma figure 4, les barrettes ont été déplacées d'une même quantité le long des rayons respectifs ce qui montre le principe d'une couverture de champ annulaire CH2. Ce montage présente un intérêt en le combinant avec le montage précédent pour couvrir plusieurs champs (figure 5), à la fois de champ annulaire CH2 et le champ central circulaire CH1. La distinction des champs peut se faire par sélection des sorties des barrettes respectives ou mieux, en utilisant des barrettes de résolution différentes ; les barrettes centrales 31, 32, 33 comportent des éléments détecteurs de plus petites dimensions que ceux des barrettes périphériques 41, 42, 43. On peut concevoir aussi que chaque ensemble de deux barrettes d'une même bande, tel 31 et 41, soit réalisé sous forme d'une seule barrette et dans ce cas, le paramètre variable est le pas d'espacement entre éléments. Le pas peut être choisi plus faible au centre qu'à la périphérie de manière à obtenir une meilleure résolution de l'image centrale, ou au contraire plus faible à la périphérie qu'au centre, ce qui permet (compte tenu du balayage circulaire conduisant à un meilleur rapport signal sur bruit au centre) de rendre plus homogène le rapport signal sur bruit du centre à la périphérie. L'exemple multichamps qui vient d'être décrit peut être tout aussi bien modifié selon les variantes déjà signalées, par exemple en réduisant à deux le nombre de barrettes par champ. En version limite représentée figure 6, on utilise un minimum de deux barrettes 34, 44 pour couvrir les deux champs CHI, CH2 et on choisit un matériau assurant un spectre infrarouge assez large, par exemple en InSb pour couvrir sensiblement les bandes I et Il à 770K. REVENDICATIONS 1. Système optoélectrique d'imagerie infrarouge dans une large bande spectrale, comportant une optique réceptrice pour focaliser sur un détecteur le rayonnement provenant du champ observé, et un moyen optique de balayage de champ pour faire tourner l'image dans le plan de détection selon un balayage rotatif circulaire, le dispositif détecteur étant du type à barrette détectrice disposée radialement dans ce plan, le système étant caractérisé en ce que le dispositif détecteur (3) comporte au moins deux barrettes (31, 32) sensibles dans deux bandes spectrales distinctes, de manière à couvrir au moins deux des bandes infrarouge d'exploitation I, II et If. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte trois barrettes (31, 32 et 33) pour détecter lesdites bandes correspondant respectivement à l'infrarouge proche, moyen, et lointain. 3. Système selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les barrettes sont disposées radialement en évitant de disposer deux barrettes colinéairement selon un même diamètre du balayage circulaire. 4. Système selon les revendications 2 et 3, caractérisé en ce qu'elles sont disposées à 1200 I'une de l'autre radialement selon ledit balayage circulaire et à même distance du centre (o) de ce balayage correspondant à la trace de l'axe optique. 5. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que la barrette détectrice de l'infrarouge lointain est constituée en matériau HgCdTe, celle correspondant à la bande infrarouge moyen est en matériau InSb et celle détectant dans l'infrarouge proche est en matériau InAs ou bien également en matériau InSb mais associée avec un filtre spectral rejetant la bande infrarouge moyen. 6. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les barrettes ont un même nombre d'éléments détecteurs, les éléments étant de mêmes dimensions et également espacés l'un de l'autre pour obtenir des images vidéo ayant des caractéristiques semblables de résolution et de champ. 7. Système selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 3, 5, caractérisé en ce qu'il comporte un premier groupement d'au moins deux barrettes (31, 32, 33) disposées par une extrémité à proximité du centre du balayage circulaire pour couvrir un premier champ (CH1) circulaire et au moins un deuxième groupement d'au moins deux barrettes (41,42,43) pour couvrir au moins un deuxième champ annulaire (CH2) autour du premier champ. 8. Système selon la revendication 7, caractérisé en ce que la distinction des champs est obtenue en produisant des résolutions différentes par le choix de paramètres de construction des barrettes, dimensions des éléments détecteurs, pas d'espacement entre détecteurs et corrélativement nombre d'éléments détecteurs. 9. Système selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 3, 5, caractérisé en ce qu'il comporte une première barrette (34) disposée au centre du balayage par une extrémité pour couvrir un champ circulaire (CH1) et une deuxième barrette (44) disposée à la suite de la première barrette pour couvrir un deuxième champ annulaire (CH2) concentrique au premier, la barrette centrale (34) ayant une résolution différente par le choix du nombre d'éléments détecteurs, de leurs dimensions et de leur espacement relatif, que celle de la deuxième barrette. 10. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les voies vidéo détectées sont numérisées (75) et traitées dans un ensemble de circuits (6) incluant des circuit d'addition et de soustraction, puis reconverties en analogique (76) avant visualisation (7).