FR2683639A1 - Dispositif de microbalayage et camera infrarouge equipee d'un tel dispositif. - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un dispositif de microbalayage pour dévier périodiquement un faisceau convergent. Le dispositif selon l'invention se compose d'un assemblage (33) composé d'un nombre pair de lames minces (21 à 28) 2 à 2 opposées, formant un polygone régulier. L'assemblage possède un axe de symétrie (DELTA), disposé perpendiculairement à la direction (Rm) du faisceau convergent (FC), et est animé d'un mouvement de rotation uniforme autour de l'axe (DELTA). L'invention s'applique au microbalayage selon un ou deux directions, selon la forme du profil des lames minces, pour des détecteurs bidimensionnels des caméras infrarouges.

Description

DISPOSITIF DE MICROBALAYAGE ET CAMERA
INFRAROUGE EQUIPEE D'UN TEL DISPOSITIF.

L'invention concerne le domaine de la détection infrarouge, plus particulièrement de la détection par caméras infrarouges utilisant, comme détecteurs, des mosaïques bidimensionnelles de cellules photosensibles élémentaires.

L'objet de 1' invention est un dispositif de microbalayage destiné notamment à de telles caméras d'observation infrarouge.

Les détecteurs à mosaique bidimensionnelle constituée d'un grand nombre de cellules photosensibles (par exemple 256 x 256) possèdent l'avantage, par rapport aux barrettes de détection, de pouvoir former directement un signal vidéo, sans nécessiter de balayage.

En effet, alors qu'unie barrette de détection est constituée d'un nombre très limité de cellules élémentaires, au moins sur une dimension, nécessitant le balayage adapté d'une image de la scène observée, les détecteurs bidimensionnels, plus récemment mis au point, constituent de véritables rétines électroniques, et l'image de la scène projetée sur le détecteur ayant dans ce cas des dimensions équivalentes à celles du détecteur.

Cependant, les cellules photosensibles de telles mosaïques sont séparées par des zones non sensibles représentant globalement un pourcentage important de la surface totale du détecteur. Par exemple, sur une mosaïque de 128 x 128 cellules sensibles dans la bande 3-5 ,um, les zones sensibles n'occupent que 25 96 de la surface totale. La présence nécessaire d'une "trame" aveugle, constituée par les zones non sensibles entre les cellules photosensibles disjointes, résulte des contraintes liées à la technologie des circuits intégrés au détecteur bidimensionnel.

En effet, le signal vidéo, fourni par les détecteurs bidimensionnels, n'est obtenu qu'après multiplexage et lecture des charges délivrées par les cellules, proportionnellement au flux lumineux reçu dans une bande spectrale infrarouge donnée (par exemple dans la bande 3-5 lun ou 8-12 Cun correspondant à des fenêtres de transmission atmosphériques). Le multiplexage et la lecture des charges sont effectués classiquement à travers des circuits à transfert de charges CCD (initiales de Charge
Coupled Device, en terminologie anglosaxonne) ou CID (Circuit à
Injection de Charges) constitués de zones d'intégration et de transfert de charges dont les dimensions ne peuvent être réduites arbitrairement.

Afin d'obtenir une continuité spatiale de détection malgré l'effet de "trame" produit par la présence de cette trame aveugle, un microbalayage du faisceau provenant de la scène est nécessaire. Selon l'art antérieur, un tel microbalayage est obtenu par la vibration d'une lame à faces parallèles, disposée entre un objectif de focalisation et le détecteur. Des solutions de ce types sont classiques et ont été proposées, par exemple dans les brevets EP 289 182 ou JP 61 236 282 (Patent Abstracts
Vol. II, nO 81 (E -488) [25281). Mais ces dispositifs ne sont pas stables dans le temps du fait des problèmes inhérents à la vibration (effet de flou, déréglage, usure accélérée, ...).

