Brevet FR2910134A1 — 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 Foc égale à environ 60 mm, équipée d'un détecteur matriciel IR3 (7,5 -10 pm) 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 Selon une autre caractéristique de l'invention, le détecteur est un détecteur matriciel ou linéaire, à multi-puits quantiques. Avantageusement, le système d'imagerie présentant un écran froid, celuici est utilisé comme diaphragme d'ouverture et tout vignettage est évité car seul ce diaphragme limite les faisceaux optiques. 2910134 4 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 déjà décrite représente schématiquement la 5 combinaison optique d'une caméra PC et GC, compacte selon l'état de la technique, la figure 2 représente schématiquement un mode de réalisation d'un système d'imagerie selon l'invention, en mode PC et GC, la figure 3 représente schématiquement un viseur de char 10 cornportant un système d'imagerie selon l'invention. D'une figure à l'autre, les mêmes éléments sont repérés par les mêmes références. On va à présent décrire les fonctions des différents éléments de la 15 combinaison optique du système d'imagerie selon l'invention. Ces éléments sont globalement identiques à ceux de la-caméra décrite en relation avec la figure 1. Le groupe dioptrique de tête G1 image la scène sur un plan focal intermédiaire PFI1. 20 Cette image intermédiaire, virtuelle en petit champ et réelle en grand champ est reprise par le groupe divergent G2 (comprenant préférentiellement une seule lentille L2), qui donne une image sur un second plan image intermédiaire PFI2, réel en petit champ et virtuel en grand champ. La lentille divergente L2 est placée avant les plans images intermédiaires 25 PF11 et PFI2 en petit champ, après les plans image intermédiaires PF11 et PFI2 en grand champ. Les 2 plans PFI1 et PFI2 sont positionnés au même endroit pour les 2 configurations petit champ ou grand champ. La lentille divergente image le premier plan PFI1- sur le deuxième PFI2 avec un grandissement de I(Fpc/Fcc) en petit champ, et de 1N (Fpc/Fcc) en grand 30 champ. Cette fonction permet d'avoir une focale petit champ FPC/FGc fois plus grande que la focale grand champ. Le deuxième plan focal PFI2 est ensuite repris par le groupe relais G3 de grandissement compris entre 1.3 et 1.5 environ. Son plan objet est réel. 2910134 5 Le groupe relais G3 comprend de préférence 2 lentilles L3A et L3B comme représenté figure 2. Le chromatisme interbande n'étant pas corrigé, les plans focaux 5 intermédiaires IR2 et IR3 de l'objectif de tête ne sont pas superposés. Le groupe G2, mobile sur l'axe pour permettre le changement de champ, permet en outre de refocaliser l'image sur le détecteur lorsque l'utilisateur change de bande spectrale. Le mouvement axial du groupe G2 permet en outre d'assurer une 10 refocalisation de l'image lorsque la température interne du système d'imagerie change ou afin d'observer à distance rapprochée. Afin d'affiner la refocalisation en thermique, à distance rapprochée ou lors du changement de bande spectrale, une des lentilles du groupe G3 (préférentiellement la lentille L3A) peut aussi être rendue mobile sur l'axe. 15 L3B est préférentiellement une lentille de microscanning qui permet de translater l'image de la scène sur le détecteur de 1/2 pixel. Cette fonction permet d'augmenter la résolution du système d'imagerie. Cette configuration permet d'obtenir un système d'imagerie PCGC, ; la pupille d'entrée petit champ est située au voisinage de la lentille de 20 tête, et la pupille d'entrée grand champ est réelle c'est-à-dire située en amont de la lentille de tête, ce qui facilite l'implantation du système d'imagerie dans un système périscopique de visée car on élimine ainsi le risque de vignettage des faisceaux GC. Dans cette architecture, les aberrations chromatiques du groupe 25 de tête G1 sont les plus importantes. On rappelle les équations du chromatisme. Soit un module optique, de puissance (1), que l'on souhaite corriger du chromatisme axial dans chacune des 2 bandes spectrales. Ce module comprend 3 lentilles fabriquées chacune dans un matériau différent. On note A, B et C les 3 30 lentilles, et : Ii)A, I:kB, (1)C les puissances respectives des 3 lentilles, v1A et v2A les constringences IR2 et IR3 du matériau A, v1 B