EP0099769A1

EP0099769A1 - Dispositif d'analyse d'un champ spatial pour la localisation angulaire d'un objet rayonnant

Info

Publication number: EP0099769A1
Application number: EP83401158A
Authority: EP
Inventors: Christian Pepin; Yves-Antoine Emmanuelli; Jean-Louis Beck; Christian Sez
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1982-06-18
Filing date: 1983-06-07
Publication date: 1984-02-01
Also published as: FR2528981B1; DE3371691D1; FR2528981A1; EP0099769B1

Abstract

Dispositif permettant de réaliser de manière simple une détection d'image vidéo par balayage circulaire du champ et particulièrement adapté à une intégration gyro-stabilisée. Le dispositif comporte une optique réceptrice constitué par un montage Cassegrain avec un miroir principal (1) et un miroir secondaire (2) montés sur un même axe optique (Z), le miroir secondaire étant constitué par un dièdre droit tournant entraîné en rotation autour de l'axe (Z) et dont l'arête est perpendiculaire à cet axe. Dans une version gysroscopée le dièdre est entraîné par la toupie du gyroscope. Le rayonnement est focalisé sur une barrette détectrice (3) disposée radialement par rapport à l'image du champ. Une optique de reprise d'image peut être utilisée pour positionner le détecteur en aval. Le montage sur gyroscope peut être prévu pour réaliser une version à senseur fixe ou porté par la tête stabilisée. L'invention s'applique notamment aux autodirecteurs à imagerie infrarouge.

Description

La présente invention concerne un dispositif d'analyse d'un champ spatial pour la localisation angulaire d'un objet rayonnant dans le champ et dans lequel l'image vidéo est formée par balayage circulaire de champ. L'invention s'applique plus précisément aux systèmes équipés d'une barrette détectrice en tant que dispositif photodétecteur ou senseur d'image, et où l'on effectue une analyse circulaire de l'image du champ instantané observé.
Une application plus particulièrement envisagée se situe dans le domaine des autodirecteurs pour missiles, principalement des autodirecteurs infrarouges à imagerie ou pseudo-imagerie.
Il est connu par le livre de J.M. Lloyd intitulé "Thermal imaging systems" édité par Plenum Press 2ème édition 1979, notamment aux pages 319, 322 et 323, de produire un balayge circulaire d'image par rotation de celle-ci devant une barrette détectrice disposée radialement, en utilisant un dièdre droit réfléchissant entraîné en rotation autour d'un axe perpendiculaire à son arête.
Suivant une première solution l'axe de rotation est parallèle à l'axe de l'optique réceptrice et un miroir additionnel est utilisé pour réfléchir le rayonnement vers la barrette qui est déportée par rapport à l'axe. Selon une autre solution, l'axe de rotation est perpendiculaire à celui de l'optique et un miroir interne incliné à 45° sur l'axe optique renvoie le rayonnement vers le dièdre qui le réfléchit vers le détecteur disposé à l'arrière d'une ouverture ménagée dans le miroir.
Aucune de ces solutions n'est aisément adaptable avec une liaison gyro-stabilisée de l'optique par défaut de symétrie d'exécution par rapport à l'axe optique ; ces montages ne permettent pas d'utiliser de manière simple la toupie pour faire tourner le dièdre. Il y a une perte photométrique à cause du miroir additionnel qui intercepte une partie du rayonnement, ou à cause du rayonnement qui n'est pas réfléchi à l'endroit de la partie évidée.
Le but de l'invention est de réaliser un dispositif de formation d'image vidéo en balayage circulaire de champ dans lequel ces inconvénients sont évités et qui s'intègre bien dans une version gyro-stabilisée.
L'invention propose de réaliser un dispositif de formation d'image vidéo par balayage circulaire de champ comportant une optique réceptrice qui produit l'image du champ observée dans un plan, une barrette photodétectrice localisée dans ce plan, et des moyens optiques intermédiaires pour produire un balayage circulaire par rotation de l'image devant la barrette disposée radialement, ces moyens optiques utilisant un dièdre droit réfléchissant entraîné en rotation autour d'un axe perpendiculaire à son arête, et dans lequel l'optique réceptrice est constituée au moyen d'un montage Cassegrain avec un miroir principal et un miroir secondaire montés sur un même axe optique, le miroir secondaire étant constitué par le dièdre tournant, l'axe de rotation correspondant à l'axe optique du montage Cassegrain.
Les particularités et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description qui suit donnée à titre d'exemple non limitatif, à l'aide des figures annexées qui représentent :

