Brevet FR2771814A1 — publié le 19990604

La présente invention concerne les dispositifs optiques comportant un récepteur optique dont il est nécessaire de réduire la rétroréflexion. Dans un récepteur optique, comportant au minimum une optique de focalisation et des moyens de détection, tout objet matériel (détecteur, connexion, grille modulatrice, réticule, ...) placé dans un plan focal de l'optique, est susceptible de renvoyer par réflexion spéculaire une fraction d'un faisceau de rayons lumineux parallèles traversant la pupille d'entrée du récepteur dans la direction d'incidence de ce faisceau. C'est ce que l'on appelle ici la rétroréflexion. La fraction du flux renvoyée dans la direction d'incidence est appelé ici flux rétroréfléchi. Plusieurs types de dispositifs nécessitent de réduire la rétroréflexion. C'est le cas de certains dispositifs de test, comme par exemple les instruments de spectroscopie par laser, constitués d'une source laser, souvent accordable, de l'échantillon à tester, d'un récepteur optique et de moyens d'analyse permettant de traiter les données issues du récepteur et de contrôler la source. II est fondamental dans ce type de dispositifs de limiter le flux rétroréfléchi par le récepteur afin d'éviter de perturber le fonctionnement d'éléments sensibles, comme peut l'être la source laser par exemple. C'est le cas aussi de dispositifs optroniques de détection qu'il peut être nécessaire de protéger contre des systèmes de contre-mesures optroniques utilisant des sources laser de puissance modérée. Ces systèmes exploitent la faible divergence naturelle des sources laser qui leur permettent de déposer en pupille d'entrée du dispositif optronique un éclairement suffisant pour neutraliser les détecteurs du plan focal. Cette faible divergence nécessite un pointage précis du laser sur le dispositif optronique. Les propriétés de rétroréflexion du dispositif sont alors exploitées : un écho brillant est perçu par le système illuminateur, écho permettant de connaître avec précision la position instantanée du dispositif. Cet effet est couramment appelé effet 'oeil de chat'. Un certain nombre de moyens pour réduire la rétroréflexion sont connus de l'homme de l'art. II peut s'agir notamment D'utiliser un filtre réjecteur des principales raies laser afin d'empêcher l'illumination du plan focal. Cette solution ne concerne pas les dispositifs de test dans lesquels la source laser fait partie du dispositif. En outre, I'apparition de sources laser continûment accordables en longueur d'onde rendra inadapté l'emploi de ce type de filtre dans le cas de la protection des dispositifs de détection. dans le cas de détecteurs placés dans le plan focal de l'optique de focalisation, d'utiliser des traitements antireflet, déposés sur le détecteur lui-même. Cependant, pour la protection des dispositifs de détection, il est nécessaire d'utiliser des traitements large bande qui sont rarement suffisamment efficaces sur tout le spectre d'accordabilité du laser de contre-mesures. D'autre part, dans le cas des dispositifs de test, la mise en place d'un traitement antireflet est parfois limitée par la nature du matériau dont est constitué le détecteur, comme cela est détaillé dans le brevet US 4,989,972. D'autres solutions sont décrites dans l'art antérieur qui ont pour fonction de dévier tout ou partie du faisceau rétropropagé hors de la pupille d'entrée du récepteur optique. Ainsi, le brevet précédemment cité propose de former sur la surface du photo-détecteur des rainures à section triangulaire entrainant la diffraction du flux incident sur le détecteur, ce qui rend cette surface faiblement réfléchissante. Cette solution a l'inconvénient de présenter de lourdes contraintes technologiques et d'être difficilement adaptable à des sources large bande. Le brevet GB 2 253 073 suggère de basculer le détecteur afin de supprimer le flux rétroréfléchi. Cette solution, simple d'apparence, présente des difficultés liées à l'encombrement du détecteur ainsi positionné, en particulier dans le cas d'équipements optroniques de détection. II est peu aisé de faire basculer un détecteur, ne serait-ce qu'à cause des contraintes liées aux connexions, et l'adaptation d'une telle solution à des équipements existants paraît très difficile. La