Brevet FR3153161A1 — publié le 20250321

Dispositif optronique d’écartométrie (101) comprenant un système optique (102), un capteur optronique (104), et un circuit électronique de pesée (105) relié au capteur optronique. Le capteur optronique comporte au moins quatre photodiodes adjacentes qui fournissent un signal proportionnel à une quantité d’énergie lumineuse d’un faisceau lumineux incident ayant au moins une longueur d’onde d’intérêt à laquelle les photodiodes sont sensibles et qui ont des champs se combinant pour former le champ du capteur optronique. Le système optique comprend un élément optique (106) de phase hélicoïdale. Véhicule et dispositif de pointage pourvu d’un tel dispositif. FIGURE DE L’ABREGE: Fig.2 Dispositif optronique d’écartométrie à phase hélicoïdale. La présente invention concerne le domaine de l’optronique et plus particulièrement de l’écartométrie. ARRIERE PLAN DE L’INVENTION Ce type de dispositif est notamment utilisé pour guider un véhicule en direction d’une tache lumineuse projetée sur un objet par un laser. Il est connu des dispositifs optroniques d’écartométrie comprenant un système optique ayant un axe optique sur lequel est disposé un capteur optronique. Le capteur optronique comporte quatre photodiodes qui fournissent un signal proportionnel à une quantité d’énergie lumineuse reçue et qui ont des champs se combinant pour former le champ du capteur. On distinguera le champ total du capteur qui est le champ optique dans lequel une tache lumineuse peut être détectée par au moins une des photodiodes et le champ linéaire qui est la partie du champ total dans laquelle plusieurs photodiodes observent la tache lumineuse autorisant ainsi une mesure d’écartométrie. Pour faciliter la détection de la tache lumineuse et la mesure d’écartométrie, il est connu d’agencer le système optique pour défocaliser la tache sur le capteur. Le dispositif est associé à un circuit de calcul agencé pour effectuer une mesure d’écartométrie, c’est-à-dire déterminer la position d’une tache lumineuse se trouvant dans le champ linéaire du capteur en calculant un barycentre de la tache lumineuse dans le champ linéaire du capteur à partir des énergies détectées par les photodiodes. En effet : - lorsque la tache lumineuse est au centre du champ du capteur, les quatre photodiodes vont mesurer la même énergie lumineuse de sorte qu’elles fournissent des signaux de même valeur, au bruit de mesure près. Le barycentre calculé se trouve donc lui aussi au centre du champ linéaire ; - si la tache lumineuse est décalée vers une des photodiodes, ladite photodiode fournira un signal plus important que les autres photodiodes et le barycentre calculé de la tache détectée se trouvera déplacé vers ladite photodiode. Après défocalisation de la tache sur le capteur, la répartition du flux dans la tache image est représentative de la répartition du flux incident dans la pupille d’entrée de la voie optique. Or, le flux laser incident dans la pupille est bien souvent non uniforme, compte tenu du bruit de Speckle, ou tavelure, lié à la cohérence laser de la source, à l’état de surface de la cible éclairée, au diamètre de cible éclairé et à la scintillation atmosphérique (variation d’indice de l’atmosphère sur le trajet entre la cible éclairée par le laser et le système optique). Ce manque d’uniformité dégrade la précision de la mesure de pesée d’écartométrie. OBJET DE L’INVENTION Un but de l’invention est de fournir un moyen pour améliorer la mesure d’écartométrie. BREF EXPOSE DE L’INVENTION A cet effet, on prévoit, selon l’invention, un dispositif optronique d’écartométrie comprenant un système optique, un capteur optronique, et un circuit électronique de pesée relié au capteur optronique. Le capteur optronique comporte au moins quatre photodiodes adjacentes qui fournissent un signal proportionnel à une quantité d’énergie lumineuse d’un faisceau lumineux incident ayant au moins une longueur d’onde d’intérêt à laquelle les photodiodes sont sensibles et qui ont des champs se combinant pour former le champ du capteur optronique. Le système optique comprend un élément optique agencé pour