L'invention vise à obtenir une continuité spatiale de la surface de détection d'un détecteur bidimensionnel, permettant d'augmenter le nombre de pixels dans l'image finale formée à partir d'un signal vidéo délivré par le détecteur, tout en s'affranchissant des inconvénients des systèmes vibratoires de l'art antérieur. Pour atteindre cet objectif, la présente invention propose d'effectuer un microbalayage mono ou bidirectionnel à l'aide d'un assemblage de lames minces, animé d'un mouvement de rotation uniforme autour d'un axe perpendiculaire au faisceau lumineux convergent provenant de la scène observée.

Plus précisément, l'invention concerne un dispositif de microbalayage pour dévier périodiquement la direction d'un faisceau lumineux convergent, caractérisé en ce qu'il comporte un nombre pair de lames optiques 2 à 2 parallèles associées de façon à constituer un assemblage à section polygonale autour d'un axe de symétrie, perpendiculaire à la direction moyenne du faisceau lumineux convergent.

L'invention concerne également une caméra infrarouge comportant un tel dispositif de microbalayage.

D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui suit, en référence aux figures annexées qui représentent, respectivement
- les figures la et lb, un dispositif classique pour l'obtention d'un balayage grande amplitude, disposé respectivement en coupe verticale selon une première et une seconde position angulaire
- la figure 2, un exemple de réalisation du dispositif selon l'invention appliqué à un microbalayage monodirectionnel, ce dispositif étant vu en coupe selon un plan perpendiculaire à son axe de symétrie
- la figure 3, un exemple d'organisation opto-électronique d'une caméra infrarouge à détecteur bidimensionnel selon l'invention;;
- la figure 4, un schéma illustrant l'effet produit par un microbalayage selon deux directions
- la figure 5, un exemple de réalisation du dispositif selon l'invention appliqué à un microbalayage bidirectionnel, le dispositif étant vu en coupe selon un plan de symétrie.

Afin de définir les bases de l'optique géométrique sur lesquelles s'appuie la présente invention, il est intéressant de décrire, en premier lieu, une solution classiquement retenue pour obtenir un balayage de grande amplitude sur une barrette de détection.

Cette solution met en oeuvre un prisme réfringent polygonal, tel que celui référencé 1 sur les figures la et lb qui le représentent en coupe horizontale, respectivement, selon une première et une seconde position angulaire. Un tel prisme est décrit dans l'ouvrage de G. GAUSSORGUES intitulé "La thermographie infrarouge", publié aux éditions LAVOISIER (TEC et DOC).

Sur la figure la, un faisceau parallèle FE, issu de la scène à observer, traverse une lentille convergente 2, de centre 0, qui en forme un faisceau conjugué convergent FC, projeté en un point de focalisation occupant une position Po. Un rayon moyen Rm des faisceaux FE puis PC, définissant leur direction moyenne, est confondu avec l'axe optique AOP A'
o représente en traits mixtes. Le faisceau convergent FC pénètre dans le prisme polygonal 1 et ressort de ce prisme selon un faisceau de même convergence qui finalement focalise sur une barrette de détection 3, disposée précisément dans le plan de focalisation de l'ensemble lentille 2-prisme 1.Le prisme 1 est constitué par un matériau réfringent taillé selon un polygone régulier comportant un nombre pair de facettes planes, par exemple 8 facettes référencées 11 à 18. Ainsi chaque couple de facettes opposées, telles que il et 15, constitue une lame à faces planes et parallèles qui ne modifie pas la convergence d'un faisceau incident.

L'effet utilisé pour effectuer un balayage grande amplitude, mis en évidence par la figure lb, est le décalage du trajet optique d'un rayon lumineux provoqué par la traversée d'une lame à faces parallèles inclinées par rapport à ce rayon.

Sur la figure lb, le prisme 1 a tourné d'un angle K par rapport à sa position occupée sur la figure la.

L'angle - > est défini comme l'écart angulaire entre l'axe optique AA', et la normale aux facettes opposées traversées par le faisceau convergent. Le faisceau extérieur FE qui converge finalement sur la barrette 3 est alors incliné d'un angle O et le faisceau PC, conjugué de FE, converge virtuellement en un point qui occupe alors une position P1 différente de la position PO. Le rayon moyen Rm n'est plus confondu avec l'axe optique AA'.