présente invention propose une solution valable pour les différents types de dispositifs précédemment mentionnés. II s'agit de réduire le flux rétroréfléchi jusqu'à une valeur acceptable dans le contexte d'utilisation du dispositif, en positionnant à proximité du plan focal de l'optique de focalisation dans lequel est positionné l'objet réfléchissant, un élément de phase notamment de type lentille, permettant de renvoyer en dehors de la pupille d'entrée du récepteur le flux réfléchi sur l'objet. Plus précisément, I'invention a pour objet un récepteur optique à rétroréflexion réduite, comprenant une optique de focalisation, un objet matériel réfléchissant placé dans un plan focal de l'optique, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un élément de phase, placé entre l'optique et l'objet, à proximité du plan focal, ledit élément étant caractérisé par une fonction de phase à symétrie de révolution, dont l'axe de symétrie est sensiblement confondu avec l'axe de l'optique de focalisation, et telle que le déphasage induit sur tout faisceau se focalisant à une distance supérieure ou égale à une distance prédéterminée h de l'axe de l'optique de focalisation entraîne la réduction du flux rétroréfléchi correspondant audit faisceau jusqu'à une valeur prédéterminée. Le récepteur optique comprendra avantageusement des moyens de déflexion du flux incident tels que la zone utile du champ dans le plan focal soit contenue dans une zone extérieure au disque centré sur l'axe de l'optique de focalisation et de rayon h. La solution proposée présente l'avantage de ne pas imposer de contraintes technologiques sur le détecteur, si ce n'est une translation de celui-ci (ce qui pose peu de difficultés), et de mettre en oeuvre des éléments optiques conventionnels, type lentilles, ce qui rend la solution valable sur une large bande spectrale. D'autres avantages et particularités apparaîtront à la lecture de la description suivante et des figures annexées qui représentent - les figures 1 a, 1 b, 2a, 2b, 3a, 3b, des schémas expliquant le principe physique sur lequel est basée l'invention, - la figure 4a, un exemple de réalisation d'un récepteur selon l'invention, - la figure 4b, un élément de la figure 4a, - la figure 5a, un autre exemple de récepteur optique selon l'invention, appliqué à un dispositif optronique, - la figure 5b, un élément de la figure 5a. Sur ces figures, les éléments homologues sont référencés par les mêmes repères. Un récepteur optique comportant une optique de focalisation L est représenté sur la figure la. Dans le plan focal PF de celle-ci se trouve un objet matériel réfléchissant D, par exemple un détecteur optique. Le diaphragme d'ouverture DO du récepteur est la pupille d'entrée qui limite l'ouverture objet du cône de rayons admis dans le récepteur; on appelle ici pupille conjuguée PS, la pupille conjuguée du diaphragme d'ouverture DO par l'optique L. La pupille conjuguée PS peut être réelle ou virtuelle; dans l'exemple des figures la et 2a, le diaphragme d'ouverture DO est positionné sur l'optique L; ainsi, la pupille PS est confondue avec le diaphragme DO. Le récepteur est caractérisé en particulier par son nombre d'ouverture N telle que où, I'axe z de l'optique L étant orienté dans le sens de propagation des faisceaux incidents (sens symbolisé par une flèche sur la figure la), dp est la distance algébrique entre le plan focal PF et celui de la pupille PS et Op est le diamètre de ladite pupille. Un faisceau de rayons lumineux incidents Fl pénètre dans le récepteur avec un angle d'incidence e; le point de focalisation de ce faisceau dans le plan focal PF de l'optique de focalisation L se situe à une distance h de l'axe z de l'optique L. Les rayons sont partiellement réfléchis par l'objet D selon les lois de la réflexion spéculaire, formant ainsi un faisceau de rayons lumineux réfléchis FR. Une partie de ces rayons ne sont pas interceptés par le diaphragme d'ouverture DO et repartent avec le même angle 0 vers la source d'émission du faisceau incident Fl, formant ainsi le flux rétroréfléchi. Dans la suite, nous raisonnons dans l'espace image, conjugué de l'espace objet par l'optique de focalisation L. Dans cet espace, la pupille qui limite l'ouverture des faisceaux est la pupille conjuguée PS. Le