Brevet FR2910133A1 — publié le 20080620

SYSTEME D'IMAGERIE IR2-IR3 BI-CHAMP COMPACT Le domaine de l'invention est celui des systèmes infrarouges PC (petit champ) GC (grand champ) compacts. On connaît une caméra PC (3 x 2,25 ) et GC (9 x 6.75 ) ouverte à F/2.7, de focale petit champ Fpc égale à environ 180 mm, de focale grand champ Fcc égale à environ 60 mm, équipée d'un détecteur matriciel IR3 (7,5 -10 dam) à multi-puits quantiques. Le comportement photométrique de cette caméra est optimisé pour l'infrarouge thermique. En effet : - le diaphragme d'ouverture est matérialisé par I 'écran froid 3 du détecteur 1 (représentés figure 1) protégé par son hublot 2, - il n'y a pas de vignettage car le seul élément limitant les faisceaux est le diaphragme d'ouverture. Cette caméra est très compacte. En effet : - le trajet L du faisceau le long de l'axe optique entre le dioptre d'entrée et le plan focal (le détecteur 1) est inférieur à Fpc/1.2, - la section du conduit occupé par les faisceaux optiques est inférieure à Fpc/2.5 entre un plan situé à Fpc mm en amont du dioptre d'entrée et le plan focal. Cette compacité est obtenue grâce à : - une pupille d'entrée petit champ située au voisinage de la lentille de tête : cette caractéristique impose la présence d'un PFI (Plan Focal Intermédiaire) dans la combinaison optique, - une pupille d'entrée grand champ réelle c'est-à-dire située en 25 amont de la lentille de tête. La combinaison optique de cette caméra comprend les groupes dioptriques suivants décrits en relation avec la figure 1 : a. un groupe de tête convergent G1 de focale F, avec F 10pm, alors que la plupart des détecteurs IR3 sont sensibles jusqu'à 12pm. Le détecteur QWIP utilisé pour ce système d'imagerie n'est pas 25 sensible pour 2>10pm et autorise donc l'utilisation de CaF2. Le CaF2 présentant une constringence très faible par rapport aux autres matériaux infrarouges, il rend la correction du chromatisme très aisée. Si, par exemple, la puissance d'un triplet de lentilles respectivement en ZnSe, Ge et CaF2 vaut 1, les puissances de ces lentilles valent 30 respectivement environ 1.62, -0.52 et -0.1. Si, par exemple, la puissance d'un triplet de lentilles respectivement en ZnS, (3e et CaF2 vaut 1, les puissances de ces lentilles valent respectivement environ 1.64, -0.4 et -0.24. On comprend ainsi tout l'intérêt de ce triplet par rapport à la solution classique ZnSe(+)/Ge(-)/ZnS(-). 2910133 7 Le chromatisme le plus important est corrigé de la manière suivante qui représente un mode de réalisation de l'invention représenté figure 2. Le groupe de tête G1 comprend 5 lentilles LIA à L1 E. 5 LIA est préférentiellement en Ge, divergente, sphérique. On place une lentille en Ge en tête pour protéger le système d'imagerie des agressions extérieures, qu'elles soient de nature électromagnétique ou climatique. La lentille en ZnSe est dédoublée en L1 B et L1 D ; L1 B est 10 as,phérique pour corriger l'aberration sphérique. LI C est en CaF2. L'ensemble LIA à L1 D est corrigé du chromatisme axial grâce à l'utilisation du triplet ZnSe/Ge/CaF2. LIE est un ménisque en Germanium. Il permet de corriger la 15 courbure de champ, et d'aider à la conjugaison de pupille sur la voie petit champ. La transmission de la lentille en CaF2 vaut 96% en IR2 et 80% en IR3 compte tenu de l'absorption du CaF2 dans cette bande et en supposant que la lentille ne comprend pas de traitement anti-réfléchissant(l'indice de 20 réfraction du CaF2 étant faible, la réflectivité naturelle du matériau est faible, alors qu'un traitement anti-reflet bi-spectral sur ce matériau est réputé peu performant). Le triplet ZnSe(+)/Ge(-)/CaF2(-) (solution 1) a été utilisé. Mais on peut aussi utiliser le triplet ZnS(+)/Ge(-)/CaF2(-) (solution 25 2). Les solutions 1/ et 2/ sont équivalentes. La solution 1/ est préférée à la solution 2/ car la lentille en CaF2 de la solution 1 est moins puissante que la lentille en CaF2 de la solution 2 : donc potentiellement, pour un coût similaire, la FTM de la solution 1 est supérieure à la FTM de la solution 2. 