SYSTEME D ' IMAGERIE INFRAROUGE IR2-IR3 BI-CHAMP COMPACT

Le domaine de l'invention est celui des systèmes infrarouges PC (petit champ) GC (grand champ) compacts.

On connaît une caméra PC (3° x 2,25°) et GC (9° x 6.75°) ouverte à F/2.7, de focale petit champ Fpc égale à environ 180 mm, de focale grand champ F _G c égale à environ 60 mm, équipée d'un détecteur matriciel IR3 (7,5 -10 μm) à multi-puits quantiques.

Le comportement photométrique de cette caméra est optimisé pour l'infrarouge thermique. En effet : - le diaphragme d'ouverture est matérialisé par l 'écran froid 3 du détecteur 1 (représentés figure 1 ) protégé par son hublot 2,

- il n'y a pas de vignettage car le seul élément limitant les faisceaux est le diaphragme d'ouverture.

Cette caméra est très compacte. En effet : - le trajet L du faisceau le long de l'axe optique entre le dioptre d'entrée et le plan focal (le détecteur 1 ) est inférieur à Fpc/1.2,

- la section du conduit occupé par les faisceaux optiques est inférieure à Fpc/2.5 entre un plan situé à Fpc mm en amont du dioptre d'entrée et le plan focal. Cette compacité est obtenue grâce à :

- une pupille d'entrée petit champ située au voisinage de la lentille de tête : cette caractéristique impose la présence d'un PFI (Plan Focal Intermédiaire) dans la combinaison optique,

- une pupille d'entrée grand champ réelle c'est-à-dire située en amont de la lentille de tête.

La combinaison optique de cette caméra comprend les groupes dioptriques suivants décrits en relation avec la figure 1 : a. un groupe de tête convergent G1 de focale F, avec F<F _PC /2 donc très ouvert, b. un groupe divergent de changement de champ G2 mobile le long de l'axe optique ; ce groupe est situé en amont du PFI en configuration PC et en aval du PFI en configuration GC,

c. un groupe relais G3 imageant le PFI sur le plan focal du détecteur.

Le groupe G1 est achromatisé dans la bande IR3 grâce à une des séquences classiques Ge(+)/ZnSe(-) ou Ge(+)/ZnS(-) ou Ge(+)/DOE(+), avec Ge pour germanium, ZnSe pour séléniure de zinc, ZnS pour sulfure de zinc, DOE pour élément diffractif, + pour convergent, - pour divergent.

Le but de l'invention est de pouvoir utiliser une telle caméra et plus généralement un système d'imagerie également dans la bande IR2 (3,5 - 5 μm) avec un seul détecteur. Les 2 bandes ne sont toutefois pas utilisées en simultané : on sélectionne la bande utile en jouant sur la polarisation du détecteur.

La caméra existante, et plus précisément le groupe de tête G1 , présente d'importantes aberrations chromatiques en IR2 qui compromettent son utilisation dans cette bande spectrale.

Le but de l'invention est d'obtenir un système d'imagerie IR2-IR3 compact bi-champ ne présentant pas les inconvénients sus-mentionnés.

L'invention est basée sur l'utilisation d'un doublet de matériaux pour l'ensemble des lentilles et d'un élément diffractif notamment pour le groupe de tête.

Plus précisément, l'invention a pour objet un système d'imagerie bi-champ (PC et GC) comportant un détecteur optronique et une combinaison optique bichamp de focales petit champ Fpc, grand champ FQ _C présentant sur un axe optique :

- une lentille de tête,

- une pupille d'entrée petit champ située au voisinage de la lentille de tête,

- une pupille d'entrée grand champ réelle c'est-à-dire située en amont de la lentille de tête,

- un plan focal intermédiaire (PFI), la combinaison optique comprenant sur l'axe optique les groupes dioptriques suivants :

- un groupe dioptrique de tête G1 convergent de focale F, avec F<Fpc/2, ce groupe G1 comprenant la lentille de tête,

- un groupe divergent de changement de champ G2 mobile le long de l'axe optique, ce groupe étant situé en amont du PFI en configuration PC et en aval du PFI en configuration GC,

- un groupe relais G3 imageant le PFI sur le plan focal du détecteur.

