Brevet FR2785395A1 — publié le 20000505

'DISPOSITIF DE PROTECTION CONTRE LES RAYONNEMENTS INTENSES La présente invention a pour objet un dispositif de protection d'organe sensible, tel que 1'oeil ou un dispositif optronique, contre les rayonnements intenses et notamment contre les impulsions laser dans le visible ou dans l'infrarouge. On a déjà utilisé dans ce but des dispositifs placés sur le trajet du rayonnement, contenant un matériau ayant un comportement non linéaire en fonction de l'éclairement reçu souvent qualifié de solarisable . On peut notamment citer, parmi ces matériaux, l'oxyde de vanadium, divers polymères, des suspensions de particules de carbone dans des solvants. Ces matériaux ont un coefficient de transmission qui diminue brutalement à partir d'un seuil d'éclairement S1 déterminé, du fait du passage d'un état transparent à un état réflectif (cas de V02) ou diffusant. Il existe pour ces matériaux un second seuil S2 au-delà duquel le matériau est détruit. Les organes sensibles sont endommagés de leur côté au-delà d'un éclairement maximum déterminé, qui correspond, dans la pupille d'entrée du système optique d'observation placé en amont de l'organe sensible ou de cet organe lui-mme, à un éclairement maximum Sd. Dans beaucoup de cas, et notamment lorsque le système optique donne un gain en éclairement élevé entre la pupille d'entrée et l'organe sensible, le seuil Sl pour lequel la transmission du matériau diminue est supérieur à Sd. Pour tenir compte de cette situation, un dispositif de protection suivant l'art antérieur comporte un dispositif de transfert d'image permettant de créer un plan focal intermédiaire entre la pupille d'entrée et l'organe et une lame du matériau ayant un comportement non linéaire à proximité de ce plan focal intermédiaire. Un tel dispositif présente un encombrement longitudinal qui est souvent un inconvénient grave. Cet inconvénient est encore accru lorsque l'on monte en cascade, dans le dispositif, plusieurs couches de matériaux absorbants situés dans des plans focaux intermédiaires successifs et échelonnés de façon que leurs plages Sl et S2 correspondent à des bandes d'éclairement dans la pupille d'entrée décroissantes dans le sens de parcours de la lumière. Chaque couche protège celle qui est placée en aval grâce à un recouvrement entre les bandes. Il faut alors multiplier le nombre d'optiques destinées à créer des plans focaux intermédiaires. La présente invention vise notamment à fournir un dispositif de protection peu encombrant dans le sens longitudinal et se prtant bien au montage en cascade de plusieurs éléments de protection à matériau non linéaire correspondant à des plages d'éclairement dans la pupille d'entrée différentes. Dans ce but, l'invention propose notamment un dispositif de protection comprenant au moins une optique de transport d'image ayant au moins un couple de matrices de micro-lentilles de mme longueur focale, ayant des plans focaux confondus et au moins une couche de matériau non linéaire placée entre la première matrice et le plan focal. Un tel dispositif est prévu pour tre placé sur un faisceau parallèle d'entrée et restitue un faisceau parallèle de sortie. Il peut avoir une épaisseur de quelques centimètres seulement. Un matériau ayant des seuils d'éclairement Sl et S2 donnés, placé derrière une matrice, protégera l'organe sensible contre les agressions dues à des éclairements compris entre S1/G et S2/G dans la pupille d'entrée, G étant le grossissement donné par une matrice. Souvent, on constituera les micro-lentilles sous forme de lentilles de Fresnel dont les anneaux concentriques peuvent tre à échelons plutôt que continus, pour faciliter la fabrication. Dans ce cas, un front d'onde d'entrée plan se traduit en sortie par un front d'onde fractionné. Ce problème est écarté par la présence de la seconde matrice. En règle générale, on souhaite former une image après le dispositif. Pour cela, il faut qu'un front d'onde incident plan reste plan après le système optique. Or un grossissement de-1 ne remplit pas cette condition ; seul un grossissement de 1 le permet. Pour cela il suffit de faire suivre un premier couple de matrices d'un second couple présentant une disposition inversée, avec une mme répartition des micro-lentilles. Si on donne au premier couple un grossissement global égal à-g, le second couple aura un grossissement égal à-1/g. Pour faciliter le transport de pupille, lors du couplage des deux couples, on donnera généralement à g une valeur inférieure à 1, par exemple égale à-0, 9 environ. Lorsqu'on dispose ainsi deux couples, on dispose de deux emplacements où placer des couches de matériaux qui peuvent tre différents ; dans ce cas la couche placée en amont est prévue pour protéger celle qui est en aval, ce qui implique que sa bande de protection corresponde à un flux