Brevet FR3087903A1 — publié le 20200501

- 1 - Description Titre : COMPOSANT OPTIQUE A FILTRE Domaine technique [0001] L'invention concerne un composant optique à filtre, notamment pour être 5 utilisé au sein d'un dispositif de détection de tache laser. Technique antérieure [0002] II existe des applications optiques qui consistent à détecter dans un champ de grande ouverture angulaire, une tache produite par un rayonnement d'éclairement dont la longueur d'onde est connue. A cause de l'ouverture 10 angulaire importante, des rayons qui pénètrent dans un dispositif optique de détection utilisé, présentent des inclinaisons très variables par rapport à l'axe optique du dispositif. Or pour maximiser un contraste de la tache à détecter par rapport à un contenu du champ dont le spectre radiatif est plus large ou différent de celui du rayonnement d'éclairement, le dispositif de détection comporte en 15 général un filtre de type interférentiel étroit, dont la bande spectrale de transmission est destinée à contenir la longueur d'onde du rayonnement d'éclairement. Mais de façon connue, la bande spectrale de transmission d'un tel filtre interférentiel, dit étroit du fait de sa bande de transmission typiquement de +/2 nm (nanomètre), et conçue pour filtrer le rayonnement d'éclairement pour une 20 incidence normale, est décalée progressivement par rapport à ses valeurs nominales de longueur d'onde lorsque ce filtre est utilisé pour des rayons de plus en plus obliques. Ce décalage peut devenir important pour des rayons qui possèdent des valeurs absolues d'angle d'incidence sur le filtre qui sont supérieures à 15° (degré). Le filtre peut alors bloquer de tels rayons obliques, 25 même si la longueur d'onde de ces rayons obliques est contenue dans la bande spectrale de transmission du filtre telle que prescrite pour une utilisation en incidence normale. Pour cette raison, l'utilisation d'un filtre interférentiel étroit et plan dans un dispositif de détection optique est incompatible avec une exigence de détection à l'intérieur d'un champ de grande ouverture angulaire. - 2 - [0003] Cette inadaptation du filtre intervient notamment lorsque l'angle d'incidence moyen et la direction moyenne des rayons varient significativement entre des zones différentes du filtre interférentiel. Or une telle situation existe pour un filtre qui est utilisé dans un dispositif de détection optique dont le champ optique d'entrée possède une grande ouverture angulaire. Problème technique [0004] A partir de cette situation, un but de la présente invention consiste à améliorer l'efficacité de sélection spectrale d'un filtre utilisé pour des angles et des directions d'incidence de rayons qui varient entre des zones différentes de ce filtre. [0005] En particulier, l'invention a pour but d'améliorer l'efficacité de sélection spectrale d'un filtre utilisé dans un dispositif de détection optique qui possède un large champ d'entrée. Résumé de l'invention [0006] Pour atteindre ce but ou un autre, un premier aspect de l'invention propose un composant optique transparent pour un rayonnement électromagnétique, qui comprend deux lentilles accolées selon des surfaces de connexion respectives des deux lentilles. Ces surfaces de connexion sont parallèles, courbes et en vis-à-vis au sein du composant. Selon l'invention, le composant comprend en outre un filtre spectral qui remplit l'espace intermédiaire entre les deux surfaces de connexion. Autrement dit, le filtre est disposé entre les deux lentilles sans interstice d'air entre ce filtre et chacune des deux lentilles. [0007] Dans un composant qui est conforme à l'invention, les variations d'angle et de direction d'incidence, par rapport au filtre, de rayons qui traversent le composant sont réduites pour les deux raisons suivantes ; - un effet de milieu réfringent, dû au fait que le filtre soit situé en aval de l'une des deux lentilles, par rapport au sens de propagation du rayonnement ; et l'angle et la direction d'incidence des rayons, qui sont susceptibles de varier dans de larges mesures sur toute l'étendue des surfaces de - 3 - connexion, varient dans des mesures plus faibles à l'intérieur de zones qui sont restreintes localement autour de chaque point des surfaces de connexion. [0008] L'inclinaison locale des surfaces de connexion courbes peut alors être 5 sélectionnée en chaque point de ces surfaces pour réduire l'inclinaison des rayons qui passent par ce point, par rapport à une direction perpendiculaire à ces surfaces au point considéré. De cette façon, l'efficacité de sélection spectrale en transmission, qui est produite par le filtre intégré au composant de l'invention, est améliorée globalement pour un rayonnement dont l'angle et la direction 10 d'incidence