Il est principalement caractérisé en ce que le détecteur est un détecteur IR2 et IR3 refroidi, et en ce que la combinaison optique comprend

6 lentilles dont au moins une lentille diffractive dans le groupe de tête G1 et en ce que les lentilles de la combinaison optique sont composées de matériaux choisis parmi 2 matériaux.

L'invention permet de diminuer la puissance des lentilles et donc leur nombre tout en conservant une bonne qualité optique, c'est-à-dire une bonne FTM. On obtient alors un système d'imagerie IR2-IR3 bi-champ compact. De préférence, les matériaux sont Ge et ZnS ou Ge et ZnSe : les triplets Ge(+)/élément diffractif(+)/ZnS(+) ou Ge(+)/élément diffractif(+)/ZnSe(+) sont utilisés dans le groupe de tête G1.

Selon une caractéristique de l'invention, le groupe de tête G1 comprend une lentille L1A convergente diffractive en Ge, une lentille L1 B convergente en ZnS et une lentille divergente L1 C en Ge.

Avantageusement, le profil diffractif de la lentille convergente L1A est convergent et optimisé pour l'ordre 1 de diffraction en IR3, et pour l'ordre 2 de diffraction en IR2.

Selon une caractéristique de l'invention, le groupe G2 comprend une lentille L2 divergente en Ge, le relais G3 comprend deux lentilles convergentes en Ge.

Avantageusement, le relais G3 comprend au moins une lentille diffractive L3A telle que son profil diffractif est convergent et optimisé pour l'ordre 1 de diffraction en IR3, et pour l'ordre 2 de diffraction en IR2. Selon une autre caractéristique de l'invention, le détecteur est un détecteur matriciel ou linéaire, à multi-puits quantiques.

Avantageusement, le système d'imagerie présentant un écran froid, celui-ci est utilisé comme diaphragme d'ouverture et tout vignettage est évité car seul ce diaphragme limite les faisceaux optiques.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 déjà décrite représente schématiquement la combinaison optique d'une caméra PC et GC, compacte selon l'état de la technique, la figure 2 représente schématiquement un mode de réalisation d'un système d'imagerie selon l'invention, en mode PC et GC, la figure 3 représente schématiquement un viseur de char comportant un système d'imagerie selon l'invention.

D'une figure à l'autre, les mêmes éléments sont repérés par les mêmes références.

On va à présent décrire les fonctions des différents éléments de la combinaison optique du système d'imagerie selon l'invention. Ces éléments sont globalement identiques à ceux de la caméra décrite en relation avec la figure 1.

Le groupe dioptrique de tête G1 image la scène sur un plan focal intermédiaire PFM . Cette image intermédiaire, virtuelle en petit champ et réelle en grand champ est reprise par le groupe divergent G2 (comprenant préférentiellement une seule lentille L2), qui donne une image sur un second plan image intermédiaire PFI2, réel en petit champ et virtuel en grand champ. La lentille divergente L2 est placée avant les plans images intermédiaires PFH et PFI2 en petit champ, après les plans image intermédiaires PFM et PFI2 en grand champ. Les 2 plans PFH et PFI2 sont positionnés au même endroit pour les 2 configurations petit champ ou grand champ. La lentille divergente image le premier plan PFM sur le deuxième PFI2 avec un grandissement de V(F _PC /F _G c) en petit champ, et de 1/V (F _PC /F _G c) en grand champ. Cette fonction permet d'avoir une focale petit champ F _PC /F _G c fois plus grande que la focale grand champ.

Le deuxième plan focal PFI2 est ensuite repris par le groupe relais G3 de grandissement compris entre 1.3 et 1.5 environ. Son plan objet est réel.

Le groupe relais G3 comprend de préférence 2 lentilles L3A et L3B comme représenté figure 2.

Le chromatisme interbande n'étant pas corrigé, les plans focaux intermédiaires IR2 et IR3 de l'objectif de tête ne sont pas superposés. Le groupe G2, mobile sur l'axe pour permettre le changement de champ, permet en outre de refocaliser l'image sur le détecteur lorsque l'utilisateur change de bande spectrale.

Le mouvement axial du groupe G2 permet en outre d'assurer une refocalisation de l'image lorsque la température interne du système d'imagerie change ou afin d'observer à distance rapprochée.

