FR2709840A1 - Dispositif optique de type fish-eye pour la détection et la localisation d'une source rayonnante. - Google Patents

Abstract

Le dispositif comporte une optique combinée à un détecteur plan quatre quadrants (5) centrés sur un même axe optique (10). L'optique comporte, un groupe afocal frontal (6), comportant une lentille divergente (1) et une lentille convergente (2), recevant le faisceau lumineux issu de la source rayonnante, un objectif (3) formé d'au moins une lentille convergente, et un diaphragme (7) dont l'ouverture et la position fixent la taille maximale d'une pupille d'entrée virtuelle dont la taille augmente avec l'angle d'incidence du faisceau lumineux (61 , 62 ) pour conserver une sensibilité à la détection quasi-constante dans tout le champ angulaire couvert par le dispositif. Le détecteur plan quatre quadrants (5) est défocalisé par rapport au foyer (4) de l'optique pour que la projection du faisceau lumineux sur le détecteur (5) forme une tache homogène (91 , 92 ) comprise dans la partie sensible du détecteur (5) pour tout le champ angulaire couvert par le dispositif. L'invention s'applique notamment à la détection et à la goniométrie d'illumination laser pour la protection d'aéronefs, de véhicules de bâtiments.

Description

Dispositif optique de type fish-eye

pour la détection et la localisation d'une source rayonnante.

L'invention concerne un dispositif optique de type fish-eye pour la détection et la localisation d'une source rayonnante. Le domaine est celui de la détection et de la goniométrie d'une source rayonnante, et notamment d'une illumination laser, appliquée dans

les contre-mesures terrestres ou aéroportées.

Face à l'utilisation de plus en plus fréquente des lasers dans les systèmes d'armes (télémètre, illuminateur), il devient nécessaire de prévenir

l'équipage d'un véhicule ou d'un aéronef en cas d'illumination de celuici.

Des dispositifs connus correspondants, appelés détecteurs d'alerte laser DAL, ont pour but de détecter la présence de ce type de menace dans des champs angulaires importants autour des porteurs par exemple de 360 en gisement ou 90 en site. Les dispositifs de détection précités ne sont généralement pas prévus pour fonctionner dans des champs aussi importants tout en conservant une sensibilité à la détection suffisante. Leur adaptation à ces champs entraîne une baisse de sensibilité incompatible avec la détection du signal utile. D'autres dispositifs de types connus permettent également une localisation angulaire de la source rayonnante en effectuant une goniométrie sur l'illumination détectée notamment sur une

illumination laser.

Parmi ces derniers dispositifs, un dispositif faisant l'objet d'un précédent brevet français publié sous le n 2 621 398 et délivré au nom de la Demanderesse intitulé "dispositif de détection et de localisation d'une source rayonnante", comporte un détecteur plan quatre quadrants associé à un diaphragme plan, parallèle au plan du détecteur centré sur le même axe optique, dont l'ouverture et la position par rapport au détecteur sont déterminées pour obtenir la meilleure sensibilité à la détection. Ce détecteur quatre quadrants est associé à un dispositif électronique de traitement de type connu effectuant une écartométrie basée sur des pesées relatives du signal issu de chaque quadrant caractérisant la nature temporelle de l'illumination. Ce dispositif a pour inconvénient qu'il impose un positionnement optomécanique précis et qu'il présente une diminution nette de sensibilité dans le champ et surtout en limite du champ angulaire couvert par le dispositif. Cette diminution de sensibilité est proportionnelle au cosinus de l'angle formé par le rayon lumineux incident reçu par le dispositif et l'axe

optique du dispositif.

Le but de l'invention est de pallier les inconvénients précités.

A cet effet l'invention a pour objet un dispositif optique de type fisheye pour la détection et la localisation d'une source rayonnante, du type comportant une optique combinée à un détecteur plan quatre quadrants centrés sur un même axe optique, caractérisé en ce que d'une part, I'optique comporte, centrée sur l'axe optique, un groupe afocal frontal recevant le faisceau lumineux issu de la source rayonnante, un objectif formé d'au moins une lentille convergente, et un diaphragme dont l'ouverture et la position fixent la taille maximale d'une pupille d'entrée virtuelle et dont la taille augmente avec l'angle d'incidence du faisceau lumineux pour conserver une sensibilité à la détection quasiconstante dans tout le champ angulaire couvert par le dispositif, et d'autre part, le détecteur plan quatre quadrants est défocalisé par rapport au foyer de l'objectif pour que la projection du faisceau lumineux sur le détecteur forme une tache homogène comprise dans la partie sensible du détecteur pour tout le champ angulaire

couvert par le dispositif.

