PRIMOT, Jérôme (5 rue Esther Cordier, Chatillon, Chatillon, F-92320, FR)
GUERINEAU, Nicolas (168 rue des sources prolongée, Antony, F-92160, FR)
TABOURY, Jean (89 rue Houdan, Sceaux, Sceaux, F-92230, FR)
CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - CNRS (3 rue Michel Ange, Parix Cedex 16, Parix Cedex 16, F-75794, FR)
DRUART, Guillaume (3 rue Pégoud, Buc, Buc, F-78530, FR)
PRIMOT, Jérôme (5 rue Esther Cordier, Chatillon, Chatillon, F-92320, FR)
GUERINEAU, Nicolas (168 rue des sources prolongée, Antony, F-92160, FR)
TABOURY, Jean (89 rue Houdan, Sceaux, Sceaux, F-92230, FR)
| REVENDICATIONS 1 - Système d'imagerie grand champ compact (1 ) pour le domaine spectral infrarouge comprenant une enceinte à vide (13) comportant un hublot (14), une chambre obscure refroidie (3) placée à l'intérieur de l'enceinte à vide (13), munie d'une ouverture appelée diaphragme froid (5), un détecteur infrarouge (2) placé à l'intérieur de la chambre obscure refroidie (3) et un dispositif de conjugaison optique (4) des rayons de champ avec le détecteur (2), caractérisé en ce que le dispositif de conjugaison optique (4) ne comprend aucun élément placé à l'extérieur de l'enceinte à vide (13) et comprend au moins une lentille froide (4) placée à l'intérieur de ladite chambre obscure refroidie (3), la pupille du dispositif de conjugaison optique coïncidant avec le diaphragme froid (5). 2 - Système d'imagerie (1) selon la revendication 1 , dans laquelle le dispositif de conjugaison optique (4) est constitué d'une seule lentille (4). 3 - Système d'imagerie (1) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la surface de l'un des dioptres (4,7) de la lentille froide (4) est plane. 4 - Système d'imagerie (1 ) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la lentille froide (4) est asphérique. 5 - Système d'imagerie (1) selon la revendication 4, dans lequel la surface d'au moins l'un des dioptres (6,7) de la lentille froide (4) est conique. 6 - Système d'imagerie (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la surface du dioptre (6) de la lentille froide (4), orienté vers les rayons de champ, présente un rayon de courbure plus grand que la surface du dioptre (7) orienté vers le détecteur (2). 7 - Système d'imagerie (1 ) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les surfaces des dioptres (6,7) de la lentille froide (4) sont calculées de sorte à corriger les aberrations optiques du système (1) dans le domaine spectral infrarouge. 8 - Système d'imagerie (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la lentille froide (4) présente des dimensions sensiblement égales à celles du détecteur (2). 9 - Système d'imagerie (1 ) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les dimensions du diaphragme (5) sont choisies de sorte à répartir les rayons de champ sur l'ensemble de la surface de la lentille (4). 10 - Système d'imagerie (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le diaphragme (5) est placé à une distance de la lentille (4) sensiblement égale à la distance focale de ladite lentille (4). 11 - Système d'imagerie (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le diaphragme (5) est positionné au niveau d'une paroi de la chambre obscure (3). 12 - Système d'imagerie (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'indice de réfraction de la lentille (4) est supérieur à 3,0. 13 - Système d'imagerie (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel au moins un filtre (11) est disposé entre le détecteur (2) et la lentille (4). 14 - Système d'imagerie (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la surface du dioptre (6) de la lentille froide (4), orienté vers les rayons de champ est positionnée contre le diaphragme (5). 15 - Système d'imagerie (1 ) selon l'une des revendications précédentes, comprenant un dispositif de refroidissement (12) de l'intérieur de la chambre obscure (3). 16 - Système d'imagerie (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le hublot (14) est remplacé par une lentille (14') de compression des rayons de champ. 17 - Système d'imagerie (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel il est disposé entre le dispositif de conjugaison optique (4) et le détecteur (2), une lentille divergente (15). 18 - Système d'imagerie (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la surface avant (2') du détecteur (2) présente une courbure non nulle. 19 - Système d'imagerie (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le hublot (14) est remplacé par une lentille de correction d'aberrations optiques, notamment l'aberration de distorsion qui requiert un dispositif de conjugaison optique (4) qui soit symétrique par rapport au plan du diaphragme. 20 - Système d'imagerie (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel une lame de phase asphérisée est placée entre le hublot (14) ou la lentille le remplaçant et la lentille froide (4). |
ENCEINTE A VIDE
La présente invention concerne un système d'imagerie grand champ infrarouge intégré dans une enceinte à vide comprenant un détecteur refroidi et une chambre obscure.
