Brevet FR3161482A1 — publié le 20251024

Dispositif optronique de détection (1), comprenant : un capteur optronique (3) comportant une matrice d’éléments photosensibles (E) ; une matrice de filtrage (4) comportant au moins des premiers filtres (B1) transparents à une première plage de longueurs d’onde et des deuxièmes filtres (B2) transparents à une deuxième plage de longueurs d’onde, les premiers filtres (B1) et les deuxièmes filtres (B2) étant répartis selon un motif régulier chacun en regard d’un des éléments photosensibles (E) ; un système optique (5) s’étendant en avant de la matrice de filtrage (4). Le système optique (5) comprend au moins un réseau de diffraction (6) agencé pour que tout rayonnement incident provenant d’une source ponctuelle externe frappe un des premiers filtres (B1) et un des deuxièmes filtres (B2). Véhicule comportant un tel dispositif. FIGURE DE L’ABREGE : Fig. 1 Dispositif optronique de détection à diffraction et véhicule équipé d’un tel dispositif optronique La présente invention concerne le domaine de la détection de phénomènes optiques et plus particulièrement un dispositif optronique de détection utilisable par exemple pour l’autoprotection des véhicules militaires et le guidage des missiles. ARRIERE PLAN DE L’INVENTION Un dispositif optronique de détection comprend généralement un capteur optronique et un système optique disposé en avant du capteur optronique. Le capteur optronique comprend une matrice d’éléments photosensibles couramment appelés pixels (de l’anglais picture elements ) délivrant un signal proportionnel à l’énergie transmise par le rayonnement lumineux qui les frappent. La détection de menaces pour l’autoprotection de véhicules militaires repose sur la détection de menaces, telles que les missiles, à partir de phénomènes optiques liés par exemple à l’éjection des gaz par la tuyère du missile. On comprend que pour augmenter les chances de survie du véhicule et pouvoir déclencher des contremesures, il faut détecter le missile au plus tôt, c’est-à-dire alors même que le missile est très éloigné. Ceci suppose donc de pouvoir détecter dans le paysage un phénomène optique très localisé et de le distinguer de phénomènes optiques naturels comme le soleil ou une flaque solaire. Le principe est grossièrement le même pour le guidage des missiles vers une cible. La détection précoce des menaces/cibles dépend directement du rapport signal/bruit ou RSB fourni par le capteur optronique (plus le signal a une intensité supérieure à celle du bruit, plus il est facile à détecter). La classification des phénomènes détectés (phénomènes naturels vs menaces/cibles) est effectuée en fonction d’un rapport bi-spectral ou RBS, c’est-à-dire que le dispositif optronique de détection est agencé pour fournir un signal dans deux bandes spectrales et la classification dépend du rapport d’intensité des signaux dans chacune des bandes. Il est à cette fin connu de placer, en avant du capteur optronique, une matrice de filtrage bi-spectral comprenant des premiers filtres laissant passer un rayonnement lumineux dans une première bande de longueurs d’onde et des deuxièmes filtres laissant passer un rayonnement lumineux dans une deuxième bande de longueurs d’onde. Les premiers filtres et les deuxièmes filtres sont disposés selon un motif de type Bayer de sorte qu’une première partie des éléments photosensibles est frappée par le rayonnement lumineux dans la première bande de longueurs d’onde et une deuxième partie des éléments photosensibles est frappée par le rayonnement lumineux dans la deuxième bande de longueurs d’onde. Par ailleurs, les dispositifs optroniques de détection doivent pour être efficaces disposer d’un champ instantané d’observation (ou FOV de l’anglais field of view ) relativement petit pour avoir une sensibilité et une résolution adaptées à la détection. Cependant, plus le champ d’observation est étroit et plus la zone couverte par le dispositif électronique est faible. Les dispositifs optroniques de détection sont donc conçus pour avoir une ligne de visée orientable. On parle alors de champ total d’observation ou FOR de l’anglais field of regard pour désigner la zone maximale couverte par le dispositif optronique en orientant sa ligne de visée. Cette architecture présente deux faiblesses : l’interpolation nécessaire au calcul du rapport bi-spectral car cette interpolation tend à réduire localement l’intensité du signal dans les parties interpolées de l’image, parties interpolées qui risquent d’être noyées dans le bruit lorsque le