- Fig.l, un schéma simplifié d'un dispositif de formation d'image vidéo conforme à l'invention ;
- Fig.2, un schéma rappelant le principe d'élaboration d'un balayage circulaire d'image à l'aide d'un dispositif optique tournant ;
- Fig.3, le cheminement optique du rayonnement dans un montage dérivé de celui de la Fig.l et dans un plan passant par l'axe optique et orthogonal à l'arête du dièdre réfléchissant ;
- Fig.4, le cheminement du rayonnement reçu dans la même version que la Fig.3 mais cette fois dans un plan orthogonal au précédent et passant par l'arête du dièdre réfléchissant ;
- Fig.5, un exemple de réalisation d'un dispositif de formation d'image vidéo conforme à l'invention dans une version gyroscopée à détecteur fixe ; ¹
- Fig.6, un autre mode de réalisation d'un dispositif de formation d'image vidéo conforme à l'invention dans une version gyroscopée à détecteur porté par la tête stabilisée.

Le schéma de la Fig.l représente un dispositif de formation d'image vidéo conforme à l'invention, comportant une optique réceptrice 1 qui produit l'image du champ observé dans un plan, une barrette photodétectrice 3 localisée dans ce plan et des moyens optiques intermédiaires utilisant un dièdre droit réfléchissant 2 entraîné en rotation autour d'un axe perpendiculaire à son arête pour produire un balayage circulaire par rotation de l'image du champ devant la barrette 3 disposée radialement. Selon l'invention l'optique réceptrice est constituée par un montage Cassegrain avec un miroir principal 1 qui focalise le rayonnement incident par l'intermédiaire du miroir secondaire 2 monté sur le même axe optique Z. Le miroir secondaire est constitué par le dièdre tournant 2, l'axe de rotation du dièdre réfléchissant correspondant à l'axe optique Z du montage Cassegrain. Le rayonnement reçu après réflexions sur les miroirs 1 et 2 est focalisé dans le plan de la barrette 3. Le bloc 4 représente des moyens d'entraînement en rotation du dièdre réfléchissant 2. Le bloc 5 représente les circuits de traitement et d'exploitation du signal vidéo SV détecté par la barrette d'élément photodétecteurs 3.
Pour produire un balayage circulaire à l'aide d'un dispositif optique tournant, il faut et il suffit que ce dispositif présente certaines caractéristiques qui sont rappelées à l'aide de la Fig.2. Dans un plan de coupe longitudinale, dit plan non inverseur PNI, le dispositif forme une image directe d'un objet ; ainsi l'objet OB à pour image O'B' de même sens. Dans un deuxième plan de coupe longitudinale, dit plan inverseur PI et perpendiculaire au précédent, le dispositif optique forme une image inversée d'un objet ; ainsi, l'objet OA aura pour image O'A' de direction inversée. Il n'a pas été tenu compte du grandissement sur ce schéma. Il apparaît que le dispositif est équivalent à une symétrie par rapport à une droite dans le plan image. Si l'on fait tourner le dispositif optique D d'un angle θ , l'image tourne dans le même sens d'un angle double de 2 θ, cette propriété étant générale pour tous ces types de dispositifs.
Un dièdre rectangle constitué de deux miroirs plan placés dans un chemin optique fournit ainsi une image symétrique par rapport à la droite d'intersection des deux faces du dièdre, dite arête du dièdre. Cette propriété d'optique géométrique est bien connue et si l'on considère un axe de rotation perpendiculaire à l'arête, on dispose d'un plan inverseur contenant l'axe de rotation et perpendiculaire à l'arête du dièdre et d'un plan non inverseur contenant l'axe de rotation et l'arête du dièdre. Le montage à dièdre droit tournant résout donc bien le problème du balayage circulaire du champ.
La solution retenue qui consiste à remplacer le secondaire de l'optique type Cassegrain par le dièdre dont l'arête prend la place du miroir secondaire est particulièrement intéressante dans une application à un autodirecteur à imagerie vidéo étant donné que l'axe de rotation se trouve confondu avec l'axe optique du dispositif. Sur le plan du principe, la condition à vérifier est que l'arête du dièdre passe par l'axe de rotation et est perpendiculaire à cet axe. Ainsi, il n'est pas obligatoire que le dièdre soit positionné symétriquement par rapport à l'axe de rotation mais, pour des considérations d'ordre pratique et de réalisation, la position symétrique sera celle retenue car elle évite d'avoir des inconvénients sur le plan optique d'une part compte-tenu que la pupille serait disymétrique, sur le plan mécanique d'autre-part en particulier dans une version gyro-stabilisée par suite des questions de balourd et d'équilibrage que celà risque de poser.