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention se rapporte au domaine de l'imagerie dans le domaine spectral infrarouge.
Elle se rapporte plus particulièrement à un système d'imagerie de rayons de champ dans le domaine spectral infrarouge comprenant un détecteur infrarouge, un dispositif de conjugaison optique des rayons de champ avec le détecteur et une chambre obscure intégrant ledit détecteur. On entendra par « rayons de champ » dans le présent brevet l'ensemble des rayons provenant d'une scène . à l'infini et passant par le centre de la pupille d'entrée.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE
Un tel système vise à être utilisé pour de l'imagerie grand champ, typiquement dans un champ d'observation entre 20° et 180°, dans une bande spectrale du domaine infrarouge, pour des missions de pilotage ou de guidage.
Dans ce domaine technique, les besoins concernent actuellement la miniaturisation des systèmes d'imagerie. Il importe en effet de disposer de systèmes de moins en moins encombrants, pour faciliter leur intégration dans des systèmes plus complexes. Ces systèmes doivent par ailleurs disposer d'une résolution spatiale et d'une sensibilité suffisamment élevées. Enfin, il est nécessaire que ces systèmes présentent un rapport signal sur bruit suffisant pour détecter une cible à une température donnée sur un fond à une température différente.
A ce titre, il est connu de l'état de la technique d'utiliser un détecteur refroidi et d'intégrer ce détecteur dans un écran froid appelé par la suite « chambre obscure », ouverte par un diaphragme dit « diaphragme froid ». Ce diaphragme sert à limiter le flux de fond vu par le détecteur et limite ainsi l'angle sous lequel le détecteur voit la scène extérieure. Ce diaphragme est aussi appelé diaphragme d'ouverture. C'est lui qui définit les limites de l'angle solide du faisceau utile émis par un point de référence de l'objet ou de la source. Il est situé par convention sur l'axe optique du système. Cette chambre obscure, refroidie à une température très basse (typiquement à -
200 0 C), est positionnée dans un cryostat, appelé par la suite enceinte à vide, fermé par un hublot. Le vide créé dans l'enceinte assure une isolation thermique entre la chambre obscure contenant le détecteur et les parois à température ambiante de l'enceinte, évitant ainsi tout risque de givre au voisinage du détecteur.
II est connu de l'état de la technique que la conception d'une caméra infrarouge nécessite :
- de réduire efficacement le rayonnement lié à l'environnement de la caméra en réduisant l'ouverture du diaphragme froid et - de maximiser le flux émis par les points de la scène à observer en augmentant l'ouverture de la pupille du dispositif de conjugaison optique, appelé « objectif ». En effet, par définition, la pupille d'un objectof est décrite par une ouverture d'un certain diamètre dans un plan privilégié qui délimite la largeur d'un faisceau de rayons issu d'un point de la scène. L'image de cette ouverture par l'objectif est appelée pupille de sortie.
Pour cela, le concepteur de l'objectif cherchera à faire coïncider la pupille de sortie de l'objectif avec le diaphragme froid. Dans ce cas, on parlera d'un objectif à
« pupille froide ». Les objectifs à pupille froide connus de l'état de la technique consistent à placer les éléments optiques de conjugaison à l'extérieur de la chambre obscure et dont la pupille de sortie coïncide avec le diaphragme froid. Une telle solution est décrite dans le document de brevet américain US 4,783,593. Dans ce document, le détecteur infrarouge est positionné au sein d'un environnement cryogénique. Afin de permettre la focalisation des rayons de champ avec une résolution suffisante, une paire de lentilles télécentriques est utilisée, l'une de ces lentilles télécentriques étant placée à l'intérieur de l'environnement cryogénique, derrière le diaphragme froid. Cette paire refocalise l'image fournie par un premier objectif disposé devant le reste du système, ce qui permet de former une image de qualité élevée sur le détecteur, tout en assurant la coïncidence de la pupille de sortie avec le diaphragme froid.
