Brevet FR3030062A1 — publié le 20160617

Filtre optique comportant trois verres colorés et objectif optique et système de visualisation nocturne associés Le domaine de l'invention est celui des filtres optiques ayant une fonction en transmission spécifique. Le domaine d'application privilégié est celui des jumelles de vision nocturne. Un corps de jumelles de vision nocturne comporte classiquement un objectif optique, un intensificateur de lumière et un oculaire. L'objectif optique réalise une image d'une scène extérieure sur la photocathode de l'intensificateur de lumière. Celle-ci émet des électrons proportionnellement aux photons reçus. On amplifie ces électrons au moyen d'une galette de micro-canaux et d'une haute tension. A la sortie de l'amplification, les électrons sont reçus par l'écran phosphorescent de l'intensificateur de lumière qui donne une image amplifiée visible de l'image initiale. Celle-ci est regardée au-travers de l'oculaire. Généralement, la plage spectrale de sensibilité de l'intensificateur de lumière se situe entre 400 nanomètres et 900 nanomètres pour les tubes dits de « Génération Il » et entre 500 nanomètres et 900 nanomètres pour les tubes dits de « Génération III ». Lorsque les jumelles sont utilisées à bord d'un véhicule, il est essentiel que, d'une part les lumières du tableau de bord n'éblouissent pas les jumelles et que, d'autre part, le porteur des jumelles puisse voir correctement ce tableau de bord. Il faut donc filtrer la lumière issue du tableau de bord de façon qu'elle ne parasite pas l'amplification de la lumière issue de l'extérieur. Ce filtrage est réalisé par un traitement optique dit « passe-haut » qui transmet les longueurs d'onde au- dessus d'une longueur d'onde dite de coupure et qui coupe les longueurs d'onde en dessous de cette longueur d'onde. Généralement, cette longueur d'onde de coupure se situe dans la partie rouge du spectre visible, entre 600 et 650 nanomètres selon les applications. Pour certaines applications, il faut laisser un taux de fuite de transmission sur une partie réduite du spectre arrêté par le filtre passe-haut. Cette partie du spectre correspond à la bande d'émission de certains instruments de bord que l'on désire visualiser via la jumelle. Ce pic de transmission résiduel est 3030062 2 habituellement situé entre 500 et 600 nanomètres. L'éclairage résiduel peut aussi être obtenu par un éclairage d'appoint. Pour réaliser cette fonction de filtrage optique, on utilise généralement des filtres optiques dits « multi-couches » réalisés à partir de 5 l'empilement de couches diélectriques d'indice optique et d'épaisseur contrôlés. Les principaux défauts de cette solution technique sont les suivants : - Difficultés techniques de réalisation. En effet, un empilement peut comporter de 60 à 80 couches ; 10 - Coût lié à une telle réalisation ; - Dépendance angulaire de la position de la longueur d'onde de coupure inhérente à ce type de technique ; - Risque de déformation des faces du substrat qui porte le traitement, induite par les stress provoqués par les empilements 15 épais. Ces déformations peuvent entraîner des pertes de qualité optique. - Sensibilité à l'incidence qui entraîne des variations des performances photométriques du filtre optique. Il faut également obtenir une grande profondeur de champ 20 permettant à l'utilisateur de voir net les objets à courte distance aussi bien que ceux situés à grande distance. Les jumelles à intensification de lumière sont généralement très ouvertes pour augmenter la sensibilité, ce qui diminue d'autant la profondeur de champ. Classiquement, pour obtenir de la profondeur de champ, on réduit l'ouverture de l'objectif optique au moyen 25 d'un iris réglable. Cet iris peut être disposé soit à l'intérieur de l'objectif, soit à l'extérieur. Les inconvénients de cette solution sont les suivants - Lorsque l'iris est pleinement ouvert, la capacité de vision à bas niveau de lumière du dispositif de vision nocturne est conservée, mais la profondeur de champ est faible et ne permet