Afin d'affiner la refocalisation en thermique, à distance rapprochée ou lors du changement de bande spectrale, une des lentilles du groupe G3 (préférentiellement la lentille L3A) peut aussi être rendue mobile sur l'axe. L3B est préférentiellement une lentille de microscanning qui permet de translater l'image de la scène sur le détecteur de 1/2 pixel. Cette fonction permet d'augmenter la résolution du système d'imagerie.

Cette configuration permet d'obtenir un système d'imagerie PC- GC ; la pupille d'entrée petit champ est située au voisinage de la lentille de tête, et la pupille d'entrée grand champ est réelle c'est-à-dire située en amont de la lentille de tête, ce qui facilite l'implantation du système d'imagerie dans un système périscopique de visée car on élimine ainsi le risque de vignettage des faisceaux GC.

Dans cette architecture, les aberrations chromatiques du groupe de tête G1 sont les plus importantes.

On rappelle les équations du chromatisme. Soit un module optique, de puissance φ, que l'on souhaite corriger du chromatisme axial dans chacune des 2 bandes spectrales. Ce module comprend 3 lentilles fabriquées chacune dans un matériau différent. On note A, B et C les 3 lentilles, et :

φA, φB, φC les puissances respectives des 3 lentilles, V1A et v2A les constringences IR2 et IR3 du matériau A, V1 B et V2B les constringences IR2 et IR3 du matériau B, ^v V1C et V2C les constringences IR2 et IR3 du matériau C.

Les équations pour la correction paraxiaie du chromatisme d'un triplet sont les suivantes:

φ=φA+φB+φC φA/v1A+ φB/v1 B+φC/v1 C=0 (correction du chromatisme IR2) φA/v2A+ φB/v2B+ φC/v2C=0 (correction du chromatisme IR3)

Ces équations assurent la correction du chromatisme sur la bande IR2, et sur la bande IR3. Par contre il peut subsister du chromatisme interbande : les plans focaux intermédiaires IR2 et IR3 de l'objectif de tête ne sont pas superposés.

Le triplet de matériaux ZnSe(+)/Ge(-)/ZnS(-) est connu pour assurer une achromatisation dans les bandes IR2 et IR3. Mais l'utilisation de ce triplet conduit à des puissances de lentilles en ZnSe et ZnS qui sont bien plus importantes que la puissance du groupe de tête. On est donc limité à des groupes de tête peu puissants ou peu ouverts ou encombrants. Si par exemple, la puissance d'un triplet de lentilles respectivement en ZnSe, Ge et ZnS vaut 1 , les puissances de ces lentilles valent respectivement environ 2.7, -0.6 et -1.1. L'ouverture de la lentille en ZnSe est donc 2.7 fois plus importante que l'ouverture du groupe de tête qui est déjà très ouvert.

Avec les contraintes de compacité de l'invention on est alors conduit à multiplier le nombre de lentilles ( au moins 7) dans le groupe de tête afin de limiter l'ouverture de chacune d'entre elles à une valeur raisonnable. Ce grand nombre de lentilles augmente significativement le coût de la combinaison. En outre bien que la fonction de transfert de modulation (FTM) obtenue soit suffisante sur le plan théorique, elle est considérablement dégradée dès qu'on prend en compte les tolérances de fabrication et de montage des lentilles. Selon l'invention, une des lentilles de l'objectif de tête est une lentille diffractive et les matériaux utilisés sont Ge et ZnS (ou ZnSe).

Le profil blazé de la lentille diffractive (noté Diff sur la figure 2) est optimisé pour avoir simultanément un bon rendement dans l'ordre 1 de diffraction pour la bande IR3, et dans l'ordre 2 pour la bande IR2. Ceci est rendu possible par la position des pics de sensibilité IR3 et IR2 : la longueur

d'onde du pic de sensibilité IR3 vaut environ deux fois la longueur d'onde du pic de sensibilité IR2.

Le chromatisme le plus important est corrigé de la manière suivante qui représente un mode de réalisation de l'invention représenté figure 2.

L'objectif de tête comprend trois lentilles L1A, L1 B et L1 C.

L1A est une lentille asphéro-diffractive en Germanium. On place une lentille en Germanium en tête pour protéger le système d'imagerie des agressions extérieures, qu'elles soient de nature électromagnétique ou climatique.

L1 B est en ZnS ou ZnSe.

L'ensemble L1A et L1 B est corrigé du chromatisme dans chacune des 2 bandes IR2 et IR3.

La lentille L1 C est en Germanium de même que les lentilles L2, L3A et L3B.