rapport signal/bruit est faible, notamment en limite de détection (menace/cible lointaine ou de petites dimensions). la cadence de rafraîchissement du champ total d’observation doit être la plus élevée possible mais dépend directement de la vitesse de déplacement de la ligne de visée. Le seul moyen de remédier à la première faiblesse est d’optimiser l’algorithme d’interpolation. Un moyen pour remédier à la deuxième faiblesse est d’utiliser un capteur optronique, de plus grande taille, monté fixe sur le véhicule (montage dit strapdown ). Cependant, cela s’accompagne d’un inconvénient qui n’existait pas avec les dispositifs optroniques à ligne de visée orientable. En effet, une menace faisant route de collision avec le véhicule menacé se présente toujours dans la même orientation par rapport au véhicule menacé. Lorsqu’elle est lointaine, le rayonnement lumineux émis par la menace ne vient frapper qu’un filtre de la matrice de filtrage bi-spectral et ne pourra être détecté par l’élément photosensible qui se trouve derrière ce filtre que si le rayonnement lumineux correspond à la bande de longueurs d’onde de ce filtre. Ce problème n’arrive pas avec un dispositif optronique à ligne de visée orientable du fait que la ligne de visée balaye l’environnement du véhicule (le rayonnement lumineux de la menace va toucher successivement plusieurs filtres de la matrice de filtrage, et donc les éléments photosensibles qui se trouvent derrière). OBJET DE L’INVENTION L’invention a notamment pour but d’améliorer les capacités de détection d’un dispositif optronique de détection. A cet effet, on prévoit, selon l’invention un dispositif optronique de détection, comprenant : un bâti, un capteur optronique comportant une matrice d’éléments photosensibles ; une matrice de filtrage s’étendant en avant du capteur optronique et comportant au moins des premiers filtres transparents à une première plage de longueurs d’onde et des deuxièmes filtres transparents à une deuxième plage de longueurs d’onde, les premiers filtres et les deuxièmes filtres étant répartis selon un motif régulier sur une surface de la matrice de filtrage chacun en regard d’un des éléments photosensibles ; un système optique s’étendant en avant de la matrice de filtrage ; Le système optique comprend au moins un réseau de diffraction agencé pour que tout rayonnement incident provenant d’une source ponctuelle externe frappe un des premiers filtres et un des deuxièmes filtres. Ainsi, grâce au réseau de diffraction, le rayonnement lumineux provenant de chaque point de la scène observée va arriver sur deux éléments photosensibles correspondant chacun à une bande de longueurs d’onde. Exprimé de manière plus technique, le barycentre de la fonction d’étalement du point (décrivant la réponse du capteur optronique à une source ponctuelle de rayonnement - cette fonction est couramment appelée PSF de l’anglais point spread fonction ), également appelée réponse impulsionnelle spatiale, n'est pas sur un unique élément photosensible mais sur deux éléments photosensibles disposés derrière un des premiers filtres et un des deuxièmes filtres respectivement. Par conséquent, le risque d’une absence de détection est faible même si la ligne de visée est fixe. En outre, il n’y a plus besoin d’interpolation entre les deux bandes de longueurs d’onde car les informations acquises dans les deux bandes de longueurs d’onde correspondent au même élément de la scène observée. Selon des caractéristiques optionnelles, utilisées individuellement ou tout ou partie en combinaison : le réseau de diffraction est porté par une lame ; le réseau de diffraction est disposé à une extrémité du système optique voisine de la matrice de filtrage ; le système optique comprend au moins un premier groupe en entrée du système optique et un deuxième groupe en sortie du système optique et le réseau de diffraction entre les deux groupes ; le réseau de diffraction est disposé à proximité du premier groupe ; le réseau de diffraction est disposé à proximité du deuxième groupe ; le réseau de diffraction est disposé à une extrémité du système optique voisine de la matrice de filtrage ; le système optique comprend au moins une lame de balayage ; la lame de balayage porte le réseau de diffraction. L’invention concerne également un véhicule ayant une structure sur laquelle est fixé un tel dispositif optronique, le dispositif optronique étant fixe en position par rapport à ladite structure. D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation particuliers et non limitatifs de