flux rétroréfléchi est proportionnel à l'intersection S entre la pupille PS et la surface PR d'intersection entre le faisceau FR et le plan de la pupille PS. Ces différentes surfaces sont représentées, dans le plan de la pupille PS, sur la figure 1 b. Plus l'angle d'incidence est faible, plus la surface S est importante; que ce soit dans les dispositifs de test dans lesquels on cherche à protéger la source ou dans les dispositifs optroniques de détection que l'on veut rendre discrets pour les protéger des contremesures laser, les angles d'incidence sont tels que le flux rétro réfléchi peut être gênant. Deux exemples de récepteurs selon l'invention sont schématisés sur les figures 2a et 3a. Les surfaces PS et PR prises dans le plan de la pupille PS sont représentées respectivement sur les figures 2b et 3b. L'invention consiste a positionner à proximité du plan focal PF de l'optique L un élément de phase EP caractérisé par une fonction de phase à symétrie de révolution, dont l'axe de symétrie est sensiblement confondu avec l'axe z de l'optique L. La fonction de phase est telle que le flux rétro réfléchi soit réduit jusqu'à une valeur acceptable dans le contexte d'utilisation du dispositif. En particulier, il n'est pas souhaitable de réduire le flux rétroréfléchi au maximum, ce qui peut imposer des contraintes technologiques sévères, si le contexte ne le nécessite pas. Supposons cependant que l'on cherche à obtenir une valeur sensiblement nulle pour le flux rétroréfléchi. La fonction de phase est alors telle que le faisceau incident Fl, après double passage à travers l'élément EP, est renvoyé en dehors de la pupille PS, et ce pour une distance déterminée h du point de focalisation (correspondant à l'angle d'incidence 0). La surface S est alors quasiment nulle. L'élément de phase EP est par exemple un système dioptrique, composé par exemple de dioptres sphériques; L'ensemble est alors caractérisé par sa distance focale objet fED et sa distance au plan focal PF. On suppose ici que l'élément EP est une lentille ou un groupe de lentilles. En première approximation, on peut déterminer par les lois de l'optique géométrique, un ordre de grandeur de la valeur fEDmax de fED r dont la valeur absolue est maximale pour un flux rétroréfléchi nul. Supposons que la lentille EP soit positionnée très près du plan focal PF de l'optique L, de telle sorte que la distance entre cette lentille et le plan PF soit négligeable. La position du foyer objet FED de la lentille doit être telle que le rayon incident sur le plan focal à la distance h de l'axe z et issu du bord de la pupille PS (bord positionné du même côté de l'axe z que le point de focalisation) revienne sur lui-même (I'intersection S est alors réduite à un point). En optique géométrique (dans l'approximation des faibles angles, dite approximation paraxiale), la distance focale objet vaut alors: Dans la plupart des cas, la distance h est petite devant la valeur du diamètre (Pp de la pupille, et un ordre de grandeur de la valeur absolue de fEDmax est 2Nh. Le signe de fEDmax est donné par celui de dp. Ainsi, dans le cas d'un récepteur optique tel qu'il est schématisé sur la figure 2a, la pupille PS est réelle, la distance dp est négative et donc fEDmax est positive, ce qui signifie que le système dioptrique EP est divergent. A titre d'exemple, considérons un récepteur pour un dispositif optronique de détection dont le nombre d'ouverture vaut N = 3, dont le champ image est de 6 mm de diamètre; on cherche à annuler la rétroréflexion pour une distance h = 2 mm du point de focalisation à l'axe z. L'ordre de grandeur de la focale de la lentille divergente à positionner devant le détecteur est fEDmax = 12 mm. Dans un autre exemple, illustré sur la figure 3a, la pupille PS est virtuelle; c'est le cas par exemple si le diaphragme d'ouverture, non représenté sur la figure 3a, est à une distance égale à 2f de l'optique L, où f est la distance focale objet de L; la pupille conjuguée PS, conjuguée par l'optique L du diaphragme d'ouverture, est alors positionnée à une distance -2f de l'optique L. Dans ce cas, d est positive, fEDmax est négative et le système dioptrique EP est convergent. Notons que si la valeur du flux rétroréfléchi acceptable dans le contexte d'utilisation du dispositif