Brevet FR2914071A1 — publié le 20080926

DISPOSITIF D'IMAGERIE A PLUSIEURS DETECTEURS La présente invention concerne un dispositif d'imagerie qui comprend plusieurs détecteurs. De nombreuses applications requièrent un dispositif d'imagerie capable de former et de saisir une image correspondant à un champ d'entrée de rayonnement qui est large. L'observation d'une zone géographique terrestre ou d'un secteur céleste figurent parmi celles-ci. Le champ d'entrée large permet d'obtenir des prises de vues qui couvrent chacune une partie importante de la zone terrestre ou du secteur céleste visé. Un nombre réduit de prises de vues est alors suffisant pour couvrir toute la zone ou tout le secteur. Lorsque le ~o champ d'entrée est assez large pour que la scène observée soit entièrement comprise dans ce champ, une prise de vue unique est suffisante pour couvrir toute la scène. Les difficultés de raccordement entre des prises de vues différentes et les difficultés causées par des pointages successifs du dispositif sont alors évitées. 15 Une façon connue de réaliser un dispositif d'imagerie qui possède un large champ d'entrée et qui présente une résolution suffisante consiste à concevoir l'instrument pour que des parties différentes d'une même image soient formées sur des détecteurs différents lors d'une même prise de vue. Chacun des détecteurs saisit alors une partie de l'image, et l'image complète 20 est reconstituée par juxtaposition des parties d'image qui sont saisies respectivement par les détecteurs. Mais, pour des raisons d'encombrement, il n'est pas possible de disposer plusieurs détecteurs d'une façon accolée, c'est-à-dire bord-à-bord, dans un même plan de formation d'image du dispositif sans perdre une bande 25 de l'image entre les deux détecteurs. En effet, chaque détecteur est constitué d'une matrice bidimensionnelle d'éléments photosensibles, appelés pixels, qui sont juxtaposés selon un pas déterminé à l'intérieur d'un cadre périphérique. Ce cadre contient notamment des connexions électriques qui relient les pixels du détecteur. L'épaisseur du cadre produit alors une rupture dans une ligne de 2914071 -2- pixels qui est à cheval sur deux détecteurs accolés. Typiquement, la bande d'image manquante correspond à deux fois la largeur du cadre. Plusieurs configurations de dispositifs d'imagerie à large champ d'entrée existent déjà, qui produisent des images complètes sans bandes 5 manquantes. Ils consistent essentiellement à dupliquer le plan dans lequel l'image de la scène est formée par le dispositif, et à répartir les détecteurs entre les deux plans de formation d'image selon des agencements qui sont complémentaires. On entend par agencements complémentaires des détecteurs dans plusieurs plans de formation d'image des agencements selon lesquels chaque détecteur saisit une partie de l'image complète, et tels que l'image complète peut être reconstituée en juxtaposant les parties d'image. Ces configurations sont distinguées, notamment, par le système qui est utilisé pour dupliquer le plan dans lequel l'image est formée. Parmi les systèmes qui sont couramment utilisés pour cette fonction, on peut citer ceux à base d'une lame semi-réfléchissante, ceux à base de miroirs qui sont juxtaposés et orientés différemment, ceux à base d'un prisme, ceux à base d'un miroir pivotant, etc. Mais ces systèmes de duplication du plan de formation de l'image sont souvent trop petits lorsque le dispositif d'imagerie possède un large champ d'entrée. Une partie du rayonnement qui est destiné à former l'image est alors coupée par le système de duplication. A l'inverse, ces systèmes de duplication du plan de formation de l'image sont parfois trop encombrants par rapport aux espaces qui sont disponibles entre les éléments du dispositif qui participent à la formation de l'image, c'est-à-dire les miroirs et/ou les lentilles. La construction du dispositif d'imagerie est alors difficile. En outre, pour les systèmes de duplication du plan d'image qui sont à base de miroirs multiples, une fraction du rayonnement qui converge initialement pour former l'une des parties d'image n'est pas dirigé par le système de duplication vers le détecteur qui est dédié à cette partie d'image. Cette fraction de rayonnement parvient alors jusqu'à un détecteur qui est dédié à une autre partie d'image, et réduit le contraste de cette dernière. 