Brevet FR2753282A1 — publié le 19980313

L'invention concerne un système optique à rotation d'image, c'est-à-dire du type comportant des éléments optiques (notamment miroirs ou facettes de prisme) permettant de faire tourner à volonté, autour de l'axe optique, L'image obtenue dans le plan focal. Elle concerne également un système d'observation comportant un tel système optique. II existe diverses applications optiques où l'on ressent le besoin de faire tourner autour de l'axe optique l'image obtenue dans le plan focal, en pratique pour positionner l'image correctement par rapport à un ensemble de détection, par exemple une barrette ou une matrice de capteurs CCD. Ce besoin apparaît notamment dans des applications d'observation ou de surveillance lorsque, soit la scène à observer/surveiller tourne, soit l'axe de visée est susceptible de changer d'orientation (caméras de surveillance, avions ou satellites d'observation, pour des missions diverses telles que cartographie ou étude des couches atmosphériques à la surface de la Terre, voire d'autres planètes, etc...). Les changements de l'axe de visée sont le plus souvent obtenus par rotation d'un miroir de visée disposé en tête d'un instrument optique ; la rotation se fait soit autour de l'axe optique, soit autour d'un axe transversal à ce dernier ; il peut en résulter une rotation de l'image autour de I'axe optique qui peut être préjudiciable à la qualité des images obtenues et de leur traitement (dégradation de la qualité d'image due au "bougé", etc...). La figure 1 rappelle le principe d'un système de saisie d'image utilisant un instrument optique quelconque schématisé sous la référence 1, caractérisé par un axe optique Z-Z, une pupille d'entrée 2, et un plan focal 3, et précédé par un miroir optique plan 4 incliné par rapport à l'axe optique et commandé par un moteur 5, à mouvement alternatif ou continu, ayant un axe de rotation confondu avec l'axe optique. Une rotation d'amplitude a du miroir optique incliné 4 entraîne une rotation de même amplitude de l'image obtenue dans le plan focal. Des solutions ont déjà été proposées pour compenser une telle rotation (ou en variante pour provoquer volontairement une rotation). Une première idée consiste à faire tourner le plan focal (en pratique les éléments de détections qui y sont situés) autour de l'axe optique. Cela demande une très grande précision de mouvement pour ne pas générer de défocalisation ; cela est en outre difficile à mettre en oeuvre en raison des connexions qui doivent être assurées entre le plan focal (et les électroniques associées). Une autre solution, plus réaliste, consiste à prévoir des jeux de prismes ou de miroirs, faisant intervenir en pratique au moins trois surfaces réfléchissantes. Un exemple en est donné à la figure 2 qui se distingue de la figure 1 par l'interposition sur l'axe optique Z-Z, en amont du plan focal 3, d'un dispositif de rotation d'image 6 comportant deux miroirs inclinés 6A et 6B faisant transversalement face à un miroir 6C parallèle à l'axe. Cette disposition en K couché donne parfois son nom à un tel dispositif de rotation d'image, ou dérotateur. Une rotation de ce dispositif a12 permet de compenser une rotation de a du miroir optique incliné 4. D'autres solutions font intervenir un plus grand nombre de surfaces réfléchissantes. Cette solution à jeux de prismes ou miroirs est souvent tolérante en positionnement mais les jeux de prismes génèrent des aberrations chromatiques tandis que les jeux de miroirs sont encombrants et sont souvent lourds en raison de la taille requise pour que les surfaces réfléchissantes interceptent tout le faisceau utile, et en raison de la distance (ou tirage) requise entre la dernière surface réfléchissante et le plan focal. L'invention a pour objet de pallier ces inconvénients, grâce à la mise en oeuvre d'un dispositif optique de rotation d'image qui combine simplicité et efficacité (voire légèreté et faible encombrement) en ce qui concerne la rotation autour de l'axe optique, et performances optiques, sans aberrations chromatiques notamment, et conservation d'image en ce qui concerne les directions transversales à l'axe optique, notamment sans inversion droite/gauche. L'invention propose à cet effet un système optique comportant un instrument optique ayant un axe optique Z-Z et une pupille de sortie centrée sur cet axe optique, un dispositif optique de rotation d'image disposé sur cet axe optique, un plan focal, un élément de détection d'image situé dans ce plan focal, caractérisé en ce que