Une autre solution est décrite dans le document de brevet américain US 7,002,154. Dans ce document, le système d'imagerie comprend une pluralité d'éléments optiques non refroidis, disposés le long de l'axe optique entre la pupille d'entrée du système et une fenêtre isolante, ainsi qu'une pluralité de segments annulaires réfléchissants disposés autour de l'axe optique entre la pupille d'entrée et la fenêtre isolante. Parmi les éléments optiques, au moins un est disposé entre le diaphragme et l'un des segments réflexifs placé contre la fenêtre isolante.
Ces solutions présentent néanmoins l'inconvénient d'être très encombrantes. En effet, ces solutions à pupille froide nécessitent un système de conjugaison de pupille avec le diaphragme froid, ce qui ajoute des éléments optiques au système. De plus, dans la mesure où elles sont utilisées pour des applications de hautes performances (en termes de champ, de résolution angulaire et de portée), elles nécessitent une grande ouverture à la fois sur l'axe optique et dans le champ, contrainte qui implique de corriger de nombreuses aberrations. Des dioptres adéquats - des lentilles - sont ainsi ajoutés afin de maintenir le système d'imagerie en limite de diffraction. Il apparaît clairement, dans ces conditions, que le nombre d'optiques à rajouter sera d'autant plus grand que l'ouverture du système est grand.
Une solution pour réduire le nombre de lentilles est décrite dans le document de brevet coréen KR 1999/065839. Dans ce document, un système optique compact télécentrique est composé d'un diaphragme, d'une lentille asphérique et d'un filtre optique passe-bas. Un objet est imagé sur un capteur placé après le système optique. Le diaphragme est disposé pour faire face à l'objet à imager, sa position pouvant être réglée par l'utilisateur. La lentille asphérique est positionnée à une distance donnée du diaphragme. Cette lentille présente une forme convexe et un indice de réfraction positif. Elle présente sur sa face arrière une zone diffractive de façon à faire converger les rayons incidents sur la lentille vers l'image par réfraction et diffraction en corrigeant les aberrations chromatiques. Le filtre passe-bas est disposé entre la face arrière de la lentille asphérique et le capteur. La mise en oeuvre de cette zone diffractive au niveau de la lentille asphérique permet de diminuer le nombre de lentilles nécessaires.
Néanmoins, cette solution présente l'inconvénient de mettre en œuvre une zone diffractive pour compenser le chromatisme du système optique ainsi que d'un filtre optique passe-bas, ce qui engendre un coût supplémentaire significatif et une difficulté de réalisation. Par ailleurs, cette solution n'est décrite que pour une application dans le domaine visible et non dans l'infrarouge. Il ne comporte donc aucune chambre obscure et le diaphragme utilisé n'est pas un diaphragme froid.
Ainsi, aucune solution de l'état de la technique ne permet de fournir un système d'imagerie infrarouge qui soit à la fois simple, miniature, grand champ, de résolution élevée, tout en conjuguant la pupille avec le diaphragme froid du système.
OBJET DE L'INVENTION
Le but de la présente invention est de remédier à ce problème technique, en intégrant le dispositif de conjugaison optique directement à l'intérieur de l'enceinte à vide, dont la pupille coïncide avec le diaphragme froid. Cette coïncidence permet d'obtenir un objectif à pupille froide sans conjugaison de pupille, ce qui permet de simplifier la combinaison optique avec des performances équivalentes.
L'ensemble de la combinaison optique est intégré dans l'enceinte à vide. Cette intégration permet de rendre l'ensemble compact et d'étendre le domaine d'utilisation de la caméra à des conditions d'utilisation extrêmes qui n'influeront sur pas la qualité optique et radiométrique de la caméra. En particulier, la transmission du milieu de propagation ne dépendra pas du degré d'hygrométrie de l'air ambiant et les matériaux infrarouges des éléments optiques conserveront leurs propriétés dans le temps, même si ceux-ci sont hygroscopiques.
L'approche de la solution a consisté à étudier différentes conceptions optiques existantes, en particulier des systèmes d'imagerie « sans optiques », comme un sténopé. Celui-ci présente usuellement l'inconvénient de disposer d'une faible ouverture optique, ce qui le rend inadapté pour des applications de faible flux. Pourtant, le sténopé étant très fermé et très tolérant en champ, il est apparu que l'intégration de ce dernier dans un système grand champ, composé généralement d'une première lentille de compression de champ et d'une série de lentilles pour la focalisation et la correction du champ, permet de supprimer toutes les lentilles sauf la première lentille de compression du champ.