sont variables sur l'étendue du filtre. [0009] En particulier, les surfaces de connexion peuvent être telles que le filtre soit sensiblement superposé à une surface d'onde du rayonnement qui traverse le composant, lorsque ce rayonnement possède une structure d'onde plane progressive qui est incidente sur une surface externe de l'une des deux lentilles, 15 dite lentille d'entrée, la surface externe étant opposée au filtre pour la lentille d'entrée. Pour cela, le rayonnement considéré se propage en amont de la lentille d'entrée parallèlement à un axe optique du composant et avec des surfaces d'onde initiales qui sont perpendiculaires à l'axe optique. Plus précisément, le filtre peut être ainsi superposé à la surface d'onde du rayonnement avec un écart de 20 flèche qui est inférieur à 10%, mesuré entre deux bords opposés du composant. [0010] Dans des réalisations préférées de l'invention, l'une des caractéristiques additionnelles suivantes peut être utilisée, seule ou en combinaison de plusieurs d'entre elles : [0011] - le filtre peut comprendre un empilement de plusieurs couches à faces 25 parallèles, de sorte qu'une efficacité de sélection spectrale en transmission du filtre soit produite par au moins un effet d'interférence pour le rayonnement qui traverse ses couches. Autrement dit, le filtre peut être du type multicouche à effet interférentiel ; [0012] - le filtre peut être conçu pour posséder une fenêtre spectrale de 30 transmission dont la longueur d'onde centrale est comprise entre 1062 nm et - 4 - 1066 nm (nanomètre), ou entre 1260 nm et 1675 nm, ou encore entre 800 nm et 900 nm, exprimée en valeurs de longueur d'onde du rayonnement ; et [0013] - les deux lentilles peuvent être adaptées pour que le composant produise un effet global convergent pour du rayonnement qui le traverse. 5 [0014] Par ailleurs, un second aspect de l'invention propose un dispositif de détection d'une tache laser qui est présente dans une scène, le dispositif comprenant un détecteur de rayonnement et un composant optique qui est conforme au premier aspect de l'invention. Le composant est disposé sur un trajet du rayonnement entre la scène et le détecteur, et la bande spectrale de 10 transmission du filtre est destinée à contenir une longueur d'onde d'un faisceau laser d'éclairement qui est utilisé pour produire la tache laser. [0015] Le composant optique peut avantageusement être situé en entrée du dispositif de détection, pour le rayonnement qui arrive sur le détecteur en provenance de la scène. Le composant possède alors la fonction de réduire 15 l'étalement angulaire des rayons qui pénètrent dans le dispositif de détection. [0016] Grâce à un tel composant optique conforme à l'invention, le dispositif de détection peut avoir un demi-angle d'ouverture de champ optique d'entrée qui est supérieur à 10°, préférablement supérieur à 15°, encore plus préférablement supérieur à 18°, tout en conservant une efficacité élevée pour la sélection 20 spectrale qui est produite par le filtre. [0017] De préférence, les surfaces de connexion des deux lentilles du composant peuvent être telles que, en n'importe quel point du filtre le long de ces surfaces de connexion, et pour n'importe quel rayon qui arrive au détecteur en ayant traversé le filtre à ce point, un angle d'incidence du rayon lumineux sur le filtre soit inférieur 25 ou égal à 7,5° en valeur absolue. [0018] Enfin, un dispositif de détection qui est conforme au second aspect de l'invention est particulièrement adapté pour être compris dans une partie optique d'un système autodirecteur de guidage d'engin autopropulsé. Brève description des dessins - 5 - [0019] Les caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement dans la description détaillée ci-après d'exemples de réalisation non-limitatifs, en référence aux figures annexées parmi lesquelles : [0020] - la figure 1 est une vue en perspective d'un composant optique conforme 5 à l'invention ; et [0021] - la figure 2 est une vue en section longitudinale d'un dispositif de détection qui incorpore le composant optique de la figure 1. Description détaillée de l'invention [0022] Pour raison de clarté, les dimensions des éléments qui sont représentés 10 dans ces figures ne correspondent ni à des dimensions réelles, ni à des rapports de dimensions réels. En outre, certains de ces éléments ne sont représentés que symboliquement, et des références identiques qui sont indiquées dans les deux figures désignent des éléments identiques ou qui ont des fonctions identiques. [0023] Conformément à la figure 1, un composant optique 10 comprend deux 15 lentilles accolées 11 et 12. Chacune des lentilles 11 et 12 est constituée d'un matériau qui est transparent dans une bande spectrale de détection