est non nulle, la valeur absolue de fED peut être supérieure à celle de fEDmax. Par contre, dans certains récepteurs, L'élément réfléchissant D peut être tel qu'il a tendance à diffuser ou diffracter le flux incident. II sera nécessaire dans ce cas d'augmenter la puissance du système dioptrique (c'est à dire de diminuer la valeur absolue de fED). L'élément de phase peut également comporter un ensemble de dioptres dont l'un au moins est un dioptre asphérique; par exemple un dioptre elliptique, parabolique ou hyperbolique; il peut s'agir aussi d'une forme de révolution quelconque calculée pour réduire le flux rétroréfléchi selon une loi prédéterminée, qui définit entre autres paramètres une valeur h du champ pour laquelle le flux rétroréfléchi est acceptable. Cette loi peut également être obtenue avec une optique diffractive calculée en conséquence, prise seule ou combinée à des dioptres pour former l'élément de phase EP. L'optique diffractive peut être par exemple une optique gravée ou une lentille holographique. L'élément de phase peut également être constitué d'un modulateur de phase, de type Niobate de Lithium, comportant deux électrodes qui forment un ensemble de pixels et dont la phase de chacun des pixels est contrôlé électriquement pour réaliser la fonction de phase voulue. Le récepteur selon l'invention peut comprendre en outre des moyens de déflexion du faisceau incident tels que la zone utile du champ dans le plan focal PF soit contenue dans une zone extérieure au disque centré sur l'axe de l'optique de focalisation L et de rayon h. En effet, pour un faisceau incident parallèle à l'axe, le flux rétroréfléchi est maximal; il décroît lorsque l'angle d'incidence augmente mais n'est vraiment réduit que pour un angle d'incidence supérieur à celui correspondant au champ h pour lequel est adapté l'élément de phase EP. Ces moyens de déflexion peuvent par exemple comporter un miroir M comme cela est représenté sur la figure 4a. Un récepteur du type de celui représenté sur la figure 4a peut par exemple être appliqué à un dispositif de test; L'objet réfléchissant D est par exemple un détecteur; I'échantillon à tester est positionné dans le faisceau collimaté incident Fl1 dont l'axe est par exemple perpendiculaire à l'axe z de l'optique L. Après réflexion sur le miroir M, qui fait un angle a avec l'axe z, le faisceau Fl1 pénètre dans l'optique de focalisation L avec un angle Oi. L'élément de phase est calculé, dans cet exemple, pour que le flux rétroréfléchi soit réduit jusqu'à une valeur acceptable quel que soit l'angle d'incidence compris entre 81- dB et e1 + de, ces angles correspondant au bord du champ du dispositif (matérialisé sur la figure 4a par les faisceaux Fl2 et Fl3). La mise en place d'un élément de phase EP à proximité du plan focal PF de la lentille L peut entraîner une défocalisation de celui-ci; dans l'exemple illustré figure 4a, le plan PF est décalé dans le sens de l'axe z vers le plan PFD. D'autre part, cette mise en place peut entraîner une aberration dite courbure de champ, illustrée sur la figure 4b. Cette aberration est caractérisée par deux surfaces appelées surface sagittale (41) et surface tangentielle (42). La surface de meilleure focalisation 43 est une surface comprise entre les surfaces 41 et 42. La courbure peut être prise en compte dans le calcul de la combinaison optique totale du récepteur de telle sorte que la surface de meilleure focalisation 43 soit plane (plan PFD). Si la courbure introduite par l'élément de phase EP n'est pas corrigée, L'objet réfléchissant D, par exemple le détecteur, peut être défocalisé par rapport au plan focal PF de l'optique L d'une distance dz telle que la meilleure focalisation sur la surface 43 se fasse à la distance hl de l'axe pour laquelle la rétroréflexion est réduite jusqu'à une valeur acceptable, comme cela est montré sur la figure 4b. Dans ce cas, s'il n'y a pas de moyens de déflexion, la zone de meilleure netteté correspond à une rétroréflexion réduite; sur l'axe, le plan de l'objet D étant défocalisé par rapport à la surface 43, la rétroréflexion est réduite par rapport à sa valeur maximale. Mais on peut prévoir des moyens de déflexion du faisceau incident du type de ceux décrits précédemment, et la zone dans laquelle sont focalisés