Le point de convergence est dévié latéralement de sa position Po occupée sur la figure la. Le calcul de la déviation latérale P1 PO, notée ci-après . x, est conduit à partir du trajet suivi par le rayon moyen Rm du faisceau lumineux, en fonction de l'épaisseur e de prisme traversée, de l'indice de réfraction n du prisme et de l'angle . Cette déviation a pour expression

Pour de faibles valeurs de - , , exprimées en radians, cette expression prend la forme simplifiée suivante x = e. (11) (Il)
Ainsi, lorsque l'angle i varie, chaque cellule élémentaire de la barrette "voit" des zones d'espace juxtaposées formant une bande d'espace appelée "ligne" d'image de la scène observée.Une image complète de la scène observée est ainsi balayée par la barrette. Le passage du faisceau FC sur une arête du prisme 1 séparant deux facettes entraîne une discontinuité du balayage qui revient en début d'image par passage d'un couple de lames au suivant, tels que M-15 et 12-16 sur la figure la.

L'invention exploite cette même possibilité d'obtenir une déviation latérale d'un faisceau convergent par traversée d'un élément optique à faces parallèles et inclinées par rapport à l'axe moyen de ce faisceau. Mais pour ne provoquer balayage angulaire de très faible amplitude, encore appelé microbalayage, opposé au type de balayage précédent, l'invention met en oeuvre un assemblage composé de lames minces.

L'épaisseur de ces lames est très faible par rapport à celle du prisme 1 traversée, afin de diminuer fortement le facteur e des formules (I) et (II) et donc de réduire d'autant l'amplitude de la déviation optique obtenue. Les lames sont constituées d'un matériau transparent au faisceau convergent à dévier, au moins dans une bande spectrale couvrant au moins le domaine de sensibiIité du détecteur utilisé dans l'application principale envisagée ci-après.

L'assemblage a globalement une configuration polygonale telle que celle représentée en coupe horizontale, à titre d'exemple sur la figure 2.

Sur cette figure l'assemblage polygonal 20 est formé de 8 lames minces identiques 21 à 28 d'épaisseur . à faces externes rectangulaires, planes et parallèles. Les traces de deux lames successives forment dans le plan de la figure un dièdre d'angle au sommet égal à 1350, de façon à constituer globalement un octogone, dont les côtés sont formés par les lames minces 21 à 28 deux à deux opposées, et dont l'axe de symétrie A est perpendiculaire au plan de la figure.

Sur la figure 2, les références identiques à celles des figures la et lb, telles que les faisceaux FE et FC et la lentille convergente 2, désignent les mêmes objets. Lorsque cet assemblage 20 est animé d'un mouvement de rotation uniforme autour de l'axe AX, il provoque une déviation latérale A x du point de focalisation du faisceau convergent FC. Les expressions de n x, introduites précédemment, sont encore applicables dans le cas de la déviation obtenue à l'aide de l'assemblage à lames minces 20. Plus précisément, l'épaisseur e utilisée dans les expressions I ou II est alors égale à la somme des épaisseurs des deux lames opposées traversées, telles que les lames 21 et 25 de la figure 2.En effet, les calculs d'optique géométrique appliquées à la traversée d'une lame à faces parallèles montrent que les effets produits sur un faisceau lumineux donné ne dépendent pas de la position de la lame sur l'axe moyen de ce faisceau, qutil soit convergent ou non. Un ensemble de deux lames opposées traversées, telles que les lames 21 et 25, se comporte donc exactement comme une lame unique équivalente d'épaisseur 2 S, double de celle de chacune de ces lames.

L'épaisseur de cette lame équivalente représentant une fraction de l'épaisseur du prisme de balayage grande amplitude 1, décrit en référence aux figures la et lb, par exemple quelques pour cent, l'amplitude de la déviation latérale, proportionnelle à l'épaisseur traversée d'après les formules I ou II, sera réduite dans les mêmes proportions.