engendrer au moins une phase hélicoïdale autour d’un axe optique du système optique. L’élément optique de phase hélicoïdale va conférer au faisceau lumineux qui le traverse au moins un moment angulaire orbital. En sortie de l’élément optique de phase hélicoïdale, le faisceau lumineux présente au moins un front d’onde hélicoïdal centré sur l’axe optique avec un pas égal à la longueur d’onde. La distribution de l’intensité de ce faisceau sur le capteur a une forme annulaire, le faisceau ayant une zone d’intensité nulle le long de l’axe optique. L’élément optique de phase hélicoïdale provoque ainsi une structuration d’un mode gaussien hypergéométrique. L’élément optique de phase hélicoïdale peut être agencé de telle manière que le faisceau présente en sortie de l’élément optique de phase hélicoïdal plusieurs phases hélicoïdales, ou plusieurs fronts d’onde hélicoïdaux : on parle ici de phase multi-hélicoïdale. On rappelle que l’équation de propagation d’une onde s’écrit : Dans laquelle : E 0 est l’amplitude, i est le nombre imaginaire, ω est la pulsation temporelle, t est le temps, k est la pulsation spatiale, z est la position le long de la direction de propagation, ѱ(x, y, z) est la phase en fonction de la position (x, y, z) dans l’espace. L’élément optique de phase hélicoïdale va ajouter une phase ѱ(x, y, z) au front d’onde (on rappelle que cette phase peut être positive ou négative et est définie modulo 2Π c’est-à-dire que ). L’élément optique de phase hélicoïdale crée ainsi un vortex optique qui va former sur le capteur une tache image de forme annulaire (définie par une fonction d’étalement du point) ayant une uniformité relativement insensible à l’uniformité d’éclairement de la pupille d’entrée. Le système optique est donc moins sensible aux variations d’éclairement dues par exemple à la scintillation atmosphérique et à l’effet de Speckle lié à la cohérence du faisceau laser renvoyé par la cible. L’invention concerne également un véhicule, tel qu’un aéronef, pourvu d’un tel dispositif. L’invention concerne également un dispositif de pointage comprenant un bâti, un support orientable monté sur le bâti pour être orientable par rapport au bâti via une motorisation, et un tel dispositif monté sur le support orientable. Un tel dispositif de pointage est par exemple un tourelleau optronique servant à l’observation de l’environnement de la structure sur laquelle il est implanté ou à l’orientation d’un équipement de communication à faible champ porté par le tourelleau. Un tel dispositif peut également être une boule optronique gyrostabilisée. D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation particuliers non limitatifs de l’invention. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES Il sera fait référence aux dessins annexés, parmi lesquels : FIG. 1 la FIG. 1 est une vue schématique partielle d’un véhicule équipé d’un dispositif optronique d’écartométrie selon l’invention ; FIG. 2 la FIG. 2 est une vue schématique en coupe longitudinale de ce dispositif ; FIG. 3 la FIG. 3 est une vue schématique de face d’un agencement de zones réfractives apte à engendrer la phase hélicoïdale ; FIG. 4 la FIG. 4 est une vue schématique partielle, en coupe axiale, d’un élément optique selon une variante de réalisation, qui est pourvu d’une structuration de surface pour engendrer la phase hélicoïdale ; FIG. 5 la FIG. 5 est une vue analogue à la FIG. 2 et illustre une première structure d’un système optique conforme à l’invention ; FIG. 6 la FIG. 6 est une vue analogue à la FIG. 2 et illustre une deuxième structure d’un système optique conforme à l’invention ; FIG. 7 la FIG. 7 est une vue schématique partielle d’un dispositif de pointage équipé d’un dispositif optronique d’écartométrie selon l’invention. DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION En référence à la FIG. 1 , l’invention est ici décrite en application à un véhicule, ici un missile généralement désigné en M, comportant un fuselage F, un moteur E, des surfaces de vol S orientables via des actionneurs A et une unité électronique de guidage généralement désigné en G reliée aux actionneurs A pour