et v2B les constringences IR2 et IR3 du matériau B, 35 v1 C et v2C les constringences IR2 et IR3 du matériau C. 2910134 6 Les équations pour la correction paraxiale du chromatisme d'un triplet sont les suivantes: (1)=(J)A+(1)B+4C (1)A/v1A+ (1)I3/v1 B+4C/v1 C=0 (correction du chromatisme IR2) (1)A/v2A+ 4B/v2B+ 4 C/v2C=0 (correction du chromatisme IR3) Ces équations assurent la correction du chromatisme sur la bande 10 IR2, et sur la bande IR3. Par contre il peut subsister du chromatisme inter- bande : les plans focaux intermédiaires IR2 et IR3 de l'objectif de tête ne sont pas superposés. Le triplet de matériaux ZnSe(+)/Ge(-)/ZnS(-) est connu pour assurer une achromatisation dans les bandes IR2 et IR3. Mais l'utilisation de 15 ce triplet conduit à des puissances de lentilles en ZnSe et ZnS qui sont bien plus importantes que la puissance du groupe de tête. On est donc limité à des groupes de tête peu puissants ou peu ouverts ou encombrants. Si par exemple, la puissance d'un triplet de lentilles respectivement en ZnSe, Ge et ZnS vaut 1, les puissances de ces lentilles valent respectivement environ 20 2.7, -0.6 et -1.1. L'ouverture de la lentille en ZnSe est donc 2.7 fois plus importante que l'ouverture du groupe de tête qui est déjà très ouvert. Avec les contraintes de compacité de l'invention on est alors conduit à multiplier le nombre de lentilles ( au moins 7) dans le groupe de tête afin de limiter l'ouverture de chacune d'entre elles à une valeur 25 raisonnable. Ce grand nombre de lentilles augmente significativement le coût de la combinaison. En outre bien que la fonction de transfert de modulation (FTM) obtenue soit suffisante sur le plan théorique, elle est considérablement dégradée dès qu'on prend en compte les tolérances de fabrication et de montage des lentilles. 30 Selon l'invention, une des lentilles de l'objectif de tête est une lentille diffractive et les matériaux utilisés sont Ge et ZnS (ou ZnSe). Le profil blazé de la lentille diffractive (noté Diff sur la figure 2) est optimisé pour avoir simultanément un bon rendement dans l'ordre 1 de diffraction pour la bande IR3, et dans l'ordre 2 pour la bande IR2. Ceci est 35 rendu possible par la position des pics de sensibilité IR3 et IR2: la longueur 2910134 7 d'onde du pic de sensibilité IR3 vaut environ deux fois la longueur d'onde du pic de sensibilité IR2. Le chromatisme le plus important est corrigé de la manière suivante qui représente un mode de réalisation de l'invention représenté 5 figure 2. L'objectif de tête comprend trois lentilles LIA, L1B et L1 C. LIA est une lentille asphéro-diffractive en Germanium. On place une lentille en Germanium en tête pour protéger le système d'imagerie des agressions extérieures, qu'elles soient de nature électromagnétique ou 10 climatique. L1B est en ZnS ou ZnSe. L'ensemble LIA et L1B est corrigé du chromatisme dans chacune des 2 bandes IR2 et IR3. La lentille L1 C est en Germanium de même que les lentilles L2, 15 L3A et L3B. En résumé, 2 solutions sont envisagées pour le groupe GI : 1/ doublet lentille Germanium + lentille ZnS + profil diffractif sur une des 2 lentilles. Pour un groupe convergent , la lentille en Germanium, le profil diffractif et la lentille en ZnS sont convergents. 20 2/ doublet lentille Germanium + lentille ZnSe + profil diffractif sur une des 2 lentilles. Pour un groupe convergent , la lentille en Germanium, le profil diffractif et la lentille en ZnSe sont convergents. Les solutions 1/ et 2/ sont équivalentes en performances, mais la solution 1/ sera préférée pour des raisons de coût car le ZnS est moins cher 25 que le ZnSe. 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 30 chacune des lentilles L2, L3A et L3B des groupes G2 et G3 par rapport au demi-diamètre de la pupille d'entrée, la contribution de ces lentilles au chromatisme de la combinaison est intrinsèquement faible. II suffit donc de réaliser ces composants dans un matériau relativement peu chromatique dans chacune des bandes utiles. Le meilleur candidat est le Germanium. 