l'instrument optique a une direction d'observation présentant une inclinaison non nulle par rapport à l'axe optique, cet élément de détection est décalé par rapport à l'axe optique selon une direction de décalage et le dispositif optique de rotation d'image est un réflecteur en toit constitué de deux surfaces planes réfléchissantes convergeant en une arête de toit coupant à angle droit l'axe optique et présentant un débattement contrôlable en rotation autour de cet axe optique, en sorte d'intercepter un faisceau utile incident d'inclinaison non nulle par rapport à l'axe optique et de l'envoyer vers l'élément décalé de détection. On appréciera que l'invention combine un fonctionnement de l'instrument optique en dehors de son axe (c'est-à-dire que la direction d'observation de l'instrument optique a une inclinaison non nulle par rapport à l'axe optique ; en d'autres termes on délimite une section de passage du faisceau utile qui est excentrée par rapport à cet axe optique, tandis que l'élément de détection est lui aussi excentré par rapport à l'axe optique) et l'utilisation d'un simple réflecteur en toit (faisant éventuellement partie d'un prisme). Grâce au fonctionnement de l'instrument optique en dehors de son axe ("off-axis"), I'utilisation d'un réflecteur en toit, connu en soi, est rendue possible selon l'invention sans superposition des faisceaux incident et réfléchi. Or ce miroir en toit est simple et ses performances optiques sont très bonnes, notamment en ce qui concerne la conservation de l'image (pas d'inversion droite/gauche). II est à noter que des réflecteurs en toit rotatifs semblent avoir été déjà proposés, mais dans le domaine de l'interférométrie, c'est-à-dire sans qu'il y ait formation d'image au sens de l'invention. Selon des caractéristiques préférées de l'invention, éventuellement combinées: - la pupille de sortie est réelle et le dispositif optique de rotation d'image est situé au moins à proximité de cette pupille de sortie réelle, - I'instrument optique comporte un diaphragme intermédiaire excentré par rapport à l'axe optique délimitant une section de passage correspondant à la direction d'observation inclinée, - ce diaphragme est disposé au moins approximativement dans un plan focal intermédiaire de l'instrument optique, - ce diaphragme est fixe, - I'instrument optique comporte une surface fixe de renvoi excentrée par rapport à l'axe optique et déterminant l'orientation du faisceau utile incident intercepté par le dispositif optique de rotation d'image, - cette surface de renvoi longe une surface géométrique ayant l'axe optique comme axe de symétrie, - cette surface de renvoi est située à la sortie de l'instrument optique et réfléchit un faisceau divergent en ledit faisceau utile incident, sous forme convergente, - I'élément de détection comporte au moins une ligne de détecteurs élémentaires disposée perpendiculairement à la direction de décalage, - I'instrument optique comporte un dispositif de transport d'image, - ce système optique comporte, en tête de l'instrument optique, un miroir rotatif d'inclinaison non nulle par rapport à l'axe angulaire contrôlable autour de cet axe optique, ce miroir rotatif et le dispositif optique de rotation d'image étant commandés en rotation de manière que leurs amplitudes respectives de rotation sont dans un rapport de 2/1, - le réflecteur en toit est formé par deux faces perpendiculaires d'un prisme à angle droit. L'invention concerne également un système d'observation concernant un tel système optique, de préférence lorsqu'il comporte un miroir rotatif en tête de l'instrument optique. De manière préférée, ce système d'observation fonctionne par défilement relatif par rapport à la scène à observer/surveiller, et l'axe de rotation du miroir optique incliné est orienté parallèlement à la direction de défilement : le flux renvoyé dans l'instrument optique est indépendant de la position angulaire du miroir optique incliné. L'invention concerne de préférence les observations en lumière visible, voire infrarouge. Des objets, caractéristiques et avantages de l'invention ressortent de la description qui suit, donnée à titre d'exemple non limitatif, en regard des dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est le schéma de principe d'un dispositif connu de changement de visée, - la figure 2 est le schéma de principe d'un dispositif connu de rotation d'image à trois miroirs, - la figure 3A est le schéma de principe d'un dispositif conforme à l'invention comportant un double miroir, - la figure 3B est le schéma