d'entrée plus élevé. Un tel dispositif peut constituer un ensemble autonome destiné à tre placé devant l'oeil ou devant la lentille frontale d'un appareil optique tel qu'une lunette. Les caractéristiques ci-dessus ainsi que d'autres apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels : -la figure 1 est un schéma en coupe montrant une disposition possible des composants d'un dispositif suivant l'invention à deux couples, l'échelle étant dilatée dans le sens de circulation de la lumière pour plus de clarté et seul un fragment correspondant à trois micro-lentilles de chaque matrice étant représenté ; -la figure 2 est un schéma de détail à grande échelle, montrant un fragment d'une des matrices de micro-lentilles, -la figure 3 est un schéma montrant un montage possible d'un dispositif suivant l'invention sur une lunette. Il sera surtout question par la suite de dispositifs destinés à la protection, contre les tirs laser, d'optiques de caméra travaillant dans le visible, ou l'IR proche ou lointain.. La longueur d'onde des lasers peut avoir des valeurs très diverses et la protection doit alors s'étendre jusqu'à l'extrémité de la fentre de transmission de l'instrument. Mais l'invention est également applicable à la protection d'autres organes sensibles pour lesquels les plages de longueur d'onde sont différentes. Le dispositif montré en figure 1 constitue un véhicule de transport de pupille du point de vue de l'optique géométrique. Il comporte deux couples de micro-lentilles placés en série dans une disposition inversée et de mme constitution, si ce n'est que le premier présente un grossissement gl légèrement inférieur à 1 et le second un grossissement g2 tel que glx (l/g2) = 1. Chaque couple peut tre constitué de deux plaques prenant en sandwich une couche de matériau non linéaire, ou plusieurs couches minces séparées par des intercalaires transparents. Les plaques peuvent notamment tre en Ge, Si. Verres de Calgogenure ou d'Hallogenure dans l'IR moyen et lointain, en verre de silice dans le visible, en Zns OU Zn Se pour le visible et-l'IR et avoir une épaisseur de quelques millimètres. Les couches à caractéristique non linéaire peuvent notamment tre en : -VO2 déposé par vaporisation sous vide ou par une technique sol-gel, qui a l'avantage de passer de l'état transparent à l'état réflectif (plutôt qu'absorbant) au-delà d'un seuil d'éclairement Si ; -divers polymères, -des dispersions de particules de carbone ou de polymères dans des solvants, en particulier pour la protection dans le visible, et le proche IR. Plusieurs couches de matériaux peuvent tre prévues, et séparées par des lamelles de Si ou Ge ou de métal déposés par évaporation et servant d'entretoises et de masques et de support. Les faces éloignées des plaques sont gravées pour constituer un réseau de micro-lentilles accolées généralement à pourtour hexagonal, réparties suivant un réseau triangulaire. Ces microlentilles sont à échelons et les échelons ont une profondeur égale à un nombre entier de longueurs d'onde de façon à donner à la micro-lentille un caractère diffractif. Un processus simple de fabrication est la photogravure : un jeu de quatre masques successifs permet de réaliser 16 niveaux différents, ce qui est généralement suffisant. Les aberrations introduites par le défaut de continuité sur la première matrice sont corrigées par la seconde matrice montée symétriquement. L'épaisseur des deux plaques est telle que la couche soit placée dans le plan focal commun des deux matrices ou légèrement en amont. Pour des seuils de protection S1 et de destruction S2, la présence du matériau à un emplacement où le gain optique est Gi protège les éléments placés en aval contre tout éclairement Si dans la pupille d'entrée compris entre Sl/Gi et S2/Gi. Le dispositif peut comporter plusieurs couches successives d'un mme matériau non linéaire (ou de matériaux différents), de façon à avoir des gains optiques Gi différents pour chaque couche. Les gains optiques et/ou les matériaux successifs sont prévus de façon qu'il y ait un recouvrement partiel des bandes successives, correspondant à des plages de protection correspondant à des éclairements décroissant depuis la pupille d'entrée. Chaque couche protège les couches situées en aval contre la destruction. Le dispositif de protection dont un fragment est montré en figure 1 comprend deux optiques de transport d'image 10 et 12 placés en cascade et comportant chacune un couple de matrices de micro-lentilles. Trois micro-lentilles seulement de chaque matrice sont représentées et le trajet des faisceaux lumineux n'est représenté que pour un seul jeu de plusieurs microlentilles situées en alignement. La matrice 16 par exemple est constituée par une plaque en matériau transparent dans la plage de longueur d'onde d'observation, par exemple en germanium ou en