Dans ce but, l'invention a pour objet un système d'imagerie grand champ compact pour le domaine spectral infrarouge, comprenant une enceinte à vide comportant un hublot, une chambre obscure refroidie placée à l'intérieur de l'enceinte à vide, munie d'une ouverture appelée diaphragme froid, un détecteur infrarouge placé à l'intérieur de la chambre obscure refroidie et un dispositif de conjugaison optique des rayons de champ avec le détecteur. Dans ce système, le dispositif de conjugaison optique ne comprend aucun élément placé à l'extérieur de l'enceinte à vide et comprend au moins une lentille froide placée à l'intérieur de la chambre obscure refroidie, la pupille du dispositif de conjugaison optique coïncidant avec le diaphragme froid.
De manière privilégiée, le dispositif de conjugaison optique est constitué d'une seule lentille.
La lentille utilisée a une fonction de focalisation et de déviation des rayons de champ. Elle permet de corriger les aberrations dans la bande spectrale infrarouge utilisée. La lentille présentant une dimension plus grande que le diaphragme, qui joue ici le rôle de diaphragme froid, ce dernier joue le rôle de pupille d'entrée du système et contribue à répartir les faisceaux de champ sur différentes zones de la lentille, ce qui permet de corriger localement et séparément les aberrations de différents champs par un choix des courbures des surfaces de la lentille.
Ainsi ce système d'imagerie, comprenant la combinaison entre la lentille et le diaphragme, permet de corriger les aberrations hors champ de manière simple et efficace puisqu'une seule lentille est nécessaire, cette lentille présentant par ailleurs des dimensions classiques, ce qui la rend réalisable facilement et à moindre coût. Ce système se distingue ainsi des architectures classiques, qui nécessitent l'utilisation d'une combinaison de plusieurs lentilles pour obtenir une telle correction, ce qui augmente significativement à la fois l'encombrement et le coût du système. De plus, ce système est très tolérant en ce qui concerne le positionnement de la lentille et du diaphragme, ce qui le rend très robuste d'un point de vue opto-mécanique.
Par ailleurs, l'intégration de la lentille au sein de la chambre obscure permet de s'affranchir du problème de conjugaison des pupilles d'entrée et du diaphragme froid, puisque le diaphragme froid mis en œuvre constitue la pupille d'entrée du système optique.
Enfin, l'homme du métier notera que ce système est d'autant plus compact que le champ à observer est important, ce qui le rend particulièrement bien adapté pour des applications d'observation grand champ.
Avantageusement, la surface de l'un des dioptres de la lentille est plane. La réalisation de la lentille est alors simplifiée par la planéité de la surface d'un des dioptres, seule la forme de l'autre étant à déterminer.
Avantageusement, la lentille est asphérique, ce qui permet de corriger encore plus finement les aberrations de champ par asphérisation de la lentille. Dans ce dernier cas, la surface d'au moins l'un des dioptres de la lentille est avantageusement conique. L'asphérisation de la lentille est alors simplifiée par l'utilisation d'une surface conique facile à mettre en œuvre.
De manière préférentielle, la surface du dioptre de la lentille orienté vers les rayons de champ présente un rayon de courbure plus grand que la surface du dioptre orienté vers le détecteur. Cela permet de compresser les rayons de champ, puisque la traversée du dioptre plan par les rayons de champ compresse les angles de champ par réfraction avant la traversée du second dioptre.
Dans un mode de réalisation visant à minimiser les aberrations en fonction du spectre infrarouge, les surfaces des dioptres de la lentille sont calculées de sorte à corriger les aberrations optiques du système dans le domaine spectral infrarouge.
Dans un mode de réalisation visant à pouvoir utiliser toute la surface du détecteur et donc améliorer la résolution du système, la lentille présente des dimensions sensiblement égales à celle du détecteur.
Dans un mode de réalisation visant à pouvoir utiliser toute la surface de la lentille pour réaliser la correction des aberrations et donc de les corriger de manière plus précise, les dimensions du diaphragme sont choisies de sorte à répartir les rayons de champ sur l'ensemble de la surface de la lentille.