l’invention. Il sera fait référence aux dessins annexés, parmi lesquels : FIG. 1 est une vue schématique d’un dispositif optronique de détection selon un premier mode de réalisation, en coupe selon l’axe optique de celui-ci, dans une version embarquée sur un véhicule ; FIG. 2 est une vue analogue à la FIG. 1 d’un dispositif optronique selon un deuxième mode de réalisation ; FIG. 3 est une vue analogue à la FIG. 1 d’un dispositif optronique selon un troisième mode de réalisation ; FIG. 4 est une vue analogue à la FIG. 1 d’un dispositif optronique selon un quatrième mode de réalisation ; FIG. 5 est une vue analogue à la FIG. 1 d’un dispositif optronique selon un cinquième mode de réalisation ; FIG. 6 est une vue agrandie de la zone VI de la FIG. 5 ; FIG. 7 est une vue analogue à la FIG. 1 , partielle, d’un dispositif optronique selon une variante du cinquième mode de réalisation ; FIG. 8 est une vue schématique partielle de dessus d’une matrice de filtrage selon un premier mode de réalisation ; FIG. 9 est une vue analogue à la FIG. 8 montrant différents décalages possibles sur cette matrice de filtrage ; FIG. 10 est une vue schématique partielle de dessus d’une matrice de filtrage selon un deuxième mode de réalisation ; FIG. 11 est une vue schématique partielle de dessus d’une matrice de filtrage selon un troisième mode de réalisation ; FIG. 12 est une vue schématique partielle de dessus d’une matrice de filtrage selon un quatrième mode de réalisation ; FIG. 13 est une vue schématique en coupe d’une lame de diffraction utilisée dans ce dispositif optronique de détection, selon un premier mode de réalisation ; FIG. 14 est une vue schématique en coupe d’une lame de diffraction selon un deuxième mode de réalisation ; FIG. 15 est une vue schématique partielle de dessus d’un capteur optronique utilisé dans le dispositif optronique de détection selon l’invention ; FIG. 16 est une vue schématique en coupe montrant l’effet de diffraction obtenu par l’invention ; FIG. 17 est une vue agrandie de la zone XVII de la FIG. 16 . DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION En référence à la FIG. 1 , le dispositif optronique de détection selon l’invention, généralement désigné en 1, est embarqué sur un véhicule V. Le dispositif optronique 1 comprend un bâti 2, un capteur optronique 3, une matrice de filtrage 4 et un système optique 5. Le bâti 2 est fixé à une structure du véhicule V pour être immobile par rapport à celle-ci (montage dit strapdown ). Le capteur optronique 3 est fixé au bâti 3 et comporte de manière connue en elle-même une matrice d’éléments photosensibles E (voir la FIG. 15 ). La matrice de filtrage 4 s’étend en avant du capteur optronique 3 et comporte de façon connue en elle-même des premiers filtres B1 transparents à une première plage de longueurs d’onde et des deuxièmes filtres B2 transparents à une deuxième plage de longueurs d’onde. Les premiers filtres B1 et les deuxièmes filtres B2 sont répartis selon un motif régulier sur une surface de la matrice de filtrage 4 chacun en regard d’un des éléments photosensibles E ( FIG. 15 ). Le motif est par exemple en un damier de type BAYER. Les premiers filtres B1 laissent ici passer la bande de longueurs d’onde MWIR bleue ([3,6 µm ; 4,1 µm]) et les deuxièmes filtres B2 laissent ici passer la bande de longueurs d’onde MWIR rouge ([4,5 µm ; 4,9 µm]). Le système optique 5 s’étend en avant de la matrice de filtrage 4 et comprend ici, le long d’un axe optique, un premier groupe de lentilles 5.1 disposé à l’entrée du système optique 5 et un deuxième groupe de lentilles 5.2 disposé à la sortie du système optique 5 pour diriger le rayonnement lumineux incident vers le capteur optronique 3 et former une image sur celui-ci. Cet agencement est connu en lui-même et ne sera pas plus détaillé ici. Le système optique 5 comprend en outre au moins un réseau de diffraction 6 agencé pour que tout rayonnement incident provenant d’une source ponctuelle frappe un des premiers filtres B1 et un des deuxièmes filtres B2. On a illustré le décalage ainsi produit sur la matrice de filtrage 4 sur les figures 16 et 17. Le réseau de diffraction peut être agencé pour provoquer un décalage d’un nombre impair quelconque de filtres, dans un sens ou un autre : selon l’axe X (lignes) de la matrice de filtrage (flèches D1, D2 de la FIG. 9 ) ; et/ou selon l’axe Y (colonnes) de la matrice de filtrage (flèches D3, D4 de la FIG. 9 ) ; et/ou selon un axe quelconque de la matrice de filtrage (flèches D5, D6 de la FIG. 9 ). Les décalages D1 et D3 sont