30 Le chromatisme a été corrigé sur le groupe G1 principalement responsable du chromatisme. Cette correction peut être améliorée en corrigeant également le chromatisme des autres groupes G2 et G3. La hauteur du rayon d'ouverture étant relativement petite sur chacune des lentilles L2, L3A et L3B des groupes G2 et G3 par rapport au 35 demi-diamètre de la pupille d'entrée, la contribution de ces lentilles au 2910133 8 chromatisme de la combinaison est intrinsèquement faible. Il suffit donc de réaliser ces composants dans un matériau relativement peu chromatique dans chacune des bandes utiles. Le meillèur candidat est le Germanium. L2, L3A et L3B sont en Germanium. L2 et L3A sont asphériques, 5 L3B est sphérique. Toutefois, pour améliorer la FTM, il est utile de diminuer le chromatisme introduit par L3A. Une correction parfaite avec un triplet n'est pas nécessaire : on peut utiliser un doublet de matériaux. Ces doublets sont calculés à partir des équations suivantes 10 Comme précédemment on note j la puissance du module optique, en l'occurrence L3A, itéB les puissances respectives des 2 composants optiques, v1A et v2A les constringences IR2 et IR3 du composant A, v1 B et v2B les constringences IR2 et IR3 du composant B, Xlest la longueur d'onde de pic de sensibilité de la bande IR2, 2^,2 est la longueur d'onde de pic de sensibilité de la bande IR3. On note v1 et v2 les constringences équivalentes du doublet dans 20 les bandes spectrales IR2 et IR3. Elles sont définies par l'équation suivante : (Pvi=(I)A/viA+q)B/viB avec i=1 ou 2. Les équations qui permettent de calculer les puissances et ^i)B sont les suivantes : 25 (I)=(I)A+(PB 1/X1*(([)A/ v1 A+ (I)B/ v1 B )==1/x, 2*(4AJ v2A+ 4B/ v2B.) Ces équations garantissent que l'écart normal de Chromatisme 30 axial vaudra le même nombre de longueurs d'onde dans chacune des deux bandes spectrales respectives. Les meilleurs doublets candidats pour L3A sont résumés dans le tableau ci-dessous. Ils sont classés par ordre de v1 décroissant en valeur absolue. 15 35 2910133 9 12+OB2 A v1A v2A B v 1 B v213 (PA 4B v1 v2 0.99 1G4 388 676 DOE* -4 -7 0.99 0.009 -25985 13967 0.99 GAS I 395 472 DOE* -4 -7 0.99 0.01 -3198 1719 R1 0.99 GE 240 1900 DOE* -4 -7 0.99 0.01 1418 -762 2.22 ZNS 186 97 ZNSE 322 232 -0.99 1.99 1157 -622 1.08 ZNSE 322 232 CAF2 33 13 1.08 -0.08 1070 -575 1.19 ZNS 186 97 CAF2 33 13 1.18 -0.18 982 -528 1.05 CAF2 33 13 GASIR1 395 472 -0.05 1.05 937 -504 * DOE = élément diffractif (Diffractive Optical Element) 5 Pour la correction du chromatisme de L3A, le meilleur doublet est IG4/DOE. Le doublet Ge/DOE est aussi un bon candidat, grâce à l'indice de réfraction élevé du Germanium. Pour le doublet ZnSe/ ZnS les puissances des lentilles sont 10 importantes. II peut convenir pour un groupe peu ouvert, si on veut éviter des élléments diffractifs. Le système d'imagerie selon l'invention peut être intégré dans une caméra IR, dans des jumelles IR ou dans un autre équipement optronique IR. Il peut être implanté dans un viseur de char, dans un système IR de 