Brevet FR2903502A1 — publié le 20080111

La présente invention a pour objet un système optique d'observation, en particulier d'une observation dans le domaine de l'infrarouge. Le système optique est notamment agencé en télescope permettant une observation tactique, à moyenne distance comprise par exemple entre 1 et 50 km. Les besoins d'observations terrestres nocturnes ou en atmosphère perturbée, par exemple en présence de brouillard, tant pour des applications civiles que militaires ont conduit au développement de moyens d'observation actifs basés sur un projecteur laser de longue portée, par exemple de plusieurs kilomètres. Les moyens d'observation comportent, outre le projecteur laser émettant à une longueur d'onde adaptée à la pénétration du milieu d'observation, notamment sous la forme d'un faisceau monochromatique infrarouge, un récepteur agencé pour observer une cible illuminée par le projecteur et fournir des données utiles à l'observateur. Des relais optiques correcteurs d'aberrations pour des systèmes optiques, en particulier des télescopes, sont déjà connus, par exemple de la demande internationale WO 01/67153 du présent déposant. L'invention vise notamment à permettre une observation performante en lumière monochromatique, en particulier infrarouge. L'invention a ainsi pour objet un système optique d'observation présentant un axe optique et comportant sur cet axe optique : - un ensemble collecteur optique, comportant notamment des miroirs primaire et secondaire, agencé pour former une image intermédiaire, - un relais optique agencé pour corriger les aberrations de cette image intermédiaire pour obtenir une image finale monochromatique corrigée, le relais comportant : • des blocs optiques convergents avant et arrière, • au moins une lentille divergente entre les blocs optiques avant et arrière, le relais optique étant disposé par rapport à l'ensemble collecteur optique de manière à ce que la lumière monochromatique collectée par cet ensemble traverse le relais optique. Le relais optique est disposé par rapport à l'ensemble collecteur optique de manière à ce que le bloc optique convergent avant du relais transforme un faisceau provenant d'un point image de l'ensemble collecteur en un faisceau parallèle. 2903502 2 Le système optique selon l'invention permet d'obtenir une image finale corrigée de manière très satisfaisante en ce qui concerne les aberrations de type géométrique telles que l'aberration sphérique, la coma ou l'astigmatisme. L'invention permet en outre d'obtenir une image présentant une très bonne 5 résolution dans un champ sensiblement plan, par exemple adapté à une surface réceptrice plane formée en particulier par une matrice CCD d'une caméra infrarouge. Le système optique selon l'invention étant utilisé en lumière monochromatique, les différents réglages du relais optique peuvent être simplifiés, en l'absence d'aberrations chromatiques. 10 L'invention permet avantageusement de réaliser le système optique avec un encombrement relativement faible. Le système optique est notamment adapté pour une observation tactique active dans le domaine militaire. Dans un exemple de mise en oeuvre de l'invention, l'un au moins des blocs 15 optiques avant et arrière, notamment les deux blocs optiques du relais, comportent chacun au moins deux lentilles, notamment sphériques. En variante, l'un au moins des blocs optiques avant et arrière, notamment les deux blocs, comportent chacun une unique lentille, éventuellement asphérique. L'ensemble collecteur optique peut comporter un miroir primaire sphérique et 20 un miroir secondaire sphérique ou un miroir secondaire de type Mangin, plan-sphérique avec une face arrière réfléchissante. En variante, le système optique peut comporter un filtre, par exemple un filtre passe-bande étroit, agencé pour ne laisser passer qu'un faisceau sensiblement monochromatique formant une image à observer dans le système optique. Un tel système 25 peut permettre une observation passive, en lumière naturelle. Dans le cas d'une observation active, par exemple à l'aide d'un laser, un tel filtre permet d'éviter le brouillage, par des sources lumineuses parasites, du signal reçu. Dans un exemple de mise en oeuvre de l'invention, le système comporte une caméra, notamment de type CCD, agencée pour recueillir une image formée par le relais 30 optique. Tout autre dispositif d'acquisition d'une image peut être utilisé. 