partiel de principe d'un autre dispositif conforme à l'invention, utilisant un prisme à angle droit à la place du double miroir, - la figure 4 est le schéma de principe d'un système optique combinant l'invention à un transport d'image, - la figure 4A est une vue du plan focal intermédiaire du système de la figure 4, - la figure 4B est une vue du plan final du système de la figure 4, - la figure 5 est le schéma de principe d'un autre système optique conforme à l'invention, faisant intervenir un miroir de renvoi. La figure de principe 3A décrit un système optique comportant un instrument optique 11 et, sur l'axe optique Z-Z de celui-ci, un dispositif de rotation d'image 16 comportant deux miroirs 16A et 16B perpendiculaires et convergent en une arête Y-Y coupant l'axe Z-Z à angle droit (I'axe X-X est un autre axe, perpendiculaire à Y-Y et Z-Z). L'instrument optique 11 fonctionne en dehors de son axe, c'est-à-dire que le faisceau incident reçu par le miroir 16 est incliné par rapport à l'axe optique. Cela est par exemple réalisé par un diaphragme excentré non représenté situé en amont, ou en aval, de l'instrument optique ou à l'intérieur de celui-ci. Le faisceau incident est ici renvoyé par le miroir 16 vers l'instrument optique, de sorte que le plan focal 13 se trouve à l'opposé de ce miroir 16 par rapport à l'instrument optique, en étant confondu avec le plan focal d'entrée de cet instrument. La référence 17 représente un détecteur d'image excentré par rapport à Z-Z. Une rotation a/2 du miroir autour de Z-Z provoque une rotation a dans le plan focal. La figure 3B correspond à une variante de réalisation dans laquelle les deux surfaces réfléchissantes à angle droit 16A' et 16B', disposées à droite de l'instrument optique, font partie d'un prisme. La figure 4 est une variante de réalisation où le faisceau renvoyé par le réflecteur en toit 26 ne retraverse pas l'instrument optique. Ce système de la figure 4 comprend un instrument optique 21 d'axe optique Z-Z, une pupille d'entrée 22, ici réelle et matérialisée par un diaphragme, un plan focal intermédiaire 23A, un miroir optique incliné 24 d'axe de rotation confondu avec l'axe Z-Z (son inclinaison est par exemple de 45 ), un réflecteur en toit 26, à angle droit, d'arête Y-Y coupant l'axe optique à angle droit, et un plan focal 23B dans lequel est situé un détecteur d'image 27 situé à l'écart de l'axe Z-Z. Pour garantir le fonctionnement de l'instrument optique en dehors de son axe, un diaphragme excentré 29 est ménagé sur le trajet lumineux, de préférence situé en une zone où le faisceau est étroit, c'est-à-dire ici dans le plan focal intermédiaire 23A. Un dispositif de transport d'image 28 est éventuellement prévu sur le trajet du faisceau ; il est de tout type connu approprié, par exemple un guide optique; il déforme éventuellement l'axe optique. Le plan focal intermédiaire 23A et le dispositif de transport d'image sont ici représentés, pour des raisons de lisibilité, en dehors de l'instrument optique 21. On comprend toutefois que ces éléments 21, 23A et 28 constituent conjointement un ensemble que l'on peut désigner sous la désignation d'instrument optique global. On observe qu'une rotation a du miroir 24 fait tourner l'image d'un angle a sur le plan focal intermédiaire, mais qu'une rotation a/2 du réflecteur en toit 26 permet de ramener l'image finale sur le détecteur d'image 27. Le réflecteur en toit 26 est de préférence situé auprès de la pupille de sortie réelle 26A de l'instrument optique global. La figure 5 propose en variante, un système repéré 20 dans son ensemble comportant un instrument optique 31 schématisé par une simple lentille d'entrée d'axe Z-Z précédé d'un miroir rotatif incliné 34 pouvant tourner autour de l'axe optique, un plan focal intermédiaire 33A, un miroir de renvoi 38 un réflecteur en toit 36 à angle droit d'arête Y-Y coupant l'axe Z-Z à angle droit, et un détecteur d'image 37 situé dans le plan focal final 33B. La référence 40 représente une pupille de sortie réelle, c'est-àdire qu'elle désigne une zone, matérialisée ici par un diaphragme mais cela n'est pas nécessaire, où le faisceau est étroit. Cette pupille est réelle en ce sens que le faisceau y parvient réellement. Le réflecteur en toit 36 est de préférence situé au moins à proximité de cette pupille de sortie réelle grâce à quoi ce réflecteur peut être de petite taille sans que cela implique une perte de flux. La surface de renvoi 38 est avantageusement concave en sorte de renvoyer un faisceau incident divergent en un faisceau réfléchi