orienter les surfaces de vol S et diriger le missile M vers une cible. La structure et le fonctionnement de ces éléments sont connus en eux-mêmes et ne seront pas plus décrits ici. La cible est désignée par un faisceau laser formant une tache sur la cible et l’unité électronique de guidage G est reliée à un dispositif optronique d’écartométrie, généralement désigné en 101, envoyant à l’unité électronique de guidage G des signaux représentatifs d’un écart entre la direction de la tache et la direction dans laquelle pointe le missile M. Le dispositif optronique de guidage 101 est monté dans une partie frontale Ff du fuselage F. L’unité électronique de guidage G est agencée, de manière connue en elle-même, pour orienter les surfaces de vol S pour que la trajectoire du missile M intercepte la cible, par exemple en faisant en sorte de réduire cet écart. En référence également à la FIG. 2 , le dispositif optronique d’écartométrie 101 comprend : un système optique, généralement désigné en 102, ayant un axe optique 103, un capteur optronique 104 disposé sur l’axe optique 103 derrière le système optique 102, et un circuit électronique de pesée 105 relié au capteur optronique 104. Le capteur optronique 104 comprend un détecteur comportant, de façon connue en soi, quatre photodiodes adjacentes qui sont agencées en quadrants et qui sont associées chacune à un groupe optique ayant un champ qui se combine avec celui des groupes optiques des autres photodiodes pour définir le champ du détecteur et donc du capteur optronique 104. Les photodiodes sont ici des monophotodiodes définissant ensemble la surface sensible du capteur optronique 104. Le circuit électronique de pesée 105 comprend une carte électronique comportant de façon connue en elle-même un processeur et une mémoire contenant un programme de fonctionnement du dispositif optronique 101. Les quatre photodiodes fournissent au circuit électronique de pesée 105 un signal proportionnel à une quantité d’énergie lumineuse d’un faisceau lumineux incident ayant au moins une longueur d’onde d’intérêt (par simplification ; il s’agit en fait d’une plage de longueurs d’ondes qui sera de préférence étroite) à laquelle les photodiodes sont sensibles. Le circuit électronique de pesée 105 est agencé pour effectuer une mesure d’écartométrie connue en elle-même à partir des signaux provenant du capteur optronique 104. Le système optique 102 comprend un élément optique 106 à phase hélicoïdale qui est centré sur l’axe optique 103 et qui a deux faces opposées 106.1, 106.2. Plus précisément, l’élément optique 106 comporte une pluralité de zones réfractives 1 agencées (forme et répartition) de telle manière que l’élément optique 106 forme une lame de phase hélicoïdale : les zones réfractives 1 sont ainsi réparties pour avoir des phases croissantes selon un sens de rotation autour de l’axe optique. Les zones réfractives 1 sont obtenues ici en divisant la surface en N1 secteurs angulaires et en N2 anneaux pour obtenir un nombre N=N1*N2 de zones réfractives 1. Dans l’exemple représenté sur la FIG. 3 , la surface comprend 5 secteurs angulaires et 10 anneaux soit 50 zones réfractives 1 en forme de tronçon de couronne, les tronçons de couronne d’un anneau étant décalés angulairement par rapport aux tronçons de couronne des anneaux adjacents. Dans chacun des secteurs, selon l’angle ϑ (défini selon le système de coordonnées cylindriques centré sur l’axe optique), on définit la phase ψ(x, y)= ψ(r, ϑ)= ψ(ϑ) telle que la phase ψ(ϑ) soit par exemple : égale à une constante ; ou proportionnelle à l’angle ; ou conforme à une autre relation à l’angle (par exemple liée à l’angle par le sinus, le cosinus, la tangente, une relation polynomiale, etc.). Dans l’exemple de la FIG. 3 , la phase ψ(ϑ) est proportionnelle à l’angle. Plus précisément, la phase est proportionnelle à l’angle avec un coefficient de proportionnalité établi de façon à ce que, dans chaque tronçon de couronne, on obtienne une différence de 2π entre les 2 extrémités angulaires. L’élément optique 106 correspond ainsi à une carte de phase et comprend ici un hologramme définissant les zones réfractives 