Dans un mode avantageux de réalisation visant à obtenir un effet télécentrique pour tous les rayons de champ, le diaphragme est placé à une distance de la lentille sensiblement égale à la distance focale de la lentille. Chaque rayon de champ arrive ainsi en incidence normale (angle sensiblement de 90°) sur le détecteur. Cet effet est d'autant plus primordial que le système fonctionne dans le domaine infrarouge pour lequel des filtres sont couramment utilisés. En effet, tous les rayons de champ arrivant perpendiculairement sur les détecteurs, ces derniers verront le filtre sous la même « couleur ». Avantageusement, le diaphragme est positionné au niveau d'une paroi de la chambre obscure. Cela permet, d'une part, de faire contenir le système entier dans la chambre obscure et, d'autre part, de minimiser les dimensions de la chambre au strict minimum.
De préférence, l'indice de réfraction de la lentille est supérieur à 3,0. L'utilisation de matériaux à fort indice pour la lentille contribue en effet à améliorer les performances du système. De tels matériaux sont peu dispersifs, ce qui limite les aberrations de chromaticité. Cela permet également de réduire le rayon de courbure de la lentille et donc de réaliser une lentille plus mince et plus facilement réalisable.
Afin de réaliser les différents filtrages nécessaires à la réduction du domaine spectral infrarouge utilisé, par exemple la bande infrarouge II ou III, au moins un filtre est disposé entre le détecteur et la lentille. Cette disposition est d'autant plus avantageuse dans le cas d'un système télécentrique.
Selon un mode particulier de réalisation, la surface du dioptre de la lentille (4) orienté vers les rayons de champ est disposée contre le diaphragme. Cette disposition est obtenue en déposant un masque métallique sur le dioptre de la lentille, ce masque comportant en son centre une ouverture (circulaire ou rectangulaire).
Le système d'imagerie selon l'invention comprend également, de manière privilégiée, un dispositif de refroidissement de l'intérieur de la chambre obscure.
On ne considère maintenant que le cas de détecteurs refroidis. Le hublot de l'enceinte à vide peut être remplacé par une lentille de compression des rayons de champ, ce qui permet au système d'atteindre le très grand champ (typiquement 180°).
Le hublot peut également être remplacé par une lentille de correction d'aberrations optiques, notamment l'aberration de distorsion qui requiert un dispositif de conjugaison optique qui soit symétrique par rapport au plan du diaphragme.
Afin d'augmenter l'ouverture du système et donc sa sensibilité tout en maintenant une fonction de transfert de modulation satisfaisante, il peut être prévu: - de disposer une lentille divergente entre le détecteur infrarouge et le dispositif de conjugaison optique, et/ou
- que la surface avant du détecteur infrarouge présente une courbure non nulle,
- d'ajouter une lame de phase asphérisée est placée entre le hublot ou la lentille le remplaçant et la lentille froide.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'exemples non limitatifs de réalisation, en référence aux figures annexées représentant respectivement :
- la figure 1 , un schéma d'un système d'imagerie grand champ infrarouge selon un premier mode de réalisation de l'invention,
- la figure 2, un schéma d'un système d'imagerie grand champ infrarouge télécentrique, selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, - la figure 3, un schéma d'un système d'imagerie grand champ infrarouge avec filtre, selon un troisième mode de réalisation de l'invention,
- la figure 4, un schéma d'un système d'imagerie grand champ infrarouge selon un quatrième mode de réalisation de l'invention,
- la figure 5, un schéma d'un système d'imagerie grand champ infrarouge selon un cinquième mode de réalisation de l'invention,
- la figure 6, un schéma d'un système d'imagerie grand champ infrarouge selon un sixième mode de réalisation de l'invention, et
- la figure 7, un schéma d'un système d'imagerie grand champ infrarouge selon un septième mode de réalisation de l'invention.
EXPOSE DETAILLE DE MODES DE REALISATION PARTICULIERS Les exemples de réalisation ci-après s'appliquent pour tout système d'imagerie grand champ, dans des bandes spectrales infrarouge, notamment les bandes spectrales II (longueur d'onde entre 3 à 5 micromètres) et III (longueur d'onde entre 8 à 12 micromètres).
La figure 1 représente un schéma d'un système d'imagerie grand champ infrarouge selon un premier mode de réalisation de l'invention.