Le dispositif optique selon l'invention a pour avantage qu'il permet un compromis entre la compacité du dispositif et l'uniformité de la sensibilité à la détection dans tout le champ angulaire couvert par le dispositif. Le dispositif selon l'invention permet, par l'adjonction d'une combinaison optique très grand champ à un détecteur quatre quadrants défocalisé, de réduire les incidences sur le détecteur et d'augmenter le champ angulaire

accepté par le dispositif.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront

plus clairement à l'aide de la description qui suit faite en regard des dessins

annexés qui représentent: - la figure 1, un schéma optique décrivant le principe utilisé par le dispositif optique selon l'invention, - la figure 2, un premier mode de réalisation d'un dispositif optique selon l'invention, - la figure 3, un deuxième mode de réalisation d'un dispositif optique selon l'invention, - la figure 4, un exemple d'impacts de faisceaux sur le détecteur quatre quadrants défocalisé, - la figure 5, une courbe d'écartométrie mono-axe, - la figure 6, un dispositif optique panoramique selon l'invention, et - la figure 7, une visualisation du champ déplié couvert par le

dispositif optique panoramique.

Le schéma optique de la figure 1 illustre une implantation paraxiale d'un objectif à très grand angle appelé également "fish-eye" utilisant quatre lentilles minces 1 à 4, selon une combinaison optique déterminée, combinées avec un détecteur quatre quadrants défocalisé 5. Le principe mis en oeuvre par cette implantation consiste à obtenir, en fonction de l'angle d'incidence d'une illumination 61, 62, une tache projetée sur au moins un des quatre quadrants du détecteur 5 en bord de champ et sur au moins deux des quatre quadrants pour un champ inférieur. La défocalisation du détecteur 5 est ajustée pour une taille déterminée du détecteur 5 de façon à ce que la tache projetée tangente le centre de la surface sensible du détecteur 5 pour l'extrémité du champ d'écartométrie, ceci afin d'optimiser le comportement entre la dynamique angulaire et la résolution angulaire. Cette implantation comporte un groupe afocal frontal 6 comportant une première lentille divergente 1 et une deuxième lentille convergente 2. Ce groupe afocal 6, permet de réduire l'incidence du faisceau lumineux arrivant sur une troisième lentille convergente 3 constituant un objectif devant lequel est matérialisé un diaphragme 7, d'ouverture déterminée sur son foyer objet

réalisant ainsi un objectif télécentrique.

Le système optique comporte ensuite au foyer image de l'objectif 3 un groupe de champ constitué d'une quatrième lentille 4 permettant d'orienter les faisceaux de sorte que les taches projetées correspondant aux images des faisceaux lumineux soient comprises dans le diamètre du détecteur 5 pour tout le champ angulaire couvert par le dispositif. Le détecteur quatre quadrants 5 est défocalisé par rapport à l'objectif 3 ce qui a pour effet d'homogénéiser les taches et d'améliorer la sensibilité de la goniométrie. Pour faciliter la compréhension du principe de cette implantation,

deux faisceaux lumineux incidents 61 et 62 sont représentés sur la figure 1.

Un premier faisceau lumineux 61 arrive sur le groupe afocal frontal 6 avec une incidence de 0 . Ce faisceau lumineux est délimité par deux traits parallèles qui arrivent sur la lentille divergente 1. Le faisceau 61 atteint ensuite la lentille convergente 2 qui transmet le faisceau collimaté à l'objectif représenté par la lentille convergente 3 à travers le diaphragme positionné au foyer objet de la lentille 3. La lentille convergente 4 projette le faisceau lumineux 61 sur le détecteur quatre quadrants 5 défocalisé pour former une première tache 91 centrée sur l'axe optique 10 du système optique. De même un deuxième faisceau lumineux 62, également délimité par deux traits parallèles, forme un angle de 60 avec l'axe optique 10. Ce deuxième faisceau lumineux est ensuite dirigé vers la lentille convergente 2 avec un angle d'incidence plus faible, qui transmet le faisceau redevenu parallèle, à travers le même diaphragme 7, sur l'objectif 3. L'objectif 3 concentre le faisceau lumineux 62 sur la lentille 4, qui le projette sur le détecteur quatre quadrants défocalisé 5 formant une deuxième tache lumineuse 92 sur

l'hémisphère supérieur du détecteur 5.