pas de 30 visualiser simultanément avec une netteté suffisante des objets éloignés et des objets proches ; - Lorsque l'iris est diaphragmé, la profondeur de champ du dispositif est importante et permet de visualiser simultanément avec une netteté suffisante des objets éloignés et des objets proches, mais la capacité de vision à bas niveau de lumière du dispositif de 3030062 3 visualisation nocturne n'est plus conservée dans la mesure où le flux entrant est considérablement réduit par la diaphragmation provoquée par l'iris. De plus, si l'on diaphragme beaucoup, l'influence de la diffraction entre en jeu et peut limiter la résolution. 5 Pour pallier ces différents inconvénients, le brevet US 4 376 889 intitulé « Low Light Level Vision Apparatus » a proposé de réaliser le filtre spectral, disposé devant ou à l'intérieur de l'objectif, en deux zones, une première zone centrale destinée à assurer une image correcte des objets 10 proches et une zone périphérique destinée à assurer une image correcte des objets lointains. Cette zone périphérique est semblable à un filtre spectral « passe-haut ». La zone centrale peut être une simple ouverture, un second filtre ayant des propriétés spectrales différentes de la zone périphérique ou encore une optique permettant de focaliser parfaitement les objets situés à 15 courte distance. Lorsque le filtre spectral comporte deux zones ayant des caractéristiques spectrales différentes, sa réalisation technique n'est pas simple. L'objet de l'invention est de proposer un filtre spectral comportant 20 également deux zones mais constitué uniquement de différents filtres absorbants. La fonction de filtrage est alors assurée par des matériaux colorés et non plus par des empilements complexes multicouches. Les seuls traitements diélectriques sont des empilements antireflets classiques pour minimiser les pertes de Fresnel aux interfaces air-verres ou verre-verre 25 quand ces deux matériaux sont différents. On réduit ainsi, de façon sensible, les difficultés de réalisation. Plus précisément, l'invention a pour objet un filtre optique pour système de visualisation nocturne comportant une partie périphérique et une partie centrale, le filtre ayant une première épaisseur connue, la partie 30 périphérique ayant une première surface connue, la partie centrale ayant une seconde surface connue, la partie périphérique étant réalisée dans un premier matériau coloré qui transmet les longueurs d'onde optiques situées au-dessus d'une première longueur d'onde et qui absorbe les longueurs d'onde optiques situées en dessous de ladite première longueur d'onde, 3030062 4 caractérisé en ce que la partie centrale est constituée d'une seconde lame et d'une troisième lame, les deux lames étant de forme identique, les deux lames étant collées entre elles par une face commune, la seconde lame ayant une seconde épaisseur et la troisième lame ayant une 5 troisième épaisseur, la seconde lame étant réalisée dans un second matériau coloré qui transmet les longueurs d'onde optiques situées au-dessus d'une seconde longueur d'onde et qui absorbe les longueurs d'onde optiques situées en dessous de ladite seconde longueur d'onde, 10 la troisième lame étant réalisée dans un troisième matériau coloré qui transmet les longueurs d'onde optiques situées au-dessous d'une troisième longueur d'onde et qui absorbe les longueurs d'onde optiques situées au dessus de ladite troisième longueur d'onde, La seconde longueur d'onde est inférieure à la troisième longueur 15 d'onde qui est inférieure à la première longueur d'onde, de telle sorte que l'assemblage de la seconde lame et de la troisième lame constituant la partie centrale du filtre optique transmet uniquement une bande spectrale située entre la seconde longueur d'onde et la troisième longueur d'onde, la transmission dans cette bande spectrale dépendant des propriétés de 20 transmission du second matériau et du troisième matériau et des épaisseurs respectives du second matériau et du troisième matériau. Avantageusement, la transmission et/ou la surface de la partie centrale sont ajustés pour obtenir une transmission selon un taux de fuite déterminé. 