2914071 -3- Un but de la présente invention est donc de fournir un système d'imagerie à large champ d'entrée qui permet de former une image complète d'une scène saisie, et qui ne présente pas les inconvénients cités ci-dessus. Pour cela, l'invention propose un dispositif d'imagerie qui est destiné à 5 former une image d'une scène éloignée située à l'intérieur d'un champ d'entrée du dispositif, et qui comprend : - une entrée d'un rayonnement produit par la scène, avec une pupille d'entrée qui limite transversalement un faisceau primaire de ce rayonnement ; 10 - un système diviseur qui est placé dans le faisceau primaire et qui est adapté pour le diviser en plusieurs faisceaux secondaires ; - plusieurs systèmes d'imagerie qui sont disposés pour recevoir respectivement les faisceaux secondaires, et qui sont adaptés pour former, à partir de ceux-ci, des images respectives de parties de la 15 scène ; et - plusieurs détecteurs de parties d'image, dont chacun est associé à l'un des systèmes d'imagerie et est disposé pour saisir l'image d'une partie de la scène qui est formée par ce système d'imagerie. Le système diviseur, les systèmes d'imagerie et les détecteurs sont 20 disposés en outre pour que les parties d'image qui sont saisies par les détecteurs soient complémentaires par rapport à la scène, de sorte qu'une image complète de la scène peut être reconstituée à partir des parties d'image. Le dispositif d'imagerie est caractérisé en ce qu'il comprend en outre un système afocal qui est disposé entre l'entrée du rayonnement et le système 25 diviseur pour transmettre le faisceau primaire de rayonnement, et qui produit une pupille intermédiaire plus petite que la pupille d'entrée du dispositif d'imagerie. Selon une autre caractéristique de l'invention, le système diviseur est placé dans cette pupille intermédiaire. Ainsi, un dispositif selon l'invention comprend plusieurs voies 30 d'imagerie qui sont disposées en aval du système afocal dans le sens de propagation du rayonnement à l'intérieur du dispositif. Chaque système 2914071 -4- d'imagerie forme une partie de l'image complète dans un plan distinct, de sorte que des détecteurs qui saisissent des parties d'image adjacentes entre elles par rapport à la scène visée ne sont pas eux-mêmes accolés. De cette façon, les parties d'image qui sont saisies peuvent être complémentaires par rapport à 5 la scène entière. Dans le cadre de l'invention, on entend par parties d'image complémentaires des portions d'une même image qui permettent de reconstituer l'image complète de la scène sans bandes manquantes entre deux portions d'images qui sont voisines dans l'image complète. Eventuellement, deux portions d'image voisines peuvent présenter un recouvrement, ou un 10 espace de séparation qui est suffisamment étroit pour que la fine bande d'image manquante puisse être restituée, par interpolation par exemple. En effet, une image complète de la scène peut encore être obtenue de cette façon à partir d'une prise de vue unique. Au sens de l'invention, l'expression parties d'image complémentaires 15 qui sont saisies inclut des agencements selon lesquels plusieurs détecteurs sont disposés dans les plans de formation d'image de certaines au moins des différentes voies d'imagerie. Dans ce cas, chaque voie d'imagerie peut fournir une image lacunaire de la scène totale qui est présente dans le champ d'entrée du dispositif, et les parties de l'image complète qui manquent pour l'une des 20 voies d'imagerie sont complétées par les autres voies. Pour une telle configuration du dispositif, une image complète de la scène peut être formée par chaque voie d'imagerie. La couverture de l'image complète par les détecteurs résulte alors de la superposition des images qui sont formées les différentes voies d'imagerie, en indiquant les parties d'image qui sont saisies 25 par les détecteurs de chaque voie d'imagerie. Un premier avantage de l'invention résulte de l'utilisation du système afocal qui produit une pupille intermédiaire de taille inférieure à la pupille d'entrée de l'ensemble du dispositif. Le système diviseur qui est placé dans cette pupille intermédiaire peut alors avoir lui-même une taille inférieure à celle 30 qui serait nécessaire pour un système placé dans la pupille d'entrée du dispositif, sans réduire le faisceau primaire de rayonnement. L'invention permet donc d'utiliser un système diviseur de faisceau qui est plus petit, moins encombrant et de coût inférieur. 