silicium dans l'infrarouge. La face avant de la plaque est usinée pour constituer une matrice de micro-lentille diffractive. Cet usinage peut se faire par photogravure en plusieurs étapes successives. Au cours de chaque étape, la surface est recouverte d'une résine photosensible, insolée à travers un masque particulier puis, attaquée. Ce procédé de fabrication donne naissance à une lentille dont la surface n'est pas continue, mais à échelons. Les aberrations qui en résultent sont écartées par le montage dos à dos de deux matrices. Dans une variante de réalisation, la plaque 14 est gravée sur ces deux faces, de façon à constituer un réseau de microlentilles biconvexe la première face étant une lentille diffractive et la seconde une lentille de Fresnel binarisée. Dans ce cas on sera souvent amené à constituer la couche non linéaire par une feuille prise en sandwich entre les deux matrices successives. Pour donner aux micro-lentilles un type diffractif, on donne à la profondeur h (figure 2) une valeur égale à un nombre entier de fois la longueur d'onde. Le gain en éclairement dans chaque couple est égal au rapport entre la surface de chaque micro-lentille et la surface de la tâche image correspondante, déterminée par la diffraction, les aberrations et la défocalisation. Dans le visible par exemple, le gain G est de 106 pour un diamètre de micro-lentilles de 1 mm et une tâche de 1 um. En général, on souhaite former une image en aval du dispositif. Pour cela, il faut qu'un front d'onde plan incident ne soit pas modifié par le système optique. Or un grossissement de-1 donné par le couple 10 ne permet pas de remplir cette condition. Un grossissement de 1 est nécessaire pour y parvenir. Ce résultat est obtenu en cascadant les couples 10 et 12, dont le second est inversé. Si le premier a un grossissement égal à -g, le second a un grossissement égal à-1/g. On utilisera souvent, à titre de matériau non linéaire, V02, qui a l'avantage de passer d'un état transparent à un état réflectif au-delà du seuil Sl. Ce seuil S1 est compris entre 0,2 et 0,7 J/cm2 suivant le dopage et l'épaisseur. S2 est d'environ 2 J/cm2. Pour un diamètre de la pupille d'entrée de 60 mm et une tâche image de 29 um environ, on obtient une protection à partir d'un flux d'entrée de 1, 68.105 J/cm2 environ. On peut également utiliser, à titre de matériau non linéaire, des semi conducteurs : InSb et HgTe, In ba As, ou des polymères. Le faible encombrement du dispositif fait qu'il trouve de nombreuses applications. Un tel dispositif 10 peut tre monté en avant de la lentille frontale d'une lunette, comme indiqué sur la figure 3. Mais il présente un intért tout particulier dans le cas des systèmes optiques à protéger qui n'ont pas de plan focal intermédiaire entre la pupille et l'organe sensible ou dans lesquels un tel plan focal intermédiaire n'est pas accessible. REVENDICATIONS Dispositif de protection d'organe sensible contre les rayonnements intenses, comprenant au moins une optique de transport d'image ayant au moins un couple de matrices de micro-lentilles de mme longueur focale, ayant des plans focaux confondus et au moins une couche de matériau non linéaire placée entre la première matrice et le plan focal. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif comprend deux couples successifs de matrices ayant une disposition symétrique. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le premier couple de matrices ayant un grossissement g inférieur à 1, le second couple a un grossissement 1/g. 4. Dispositif selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que des couches de matériaux de caractéristiques non linéaires différentes sont placées dans les deux couples. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs couples de matrice successifs munis chacun d'une couche de matériau, les gains optiques de la matrice frontale et/ou les matériaux des couples successifs étant tels que la plage de protection offerte par chaque couche, comprise entre le seuil d'opacification et le seuil de destruction, corresponde à une bande d'énergie dans la pupille d'entrée supérieure à la bande correspondante des couples placés en aval et présente un recouvrement avec la plage du couple suivant. 6. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que chaque matrice est constituée par une lame de matériau transparent de micro-lentilles diffractives à pas triangulaire, associée à une couche simple ou multiple du matériau à caractéristique non linéaire. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que la gravure des micro-lentilles a une profondeur correspondant à un multiple entier de la longueur d'onde moyenne des rayonnements à arrter. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les matrices sont en Si, Ge, ZnS, ZnSe, verres de calcogenure ou d'allogenure et les couches en V02.