25 Avantageusement, la somme des épaisseurs de la seconde et de la troisième lame est égale à l'épaisseur de la première lame. Avantageusement, la partie périphérique est une lame annulaire à faces planes et parallèles, la seconde lame et la troisième lame étant circulaires, à faces planes et parallèles. 30 Avantageusement, la partie centrale a une puissance optique déterminée. Avantageusement, la seconde surface est dimensionnée pour obtenir une profondeur de champ déterminée. Avantageusement, la première longueur d'onde de coupure du 35 premier matériau vaut sensiblement 650 nanomètres, la seconde longueur 3030062 5 d'onde de coupure du second matériau vaut sensiblement 510 nanomètres et la troisième longueur d'onde de coupure du troisième matériau vaut sensiblement 600 nanomètres, le pic de transmission de la bande spectrale étant située autour de 545 nanomètres. 5 Avantageusement, les épaisseurs respectives du second matériau et du troisième matériau sont déterminées de façon que la transmission de la partie centrale au pic de transmission soit environ égale à 30%. Avantageusement, le ratio de la seconde surface sur la surface utile du filtre est de l'ordre de 2 %. 10 L'invention concerne également un objectif optique comportant un tel filtre optique. Avantageusement, le filtre optique est porté par l'un des éléments de puissance optique dudit objectif optique. Enfin, l'invention concerne un système de visualisation nocturne, comportant au moins un tel objectif optique. 15 L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles : La figure 1 représente une vue en coupe d'un exemple de filtre 20 optique à faces planes et parallèles selon l'invention ; La figure 2 représente un gabarit de filtre optique pour système de visualisation nocturne ; La figure 3 représente la transmission optique en fonction de la longueur d'onde de la partie périphérique du filtre optique selon l'invention ; 25 La figure 4 représente la transmission optique en fonction de la longueur d'onde de la partie centrale du filtre optique selon l'invention ; La figure 5 représente la transmission optique en fonction de la longueur d'onde du filtre optique selon l'invention. 30 A titre d'exemple non limitatif, la figure 1 représente une vue en coupe d'un filtre optique à faces planes et parallèles selon l'invention. Ce filtre optique est destiné à être monté soit à l'intérieur d'un objectif optique spécialement adapté pour le recevoir, soit à l'extérieur sur un objectif standard. Un filtre optique à faces planes et parallèles est simple de 35 réalisation. Cependant, pour faciliter la combinaison optique, ce filtre peut 3030062 6 être une lame courbe collée ou non à une lentille de l'objectif. La partie centrale peut également avoir une puissance optique déterminée de façon à permettre, au centre de l'objectif, une focalisation des objets proches avec une profondeur de champ adaptée à ces objets. 5 Sur la figure 1, extérieurement, le filtre optique est une lame à faces planes et parallèles. La lame est un disque circulaire mais d'autres formes sont possibles pour adapter le filtre optique aux contraintes spécifiques de l'objectif dans lequel il est monté. Le filtre optique comporte une partie périphérique 1 et une partie 10 centrale. La partie périphérique est un anneau de diamètre intérieur b, de diamètre extérieur B et d'épaisseur totale el. La partie centrale est un disque de diamètre b constitué de deux lames 2 et 3 à faces planes et parallèles d'épaisseurs respectives e2 et e3. La somme de ces deux épaisseurs est égale à l'épaisseur el de la partie périphérique dans cet exemple. Il est bien 15 entendu possible d'adapter l'épaisseur des deux lames pour obtenir le filtrage spectral souhaité. Ces deux lames sont collées entre elles. Le filtre selon l'invention est plus spécifiquement destiné à être utilisé dans un système de visualisation nocturne. Cela n'exclut pas d'autres applications