Le système d'imagerie 1 permet de réaliser la focalisation d'un faisceau de rayons de champ sur un détecteur dans une bande spectrale infrarouge. Ces rayons de champ proviennent de la scène à imager. Il comprend pour cela une enceinte à vide 13 munie d'un hublot 14, une chambre obscure 3, un détecteur infrarouge 2, un dispositif de conjugaison optique 4 et un diaphragme 5.
La chambre obscure 3 est refroidie au moyen du dispositif de refroidissement
13, par exemple une enceinte à vide. Cette enceinte présente une ouverture 5' dans le prolongement de l'ouverture 5 de la chambre obscure, suivant l'axe A du système 1. Devant cette ouverture 5' est disposée un hublot 14.
La chambre obscure 3 est une structure mécanique régulée en température.
Elle se présente sous la forme d'une boîte noire comportant une seule ouverture correspondante au diaphragme 5, qui joue ici le rôle de diaphragme de la chambre obscure. La chambre obscure 3 et le diaphragme 5 permettent de limiter de manière significative le flux parasite thermique susceptible de biaiser la mesure dans le domaine infrarouge.
Le détecteur 2 est un capteur infrarouge. Il est intégré dans la chambre obscure
3 de manière à être accolé à la paroi de la face arrière de la chambre. Il est constitué d'une matrice bidimensionnelle d'éléments de détection. Selon un autre mode de réalisation, le détecteur est constitué d'une barrette monodimensionnelle d'éléments de détection. Ce détecteur dispose d'une réponse spectrale élevée dans la bande spectrale infrarouge utilisée pour l'application. Cette bande spectrale pourra être déterminée par un filtre passe-bande disposé entre le détecteur et la lentille asphérique 4, comme décrit plus loin en référence à la figure 3.
Le dispositif de conjugaison optique 4 permet de conjuguer optiquement les rayons de champ avec le détecteur 2. Il est constitué d'une lentille asphérique 4 intégrée dans la chambre obscure 3. Cette lentille 4 est placée à une distance du détecteur 2 sensiblement égale à sa distance focale F de sorte à focaliser précisément les rayons de champ sur le détecteur.
La lentille 4 se présente sous la forme d'une lentille plan convexe dont l'indice de réfraction est positif. Dans le présent exemple de réalisation, la surface du deuxième dioptre 7, orienté vers le détecteur, est asphérique afin de corriger les aberrations de champ. La surface du premier dioptre 6, orienté vers les rayons de champ, est plane. Cette lentille plan convexe, dont une seule surface est à asphériser, est ainsi rendue plus simple à fabriquer industriellement.
Dans un autre mode de réalisation, la lentille 4 n'est pas asphérique. Elle présente une forme plan convexe, avec le deuxième dioptre ayant une surface sphérique. L'utilisation d'une telle lentille corrige de manière moins optimale les aberrations mais est plus simple à réaliser.
La lentille 4 est ainsi positionnée de manière à ce que le deuxième dioptre 7, dont la surface présente une courbure non nulle, soit orienté vers le détecteur 2, par rapport au premier dioptre 6 dont la surface est plane. Cela permet de compresser au mieux les rayons de champ qui traversent les deux dioptres de la lentille.
Selon d'autres modes de réalisation, il est possible de réaliser la lentille 4 de sorte que les surfaces de ses deux dioptres 6 et 7 présentent une courbure non nulle.
La surface du deuxième dioptre 7 de la lentille 4 est calculée de sorte à réaliser trois fonctions : la déviation des rayons de champ, la focalisation de ces mêmes rayons de champ et la correction des aberrations optiques sur l'ensemble du champ dans le domaine spectral infrarouge souhaité.
La lentille 4 présente des dimensions sensiblement égales à celle du détecteur
2, de sorte à répartir les rayons de champ sur toute la surface du détecteur et ainsi utiliser l'ensemble du détecteur, ce qui permet d'obtenir une meilleure résolution du système.
L'indice de réfraction de la lentille 4 est préférentiellement supérieur à 3,0. Les matériaux utilisés pour réaliser une telle lentille peuvent être par exemple du germanium, dont l'indice est égal à 4,0, ou du silicium, dont l'indice est égal à 3,5. Plus généralement, la lentille peut être réalisée dans tout type de matériau à fort indice. Cela contribue en effet à améliorer les performances du système, puisqu'ils limitent les aberrations de chromaticité du fait de leur faible dispersion chromatique.