L'épaisseur arbitrairement aussi petite que souhaitée des lames de l'assemblage 20 selon l'invention, autorise un balayage d'amplitude quasiment aussi réduite que souhaitée.

La figure 3 représente un exemple d'organisation opto-électronique de caméra infrarouge à détecteur bidimensionnel équipée d'un dispositif de microbalayage selon l'invention. Les mêmes références désignent les mêmes objets que sur les figures précédentes.

Classiquement, un faisceau parallèle F provenant de la scène observée est rendu convergent selon un faisceau FC et projeté sur un détecteur infrarouge 31, du type mosaïque bidimensionnelle, par passage à travers une lentille de focalisation 2. Un assemblage polygonal de microbalayage 33 selon l'invention, composé de six lames minces dans l'exemple représenté, est interposé dans le trajet du faisceau convergent
FC, c'est-à-dire entre la lentille de focalisation 2 et le détecteur 31, l'axe de symétrie t de l'assemblage 33 étant perpendiculaire à la direction du faisceau convergent FC.

L'assemblage 33 est entraîné en rotation par l'action d'un moteur M, la vitesse de rotation étant liée aux temps de multiplexage (intégration, transfert et lecture) des charges libérées dans le détecteur 31 proportionnellement au flux de lumière reçu et multiplexées classiquement dans un circuit CCD intégré au détecteur 31. La cadence de lecture est gérée par un séquenceur 32 qui ajuste également la vitesse de rotation du moteur M à travers un codeur angulaire 34. Le signal formé par les charges multiplexées, en sortie du détecteur 31, est traité dans un circuit 35 qui délivre, en liaison avec ce séquenceur 32 un signal vidéo SV selon une norme TV adaptée à un moniteur de visualisation (non représenté).

La rotation de l'assemblage polygonal 33 imprime au faisceau FE, comme expliqué précédemment, un mouvement de microbalayage horizontal selon une seule direction Dx sur le détecteur 31. Afin de réaliser un microbalayage selon deux directions, par exemple selon les directions Dx et Dy indiquées sur la figure 3, une variante de réalisation de l'assemblage polygonal selon l'invention est décrite ci-après en référence aux figures 4 et 5.

La figure 4 illustre une représentation schématisée des débuts de la première et de la deuxième ligne de cellules photosensibles, C11, C12, C13, C21, C22, C23 d'un détecteur à mosaïque bidimensionnelle comprenant nxp cellules
Cij, réparties sur une matrice de n lignes et p colonnes, i variant de I à n, et j de 1 à p.Les cellules représentées ont par exemple une forme carrée de 25 ,um de côté et sont séparées, selon la direction horizontale Dx, de 100 ,tun et, selon la direction verticale Dy, de 70 Cun. Avec un microbalayage monodirectionnel selon la direction Dx, tel que celui décrit précédemment, tout se passe comme si des cellules photosensibles élémentaires supplémentaires sont "crééesr", c'est-à-dire apparaissent successivement dans le temps, entre les cellules du détecteur et donc sur les mêmes lignes que ces cellules.Sur la figure 4, les cellules supplémentaires CI11' C112, CC113, et ' C211, C212, C213, ont été représentées par leur centre, respectivement sur des microlignes M1 et M2 reliant les centres des cellules C11 et C12 d'une part et C21 et C22 d'autre part.

Or l'effet des couples de lames minces opposées et identiques étant identique, quel que soit le couple, les microlignes, telles que M1 et M2, sont balayées identiquement 2 N fois par tour de rotation d'un assemblage à 2 N lames identique s formant N couples de lames opposées deux à deux.