convergent. II s'agit ici d'une surface réfléchissante. II peut s'agir en variante d'une lentille de transport d'image. On appréciera que la surface de renvoi permet que le système soit dans son ensemble très compact. Cette surface de renvoi est avantageusement une portion excentrée d'une surface géométrique ayant l'axe Z-Z local comme axe de symétrie. Ainsi cette surface de renvoi participe à la délimitation du faisceau utile incliné, et donc au fonctionnement hors axe de l'instrument optique. Le dimensionnement du diaphragme 39 avantageusement situé ici aussi dans le plan focal intermédiaire 33A peut en être simplifié, par exemple en un simple écran interceptant l'axe Z-Z et protégeant le détecteur d'image 37 par rapport à l'ensemble du flux rentrant dans la lentille 11. Les diaphragmes 29 et 39 des figures 4 et 5 ont par exemple une forme arquée centrée sur l'axe dont l'amplitude autour de Z-Z correspond à l'amplitude de rotation du miroir 34. En principe la direction selon laquelle le détecteur d'image est décalé par rapport à l'axe est approximativement parallèle à l'arête Y-Y du réflecteur en toit, avec un écart d'environ l'angle a/2 nécessaire à la compensation de rotation. Ce détecteur d'image comporte de préférence au moins une ligne de détecteurs élémentaires perpendiculaire à cette direction de décalage. II s'agit de préférence d'une matrice de tels détecteurs élémentaires. De préférence aussi bien les diaphragmes intermédiaires tels que 29 ou 39, la surface de renvoi 38 que les détecteurs d'image 17, 27 et 37 sont fixes ; on peut bien sûr prévoir en variante que les diaphragmes, voire la surface de renvoi, puissent tourner autour de Z-Z en synchronisme avec le miroir 24 ou 34. Selon une application préférée, le système de la figure 4 ou 5 est embarqué sur un véhicule, tel qu'avion ou satellite, schématisé par la référence 100, présentant une direction de défilement D par rapport à la scène à observer/surveiller. L'axe de rotation du miroir rotatif, c'est-à-dire, dans les exemples des figures 4 et 5, I'axe optique est avantageusement parallèle à cette direction D de défilement. L'invention consiste à utiliser un dispositif constitué de deux miroirs à 90" l'un de l'autre (ou un prisme à angle droit) et de faire fonctionner l'instrument optique en dehors de son axe (off-axis) dans le champ comme indiqué sur la figure 3A, 3B, 4 ou 5. Le miroir rotatif et le réflecteur en toit sont commandés en rotation en sorte que leurs amplitudes relatives de rotation soient dans un rapport 2/1. L'invention est particulièrement intéressante pour les combinaisons avec transport d'image et disposant donc d'une pupille réelle de sortie comme illustré sur la figure 4 (le dispositif est alors placé dans cette pupille pour diminuer sa taille). L'intérêt de cette invention est d'abord sa simplicité puisque utilisant un dispositif à deux miroirs seulement. Ensuite, ce dérotateur se comporte comme un miroir plan pour tout champ dans le plan Y-Z. II est donc possible de séparer le faisceau incident du faisceau réfléchi lorsque l'on travaille dans le champ. Si l'image "défile" devant l'instrument, il peut être envisageable de "ralentir" ce mouvement, pour augmenter la radiométrie et la FTM (c'est-à-dire la Fonction de Transfert de Modulation), en basculant le dispositif à deux miroirs autour de l'axe X. Un autre intérêt de cette invention est que le dispositif se comporte comme un coin de cube pour les champs dans le plan X-Y : il en résulte que toute image issue de l'invention aura sa droite à droite et sa gauche à gauche) pas d'inversion gauche-droite) : si l'objet est du texte lisible, L'image sera aussi du texte lisible. Cette propriété "coin de cube" permet au dispositif d'être insensible à toute rotation autour de l'axe Y et d'être, ainsi, tolérant dans cette direction. Le dernier intérêt de cette invention est qu'elle rend possible la compensation de la rotation image (ou la mise en rotation de l'image) par simple rotation du dispositif à deux miroirs d'un angle moitié de la rotation image souhaitée (rotation autour de Z). Afin de diminuer la taille du réflecteur en toit qui sert de dérotateur, il est conseillé de l'implanter dans une pupille de sortie réelle comme illustré sur les figures 4 et 5. L'invention a de nombreuses applications: - toutes combinaisons optiques fonctionnant off-axis dans le champ, - simplification des méthodes de caractérisation et de mesure de performance (FTM par exemple) par la mise en rotation de l'image d'une mire fixe par l'invention, - balayage