En résumé, 2 solutions sont envisagées pour le groupe G1 :

1/ doublet lentille Germanium + lentille ZnS + profil diffractif sur une des 2 lentilles. Pour un groupe convergent , la lentille en Germanium, le profil diffractif et la lentille en ZnS sont convergents. 2/ doublet lentille Germanium + lentille ZnSe + profil diffractif sur une des 2 lentilles. Pour un groupe convergent , la lentille en Germanium, le profil diffractif et la lentille en ZnSe sont convergents.

Les solutions 1/ et 2/ sont équivalentes en performances, mais la solution 1/ sera préférée pour des raisons de coût car le ZnS est moins cher que le ZnSe.

Le chromatisme a été corrigé sur le groupe G1 principalement responsable du chromatisme. Cette correction peut être améliorée en corrigeant également le chromatisme des autres groupes G2 et G3.

La hauteur du rayon d'ouverture étant relativement petite sur chacune des lentilles L2, L3A et L3B des groupes G2 et G3 par rapport au demi-diamètre de la pupille d'entrée, la contribution de ces lentilles au chromatisme de la combinaison est intrinsèquement faible. Il suffit donc de réaliser ces composants dans un matériau relativement peu chromatique dans chacune des bandes utiles. Le meilleur candidat est le Germanium.

L2, L3A et L3B sont en Germanium. L2 et L3A sont asphériques, L3B est sphérique.

Toutefois, pour améliorer la FTM, il est utile de diminuer le chromatisme introduit par L3A. Une correction parfaite avec un triplet n'est pas nécessaire : on peut utiliser un doublet de matériaux. Ces doublets sont calculés à partir des équations suivantes :

Comme précédemment on note φ la puissance du module optique, en l'occurrence L3A,

f φA, φB les puissances respectives des 2 composants optiques,

V1A et V2A les constringences IR2 et IR3 du composant A, V1 B et V2B les constringences IR2 et IR3 du composant B, λl la longueur d'onde de pic de sensibilité de la bande IR2, λ2 la longueur d'onde de pic de sensibilité de la bande 1R3.

On note v1 et v2 les constringences équivalentes du doublet dans les bandes spectrales IR2 et IR3.

Elles sont définies par l'équation suivante : φ/vi=φA/viA+φB/viB avec i=1 ou 2. Les équations qui permettent de calculer les puissances φA et φB sont les suivantes :

f φ=φA+φB

L l/λl*(φA/ v1A+ φB/ v1 B )=-l/λ2*(φA/ v2A+ φB/ v2B _. )

Ces équations garantissent que l'écart normal de chromatisme axial vaudra Ie même nombre de longueurs d'onde dans chacune des deux bandes spectrales respectives.

Les meilleurs doublets candidats pour L3A sont résumés dans le tableau ci-dessous. Ils sont classés par ordre de v1 décroissant en valeur absolue.

^* DOE = élément diffractif (Diffractive Optical Elément)

Pour la correction du chromatisme de L3A, le meilleur doublet est IG4/DOE. Le doublet Ge/DOE ( indiqué sur la figure 2) est aussi un bon candidat, grâce à l'indice de réfraction élevé du Germanium.

Pour le doublet ZnSe/ZnS les puissances des lentilles sont importantes. Il peut convenir pour un groupe peu ouvert, si on veut éviter des éléments diffractifs.

Le système d'imagerie selon l'invention peut être intégré dans une caméra IR, dans des jumelles IR ou dans un autre équipement optronique IR. Il peut être implanté dans un viseur de char, dans un système de détection par l'avant aux rayons infrarouges ou FLIRs (acronyme de l'expression anglo-saxonne « Forward-Looking Infra-Red System »), dans une nacelle ( « pod » en anglais) installée sur un aéronef.

La figure 3 représente une telle implantation dans un viseur de char. Les différents modes de fonctionnement de la caméra (IR2 & IR3, PC & GC) ont été superposés sur la même figure. Le viseur de char 10 comprend un hublot 4 en Germanium, généralement placé en anti-narcisse, ainsi qu'un miroir gyrostabilisé 5. La figure 3 permet de comprendre pourquoi il est intéressant d'assurer la compacité du système d'imagerie en amont de la première lentille du système : cela permet de réduire la taille du hublot 4 et du miroir gyrostabilisé 5.