Afin de réaliser un microbalayage bidirectionnel selon Dx et Dy, il convient de décaler successivement, selon la direction Dy, les microlignes balayées de façon à "créer", successivement dans le temps, des microlignes supplémentaires entre ces microlignes telles que celles référencées Mli et M12 entre M1 et M2 sur la figure 4. Cette création entraîne la création d'autant de cellules photosensibles élémentaires, représentées uniquement par leur centre pour ne pas surcharger la figure.Pour réaliser ce décalage des microlignes, il est nécessaire que chaque couple de lames minces, actif pendant toute la durée où il intercepte le faisceau à dévier, produise non seulement un décalage variable selon la direction Dx, de façon à décrire les microlignes, mais également un décalage de pas constant des microlignes selon la direction Dy, en passant d'un couple de lames actif au couple suivant. Un tel décalage est obtenu, dans le cadre de l'invention, en conférant aux lames minces de l'assemblage de microbalayage un léger angle prismatique, différent d'un couple de lames à l'autre.

Un assemblage de microbalayage bidirectionnel selon l'invention se présente, globalement, approximativement comme l'assemblage 3 monodirectionnel représenté sur la figure 3. Afin de bien faire ressortir les formes caractéristiques respectives des lames des assemblages mono et bidirectionnel, ces assemblages ont été représentés sur la figure 5, en coupe selon un plan passant par l'axe de rotation lS de la figure 3 et les lignes médianes d'un couple de lames opposées. Sur la figure 5, les traces des lames de l'assemblage de microbalayage monodirectionnel 33 apparaissent en traits pointillés et celle d' un assemblage de microbalayage bidirectionnel 50 apparaissent en traits continus.Les lames minces de l'assemblage 50, telles que 51 et 54 présentent un profil prismatique d'angle au sommet
A, les faces intérieures de ces lames, telles que Fli et F4i, étant verticales et confondues avec celles des lames de l'assemblage 33, les faces extérieures, telles que F1 et
e
F4 étant inclinées. Le profil prismatique de lames peut
e également être obtenu à l'aide de faces intérieures inclinées et de faces extérieures verticales. Sur la figure 5, le faisceau convergent FC issu de la lentille de focalisation 2 a également été représenté en coupe. Il est bien connu des lois de la propagation lumineuse que le passage d'un rayon lumineux à travers une lame légèrement prismatique d'angle au sommet A, telle que 51 ou 54, provoque une déviation angulaire approximativement égale à (n-l) A.Cette déviation angulaire se traduit, pour le point de focalisation P5 du faisceau convergent, par un décalage vertical a y de valeur approximative
Y = (n-l) A.l0
I étant la distance entre la lame prismatique et le point de
o focalisation, et n l'indice de réfraction du matériau optique constituant la lame.

Sur la figure 5, les distances des lames 51 et 54 au plan de focalisation contenant P5 sont notées, respectivement, lî et 14. L'épaisseur des lames, supposée faible, étant négligeable par rapport aux distances 11 et 14, les décalages verticaux, introduits par chacune de ces lames, s'ajoutent et le décalage vertical global a pour expression t y = (n-l) A (l1 + 14).

Si les angles prismatiques sont différents d'un couple de lames opposées à un autre, le décalage vertical produit par chacun de ces couples, interceptant successivement le faisceau convergent au cours de la rotation de l'assemblage, est différent et la microligne balayée correspondante s'en trouve décalée d'autant. Les différentes valeurs des angles prismatiques peuvent former une progression telle que les décalages successifs des microlignes correspondantes forment une progression de pas constant.

Ainsi, un assemblage comportant N couples de lames opposées, soit 2N lames, provoque le balayage de N microlignes lorsque chacun des N couples se compose de lames prismatiques de même angle au sommet, cet angle étant différent d'un couple à l'autre. En effet, les N microlignes sont balayées deux fois à chaque tour de rotation de l'assemblage puisqu'un même couple de lames prismatiques opposées provoque un même décalage deux fois par tour de rotation, les lames se présentant au faisceau convergent selon un certain ordre et un ordre inversé pour deux positions de l'assemblage séparées angulairement de 180 .