2914071 -5- Un second avantage de l'invention résulte de l'utilisation du système afocal pour saisir des scènes éloignées. Des rayons du faisceau primaire qui proviennent d'un même point de la scène sont parallèles à la sortie du système afocal. Lorsque ces rayons sont encore parallèles dans les faisceaux 5 secondaires qui sont produits par le système diviseur, le système d'imagerie de chaque voie d'imagerie peut alors être déplacé parallèlement à la direction du faisceau secondaire correspondant, dans un intervalle de positions qui est plus grand que si ces rayons étaient convergents dans le faisceau secondaire. Ainsi, la position de chaque système d'imagerie peut être ajustée en fonction 10 de caractéristiques intrinsèques à celui-ci, et en fonction de contraintes d'encombrement à l'intérieur de l'ensemble du dispositif. Un troisième avantage résulte du placement du système diviseur dans la pupille intermédiaire qui est produite par le système afocal. De cette façon, les faisceaux secondaires de rayonnement peuvent être bien séparés, 15 notamment dans des directions écartées. Aucun mélange ne se produit donc, entre les fractions de rayonnement qui correspondent à des parties d'image différentes. Le contraste de chaque partie d'image qui est saisie par un détecteur est ainsi augmenté. De façon avantageuse, le système diviseur, les systèmes d'imagerie et 20 les détecteurs peuvent être disposés de sorte que les parties d'image qui sont saisies par les détecteurs forment un découpage bidimensionnel de l'image complète de la scène. L'image entière d'une scène étendue dans deux directions perpendiculaires peut ainsi être saisie en une unique prise de vue. Eventuellement, ce découpage peut être un découpage matriciel, c'est- 25 à-dire que les parties d'image ont des lignes de séparation qui sont parallèles à deux directions perpendiculaires. Une telle configuration permet d'utiliser des détecteurs de parties d'image qui sont rectangulaires ou carrés, et disponibles commercialement. De cette façon, l'image complète de la scène peut être divisée à la fois selon une longueur et selon une largeur de celle-ci, sans 30 bandes d'image manquantes. En particulier, le champ d'entrée d'un dispositif d'imagerie selon l'invention peut posséder une ouverture angulaire qui est supérieure à 5 , et de - 6 préférence supérieure à 10 . Divers modes de réalisation d'un dispositif d'imagerie selon l'invention peuvent en outre utiliser l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes : - le système afocal peut comprendre un télescope afocal ; - le système diviseur peut comprendre au moins un prisme ou au moins deux miroirs juxtaposés. Eventuellement, chacun de ces miroirs peut être un miroir plan ; et - chaque système d'imagerie peut comprendre un télescope. Le système afocal peut être adapté pour former en outre une image ~o intermédiaire de la scène dans un plan qui est situé entre la pupille d'entrée du dispositif et la pupille intermédiaire. Le dispositif peut alors comprendre en outre un diaphragme de champ qui est placé dans ce plan. Dans ce cas, des diaphragmes pupillaires peuvent être ajoutés dans des pupilles des systèmes d'imagerie. De cette façon, de la lumière parasite qui entre dans le dispositif 15 d'imagerie ou qui est produite à l'intérieur de celui-ci, notamment par diffraction, peut être réduite selon le principe de Lyot. L'invention propose aussi un engin d'observation d'une zone géographique, notamment un engin de type aéronef, missile, satellite ou sonde spatiale, qui comprend un dispositif d'imagerie tel que décrit précédemment. 