15 détection par l'avant ou FLIRs (acronyme de l'expression anglo-saxonne ForwardLooking Infra-Red system ), dans une nacelle ( pod en anglais) installée sur un aéronef. La figure 3 représente une telle implantation dans un viseur de char. Les différents modes de fonctionnement de la caméra (IR2 & IR3, PC & 20 GC) ont été superposés sur la même figure. Le viseur de char 10 comprend un hublot 4 en Germanium, généralement placé en anti-narcisse, ainsi qu'un miroir gyrostabilisé 5. La figure 3 permet de comprendre pourquoi il est intéressant d'assurer la compacité du système d'imagerie en amont de la première lentille du système : cela permet de réduire la taille du hublot 4 et 25 du miroir gyro stabilisé 5. REVENDICATIONS 1. Système d'imagerie bi-champ (PC et GC) comportant un détecteur optronique (1) et une combinaison optique de focale petit champ Fpc présentant sur un axe optique : une lentille de tête, - une pupille d'entrée petit champ située au voisinage de la lentille de tête, - une pupille d'entrée grand champ réelle c'est-à-dire située en amont de la lentille de tête, - un plan focal intermédiaire (PFI), la combinaison optique comprenant sur l'axe optique les groupes dioptriques suivants : -un groupe de tête G1 convergent de focale F, avec F 2. Système d'imagerie selon la revendication précédente, caractérisé en 25 ce que les triplets ZnSe(+)/Ge(-)/CaF2(-) ou ZnS(+)/Ge(-)/CaF2(-) sont utilisés dans le groupe de tête Cl. 3. Système d'imagerie selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le groupe de tête comprend 5 lentilles. 2910133 11 4. Système d'imagerie selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le groupe de tête comprend deux lentilles (LIA, LIE) en Ge, deux lentilles (L1 B, L1 D) en ZnS ou ZnSe, une lentille (L1 C) en CaF2. 5 5. Système d'imagerie selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le groupe G2 comprend une lentille (L2) en Ge. 6. Système d'imagerie selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le relais G3 comprend des lentilles en Ge. 7. Système d'imagerie selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le relais G3 comprend au moins une lentille diffractive (L3A). 15 8. Système d'imagerie selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le relais G3 comprend au moins une lentille mobile (L3A) suivant l'axe optique. 9. Système d'imagerie selon l'une des revendications précédentes, 20 caractérisé en ce que le relais G3 comprend au moins une lentille de microscanning (L3B) permettant de translater l'image sur le détecteur (1). 10. Système d'imagerie selon l'une des revendications précédentes, 25 caractérisé en ce que le détecteur (1) est un détecteur linéaire ou matriciel. 11. Système d'imagerie selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le détecteur (1) est un détecteur matriciel à multi-puits 30 quantiques. 12. Système d'imagerie selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le système d'imagerie le système d'imagerie présentant un écran froid (3), celui-ci forme un diaphragme 35 d'ouverture. 10 2910133 12 13. Système d'imagerie selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le système d'imagerie présentant un diaphragme d'ouverture, seul ce diaphragme limite les faisceaux 5 optiques pour éviter le vignettage. 14. Caméra comportant un système d'imagerie selon l'une des revendications précédentes. 10 15. Jumelles comportant un système d'imagerie selon l'une des revendications 1 à 13. 16. Viseur de char comportant un système d'imagerie selon l'une des revendications 1 à 13.