les faisceaux incidents correspond à la zone de meilleure netteté, la rétroréflexion étant en plus réduite. Dans un exemple de réalisation d'un récepteur selon l'invention, ce dernier comprend outre des moyens de déflexion du faisceau incident, des moyens de déplacement transversal de l'élément de phase EP et des moyens de translation selon l'axe z de l'objet réfléchissant D, par exemple un détecteur. On peut alors prévoir deux modes de fonctionnement. Lorsque l'élément de phase n'est pas en place, les moyens de déflexion, par exemple un miroir M mobile autour d'un axe Q, perpendiculaire à l'axe z, envoient dans l'optique L un faisceau incident parallèle à l'axe z, se focalisant dans le plan focal PF de l'optique, sur l'axe. Le détecteur est alors dans le plan PF. Lorsque l'élément de phase est en place, le miroir défléchit le faisceau incident, et le détecteur est translaté de la distance dz afin de permettre la meilleure netteté et une rétroréflexion réduite comme cela a été décrit précédemment. Un tel récepteur peut par exemple être appliqué à un dispositif optronique de détection pour lequel il est important d'avoir une image de très bonne qualité lorsqu'il n'y a pas de menace de contre-mesures; on travaille alors avec l'axe de visée centré sur l'axe z. Lorsque le dispositif pénètre dans une région de menace, on accepte de travailler avec un axe de visée décentré par rapport à l'axe z mais la rétroréflexion est réduite et le dispositif est de ce fait discret. Si l'élément de phase EP mis en place est un modulateur de phase, le contrôle est fait électriquement; en particulier le modulateur peut être rendu inactif par une commande électrique, aussi les moyens de déplacement de l'élément EP ne sont-ils plus nécessaires. Certains dispositifs optroniques de l'art antérieur ont un récepteur optique qui comprend déjà des moyens de déflexion des faisceaux incidents; c'est le cas par exemple de dispositifs optroniques pour le guidage de missile. L'invention est donc particulièrement bien adaptée à ce type de dispositif. Un exemple de récepteur selon l'invention appliqué à un tel dispositif est représenté sur la figure 5a. Deux miroirs 51 et 52 positionnés selon une géométrie de type télescope de Cassegrain forment l'optique de focalisation du récepteur. Un prisme tournant 53 autour de l'axe z des miroirs permet de défléchir le faisceau incident Fl, de telle sorte que celui-ci se focalise sur une grille modulatrice 54, par exemple du type de celle représentée sur la figure 5b. Le prisme 53 permet de travailler hors d'axe pour échapper à la zone centrale aveugle de la grille 54. La grille 54 constitue l'objet réfléchissant, positionné dans le plan focal de l'optique de focalisation du récepteur. Derrière la grille, une optique collectrice 55 collecte le flux pour l'envoyer vers un détecteur 56, lui-même relié à des moyens de traitement du signal non représentés ici. Lorsque le faisceau incident Fl est parallèle à l'axe z, le point de focalisation dans le plan PF décrit un cercle sur la grille 54 qui se traduit par un signal de référence au niveau du détecteur 56. Si le missile, sur lequel est placé le dispositif, se détourne de son objectif, le faisceau incident pénètre dans le récepteur avec un angle non nul par rapport à l'axe z, ce qui entraîne une modification de la trajectoire du point de focalisation sur la grille 54 résultant en une variation du signal. Ce type de dispositif est sensible aux contre-mesures optroniques, qui peuvent être constituées, par exemple, d'un laser de contre-mesure positionné sur la cible. Le récepteur décrit sur la figure 5a comporte aussi, selon l'invention, un élément de phase EP, positionné à proximité de la grille 54. Il s'agit par exemple d'une lentille divergente, fixe, dont la focale est calculée pour réduire jusqu'à une valeur prédéterminée le flux rétroréfléchi correspondant à tout faisceau focalisé à la distance de l'axe z à laquelle est focalisé le faisceau incident Fl. Cette valeur dépend du contexte opérationnel. Comme l'élément de phase EP du récepteur selon I'invention présente une symétrie de révolution, il n'altère pas le fonctionnement initial du récepteur, basé sur la déflexion du faisceau incident par le prisme 53. Une correction partielle de la courbure peut