Un fort indice de réfraction permet également de réduire le rayon de courbure de la lentille et donc de réaliser une lentille plus mince. En effet, la longueur maximale du système d'imagerie est proportionnelle à l'indice de réfraction et à la distance focale de la lentille. Il apparaît ainsi que plus l'indice est fort et moins la taille du système sera limitante.
Le diaphragme 5 (diaphragme froid, c'est-à-dire pupille du système) permet la répartition des rayons de champ sur la lentille 4. Il est pour cela positionné devant cette lentille 4 et présente des dimensions inférieure à celle-ci, de sorte à être la pupille d'entrée du système. Plus précisément, les dimensions du diaphragme 5 sont choisis en fonction de l'ouverture α du système optique, de sorte à répartir les rayons de champ sur l'ensemble de la surface de la lentille. On utilise ainsi la surface de la lentille de manière optimale pour corriger les aberrations.
Ce diaphragme 5 est positionné au niveau d'une paroi de la chambre obscure 3 de sorte à jouer le rôle de diaphragme froid de la chambre obscure. Il permet ainsi de réduire l'influence thermique du fond ambiant en délimitant l'angle de vue de ce fond ambiant. La chambre présente ainsi au niveau du diaphragme sa seule ouverture, dont les dimensions correspondent exactement à celle du diaphragme 5. Le système entier est alors contenu dans la chambre obscure.
Tous les éléments du système - la chambre obscure, le détecteur, la lentille et le diaphragme - sont centrés au niveau de l'axe optique A du système 1.
L'homme du métier, de par ses connaissances générales en opto-mécanique, sera à même de réaliser la conception de ce système sur la base des éléments décrits ci-dessus. En particulier, il pourra réaliser le diaphragme 5 par simple perforation d'une paroi de la chambre obscure 3, disposer correctement la lentille 4 par l'intermédiaire par exemple d'éléments d'entretoise et accoler le détecteur 2 sur la face arrière de l'intérieur de la chambre obscure 3.
Ce système présente l'avantage d'être très compact, par rapport à des architectures selon l'état de la technique, tout en fournissant des mesures précises sur un champ de visualisation très grand.
II convient par ailleurs de noter que la limitation de champ de ce système est liée à la taille de la lentille et/ou de la dimension du détecteur.
Il convient également de noter que plus le système visualise un champ important et plus il est compact. Dans le cas par exemple d'un système contenant une lentille d'épaisseur au centre 2 millimètres et un détecteur d'épaisseur 7,5 millimètres, visualisant un champ de 60°, l'encombrement est égal à 13 millimètres. En comparaison, un système contenant les mêmes lentille et détecteur, mais visualisation un champ de 90°, présente un encombrement de 10 millimètres.
La figure 2 représente un schéma d'un système d'imagerie grand champ infrarouge télécentrique, selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. Ce système d'imagerie présente des propriétés de télécentrisme par un placement adéquat du diaphragme 5 à une position privilégiée devant la lentille. A cet effet, le diaphragme 5 est placé devant la lentille 4, à une distance de celle-ci sensiblement égale à la distance focale F de la lentille 4. L'effet télécentrique obtenu pour tous les rayons de champ correspond au fait que tous les rayons principaux, c'est-à-dire tous les rayons de champ passant par le centre de la pupille d'entrée - le diaphragme 5 -, vont arriver sur le détecteur 2 parallèlement à l'axe optique A.
Pour obtenir cette position privilégiée du diaphragme 5, un ajustement de sa position autour de la position décrite ci-dessus peut être nécessaire du fait de l'épaisseur de le lentille et des forts champs utilisés.
La figure 3 représente un schéma d'un système d'imagerie grand champ infrarouge avec filtre, selon un troisième mode de réalisation de l'invention.
Un filtre 11 est disposé entre le détecteur 2 et la lentille asphérique 4. Ce filtre est disposé en avant du détecteur pour filtrer la bande spectrale infrarouge souhaitée. Il permet également de corriger les problèmes de longueur d'onde de coupure du détecteur, ainsi que des problèmes radiométriques.
L'homme du métier comprendra qu'il est nécessaire d'ajuster les positions des différents éléments, en particulier de la lentille 4, pour compenser le décalage engendré par l'introduction de la lame à faces parallèles que constitue un filtre.