Par exemple, si les angles au sommet des 3 couples de lames de l'assemblage 50 sont, respectivement, de 00 (lames d'épaisseur constante), de AO et de 2AO, deux microlignes supplémentaires sont créées puisqu'un couple de lames opposées, telles que 51 et 54, provoque le même décalage de microligne deux fois par tour de rotation, respectivement
(n-1) A (1i+ 14) et (n-l)A (14 + 11).

Les angles au sommet des lames prismatiques étant très faibles, quelques degrés au plus, la distorsion sur le balayage qui résulte de l'effet prismatique, provoquée par la présence d'une déviation variable d'un rayon lumineux en fonction de l'épaisseur traversée par ce rayon, reste négligeable.

L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés. Par exemple
- en ce qui concerne l'implantation de l'assemblage à lames minces selon l'invention, il peut être envisagé d'intégrer cet assemblage à la lentille de focalisation ;
- il peut également être envisagé d'introduire à l'intérieur de l'assemblage à lames minces des éléments optiques fixes, tels que des lentilles
- l'assemblage des lames minces peut être réalisé par tout moyen connu, par exemple par collage ou par fusion entre deux flasques usinés
- le décalage 8 y représenté figure 5 peut être réalisé également par un assemblage de lames minces à faces planes et parallèles telles que les lames de l'assemblage 33 mais avec différentes valeurs d'inclinaison des lames par rapport à l'axe ,ss, l'angle d'inclinaison d'un couple de lames opposées étant identique et les différentes valeurs des angles formant une progression telle que les décalages successifs des microlignes correspondantes forment une progression de pas constant.

Claims (9)

REVENDICATIONS

1. Dispositif de microbalayage pour dévier périodiquement la direction d'un faisceau lumineux convergent, caractérisé en ce qu'il comporte un nombre pair de lames optiques 2 à 2 parallèles (21 à 28 ; 51 à 56) associées de façon à constituer un assemblage (33, 50) à section polygonale autour d'un axe de symétrie (n) perpendiculaire à la direction moyenne du faisceau convergent (FC).

2. Dispositif de microbalayage selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'assemblage (33, 50 ) est animé d'un mouvement de rotation uniforme autour de l'axe ( i\ ) produit par un moteur (M).

3. Dispositif selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'assemblage (33, 50) ) est constitué en un matériau transmettant la lumière dans une bande spectrale couvrant l'infrarouge.

4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes appliqué à un microbalayage monodirectionnel, caractérisé en ce que les lames optiques (21 à 28) sont des lames minces à surfaces externes rectangulaires distantes d'une épaisseur constante ().

5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les lames optiques (21 à 28) présentent un angle d'inclinaison par rapport à l'axe tX

6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les couples de lames minces opposées (21, 25) ont un angle d'inclinaison constant par rapport à l'axe 4, cet angle étant différent d'un couple à l'autre.

7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, appliqué à un microbalayage bidirectionnel, caractérisé en ce que les lames optiques sont des lames minces à surfaces externes

rectangulaires distantes d'une épaisseur variable correspondant à un profil prismatique à angle au sommet (A) très faible.

8. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les couples de lames minces opposées (51, 54) ont un profil prismatique identique, ayant un même angle au sommet, les angles de sommet des couples de lames minces étant différent d'un couple à l'autre.

9. Caméra infrarouge comportant un dispositif convergent (2) destiné à projeter l'image d'une scène à observer sur un détecteur infrarouge bidimensionnelle (31) constitué d'une matrice de p colonnes et n lignes de cellules photosensibles élémentaires associée à un circuit de multiplexage et de lecture intégré au détecteur (31), et un circuit de traitement (35) qui délivre un signal vidéo (SV) à partir du signal fourni par le détecteur (31), caractérisé en ce que la caméra infrarouge comporte également un dispositif de microbalayage (33, 50) selon l'une des revendications précédentes, et en ce que la cadence de lecture des charges du détecteur (31) et la vitesse de rotation du dispositif de microbalayage (33, 50) sont synchronisées à l'aide d'un séquenceur (32).