techniques. Dans ce qui suit, on considère que le filtre est 20 destiné aux applications de visualisation nocturne. Les transmissions de ce type de filtre sont régies par des normes qui définissent des calibres de transmission de filtre. Ainsi, la figure 2 représente une vue simplifiée d'un calibre de transmission de filtre optique pour système de visualisation nocturne selon la norme MIL-STD-3009 25 intitulée « Lighting, Aircraft, Night Vision Imaging System (NVIS) Compatible ». Sur la figure 2, la transmission optique est donnée en unités semi-logarithmiques en fonction de la longueur d'onde exprimée en nanomètres. La transmission du filtre doit se trouver à l'intérieur de la zone grisée de la figure 2, bordée par les spécifications de transmissions minimale 30 et maximale. L'invention peut s'appliquer, bien sûr, à d'autres normes de filtrage. La fonction optique de la partie périphérique du filtre est de filtrer le spectre lumineux situé en dessous d'une certaine longueur d'onde de façon à éliminer l'influence de sources parasites du tableau de bord tout en 35 faisant en sorte que les rayonnements transmis restent dans le domaine 3030062 7 spectral de sensibilité de la photocathode. A cette fin, cette partie périphérique du filtre est réalisée dans un premier matériau coloré qui transmet les longueurs d'onde optiques situées au-dessus d'une première longueur d'onde et qui absorbe les longueurs d'onde optiques situées en 5 dessous de cette première longueur d'onde. Dans le cas d'application de vision nocturne, cette première longueur d'onde est située autour de 650 nanomètres. On peut, par exemple, utiliser des filtres colorés classiques commercialisés par les sociétés Schott, Hoya ou Hebo. Ainsi, le matériau de 10 référence RG645 de la société Schott a, pour la longueur d'onde de coupure de 645 nanomètres et pour une épaisseur de 3 mm, une transmission interne de 50%. Le matériau de référence R650 de la société Hebo dont l'équivalent est le matériau de référence R-66 de la société Hoya a, pour la longueur d'onde de 645 nanomètres et pour une épaisseur de 3 mm, une transmission 15 interne de 50%. La figure 3 représente la transmission optique de la partie périphérique du filtre optique selon l'invention en fonction de la longueur d'onde en nanomètres. Si on note ai(1) le coefficient d'absorption du premier 20 matériau à la longueur d'onde X, la transmission T1(X) de la partie périphérique à la longueur d'onde I vaut : T1(X) = exp(-ai(X).ei) Il est important de noter qu'il n'y a pas de difficultés particulières à trouver des matériaux colorés qui possèdent ce type de transmission 25 optique. La fonction optique de la partie centrale du filtre est de laisser passer une partie de la lumière utile issue des appareils de bord dans une zone de faible diamètre. On assure ainsi la fonction de transmission mais également la fonction de diaphragmation, nécessaire pour obtenir une 30 profondeur de champ importante. A cette fin, cette partie centrale est constituée d'une seconde lame et d'une troisième lame. La seconde lame est réalisée dans un second matériau coloré qui transmet les longueurs d'onde optiques situées au-dessus d'une seconde longueur d'onde et qui absorbe les longueurs d'onde optiques situées en dessous de cette seconde longueur 35 d'onde. La troisième lame peut être un filtre passe bas ou un filtre passe 3030062 8 bande de longueur de coupure haute correspondant à une troisième longueur d'onde. Dans ce dernier cas, la troisième lame est réalisée dans un troisième matériau coloré qui transmet les longueurs d'onde optiques situées au-dessous d'une troisième longueur d'onde et qui absorbe les longueurs 5 d'onde optiques situées au-dessus de cette troisième longueur d'onde. Dans le cas d'applications de vision nocturne, la seconde longueur d'onde de coupure du second matériau vaut sensiblement 510 nanomètres et la troisième longueur d'onde de coupure du troisième matériau vaut 10 sensiblement 600 nanomètres. Là encore, il n'y a pas de difficultés particulières