2910134 8 L2, L3A et L3B sont en Germanium. L2 et L3A sont asphériques, L:3B 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 5 pas nécessaire : on peut utiliser un doublet de matériaux. Ces doublets sont calculés à partir des équations suivantes : Comme précédemment on note si) la puissance du module optique, en l'occurrence L3A, 10 $t^A, 4B 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, Â,1 la longueur d'onde de pic de sensibilité de la bande IR2, 2.2 la longueur d'onde de pic de sensibilité de la bande IR3. 15 On note v1 et v2 les constringences équivalentes du doublet dans les bandes spectrales IR2 et IR3. Elles sont définies par l'équation suivante : 4/vi=4A/viA+O/viB avec i=1 ou 2. 20 Les équations qui permettent de calculer les puissances 4A et ,1:^B sont les suivantes : =(1)A+Ii)B 1 /X 1 * (e/ v 1 A+ 4)B/ v l B )=-1 /X2 * ((PA/ v2A+ ~ B/ v2B.) 25 Ces équations garantissent que l'écart normal de chromatisme 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 30 tableau ci-dessous. Ils sont classés par Ordre de v1 décroissant en valeur absolue. 2910134 9 +OB2 A v 1 A v2A B v 1 B v2B ~B v1 v2 0.99 1G4 388 676 DOE* -4 -7 0.99 0.009 -25985 13967 0.99 GASIR1 395 472 DOE* -4 -7 0.99 0.01 -3198 1719 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 GASIRI 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 ( indiqué sur la figure 2) 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. Il peut convenir pour un groupe peu ouvert, si on veut éviter des éléments 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 viseùr de char, dans un système de 15 détection par l'avant aux rayons infrarouges ou FLIRs (acronyme de l'expression anglo-saxonne Forward-Looking 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 gyrostabilisé 5. REVENDICATIONS 1. Système d'imagerie bi-champ (PC et GC) comportant un détecteur optronique (1) et une combinaison optique de focales petit champ Fp , grand champ Foc 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 ce que les matériaux sont Ge/ZnS ou Ge/ZnSe. 3. Système d'imagerie selon la revendication précédente, caractérisé en 30 ce que les triplets Ge(+)/élément diffractif(+)/ZnS(+) ou Ge(+)/élément diffractif(+)/ZnSe(+) sont utilisés dans le groupe de tête G1. 10 15 20 25 2910134 11 4. Système d'imagerie selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le groupe de tête G1 comprend une lentille (LIA) convergente diffractive en Ge, une lentille (L1 B) convergente en ZnS ou ZnSe et une lentille divergente (L1 C) en Ge. 5. Système d'imagerie selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le profil diffractif de la lentille convergente diffractive en Ge (LIA) est convergent et optimisé pour l'ordre 1 de diffraction en IR3, et pour l'ordre 2 de diffraction en IR2. 6. Système d'imagerie selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le groupe G2 comprend une lentille (L2) divergente en Ge. 15 7. Système d'imagerie selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le relais G3 comprend deux lentilles convergentes en Ge. 8. Système d'imagerie selon l'une des revendications précédentes, 20 caractérisé en ce que le relais G3 comprend au moins une lentille diffractive (L3A). 9. Système d'imagerie selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le profil diffractif de la lentille diffractive (L3A) du groupe G3 est 25 convergent et optimisé pour l'ordre 1 de diffraction en IR3, et pour l'ordre 2 de diffraction en IR2. 10. Système d'imagerie selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le relais G3 comprend au moins une lentille 30 mobile (L3A) suivant l'axe optique. 11. Système d'imagerie selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le relais G3 comprend au moins une lentille de microscanning (L3B) permettant de translater l'image sur le détecteur 35 (1). 5 5 2910134 12 12. Système d'imagerie selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le détecteur (1) est un détecteur linéaire ou matriciel. 13. Système d'imagerie selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le détecteur (1) est un détecteur matriciel à multi-puits quantiques. 10 14. 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 d'ouverture. 15. 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 optiques pour éviter le vignettage. 16. Caméra comportant un système d'imagerie selon l'une des revendications précédentes. 17. Jumelles comportant un système d'imagerie selon l'une des revendications 1 à 15. 18. Viseur de char comportant un système d'imagerie selon l'une des revendications 1 à 15.25