effective pour un dispositif (référence 1 dans figure 2) destiné à incorporer le composant 10. Par exemple, lorsque la bande spectrale de détection comprend la valeur de longueur d'onde de 1064 nm, les lentilles 11 et 12 peuvent être en silice (SiO2) fondue. La 20 lentille 11 est comprise entre les surfaces optiques S1E et Sic, et la lentille 12 est comprise entre les surfaces optiques Sec et Ses. Les surfaces SIE et Ses constituent les surfaces optiques externes et opposées du composant 10, la surface SiE pouvant être une surface d'entrée de rayonnement dans le composant 10, et la surface S25 pouvant être une surface de sortie du rayonnement. Les 25 surfaces Sic et 52C sont internes au composant 10, et parallèles l'une à l'autre. A-A désigne l'axe optique du composant 10, qui peut être perpendiculaire à toutes les surfaces optiques en des points centraux de celles-ci. Pour raison d'illustration, le composant 10 est représenté sur la figure 1 avec une section transversale, perpendiculaire à l'axe optique A-A, qui est rectangulaire, mais la forme de cette section peut être quelconque, y compris circulaire. - 6 - [0024] Un filtre spectral 13 est disposé entre les surfaces Slc et 52C des deux lentilles 11 et 12. Les deux lentilles 11 et 12 sont appliquées de part et d'autre contre le filtre 13 par leurs surfaces respectives Sic et Sec, sans interstices d'air intermédiaires. Pour cette raison, les surfaces Sic et Sec ont été appelées 5 surfaces de connexion dans la partie générale de la description. Le filtre 13 peut être du type filtre interférentiel, composé d'un empilement de plusieurs couches à faces parallèles, qui sont constituées de matériaux variables avec des épaisseurs de couches variables. Des constitutions de tels filtres qui sont efficaces pour transmettre sélectivement des rayonnements dont les longueurs d'onde sont 10 comprises entre 1062 nm et 1066 nm, sont connues de l'Homme du métier, si bien qu'il n'est pas nécessaire d'en décrire à nouveau le principe ici. Par exemple, les couches du filtre 13 peuvent être déposées successivement sur la surface optique Sic de la lentille 11, puis la lentille 12 est appliquée par sa surface Sec contre le filtre 13, du côté opposé à la lentille 11. 15 [0025] De façon connue, la bande spectrale de transmission du filtre 13, par exemple de 1062 nm à 1066 nm en valeurs de longueur d'onde, est effective nominalement pour des rayons qui traversent le filtre 13 perpendiculairement aux couches qui le constituent. Cette bande spectrale de transmission est décalée, en général vers de plus grandes valeurs de longueur d'onde, lorsque les rayons ont 20 une incidence non-nulle, notamment supérieure à 15°, par rapport à la direction perpendiculaire au filtre. Alors si le rayonnement à détecter possède une largeur spectrale qui est faible ou très faible, par exemple un rayonnement de tache d'éclairement produite par un laser de pointage Nd :YAG à 1064 nm, ce rayonnement peut ne plus être transmis par le filtre 13 pour des rayons qui sont 25 trop inclinés par rapport à la direction perpendiculaire au filtre. Une perte d'intensité en résulte pour le flux qui parvient au détecteur, et cette perte est susceptible de réduire significativement la sensibilité de détection du dispositif 1 pour la longueur d'onde de 1064 nm. Il serait alors possible, pour réduire cette perte dans l'intensité qui est détectée à la valeur de longueur d'onde de 1064 nm, 30 d'agrandir la bande spectrale de transmission du filtre 13. Mais une réduction de contraste en résulterait pour la visibilité de la tache d'éclairement dans une image saisie à travers le composant optique 10, par rapport à du rayonnement qui - 7 - possède des valeurs de longueur d'onde proche de 1064 nm mais sans liaison avec le laser de pointage Nd :YAG utilisé. [0026] Selon l'invention, les surfaces de connexion Sic et Sec, et donc aussi le filtre 13 qui est intercalé entre elles, sont courbes et inclinées localement de façon 5 à réduire les angles d'incidence des rayons qui traversent le filtre 13, à l'endroit de leur traversée. En particulier lorsque le dispositif 1 possède un champ optique d'entrée qui est large, notamment avec un demi-angle d'ouverture qui est supérieur à 18°, la surface optique d'entrée 51E a pour fonction de réduire les variations d'inclinaison des rayons par rapport à l'axe optique A-A. Ainsi, chaque 10 rayon utile peut ainsi avoir une incidence par rapport aux surfaces Sic et Sac, dans la zone où il traverse ces surfaces, qui est inférieure à 15°. Le filtre 13 est alors efficace pour ce rayon conformément à sa bande spectrale de transmission telle que définie nominalement pour l'incidence normale. La surface optique de sortie Ses a pour fonction de produire la