20 D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description ci-après d'un exemple de réalisation non limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 représente un dispositif d'imagerie selon l'invention, installé à bord d'un satellite ; et 25 - la figure 2 est une vue grossie d'une partie du dispositif d'imagerie de la figure 1. Il est entendu que ces figures sont des schémas de principe destinés à faciliter une compréhension de l'invention. Mais les dimensions et les distances qui sont représentées ne correspondent ni à des dimensions, ni à des rapports 30 de dimensions réels. Le dispositif d'imagerie selon l'invention qui est décrit maintenant 2914071 -7comprend un miroir d'entrée 1 (figure 1), qui peut être un miroir plan. Ce miroir 1 limite transversalement un faisceau de rayonnement qui pénètre dans le dispositif. Ce faisceau de rayonnement, dit faisceau primaire, est noté FO sur les figures et provient des éléments d'une scène qui est située dans le champ 5 d'entrée du dispositif. D'une façon connue, les bords du miroir 1 définissent une pupille d'entrée du dispositif, qui peut avoir une forme quelconque, notamment circulaire, rectangulaire ou carrée. Le miroir 1 réfléchit le faisceau primaire FO vers l'entrée d'un système afocal qui est constitué, dans le mode de réalisation décrit, par deux miroirs sphériques référencés respectivement 5 et 6. Conformément au principe des systèmes afocaux, deux rayons parallèles qui arrivent sur le miroir 5 sont encore parallèles après réflexion sur le miroir 6. Pour cela, un foyer image du miroir 5 est confondu avec un foyer objet du miroir 6. Le système afocal forme, dans un plan focal de ce système, une image intermédiaire de la scène située dans le champ d'entrée, lorsque cette scène est éloignée. On entend par scène éloignée un ensemble de sources de rayonnement qui sont situées à une distance suffisamment grande du miroir 1 de sorte que des rayons qui sont issus d'un même point de la scène et qui arrivent sur le miroir 1 sont parallèles ou quasi-parallèles. L'image intermédiaire de la scène qui est formée par le système afocal est référencée 10 sur la figure 2. Un diaphragme 11 peut être placé d'une façon superposée à cette image, pour limiter le champ d'entrée du dispositif d'imagerie. Un tel diaphragme est couramment appelé diaphragme de champ. Il détermine l'ouverture angulaire du champ d'entrée du dispositif d'imagerie. Cette ouverture est notée ci sur la figure 2. Le diaphragme 11 supprime notamment des rayons parasites très obliques qui peuvent entrer dans le dispositif. Le système afocal forme aussi une image du miroir d'entrée 1. Celle-ci est une pupille du dispositif complet d'imagerie, dite pupille intermédiaire. Autrement dit, tout rayon qui provient du champ d'entrée du dispositif et qui traverse la pupille d'entrée formée par le miroir 1 traverse aussi la pupille intermédiaire. La pupille intermédiaire qui est produite par le système afocal peut avoir, par exemple, une dimension qui est au moins deux fois plus petite 2914071 -8- que la dimension correspondante du miroir 1, associée par le système afocal. Autrement dit, le grossissement du système afocal entre le miroir 1 et la pupille intermédiaire est inférieur à un demi. Une façon d'obtenir un tel grossissement, lorsque les miroirs 5 et 6 sont respectivement concave et convexe, est de 5 choisir le miroir 6 avec une distance focale qui est inférieure à la moitié de celle du miroir 5. Un système diviseur de faisceau est alors placé dans cette pupille intermédiaire. Autrement dit, le système diviseur est superposé à l'image du miroir 1 par les deux miroirs 5 et 6. Ce système diviseur est référencé 2 sur les 10 figures. Dans le mode de réalisation qui est décrit, le système diviseur 2 est adapté pour diviser le faisceau primaire FO en quatre faisceaux secondaires, notés F1-F4. Par exemple, le système 2 comprend quatre miroirs plans, référencés 21-24 sur la figure 2, et qui sont juxtaposés. De façon avantageuse, les miroirs 21-24 du système diviseur 2 sont adjacents pour éviter qu'une partie 15 du faisceau primaire FO soit perdue. A partir du système diviseur 2, le dispositif comprend quatre voies d'imagerie indépendantes qui sont respectivement alimentées par l'un des miroirs 21-24 du système diviseur 2. Chaque voie comprend un système d'imagerie 3 et un détecteur 4, de sorte que l'ensemble du dispositif comprend 20 quatre systèmes d'imagerie et quatre détecteurs qui sont respectivement associés à ceux-ci. L'axe optique de chaque système d'imagerie 3 est déterminé en premier lieu par le système diviseur 2, de sorte qu'une configuration adaptée du système 2 permet de disposer les systèmes d'imagerie 3 dans des directions qui