La figure 2 illustre un premier mode de réalisation d'un dispositif optique suivant le principe de l'implantation précédente décrite dans la figure 1. Ce mode de réalisation est un compromis entre l'implantation paraxiale décrite précédemment et les contraintes de conception du dispositif. La lentille divergente 1 de la figure 1 est réalisée par une première et une deuxième lentille divergente 11 et 12. Les deux lentilles divergentes 11 et 12 sont associées pour permettre d'obtenir un angle de divergence plus important. Une pupille d'entrée virtuelle 13 localisée entre les deux lentilles divergentes 11 et 12 est matérialisée par un segment de droite centré sur l'axe optique 10 du dispositif optique. Le diamètre de la pupille d'entrée virtuelle 13 augmente avec l'angle d'incidence du faisceau lumineux de façon à s'affranchir de l'effet cosO évoqué précédemment. Dans ce mode de réalisation, le diamètre de la pupille d'entrée 13 est minimal PE(0") pour un faisceau incident dont l'angle d'incidence est égal à 0 , et il est maximal PE (75.5 ) pour un faisceau formant un angle d'incidence d'environ 75.5 . Le champ angulaire accepté par un tel arrangement optique est donc de l'ordre de 75 soit 150 . La lentille convergente 2 de la figure 1 est réalisée par une lentille convergente 14 et un diaphragme 15 est réalisé sur le dioptre d'entrée de la lentille 14. Le diaphragme 15 est de forme circulaire. Le diamètre d'ouverture du diaphragme 15 conditionnant le diamètre maximal PE(75.5 ) de la pupille d'entrée 13 ainsi que la distance par rapport au détecteur quatre quadrants 5 sont déterminés pour permettre de se dispenser d'un groupe de champ 4 afin de réaliser les conditions de projection des taches images tout en exploitant au mieux la hauteur de la tache au foyer image de l'objectif 3. La hauteur d'image est par exemple de 1,8 mm par rapport à l'axe optique 10 en bord de champ pour un champ d'incidence d'environ 75 et pour un détecteur quatre quadrants 5 de 2 mm de rayon. L'objectif correspondant à la lentille 3 de la figure 1 est réalisé par deux lentilles 16 et 17 convergentes. Le détecteur quatre quadrants 5 est défocalisé vers l'arrière du plan focal PF1 de l'objectif, 16 et 17, d'une distance déterminée dl pour permettre d'atteindre la hauteur d'image voulue, sur un plan perpendiculaire à l'axe optique 10 et contenant lI'intersection du rayon de bord de champ à 75.5 avec l'axe optique 10. Trois faisceaux lumineux d'incidences respectives +60 , 0 et -75.5 sont représentés sur la figure 2. Chaque faisceau lumineux incident sur la première lentille 11 est délimité par deux traits parallèles. Chacun de ces faisceaux forme respectivement après passage dans la combinaison optique déterminée, constituée des cinq lentilles 11, 12, 14, 16 et 17, une tache, représentant la projection du faisceau lumineux incident sur la partie

sensible du détecteur quatre quadrants 5.

Une défocalisation du détecteur quatre quadrants 5 permet de réaliser une écartométrie par pesées relatives du signal issu de chaque quadrant suivant une méthode connue décrite dans le précédent brevet. Elle

ne sera donc pas redécrite.

Pour ce mode de réalisation le flux lumineux rentrant dans le dispositif optique est conservatif dans le champ: la taille de la pupille d'entrée virtuelle 13 augmentant avec le champ. L'ouverture maximale obtenue avec un tel fish-eye est de F/0.71, o F correspond à la focale paraxiale de l'objectif et 0.71 le rapport entre la focale F et le diamètre de la

pupille d'entrée 13 au centre du champ.

Afin de limiter les éclairements parasites dus aux réflexions parasites des lentilles qui pourraient dégrader la sensibilité du dispositif, une solution consiste à placer un ou plusieurs miroirs sphériques annulaires, non représentés, orientés vers le détecteur 5 et destinés à stopper le flux de structure. Ces miroirs doivent être de plus calculés pour ne pas réfléchir sur le détecteur 5 un flux utile précédemment réfléchi par le détecteur. Une deuxième solution, pouvant être combinée à la première, consiste à envoyer sur le détecteur 5 un flux froid issu d'un cryostat. Cette solution est

notamment utilisée pour des détecteurs sensibles au spectre infrarouge.