être réalisée, par exemple, en courbant la grille selon une symétrie de révolution par rapport à l'axe z. Dans l'exemple de la figure 5a, la courbure est convexe. Cette courbure renforce l'effet de divergence du flux réfléchi par la grille, ce qui permet de réduire encore la rétroréflexion. Outre les applications du récepteur selon l'invention aux dispositifs optroniques de détection et aux dispositifs de test, comme les instruments de spectroscopie par laser, le récepteur à rétroréflexion réduite permet de limiter dans certains systèmes d'imagerie ou de mesure les images parasites sur le détecteur générées par le flux rétroréfléchi après réflexion sur les dioptres des lentilles du système. REVENDICATIONS 1 - Récepteur optique à rétro réflexion réduite, comprenant une optique de focalisation (L), un objet matériel réfléchissant (D) placé dans un plan focal (F) de l'optique (L), caractérisé en ce qu'il comporte en outre un élément de phase (EP), placé entre l'optique (L) et l'objet (D), à proximité du plan focal (PF), ledit élément (EP) ayant une fonction de phase à symétrie de révolution, dont l'axe de symétrie est sensiblement confondu avec l'axe (z) de l'optique (L), et telle que le déphasage induit sur tout faisceau se focalisant à une distance supérieure ou égale à une distance prédéterminée h de l'axe de l'optique (L) entraîne la réduction du flux rétroréfléchi correspondant audit faisceau jusqu'à une valeur prédéterminée. 2 - Récepteur optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de phase (EP) est un système dioptrique à symétrie de révolution, centré sur l'axe de l'optique de focalisation (L). 3 - Récepteur optique selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'élément de phase (EP) est composé de dioptres sphériques. 4 - Récepteur optique selon la revendication 3, caractérisé en ce que, le flux rétroréfléchi étant sensiblement nul, la focale fED de l'élément de phase (EP) vaut approximativement fEDmax avec où, I'axe (z) de l'optique (L) étant orienté dans le sens de propagation des faisceaux incidents, d est la distance algébrique entre le plan focal (PF) et celui de la pupille conjuguée (PS) du récepteur et , est le diamètre de la pupille (PS). 5 - Récepteur optique selon la revendication 3, caractérisé en ce que la valeur absolue de la focale fED de l'élément de phase (EP) est supérieure à celle de fEDmax avec où, I'axe (z) de l'optique (L) étant orienté dans le sens de propagation des faisceaux incidents, d est la distance algébrique entre le plan focal (PF) et celui de la pupille conjuguée (PS) du récepteur et Op est le diamètre de la pupille (PS), de telle sorte que le flux rétroréfléchi soit réduit jusqu'à ladite valeur prédéterminée acceptable dans le contexte d'utilisation du dispositif. 6 - Récepteur optique selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'élément de phase (EP) comporte au moins un dioptre asphérique. 7 - Récepteur optique selon l'une quelconque des revendications 1, 2 ou 6, caractérisé en ce que l'élément de phase (EP) comporte une optique diffractive. 8 - Récepteur optique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de déplacement latéral de l'élément de phase (EP). 9 - Récepteur optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de phase (EP) est un modulateur spatial de lumière contrôlé électriquement. 10 - Récepteur optique selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens de translation selon l'axe (z) de l'optique (L) de l'objet réfléchissant (D) 11 - Récepteur optique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de déflexion du faisceau incident tels que la zone utile du champ dans le plan focal (PF) soit contenue dans une zone extérieure au disque centré sur l'axe de l'optique de focalisation (L) et de rayon h. 12 - Récepteur optique pour un dispositif optronique de guidage de missile selon la revendications 11, caractérisé en ce que les moyens de déflexion sont assurés par un prisme tournant (53), L'objet réflechissant est constitué par une grille modulatrice (54) courbée afin de corriger au moins partiellement l'aberration de courbure introduite par l'élément de phase (EP), et en ce qu'il comporte en outre une optique collectrice (55) permettant de collecter le flux vers des moyens de détection (56).