Les figures 3 et 4 montrent le trajet optique des rayons lumineux. On a considéré que le champ angulaire observé est compris entre les directions extrêmes données par les rayons R2 et R3, le rayon RI correspondant à la direction médiane parallèle à l'axe optique Z du système. L'arête du dièdre est perpendiculaire au plan de figure dans la Fig.3 et passe par ce plan dans le cas de la Fig.4. Par rapport à la structure de la Fig.l, le montage comporte des éléments optiques supplémentaires, en particulier une optique de reprise d'image 7 ce qui permet de placer le détecteur 3 plus loin en aval sur l'axe Z. Dans une version selon la Fig.l le détecteur se trouverait placé au plan focal indiqué PF. Chacune de ces versions correspond à un mode de réalisation décrit ultérieurement à l'aide des figures 5 et 6 où le senseur est fixe ou porté par la partie gyro-stabilisée. L'ensemble Cassegrain groupant le miroir principal 1 et le miroir secondaire formé par le dièdre tournant 2 focalise le rayonnement de champ au plan focal PF où va se trouver l'image du champ. L'optique 7 constituée par une lentille convergente permet de reprendre l'image du champ dans le plan PF pour la reformer en aval dans un plan où sera positionnée la barrette photodétectrice 3. Cette version correspond à celle d'un senseur fixe porté par le corps du missile. Comme on peut le voir la lentille 7 n'est pas utile dans sa partie centrale et celle-ci peut éventuellement être évidée. En complément, il est prévu un miroir sphérique 8 dont le centre de courbure se situe sur l'axe Z dans le plan où est positionnée la barrette, en sorte de renvoyer vers le détecteur le rayonnement réfléchi par celui-ci. Le dépôt réfléchissant est réparti sur un support sphérique en ménageant la zone circulaire transparente nécessaire pour le passage du rayonnement utile. Le miroir se situe à l'endroit où se trouve formée une pupille réelle PR. Le support peut être réalisé à l'aide d'un élément en matériau transparent, un verre par exemple, ou à l'aide de deux éléments opaques, métalliques par exemple. Le montage avec le miroir 8 est utile dans le cas d'un détecteur infrarouge refroidi car il permet de limiter le bruit résultant de la détection du fond continu par le détecteur. Cette technique est décrite dans la publication de brevet français numéro 2.487.512 (dépôt n° 80.16126 du 22 juillet 1980). Il est avantageux dans le cas d'un senseur infrarouge, fixe au centre de suspension du gyroscope, de placer dans le plan de pupille réelle PR le miroir sphérique 8 dont le centre est le détecteur lui-même ce qui permet de diminuer le bruit en sortie du détecteur. L'avantage est d'autant plus important que dans un concept à détecteur fixe, à cause des débattements de la ligne de visée, le champ de vision du détecteur est nécessairement plus grand que ce qu'il faudrait pour couvrir la pupille utile.
La Fig.5 se rapporte à une réalisation pour un autodirecteur à balayage circulaire à dièdre dans lequel le détecteur ou senseur est fixe, porté par le corps du missile. La barrette détectrice 3 est positionnée sur la table froide d'un dispositif de refroidissement 10, par exemple un cryostat. La barrette se trouve positionnée au centre de suspension du gyroscope qui est indiqué par l'intersection de l'axe Y avec l'axe Z, l'axe Y étant l'un des axes de rotation mécanique du cardan. Dans ce montage l'ensemble optique 1 et 2 est entraîné en rotation par la toupie gyroscopique 11 ce qui donne une vitesse angulaire d'analyse d'image double de la vitesse de rotation de la toupie. Il y a une légère différence au niveau de l'optique de reprise vis-à-vis de la représentation Fig.3 et Fig.4 en ce sens que cette optique est consituée par deux lentilles, une lentille 7A qui transforme le faisceau provenant du plan focal en un faisceau parallèle et une lentille 7B qui reconcentre le faisceau au niveau du détecteur 3. Le miroir sphérique 8 est constitué par un ensemble de deux pièces mécanique 8A et 8B, la pièce 8B étant solidaire de l'optique transparente 7B qui est évidée dans sa partie centrale. Les roulements 12 permettent de désolidariser l'optique terminale 7B-8A-8B de la rotation de la toupie. La toupie 11 comporte un aimant annulaire 13 qui subit les effets magnétiques engendrés par les bobines 14 dites de précession et qui sont montées fixes sur un support mécanique 15 qui est solidaire du corps 16 du missile. La toupie 11 est découplée du cadre 17 lié au cardan central par les roulements à billes 12. Le deuxième axe mécanique du cardan est perpendiculaire au plan de figure et non visible dans le plan médian de coupe représenté. La rotation selon l'axe Y est découplée du corps du missile 16 par les roulements à billes 18. Le miroir secondaire 2 consistué par le dièdre droit est supporté par des bras 19, par exemple deux bras de faible épaisseur pour le coupler mécaniquement à la toupie. On notera également la présence d'un diaphragme 20 qui permet de limiter l'entrée de rayonnement parasite.
La Fig.6 représente une deuxième application à un autodirecteur à balayage circulaire à dièdre et dans laquelle cette fois le senseur est porté par le cardan et non plus par le corps du missile, le détecteur 3 est ainsi solidaire du dépointage angulaire de l'axe de visée Z et non plus de l'axe longitudinal du missile. Dans cette version le détecteur sera préférentiellement constitué par une barrette détectrice avec multiplexage intégré dans le plan focal afin de minimiser le nombre de fils de liaison allant vers des circuits de traitement en aval. Dans cette configuration l'optique est particulièrement simple puisqu'elle comporte le miroir principal du Cassegrain asphérique, et le miroir secondaire constitué par le dièdre 2. Il n'y a pas d'élément dioptrique, la bande spectrale est donc très large. Les débattements angulaires de l'axe Z de visée ne sont pas limités comme dans le cas de la Fig.5 étant donné que le senseur est solidaire de la structure gyroscopée.