des décalages rectilignes d’un filtre ; le décalage D2 est un décalage rectiligne de trois filtres en ligne droite ; le décalage D4 est un décalage rectiligne de sept filtres en ligne droite ; les décalages D5 et D6 sont des décalages en L de trois filtres. D’autres valeurs de décalage sont bien entendu possibles. On comprend que le rayonnement lumineux provenant de chaque point de la scène va arriver sur un filtre B1 et un filtre B2 et donc sur deux éléments photosensibles E correspondant chacun à une bande de longueurs d’onde. Autrement dit, le barycentre de la fonction d’étalement du point (ou réponse impulsionnelle spatiale) n'est donc pas sur un unique élément photosensible E mais sur deux éléments photosensibles E disposés derrière un des premiers filtres B1 et un des deuxièmes filtres B2 respectivement. Dans le premier mode de réalisation représenté sur la FIG. 1 , le réseau de diffraction 6 est porté par une lame 60 positionnée à proximité du groupe de lentilles 5.2 en sortie du système optique 5. Pour des éléments photosensibles E de dimension 15 µm, l’équation diffractive du réseau diffractif 6 est par exemple 0,0036X pour un décalage selon l’axe X de la matrice de filtrage 4 (on rappelle que la phase optique est définie modulo 2π et que X est la pente de la droite définissant la surface du réseau diffractif 6, droite que l’on replie tous les sauts de 2π pour obtenir un profil de surface en dents de scie tel que celui visible sur la FIG. 13 ). L’équation diffractive du réseau diffractif 6 est par exemple 0,0036Y pour un décalage selon l’axe Y de la matrice de filtrage 4. Selon un premier mode de réalisation de la lame 60, représenté sur la FIG. 13 , la lame 60 est en germanium et a une surface pourvue de reliefs formant le réseau de diffraction 6. Selon un deuxième mode de réalisation de la lame 60, représenté sur la FIG. 14 , la lame 60 est une lame de phase incorporant des modifications locales de l’indice de réfraction réparties et agencées dans l’épaisseur de la lame 60 pour former le réseau de diffraction 6. Dans le deuxième mode de réalisation du dispositif optronique, représenté sur la FIG. 2 , le réseau de diffraction 6 est porté par une lame 60 positionnée en sortie du système optique 5 à proximité de la matrice de filtrage 6. Pour des éléments photosensibles E de dimension 15 µm, l’équation diffractive du réseau diffractif 6 est par exemple 0,035X pour un décalage selon l’axe X de la matrice de filtrage 4. L’équation diffractive du réseau diffractif 6 est par exemple 0,035Y pour un décalage selon l’axe Y de la matrice de filtrage 4. Dans le troisième mode de réalisation représenté sur la FIG. 3 , le réseau de diffraction 6 est porté par une lame 60 positionnée à proximité du premier groupe de lentilles 5.1. Pour des éléments photosensibles E de dimension 15 µm, l’équation diffractive du réseau diffractif 6 est par exemple 0,0066X pour un décalage selon l’axe X de la matrice de filtrage 4. L’équation diffractive du réseau diffractif 6 est par exemple 0,0066Y pour un décalage selon l’axe Y de la matrice de filtrage 4. Dans le quatrième mode de réalisation représenté sur la FIG. 4 , le réseau de diffraction 6 est porté par une lame réfléchissante 5.3 de renvoi à 90° positionnée entre les deux groupes de lentilles 5.1 et 5.2. Pour des éléments photosensibles E de dimension 15 µm, l’équation diffractive du réseau diffractif 6 est par exemple 0,0029X pour un décalage selon l’axe X de la matrice de filtrage 4. L’équation diffractive du réseau diffractif 6 est par exemple 0,0029Y pour un décalage selon l’axe Y de la matrice de filtrage 4. Dans le cinquième mode de réalisation représenté sur les figures 5 et 6, le réseau de diffraction 6 est porté par une lame 60 positionnée comme dans le premier mode de réalisation et le système optique 5 comprend au moins une lame de balayage 7 positionnée à proximité du premier groupe de lentilles 5.1. La lame de balayage 7 est une lame à faces planes et parallèles, montée pour pivoter autour de son axe central formant un angle aigu avec l’axe optique du système optique 5 pour avoir deux positions extrêmes représentées respectivement en trait continu et en trait mixte sur la FIG. 6 . La lame de balayage 7 est agencée pour décaler de quelques éléments sensibles la ligne de visée de telle manière le dispositif optronique de détection n’ait pas de zone aveugle. Pour des éléments photosensibles E de dimension 15 µm, l’angle entre l’axe central de pivotement de la lame de balayage 7 et l’axe optique du système optique 5 est de 2,16° environ. Il est possible de réaliser le faisceau diffractif directement sur la lame de balayage 7. Dans un tel cas, la lame de balayage est inclinée de 2,11° et l’équation diffractive est 0,0058X (ou Y selon le cas) Dans la variante du cinquième mode de réalisation représentée sur la FIG. 7 , la lame de balayage 7 est positionnée dans le deuxième groupe de lentilles 5.2. L’angle entre l’axe central de pivotement de la lame de balayage 7 et l’axe optique du système optique 5 est de 1,12° environ. 