à trouver des matériaux colorés qui sont des filtres passe haut pour le second matériau et des filtres passe bas ou passe bande pour le troisième matériau qui possèdent ce type de transmission optique. On peut, par exemple, sélectionner les matériaux suivants. Le 15 second matériau peut être le matériau de référence 0G530 de la société Schott dont la longueur d'onde de coupure à 50 % de transmission pour une épaisseur de 3 mm est de 530 nanomètres. Le troisième matériau peut être le matériau de référence B11 de la société Hebo ou son équivalent de référence B-460 de la société Hoya. La bande passante à mi-hauteur se 20 situe approximativement entre 350 nanomètres et 550 nanomètres. Dans ces conditions, l'assemblage des deux filtres ne peut transmettre qu'une bande spectrale située entre la seconde longueur d'onde et la troisième longueur d'onde. En jouant sur les épaisseurs e2 et e3, il est possible de moduler la valeur de la transmission dans cette bande spectrale. 25 Plus précisément, si on note a2(X) et a3(X) les coefficients d'absorption du second matériau et du troisième matériau à la longueur d'onde X, les transmissions T2(X) et T3(X) de la seconde lame et de la troisième lame à la longueur d'onde X valent, aux pertes de Fresnel près : T2(X) = exp(-a2(X).e2) et T3(1) = exp(-a3(X).e3) 30 Et la transmission Tc(X) de la partie centrale du filtre en fonction de la longueur d'onde vaut : Tc(X) = exp( - (a2(X).e2 + a3(X).e3)) A titre d'exemple, la figure 4 représente la transmission optique en fonction de la longueur d'onde de la partie centrale du filtre optique selon 3030062 9 l'invention. Le pic de transmission de la bande spectrale est alors situé autour de 545 nanomètres. Au final, la transmission moyenne TF(?) du filtre en fonction de la longueur d'onde vaut, en tenant compte du rapport des surfaces respectives 5 de la partie centrale et de la partie périphérique : TF(X) = (X).(1-b2/B2) pour la partie périphérique du filtre TF(X) = Tc(X).b2/B2 pour la partie centrale du filtre. Ces expressions ne tiennent pas compte des pertes par réflexion 10 aux interfaces air-verre et verre-verre. Ces réflexions peuvent être minimisées par l'emploi de traitements antireflets adéquats et connus de l'homme du métier. La figure 5 représente cette transmission optique moyenne TF(2^.) 15 en fonction de la longueur d'onde exprimée en nanomètres. Dans cet exemple : - Le matériau 1 est constitué par du R650 d'épaisseur 5 mm ; - Le matériau 2 est constitué par de l'OG350 d'épaisseur 2 mm ; - Le matériau 3 est constitué par du B11 d'épaisseur 3 mm ; 20 - Le diamètre b de la zone centrale vaut 3 mm. Dans cet exemple, au pic de transmission situé au voisinage de 545 nanomètres, la valeur de la transmission optique est de l'ordre de 30%. Pour un diamètre de faisceau utile de 22.5 mm au centre du 25 champ, le ratio de la seconde surface de la partie centrale sur la surface utile du filtre est de l'ordre de 2 % et le ratio de la surface de la partie périphérique éclairée sur la surface utile du filtre est de l'ordre de 98 %. Les avantages du filtre selon l'invention par rapport aux filtres 30 diélectriques multicouches sont les suivants : - Facilité de réalisation d'un filtre optique uniquement composé de trois lames collées entre elles ; - Quasi-indépendance du front de coupure aux variations d'incidence sur le filtre optique ; 3030062 10 - Grande facilité d'ajustement des différents paramètres optiques compte-tenu du grand nombre de matériaux colorés absorbants existants et compte-tenu également qu'il est possible de jouer sur les différentes épaisseurs et sur le ratio des surfaces des parties centrale et périphérique ; - Grande qualité optique du filtre obtenu ; - Bien meilleure tenue aux environnements par rapport aux filtres multicouches. REVENDICATIONS1. Filtre optique pour système de visualisation nocturne comportant une partie périphérique (1) et une partie centrale (2, 3), le filtre ayant une première épaisseur (e1) connue, la partie périphérique ayant une première surface (B) connue, la partie centrale ayant une seconde surface (b) connue, la partie périphérique étant réalisée dans un premier matériau coloré qui transmet les longueurs d'onde optiques situées au-dessus d'une première longueur d'onde et qui absorbe les longueurs d'onde optiques situées en dessous de ladite première longueur d'onde, caractérisé en ce que la partie centrale est constituée d'une seconde lame (2) et d'une troisième lame (3), les deux lames étant de forme identique, les deux lames étant collées entre elles par une face commune, la seconde lame ayant une seconde épaisseur (e2) et la troisième lame ayant une troisième épaisseur (e3), la seconde lame (2) étant réalisée dans un second matériau 15 coloré qui transmet les longueurs d'onde optiques situées au-dessus d'une seconde longueur d'onde et qui absorbe les longueurs d'onde optiques situées en dessous de ladite seconde longueur d'onde, la troisième lame (3) étant réalisée dans un troisième matériau coloré qui transmet les longueurs d'onde optiques situées au-dessous d'une 20 troisième longueur d'onde et qui absorbe les longueurs d'onde optiques situées au dessus de ladite troisième longueur d'onde, La seconde longueur d'onde étant inférieure à la troisième longueur d'onde qui est inférieure à la première longueur d'onde, de telle sorte que l'assemblage de la seconde lame et de la troisième lame 25 constituant la partie centrale du filtre optique transmet uniquement une bande spectrale située entre la seconde longueur d'onde et la troisième longueur d'onde, la transmission dans cette bande spectrale dépendant des propriétés de transmission du second matériau et du troisième matériau et des épaisseurs respectives du second matériau et du troisième matériau. 30 3030062 12 2. Filtre optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la transmission et/ou la surface de la partie centrale sont ajustés pour obtenir une transmission selon un taux de fuite déterminé. 5 3. Filtre optique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la somme des épaisseurs de la seconde et de la troisième lame est égale à l'épaisseur de la première lame. 4. Filtre optique selon l'une des revendications précédentes, 10 caractérisé en ce que la partie périphérique est une lame annulaire à faces planes et parallèles, la seconde lame et la troisième lame étant circulaires, à faces planes et parallèles. 5. Filtre optique selon l'une des revendications précédentes, 15 caractérisé en ce que la partie centrale a une puissance optique déterminée. 6. Filtre optique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la seconde surface est dimensionnée pour obtenir une profondeur de champ déterminée. 20 7. Filtre optique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première longueur d'onde de coupure du premier matériau vaut sensiblement 650 nanomètres, la seconde longueur d'onde de coupure du second matériau vaut sensiblement 510 nanomètres et la 25 troisième longueur d'onde de coupure du troisième matériau vaut sensiblement 600 nanomètres, le pic de transmission de la bande spectrale étant située autour de 545 nanomètres. 8. Filtre optique selon la revendication 7, caractérisé en ce que les 30 épaisseurs respectives du second matériau et du troisième matériau sont déterminées de façon que la transmission de la partie centrale au pic de transmission soit environ égale à 30%. 9. Filtre optique selon la revendication 7, caractérisé en ce que le 35 ratio de la seconde surface sur la surface utile du filtre est de l'ordre de 2 %. 3030062 13 10. Objectif optique pour système de visualisation nocturne, caractérisé en ce qu'il comporte un filtre optique selon l'une des revendications précédentes. 5 11. Objectif optique pour système de visualisation nocturne selon la revendication 10, caractérisé en ce que le filtre optique est porté par l'un des éléments de puissance optique dudit objectif optique. 12. Système de visualisation nocturne, caractérisé en ce qu'il 10 comporte au moins un objectif optique selon l'une des revendications 10 ou 11.