2903502 3 L'invention a encore pour objet un procédé pour corriger les aberrations de l'image d'une cible éclairée par un faisceau lumineux monochromatique, notamment un faisceau infrarouge, dans un système optique d'observation, le procédé comportant les étapes suivantes : 5 - disposer dans le système optique un relais optique comportant : • des blocs optiques convergents avant et arrière, • au moins une lentille divergente entre les blocs optiques avant et arrière, le relais optique étant disposé par rapport à l'ensemble collecteur optique du système 10 optique de manière à ce que la lumière monochromatique collectée par cet ensemble traverse le relais optique, - corriger, notamment en sélectionnant les propriétés optiques d'éléments optiques du relais et/ou leur disposition relative au sein du relais, les aberrations sphériques de l'image à l'aide d'une optimisation sur l'axe optique, 15 - corriger, notamment en sélectionnant les propriétés optiques d'éléments optiques du relais et/ou leur disposition relative au sein du relais, la coma et/ou l'astigmatisme de l'image à l'aide d'une optimisation hors axe optique. De préférence, le procédé comporte également l'étape suivante : sélectionner les propriétés optiques d'éléments optiques du relais et/ou 20 leur disposition relative au sein du relais, afin d'obtenir à la sortie du relais une image dans un champ sensiblement plan. L'invention peut être utilisée dans un domaine militaire, permettant des observations tactiques, par exemple jusqu'à plusieurs kilomètres, en condition nocturne ou en atmosphère perturbée, par exemple en présence de brouillard. 25 L'invention peut, bien entendu, être utilisée dans un domaine civil, en particulier pour la surveillance des côtes, par exemple pour repérer un dégazage d'un navire. La présente invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'un exemple de mise en oeuvre non limitatif de l'invention, et à 30 l'examen du dessin annexé, sur lequel : - la figure 1 représente, schématiquement et partiellement, un dispositif d'observation, et 2903502 4 - la figure 2 représente, schématiquement et partiellement, un système optique conforme à l'invention, équipant le dispositif de la figure 1. Le dispositif 1 représenté à la figure 1 comporte un projecteur 2 agencé pour émettre un faisceau monochromatique 3. Le projecteur 2 est de type laser émettant un 5 faisceau infrarouge de longueur d'onde supérieure à 1 m, pour des raisons de sécurité oculaire dans la zone éclairée. Le projecteur 2 est orienté en direction d'une cible 4 à observer pouvant être située à une distance allant jusqu'à plusieurs kilomètres du dispositif 1. Ce dispositif 1 comprend en outre un système optique 5 permettant d'observer 10 une image de la cible 4. On a représenté très schématiquement sur la figure 2 différents éléments optiques du système optique 5, disposés sur un axe optique X de ce système. Parmi ces éléments, figure un ensemble collecteur optique 6 comportant un miroir primaire 7 et un miroir secondaire 8, qui forme une image intermédiaire I. 15 Le miroir primaire 7 est, dans l'exemple considéré, un miroir sphérique et le miroir secondaire 8 de type Mangin plan-sphérique avec une face arrière réfléchissante. Le système optique 5 comporte en outre un relais optique 10 comprenant des blocs optiques convergents avant 11 et arrière 12 et une lentille divergente 13 entre ces blocs optiques avant 11 et arrière 12. 20 Le relais optique 10 est agencé pour corriger les aberrations géométriques de l'image intermédiaire I. Le relais optique 10 est disposé par rapport à l'ensemble collecteur 6 de manière à ce que le bloc optique avant 11 transforme un faisceau provenant de l'image I en un faisceau parallèle. 25 Le bloc optique avant 11 comporte deux lentilles sphériques 14 et 15 et le bloc optique arrière 12 deux lentilles 16 et 17 également sphériques. En variante, dans un exemple de mise en oeuvre non illustré, l'un au moins des blocs optiques 11 et 12 comporte une lentille unique, par exemple une lentille asphérique. Le relais optique 10 présente un plan image P dans lequel peut être disposée 30 une caméra infrarouge, par exemple de type CCD, agencée pour recueillir l'image formée derrière le relais optique 10. 