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 optronique de détection selon l’invention peut avoir une structure différente de celle décrite. Au lieu d’une répartition en damier comme représenté sur les figures 8 et 9, les premiers filtres et les deuxièmes filtres peuvent être répartis en lignes comme sur la FIG. 10 , en colonnes ou en diagonales. La matrice de filtrage peut en outre comporter, en plus des premiers filtres et des deuxièmes filtres, des troisièmes filtres transparents à une troisièmes longueurs d’onde (voir la FIG. 11 avec une répartition des filtres par diagonales par exemple), voire des quatrièmes filtres transparents à une quatrième longueurs d’onde (voir la FIG. 12 avec une répartition des filtres par lignes par exemple) ou plus. La première bande de longueurs d’onde peut être séparée de la deuxième bande de longueurs d’onde comme dans l’exemple décrit, ou les deux bandes de longueurs d’onde peuvent être accolées. On pourrait par exemple avoir : la première bande de longueurs d’onde correspondant à la bande MWIR et la deuxième bande de longueurs d’onde correspondant à la bande SWIR ; ou la première bande de longueurs d’onde correspondant à la bande MWIR et la deuxième bande de longueurs d’onde correspondant à la bande LWIR ; ou la première bande de longueurs d’onde correspondant à la bande SWIR et la deuxième bande de longueurs d’onde correspondant à la bande LWIR. On notera cependant que le dispositif optronique de l’invention n’est pas limité aux applications de détection infrarouge mais peut également être agencé pour fonctionner dans d’autres domaines et par exemple dans le domaine visible. Le système optique peut comprendre un unique groupe de lentilles ou plus de deux groupes de lentilles. Le réseau diffractif 6 peut être réalisé directement sur une lentille du système optique 5. La lame de balayage 7 est facultative. Dispositif optronique de détection (1), comprenant : un bâti (2), un capteur optronique (3) comportant une matrice d’éléments photosensibles (E) ; une matrice de filtrage (4) s’étendant en avant du capteur optronique (3) et comportant au moins des premiers filtres (B1) transparents à une première plage de longueurs d’onde et des deuxièmes filtres (B2) transparents à une deuxième plage de longueurs d’onde, les premiers filtres (B1) et les deuxièmes filtres (B2) étant répartis selon un motif régulier sur une surface de la matrice de filtrage (4) chacun en regard d’un des éléments photosensibles (E) ; un système optique (5) s’étendant en avant de la matrice de filtrage (4) ; caractérisé en ce que le système optique (5) comprend au moins un réseau de diffraction (6) agencé pour que tout rayonnement incident provenant d’une source ponctuelle externe frappe un des premiers filtres (B1) et un des deuxièmes filtres (B2). Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le réseau de diffraction (6) est porté par une lame. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le réseau de diffraction (6) est disposé à une extrémité du système optique (5) voisine de la matrice de filtrage (4). Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le système optique comprend au moins un premier groupe en entrée du système optique et un deuxième groupe en sortie du système optique et le réseau de diffraction (6) est entre les deux groupes. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel le réseau de diffraction (6) est disposé à proximité du premier groupe. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel le réseau de diffraction (6) est disposé à proximité du deuxième groupe. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le système optique (5) comprend au moins une lame de balayage (7). Dispositif selon la revendication 7, dans lequel la lame de balayage (7) porte le réseau de diffraction (6). Véhicule (V) ayant une structure sur laquelle est fixé un dispositif optronique (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, le dispositif optronique (1) étant fixe en position par rapport à ladite structure.