conique de l'axe de visée d'un instrument fixe muni du dispositif à deux miroirs pour les applications Lidars. II va de soi que la description qui précède n'a été proposée qu'à titre d'exemple non limitatif et que de nombreuses variantes peuvent être proposées par l'homme de l'art sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Système optique comportant un instrument optique (11, 11', 21, 31) ayant un axe optique Z-Z et une pupille de sortie (26A, 40) centrée sur cet axe optique, un dispositif optique de rotation d'image (16, 16', 26, 36) disposé sur cet axe optique, un plan focal (13, 23, 33B), un élément de détection d'image (27, 37) situé dans ce plan focal, caractérisé en ce que l'instrument optique a une direction d'observation présentant une inclinaison non nulle par rapport à l'axe optique, cet élément de détection (17, 27, 37) est décalé par rapport à l'axe optique selon une direction de décalage et le dispositif optique de rotation d'image est un réflecteur en toit (16, 16', 26, 36) constitué de deux surfaces planes réfléchissantes (16A, 16B, 16A', 16B') convergeant en une arête de toit coupant à angle droit l'axe optique et présentant un débattement contrôlable en rotation autour de cet axe optique, en sorte d'intercepter un faisceau utile incident d'inclinaison non nulle par rapport à l'axe optique et de l'envoyer vers l'élément décalé de détection. 2. Système optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pupille de sortie (26A, 40) est réelle et le dispositif optique de rotation d'image (16,16', 26, 36) est situé au moins à proximité de cette pupille de sortie réelle. 3. Système optique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'instrument optique comporte un diaphragme intermédiaire (29, 39) excentré par rapport à l'axe optique délimitant une section de passage correspondant à la direction d'observation inclinée. 4. Système optique selon la revendication 3, caractérisé en ce que ce diaphragme est disposé au moins approximativement dans un plan focal intermédiaire (23A, 33A) de l'instrument optique. 5. Système optique selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que ce diaphragme (29, 39) est fixe. 6. Système optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'instrument optique comporte une surface fixe de renvoi (38) excentrée par rapport à l'axe optique et déterminant l'orientation du faisceau utile incident intercepté par le dispositif optique de rotation d'image. 7. Système optique selon la revendication 6, caractérisé en ce que cette surface de renvoi (38) longe une surface géométrique ayant l'axe optique comme axe de symétrie. 8. Système optique selon la revendication 7, caractérisé en ce que cette surface de renvoi (38) est située à la sortie de l'instrument optique et réfléchit un faisceau divergent en ledit faisceau utile incident, sous forme convergente. 9. Système optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'élément de détection (17, 27, 37) comporte au moins une ligne de détecteurs élémentaires disposée perpendiculairement à la direction de décalage. 10. Système optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'instrument optique (21) comporte un dispositif de transport d'image (28). 11. Système optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que ce système optique comporte, en tête de l'instrument optique, un miroir rotatif (24, 34) d'inclinaison non nulle par rapport à l'axe angulaire contrôlable autour de cet axe optique, ce miroir rotatif et le dispositif optique de rotation d'image étant commandés en rotation de manière que leurs amplitudes respectives de rotation sont dans un rapport de 2/1. 12. Système optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le réflecteur en toit (16') est formé par deux faces perpendiculaires d'un prisme à angle droit. 13. Système d'observation comportant un système optique conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que ce système optique comporte, en tête de l'instrument optique, un miroir rotatif (24, 34) d'inclinaison non nulle par rapport à l'axe angulaire contrôlable autour de cet axe optique, ce miroir rotatif et le dispositif optique de rotation d'image étant commandés en rotation de manière que leurs amplitudes respectives de rotation sont dans un rapport de 2/1. 14. Système d'observation selon la revendication 13, caractérisé en ce que ce système d'observation a une direction de défilement par rapport à une scène à observer, et l'axe de rotation du miroir rotatif est parallèle à cette direction de défilement.