1. L’hologramme est ici réalisé de manière connue en elle-même par insolation et gravure d’un champ d’interférence sur un matériau photosensible recouvrant l’élément optique 106. Dans la variante de la FIG. 4 , l’élément optique 106 est une lentille circulaire centrée sur l’axe optique 103, ayant deux faces opposées 106.1, 106.2 de formes telles que l’élément optique 106 forme ici un composant de puissance du système optique 102. La surface 106.1 est ici orientée à l’opposé du capteur optronique 104 et la surface 106.2 est donc orientée vers le capteur optronique 104. La surface 106.1 est pourvue d’une structuration de surface, symbolisée en 107, comportant une pluralité de zones réfractives 1 couvrant la surface 106.1 de l’élément optique 106. La structuration de surface forme une couche ayant une épaisseur de l’ordre de grandeur des longueurs d’onde du rayonnement lumineux d’intérêt voire inférieure à ces longueurs d’onde (on parle alors d’une épaisseur sub-longueur d’onde). La couche présente en coupe par un plan contenant l’axe optique un indice de réfraction variable. Cette variation est par exemple le résultat de la présence de reliefs ayant des dimensions sub-longueur d’onde transversalement à l’axe optique. Ces couches sont appelées META-SURFACES. Dans le cas présent, la structuration de surface 107 forme une couche ayant une épaisseur sub-longueur d’onde d’intérêt (cette épaisseur est inférieure à la plus petite longueur d’onde à laquelle les photodiodes sont sensible) et comporte une pluralité de reliefs sub-longueur d’onde d’intérêt (dont la taille est exagérée sur la FIG. 4 ), c’est-à-dire que les reliefs de la structuration de surface 107 ont une plus grande dimension inférieure à la plus petite longueur d’onde à laquelle les photodiodes sont sensible. Les reliefs de la structuration de surface 107 sont agencés (forme et répartition) pour former les zones réfractives 1 pour engendrer une phase hélicoïdale. Les zones réfractives 1 sont ici réparties pour avoir des phases croissantes selon un sens de rotation autour de l’axe optique. Les zones réfractives 1 sont obtenues ici en divisant la surface en N1 secteurs angulaires et en N2 anneaux pour obtenir un nombre N=N1*N2 de zones réfractives 1. Dans l’exemple représenté, la surface comprend 5 secteurs angulaires et 10 anneaux soit 50 zones réfractives 1 en forme de tronçon de couronne, les tronçons de couronne d’un anneau étant décalés angulairement par rapport au tronçons de couronne des anneaux adjacents. Les reliefs ont par exemple une forme de plot, de pilier, de L ou autre. Le front d’onde à obtenir se définit au moins par des valeurs d’orientation angulaire, de courbure et d’aberration sphérique. Les reliefs sont par exemple agencés pour que la fonction de transfert produise sur le capteur une tache image annulaire dont la forme idéale est dictée par la précision de mesure recherchée sur le champ linéaire et le champ total du capteur. On rappelle que la conception et la fabrication des méta-surfaces pour des applications optiques sont connues en elles-mêmes par exemple des documents suivants : Hui-Hsin Hsiao, Cheng Hung Chu, Ding Ping Tsai, « Fundamentals and Applications of Metasurfaces », Small Methods, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co KGaA, Weinheim, 2017 ; Mohammadreza Khorasaninejad, Zhujun Shi, Alexander Zhu, Wei Ting Chen, Vyshakh Sanjeev, Federico Capasso, « Achromatic Metalens over 60 nm Bandwidth in the Visible and Metalens with Reverse Chromatic Dispersion », Nano Lett. , DOI 10.1021/acs.nanolett.6b05137, 26 Jan 2017 ; Benedikt Groever, Wei Ting Chen, and Federico Capasso, « Meta-lens doublet in the visible », Nano Lett. , Just Accepted Manuscript • DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b01888 • Publication Date (Web): 29 Jun 2017. La structuration de surface 107 est ici recouverte d’une couche 108 qui est en un matériau d’indice différent de l’indice de la structuration de surface 107 et qui a une surface lisse opposée à la structuration de surface 107. La surface lisse est recouverte d’une couche anti-reflet 109. On pourrait imaginer d’autres