Claims

1. Dispositif de formation d'image vidéo par balayage circulaire de champ, comportant une optique réceptrice qui produit l'image du champ observé dans un plan, un dispositif photodétecteur localisé dans ce plan et des moyen optiques intermédiaires pour produire un balayage circulaire d'image dans ce plan, ces moyens optiques utilisant un dièdre droit réfléchissant entraîné en rotation autour d'un axe perpendiculaire à son arête, le dispositif de formation d'image vidéo étant caractérisé en ce que l'optique réceptrice est constituée au moyen d'un montage Cassegrain avec un miroir principal (1) et un miroir secondaire (2) montés sur un même axe optique (Z), le miroir secondaire étant constitué par le dit dièdre tournant, l'axe de rotation correspondant à l'axe optique du montage Cassegrain.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif détecteur est constitué par une barrette photodétectrice (3) localisée dans le plan focal de l'optique réceptrice où se produit l'image du champ observé et que la barrette est disposée radialement par rapport au balayage circulaire du champ.

3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif détecteur est constitué par une barrette photodétectrice et que l'optique réceptrice comporte un élément supplémentaire de reprise de l'image du champ formée dans le plan focal du montage Cassegrain pour reformer cette image dans un autre plan où se trouve située la barrette radialement par rapport au balayage circulaire du champ.

4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'optique de reprise d'image est une lentille convergente (7) qui permet de déterminer avec le montage Cassegrain un plan intermédiaire entre cette lentille et la barrette photodétectrice, plan où se forme une pupille réelle (PR), et que dans ce plan se trouve disposé un miroir sphérique (8) ménagé avec des ouvertures pour laisser passer le rayonnement utile et réfléchissant en dehors de ces ouvertures pour renvoyer vers le détecteur le rayonnement émis par celui-ci.

5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de gyro- stabilisation de l'axe optique (Z) et que le dièdre est entraîné par la toupie (11) du montage gyroscopique.

6. Dispositif selon les revendications 2 et 5, utilisé pour constituer un autodirecteur à capteur mobile porté par le gyroscope.

7. Dispositif selon l'ensemble des revendications 4 et 5 utilisé pour constituer un autodirecteur à capteur fixe, caractérisé en ce que la barrette détectrice est positionnée au centre de suspension du gyroscope et est solidaire du corps (16) du missile.