2903502 5 L'énergie lumineuse reçue par le système optique 5 pouvant être très faible, le système 5 présente avantageusement un diamètre relativement important afin de capter une quantité de lumière suffisante, et une distance focale relativement faible afin de mieux concentrer l'énergie lumineuse sur le plan image P. 5 Les différents paramètres du système 5 peuvent être ajustés grâce à un réglage interactif en lumière monochromatique, réalisé à l'aide d'un logiciel de simulation optique classique ; le faisceau parallèle obtenu à la sortie du bloc avant 11 du relais permet de rendre indépendantes les corrections axiales et hors d'axe, ce qui permet d'opérer les ajustements successivement en deux étapes, en se guidant sur les formes de caustiques : 10 - corriger, notamment en sélectionnant les propriétés optiques d'éléments optiques du relais et/ou leur disposition relative au sein du relais, les aberrations sphériques de l'image à l'aide d'une optimisation sur l'axe optique, -corriger, notamment en sélectionnant les propriétés optiques d'éléments optiques du relais et/ou leur disposition relative au sein du relais, la coma et/ou 15 l'astigmatisme de l'image à l'aide d'une optimisation hors axe optique. Les propriétés optiques des éléments optiques du système 5 et/ou leur disposition relative au sein du relais 10 sont sélectionnées afin d'obtenir à la sortie du relais 10 une image ayant une bonne résolution dans un champ sensiblement plan. Un exemple de formule optique relative au système 5 est présenté dans le 20 tableau 1. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'exemple de mise en oeuvre qui vient d'être décrit. REVENDICATIONS 1. Système optique d'observation (5) présentant un axe optique (X) et comportant sur cet axe optique : - un ensemble collecteur optique (6), comportant notamment des miroirs primaire (7) et secondaire (8), agencé pour former une image intermédiaire, - un relais optique (10) agencé pour corriger les aberrations de l'image intermédiaire pour obtenir une image finale monochromatique corrigée, le relais comportant : • des blocs optiques convergents avant (11) et arrière (12), • au moins une lentille divergente (13) entre les blocs optiques avant et arrière, le relais optique (10) étant disposé par rapport à l'ensemble collecteur optique (6) de manière que la lumière monochromatique collectée par cet ensemble traverse le relais optique, et que le bloc optique avant (11) du relais transforme un faisceau provenant d'un point image (I) de l'ensemble collecteur en un faisceau parallèle. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'un au moins des blocs optiques avant (11) et arrière (12), notamment les deux blocs, comportent chacun au moins deux lentilles (14, 15 ; 16, 17), notamment sphériques. 3. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'ensemble collecteur optique (6) comporte un miroir primaire (7) sphérique. 4. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'ensemble collecteur optique (6) comporte un miroir secondaire de type Mangin. 5. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, 25 caractérisé par le fait qu'il comporte une caméra, notamment de type CCD, agencée pour recueillir l'image formée par le relais optique. 6. Procédé pour corriger les aberrations de l'image d'une cible éclairée par un faisceau lumineux monochromatique, notamment un faisceau infrarouge, dans un système optique d'observation (5), le procédé comportant les étapes suivantes : 30 - disposer dans le système optique un relais optique (10) comportant : • des blocs optiques convergents avant (11) et arrière (12), 2903502 7 • au moins une lentille divergente (13) entre les blocs optiques avant et arrière, le relais optique étant disposé par rapport à un ensemble collecteur optique (6) du système optique de manière à ce que la lumière monochromatique collectée par cet ensemble 5 traverse le relais optique, - corriger, notamment en sélectionnant les propriétés optiques d'éléments optiques du relais (10) et/ou leur disposition relative au sein du relais, les aberrations sphériques de l'image à l'aide d'une optimisation sur l'axe optique (X), -corriger, notamment en sélectionnant les propriétés optiques d'éléments 10 optiques du relais (10) et/ou leur disposition relative au sein du relais, la coma et/ou l'astigmatisme de l'image à l'aide d'une optimisation hors axe optique (X). 7. Procédé selon la revendication 6, comportant l'étape suivante : -sélectionner les propriétés optiques d'éléments optiques du relais (10) et/ou leur disposition relative au sein du relais, afin d'obtenir à la sortie du relais une image 15 dans un champ sensiblement plan.