couches assurant d’autres fonctions. On note qu’un des avantages des méta-surfaces est qu’il n’y a pas d’effet de bord dans une méta-surface comme il pourrait y en avoir entre des microlentilles, alors que cet effet serait très préjudiciable pour une mesure précise d’écartométrie. On a représenté aux figures 5 et 6 deux structures possibles, parmi d’autres, du système optique 102 du dispositif selon l’invention. Dans la première structure, le système optique 102 comprend un ménisque convergent 121 disposé vers l’entrée du système optique 102 et solidaire d’une lentille plan convexe 122 disposée vers le capteur optronique 104. La pupille est représentée par le trait portant la référence 120. Dans la deuxième structure, le système optique 102 comprend une lame 131 disposée vers l’entrée du système optique 102, une lentille plan convexe 132 et un ménisque convergent 133 disposé vers le capteur optronique 104. La pupille est représentée par le trait portant la référence 130. On a indiqué, sur ces deux figures, différentes positions possibles pour l’élément optique 106 qui y est symbolisé en trait mixte double. Ainsi, dans la première structure, l’élément optique 106 peut être : positionné sur la pupille d’entrée 120, agencé dans la lentille plan convexe 122, agencé sur la surface plane de la lentille plan convexe 122. Dans la euxième structure, l’élément optique 106 peut être : agencé sur la surface plane arrière de la lame 131, positionné sur la pupille d’entrée 130, positionné entre la lentille plan convexe 132 et le ménisque convergent 133, positionné entre le ménisque convergent 133 et le capteur 104. Bien entendu, l’invention n’est pas limitée aux modes de réalisation décrits mais englobe toute variante entrant dans le champ de l’invention telle que définie par les revendications. En particulier, le dispositif peut avoir une structure différente de celle décrite. L’élément optique 106 peut être pourvu d’un hologramme, d’une méta-surface ou être un élément optique traditionnel obtenu par moulage et/ou usinage. Les zones réfractives 1 peuvent avoir une forme autre que celle mentionnée, par exemple triangulaire ou annulaire. Le nombre de zones peut être différent de celui mentionné avec dans tous les cas N1≥1 et N2≥2. Par exemple, on peut avoir les nombres de zones suivant : 2 zones (N1=1 et N2=2) ; 4 zones (N1=1 et N2=4) ; 10 zones (N1=1 et N2=10) ; 32 zones (N1=4 et N2=8) ; 80 zones (N1=10 et N2=8) ; La répartition des zones réfractives peut également être différente. Les tronçons de couronne d’un anneau peuvent par exemple être alignés angulairement par rapport aux tronçons de couronne des anneaux adjacents. La phase d’une même zone peut être progressive selon un sens de rotation autour de l’axe optique 103. Dans le cas d’une méta-surface, l’élément optique peut comprendre une couche d’épaisseur sub-longueur d’onde dont les zones sont en des matériaux différents pour présenter des fonctions de transfert différentes. Cette couche peut également comporter des reliefs ou pas. Les reliefs peuvent avoir des dimensions transversales supérieures à la plus petite longueur d’intérêt. L’épaisseur de la couche peut être de l’ordre de grandeur des longueurs d’onde d’intérêt. Le nombre de photodiodes peut être différent de quatre et elles peuvent être agencées différemment. Le dispositif peut par exemple comprendre neuf ou seize photodiodes disposées en matrice, ou sept photodiodes en structure hexagonale ou un nombre différent de photodiodes en secteurs angulaires… Le capteur optronique 104 peut comprendre plusieurs détecteurs ayant des champs qui se cumulent pour définir le champ du capteur optronique. Pour simplifier l’explication, le système optique 102 a été décrit et représenté avec un nombre réduit d’éléments optiques. Il va de soi que le système optique peut comprendre un nombre quelconque d’éléments optiques et que l’élément optique de phase hélicoïdale peut être disposé à n’importe quel endroit dans cette suite d’éléments optiques. Le système optique 102 comporte de préférence au moins un dioptre respectant la relation de Snell-Descartes pour optimiser les propriétés