sont écartées les unes des autres. Plus 25 précisément, l'axe optique de chaque système d'imagerie 3 est déterminé à partir de la direction qui est conjuguée avec celle du faisceau primaire FO par le système diviseur 2. A partir de cette direction, l'axe optique de chaque système d'imagerie 3 peut être ajusté pour viser, au centre du champ de ce système, une partie déterminée du champ d'entrée total du dispositif afin de former la 30 partie d'image correspondante. Chaque système d'imagerie 3 peut être lui-même un télescope d'un type connu de l'Homme du métier, étant donné que le faisceau secondaire F1- 2914071 -9- F4 qui est transmis par le système diviseur 2 à ce système d'imagerie est un faisceau de rayons parallèles. Par exemple, chaque système 3 peut comprendre une première lentille 31 et une seconde lentille 32 qui sont disposées pour former sur le détecteur 4 correspondant, une image d'une 5 partie de la scène située dans le champ d'entrée. Les quatre systèmes d'imagerie 3 peuvent être identiques, de même que les quatre détecteurs 4. Ces derniers peuvent être constitués de matrices d'éléments photosensibles, par exemple de 500x256 éléments. De cette façon, l'image de la scène présente dans le champ d'entrée peut être saisie par une 10 matrice fictive équivalente à 1000x512 éléments. Eventuellement, un recouvrement peut être prévu entre deux parties d'image adjacentes, correspondant à quelques colonnes d'éléments photosensibles situées au bord des détecteurs. Chaque système 3 forme, sur le détecteur 4 correspondant, une image 15 d'une partie de la scène présente dans le champ d'entrée. Cette partie de scène est déterminée par l'orientation du miroir correspondant 21-24 du système diviseur 2 et par l'axe optique du système d'imagerie 3. Les miroirs 21-24 peuvent avoir des axes optiques respectifs qui sont orientés selon des arrêtes d'une pyramide, de sorte que les parties d'image qui sont formées sur 20 les quatre détecteurs 4 sont sensiblement complémentaires par rapport à la scène du champ d'entrée. De cette façon, les parties d'image qui sont saisies respectivement par les détecteurs 4 forment un découpage de l'image complète de la scène en deux parties selon une longueur de celle-ci, et aussi en deux parties selon une largeur de la même image. 25 Selon un perfectionnement de l'invention, des diaphragmes supplémentaires peuvent être ajoutés dans le dispositif, par exemple au niveau de pupilles de sortie des systèmes d'imagerie 3. De tels diaphragmes supplémentaires, référencés 12 sur la figure 2, sont couramment appelés diaphragmes pupillaires. En combinaison avec le diaphragme de champ 11, ils 30 contribuent à augmenter le contraste de l'image qui est saisie par les détecteurs 4. Un dispositif selon l'invention peut ainsi avoir une ouverture a qui est 2914071 -10- supérieure à 20 C, toute en fournissant une image continue d'une scène qui occupe toute l'ouverture du champ d'entrée. Un tel dispositif d'imagerie peut être facilement installé à bord d'un engin d'observation terrestre ou céleste, tel qu'un satellite, notamment un 5 satellite géostationnaire. La figure 1 représente de façon symbolique un support 100 sur lequel le dispositif est agencé, et qui est solidaire de tuyères 101 du satellite. Il est entendu que le dispositif d'imagerie qui a été décrit en référence aux figures peut être modifié de multiples manières, tout en conservant certains 10 au moins des avantages de l'invention. Notamment, le système afocal qui est formé par les miroirs 5 et 6, ainsi que les systèmes d'imagerie 3, peuvent avoir des constitutions équivalentes optiquement, par rapport à la fonction de chacun de ces systèmes au sein du dispositif. En outre, le nombre de voies d'imagerie peut être supérieur à 4, par exemple égal à 6, 9 ou 12. 15 Enfin, l'invention peut être appliquée à des dispositifs d'imagerie qui sont adaptés pour des intervalles spectraux de rayonnement variables, tels que l'intervalle de lumière visible, des intervalles de rayonnement infrarouge ou encore de rayonnement ultraviolet. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'imagerie destiné à former une image d'une scène éloignée située à l'intérieur d'un champ d'entrée (a) dudit dispositif, et comprenant : - une entrée (1) d'un rayonnement produit par la scène, avec une pupille d'entrée limitant transversalement un faisceau primaire (F0) dudit rayonnement entrant dans le dispositif ; - un système diviseur (2) placé dans le faisceau primaire et adapté pour diviser ledit faisceau primaire en plusieurs faisceaux secondaires (F1- F4) ; - plusieurs systèmes d'imagerie (3) disposés pour recevoir respectivement les faisceaux secondaires, et adaptés pour former, à partir desdits faisceaux secondaires, des images respectives de parties de la scène ; et 15 -plusieurs détecteurs de parties d'image (4), chaque détecteur étant associé à l'un des systèmes d'imagerie et disposé pour saisir l'image d'une partie de la scène formée par ledit système d'imagerie, le système diviseur (2), les systèmes d'imagerie (3) et les détecteurs (4) étant disposés en outre pour que les parties d'image saisies par les détecteurs 20 soient complémentaires par rapport à la scène, de sorte qu'une image complète de la scène peut être reconstituée à partir desdites parties d'image, le dispositif d'imagerie étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre un système afocal (5, 6) disposé entre l'entrée du rayonnement (1) et le système diviseur (2) pour transmettre ledit faisceau primaire de rayonnement (F0), ledit 25 système afocal produisant une pupille intermédiaire plus petite que la pupille d'entrée du dispositif d'imagerie, et en ce que le système diviseur (2) est placé dans ladite pupille intermédiaire. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le système diviseur (2), les systèmes d'imagerie (3) et les détecteurs (4) sont disposés en outre de 2914071 -12- sorte que les parties d'image saisies par les détecteurs forment un découpage bidimensionnel de l'image complète de la scène. 3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel le système diviseur (2), les systèmes d'imagerie (3) et les détecteurs (4) sont disposés en outre de 5 sorte que les parties d'image saisies par les détecteurs forment un découpage matriciel de l'image complète de la scène. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant quatre systèmes d'imagerie (3) et quatre détecteurs (4) associés respectivement aux dits systèmes d'imagerie, dans lequel le système diviseur (2) est adapté pour diviser le faisceau primaire (F0) en quatre faisceaux secondaires (F1-F4), et dans lequel ledit système diviseur, lesdits systèmes d'imagerie et lesdits détecteurs sont disposés en outre de sorte que les parties d'image saisies respectivement par les détecteurs forment un découpage de l'image complète de la scène en deux parties selon une longueur de ladite image complète, et aussi en deux parties selon une largeur de ladite image complète. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le système afocal (5, 6) comprend un télescope afocal. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le système afocal (5, 6) est adapté en outre de sorte que la pupille intermédiaire possède une dimension au moins deux fois plus petite qu'une dimension correspondante de la pupille d'entrée du dispositif, associée par ledit système afocal. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le système diviseur (2) comprend au moins un prisme ou au moins deux miroirs juxtaposés (21-24). 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chaque système d'imagerie (3) comprend un télescope. 2914071 -13- 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le système afocal (5, 6) est adapté pour former en outre une image intermédiaire (10) de la scène, dans un plan situé entre la pupille d'entrée du dispositif et la pupille intermédiaire, et ledit dispositif d'imagerie comprenant en 5 outre un diaphragme de champ (11) placé dans ledit plan. 10. Dispositif selon la revendication 9, comprenant en outre des diaphragmes pupillaires (12) situés dans des pupilles des systèmes d'imagerie (3). 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, 10 dans lequel le champ d'entrée dudit dispositif possède une ouverture angulaire (a) supérieure à 5 , de préférence supérieure à 10 . 12. Engin d'observation d'une zone géographique comprenant un dispositif d'imagerie selon l'une quelconque des revendications précédentes. 13. Engin d'observation selon la revendication 12, de type aéronef, 15 missile, satellite ou sonde spatiale.