puissance optique voulue pour le composant 10, 15 par exemple une puissance de convergence, en combinaison avec la surface optique d'entrée Si E. [0027] Au premier ordre, pour obtenir un tel effet de réduction d'angle d'incidence des rayons sur le filtre 13, les surfaces Sic et Sec peuvent coïncider avec des surfaces d'onde à l'intérieur du composant 10, d'un faisceau de rayonnement 20 collimaté qui est incident sur la surface optique d'entrée S E parallèlement à l'axe optique A-A. La référence F désigne des rayons d'un tel faisceau qui permet de déterminer une forme des surfaces Sic et Sac, qui est proche d'une forme optimisée en tenant compte de toutes les directions d'incidence des rayons à l'intérieur du champ optique d'entrée. Une telle détermination des surfaces Sic et 25 52C est appropriée notamment lorsque le composant 10 est situé à l'entrée optique d'un dispositif de détection destiné à former des images nettes d'objets qui sont éloignés. [0028] Les références F' et F" désignent respectivement des rayons de deux autres faisceaux, qui sont inclinés dans des sens opposés par rapport aux rayons 30 F. Chaque portion de la pupille du dispositif de détection de la figure 2 est effective pour tout le champ optique d'entrée de ce dispositif. Une forme optimisée des - 8 - surfaces Sic et S2C peut être déterminée en tenant compte de tels rayons F' et F", jusqu'à la valeur du demi-angle d'ouverture du champ optique d'entrée. Lorsque la surface d'entrée S1E possède un diamètre de 20 mm, mesuré perpendiculairement à l'axe optique A-A, et correspond à une pupille d'entrée, et que l'indice de 5 réfraction de la lentille 11 est de 1,5, l'écart de flèche entre la forme de surface optimisée et celle approchée telle que déterminée uniquement à partir des rayons F, est inférieur à 0,1 mm lorsque le demi-angle d'ouverture du champ optique d'entrée est égal à 20° (degré), ou inférieur à 0,05 mm lorsque le demi-angle d'ouverture du champ optique d'entrée est égal à 15°, dans les deux cas pour une 10 flèche nominale de 1,3 mm mesurée entre deux bords opposés du composant 10. [0029] La figure 2 illustre l'utilisation du composant 10 dans un dispositif de détection d'une tache laser qui est présente dans une scène. Le dispositif de détection, désigné par la référence 1, peut constituer la partie optique d'un système autodirecteur de guidage d'engin autopropulsé. De façon connue, un 15 faisceau de pointage laser peut être dirigé sur une cible, et l'engin autopropulsé est guidé automatiquement par son système autodirecteur vers la tache laser. Pour une telle application, il est nécessaire de combiner une sensibilité de détection optique qui est élevée pour la longueur d'onde du laser de pointage, avec un champ optique de détection qui est large. 20 [0030] Pour cela, le composant 10 peut être combiné avec un ensemble optique approprié 3, interne au dispositif 1 et non représenté en détail, afin de former sur un capteur d'image 2, une image de la scène qui est contenue dans le champ optique d'entrée. Dans des réalisations différentes du dispositif 1, le capteur d'image 2 peut être remplacé par un détecteur à quatre quadrants. Le composant 25 10 est situé en amont de l'ensemble optique 3, par rapport au sens de propagation du rayonnement, sans autre composant optique qui modifie la convergence du rayonnement issu de la scène avant que ce rayonnement atteigne le composant 10. Alors, si le filtre 13 possède une transmission qui est nulle en dehors de la bande spectrale 1058 nm - 1070 nm, les images qui sont saisies par le capteur 2 30 ne contiennent que la tache laser, et éventuellement des éléments de scène qui sont aussi situés dans le champ optique d'entrée du composant 10 et qui - 9 - constituent des sources fortuites de rayonnement à des valeurs de longueur d'onde très proches de celle du laser de pointage (1064 nm), telles qu'elles soient comprises dans la bande spectrale de transmission du filtre 13. Ces images présentent un contraste élevé pour la tache laser, permettant au système 5 autodirecteur de fonctionner efficacement quelle que soit la position de la tache laser dans le champ optique d'entrée. [0031] Il est entendu que l'invention peut être reproduite en modifiant des aspects secondaires des modes de réalisation qui ont été décrits en détail ci-dessus, tout en conservant certains au moins des avantages cités. Notamment, un composant 10 optique conforme à l'invention peut être utilisé dans d'autres applications que des parties optiques de systèmes autodirecteurs de guidage pour engins autopropulsés. En outre, toutes les valeurs numériques qui ont été citées ne l'ont été qu'à titre d'illustration, et peuvent être changées en fonction de l'application considérée. 15 -10-