de la tache image en fonction du champ. Le système optique 102 peut être dioptrique (système de lentilles seulement) ou catadioptrique (systèmes de lentilles et de miroirs). Le système optique 102 peut comporter un ou plusieurs composants de puissance et l’élément optique 106 peut être, ou pas, un composant de puissance. L’élément optique 106 est de préférence positionné dans la pupille d’entrée ou au voisinage de celle-ci, mais peut néanmoins être positionné ailleurs. Le circuit électronique de pesée 105 peut être analogique ou numérique. Le dispositif optronique peut équiper tout type de véhicule, et par exemple des véhicules ou drones terrestres, aériens, navals, mais plus généralement tout type de vecteurs. Le dispositif peut également être intégré dans un dispositif de pointage par exemple pour des désignateurs laser ou « Laser Spot Tracker ». Il est également possible de l’intégrer dans un dispositif de pointage pour des équipements de communication à faible champ, notamment ceux utilisant une balise laser collaborative. On a représenté à la FIG. 7 un tel dispositif de pointage un bâti 200, un support orientable 201 monté sur le bâti 200 pour être orientable par rapport au bâti via une motorisation 202, et un dispositif optronique 101 tel que celui décrit plus haut monté sur le support orientable 201. Dispositif optronique d’écartométrie (101) comprenant un système optique (102), un capteur optronique (104), et un circuit électronique de pesée (105) relié au capteur optronique, le capteur optronique comportant au moins quatre photodiodes adjacentes qui fournissent un signal proportionnel à une quantité d’énergie lumineuse d’un faisceau lumineux incident ayant au moins une longueur d’onde d’intérêt à laquelle les photodiodes sont sensibles et qui ont des champs se combinant pour former le champ du capteur optronique, caractérisé en ce que le système optique comprend un élément optique (106) agencé pour engendrer au moins une phase hélicoïdale autour d’un axe optique du système optique. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l’élément optique (106) comprend une pluralité de zones réfractives (1) ayant des phases croissantes selon un sens de rotation autour de l’axe optique du système optique (102). Dispositif selon la revendication 2, dans lequel chaque zone réfractive (1) a une forme en tronçon de couronne, les zones réfractives ayant une dimension circonférentielle croissante depuis un centre de l’élément optique (106) jusqu’à une périphérie de l’élément optique (106). Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l’élément optique (106) est agencé pour définir en fonction d’un angle (ϑ) dans un système de coordonnées cylindriques centré sur l’axe optique, la phase telle que la phase est : égale à une constante ; ou proportionnelle à l’angle ; ou liée par une relation d’un autre type à l’angle. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l’élément optique (106) est disposé dans une pupille d’entrée (120, 130) du système optique (102). Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l’élément optique (106) comprend un hologramme. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l’élément optique (106) est réalisé traditionnellement par moulage et/ou usinage. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l’élément optique (106) comprend une première couche (107) qui a une épaisseur de l’ordre de grandeur de la longueur d’onde d’intérêt ou inférieure à celle-ci et qui comporte une pluralité de zones réfractives (1) couvrant la surface de l’élément optique (106) et agencée pour créer la phase hélicoïdale. Véhicule (M) comportant un fuselage (F) et une unité électronique de guidage (G) reliée à un dispositif (101) selon l’une quelconque des revendications précédentes, le dispositif étant positionné au voisinage d’une partie frontale (Ff) du fuselage. Dispositif de pointage comprenant un bâti (200), un support orientable (201) monté sur le bâti pour être orientable par rapport au bâti via une motorisation (202), et un dispositif (101) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8 monté sur le support orientable.