Dans ce mode de réalisation, le diaphragme est également positionné de sorte à disposer d'un système télécentrique. La propriété télécentrique du système est particulièrement fondamentale dans le domaine infrarouge lorsqu'un filtre est utilisé en avant du détecteur. En effet, les filtres utilisés présentent la particularité de filtrer suivant des longueurs d'onde différentes des rayons arrivant sur le filtre avec des inclinaisons différentes. Dès lors, avec un système télécentrique, dans la mesure où tous les rayons principaux arrivent perpendiculairement sur le filtre, ils verront tous le filtre de la même « couleur », c'est-à-dire avec la même longueur d'onde. La figure 4 représente un schéma d'un système d'imagerie grand champ infrarouge, selon un quatrième mode de réalisation de l'invention.
Dans ce mode de réalisation, la lentille 4 est plan convexe, le dioptre plan étant le dioptre 6 orienté vers les rayons de champ. Ce dioptre plan 6 est disposé contre le diaphragme 5. Pour mettre en œuvre ce mode de réalisation, on dépose un masque métallique 12 sur le dioptre de la lentille 4, ce masque comportant en son centre une ouverture circulaire correspondant au diaphragme 5. Le diaphragme n'est ainsi plus constitué d'une ouverture dans une pièce mécanique mais d'une ouverture dans un masque métallique 12 déposé sur la lentille 4.
La figure 5 représente un schéma d'un système d'imagerie grand champ infrarouge, selon un cinquième mode de réalisation de l'invention.
Dans ce mode de réalisation, le hublot 14 est remplacé par une lentille 14' de compression des rayons de champ, dont la forme est déterminée de sorte à compresser les rayons de champ et donc à faire en sorte que des rayons très inclinés par rapport à l'axe A puisse atteindre le détecteur 2. Cette lentille 14 a pour fonction de convertir un cône d'observation très grand champ en un cône d'observation pouvant être imagé par la chambre obscure 3 à lentille intégrée.
Elle permet donc au système d'imagerie d'atteindre le très grand champ (typiquement 180°) et rend donc possible la réalisation de caméras dans le domaine infrarouge, à très grand champ (« fish eye » en langue anglo-saxonne) et qui soit à la fois très compact et à faible coût.
Dans le cas précis d'un système intégré dans un cryostat, comme illustré en figure 5, cette lentille 14 peut judicieusement remplacer le hublot du cryostat. Elle remplit alors également une fonction supplémentaire d'étanchéité du cryostat, à la place du hublot qui assure habituellement cette fonction. La figure 6 représente un schéma d'un système d'imagerie grand champ infrarouge, selon un sixième mode de réalisation de l'invention.
Ce mode de réalisation évolue par l'intégration entre la lentille 4 et le détecteur 2 d'une lentille divergente 15 permettant d'augmenter l'ouverture du système 1 et donc sa sensibilité, tout en maintenant une fonction de transfert de modulation qui soit satisfaisante. Cette lentille 15 peut être réfractive ou diffractive.
Dans le cas d'une configuration utilisant un micro-bolomètre, la lentille 15 peut être astucieusement intégrée à la place du hublot du détecteur.
La figure 7 représente un schéma d'un système d'imagerie grand champ infrarouge, selon un septième mode de réalisation de l'invention.
Dans ce mode de réalisation, la surface avant 2' du détecteur infrarouge 2 présente une courbure non nulle. Cette courbure du plan focal infrarouge permet d'augmenter l'ouverture du système 1 et donc sa sensibilité, tout en maintenant une fonction de transfert de modulation qui soit satisfaisante.
A ce titre, la surface avant 2' du détecteur 2 peut avoir une forme sphérique, asphérique ou être composée d'une série de petits détecteur plans dont les sommets reposent sur une structure sphérique ou sphérique.
Les modes de réalisation précédemment décrits de la présente invention sont donnés à titre d'exemples et ne sont nullement limitatifs. Il est entendu que l'homme du métier est à même de réaliser différentes variantes de l'invention sans pour autant sortir du cadre du brevet.
En particulier, il peut être procédé aux modifications suivantes : - le hublot 14 est remplacé par une lentille de correction d'aberrations optiques, notamment l'aberration de distorsion qui requiert un dispositif de conjugaison optique 4 qui soit symétrique par rapport au plan du diaphragme, et/ou une lame de phase asphérisée est placée entre le hublot 14 ou la lentille le remplaçant et la lentille froide 4.