La figure 3 représente un deuxième mode de réalisation d'un dispositif optique selon l'invention. Dans ce deuxième mode de réalisation le dispositif optique possède une ouverture plus faible que le premier mode de réalisation de la figure 2, il est pour cet exemple de F/0.9. Ce dispositif optique ne comporte que quatre lentilles, 18 à 21, et son diaphragme d'ouverture 22 est rejeté en arrière de la structure. La première lentille 1 de la figure 1 est réalisée par la première lentille 18 de la figure 3. Une pupille d'entrée virtuelle 23 est matérialisée sur la figure 3 par un segment de droite. L'afocal 6 de la figure 1 est constitué, dans ce deuxième mode de réalisation, des lentilles 19 et 20 réalisant la lentille 2 de la figure 1, combinées avec la lentille 18. Une lentille convergente 21 réalise l'objectif 3 de la figure 1. Le diaphragme 22 est disposé sur le dioptre de sortie de l'objectif 21. Le détecteur quatre quadrants 5 est défocalisé vers l'avant de la structure par rapport au plan focal PF2 de l'objectif 21 d'une distance déterminée d2 pour optimiser la sensibilité de la goniométrie. Le diaphragme

22 peut être réalisé de la même façon que le diaphragme 15 de la figure 2.

De même que pour la figure 2, trois faisceaux lumineux

d'incidence respective +60 , 0 et -75.5 sont représentés sur la figure 3.

Dans ce mode de réalisation, le diaphragme 22 est rejeté à l'arrière de la structure et fait face au détecteur quatre quadrants, 5, de ce fait la pupille de sortie non représentée est confondue avec le diaphragme 22. Cette disposition a pour avantage, par rapport au premier mode de réalisation de la figure 2, de s'affranchir des réflexions parasites et donc des miroirs cités précédemment. Par contre, la sensibilité n'est plus constante

dans le champ et chute faiblement en limite de champ.

La figure 4 représente un exemple de trois impacts de faisceau lumineux sur la surface sensible d'un détecteur quatre quadrants 5 défocalisé dont le diamètre est, pour cet exemple, de quatre millimètres. Une première tache représentée en traits discontinus correspond au faisceau lumineux d'incidence de -45", une deuxième tache en pointillé centrée sur les axes horizontal et vertical du détecteur représente la tache respective à un faisceau lumineux d'incidence nulle et une troisième tache de forme ovoïde tangentant le centre du détecteur 5 représente la tache issue d'un faisceau d'incidence 75.5". Cette dernière tache représente la limite de sensibilité du dispositif optique selon l'invention. La défocalisation a

également pour effet bénéfique d'homogénéiser les taches "images".

Une défocalisation du détecteur quatre quadrants 5 vers l'arrière du plan focal de l'objectif, par exemple de 1,6 mm comme représenté sur la figure 2, rend possible une écartométrie en site et en gisement sur un champ angulaire total d'environ 150 avec un détecteur quatre quadrants de 4 mm

de diamètre.

Un exemple de courbe d'écartométrie mono-axe obtenue avec un tel détecteur est illustré par la figure 5. Sur cette figure, I'axe des abscisses représente le champ angulaire 0 gradué de -80 à +80" et l'axe des

ordonnées représente la valeur de l'écartométrie mono-axe E(O) gradué de -

1 à +1. Il va de soi que si seule la détection est recherchée, une défocalisation inférieure et un détecteur mono-élément sont suffisants. De même si seule une écartométrie mono-axe, en site ou en gisement, est nécessaire, un détecteur à deux demi-disques suffit. Un dispositif de ce type

permet de couvrir un angle solide de 4.7 stéradians.

Il est possible d'utiliser trois dispositifs selon l'invention, identiques, dont les axes optiques 101, 102 et 103 sont disposés suivant un même plan horizontal et à 120 les uns des autres formant ainsi un dispositif optique panoramique. Une telle disposition est représentée en vue de dessus sur la figure 6. Cette disposition permet une vue panoramique d'une scène correspondant à une couverture de champ total de 360 en gisement et +60 en site. Le sens de visualisation de la scène est représenté sur la figure par une flèche. La figure 7 illustre une visualisation du champ déplié couvert par le dispositif optique panoramique. Sur cette figure l'axe des abscisses et l'axe des ordonnées représentent respectivement l'axe en gisement et l'axe en site. Les deux zones hachurées correspondent aux zones de recouvrement entre chaque dispositif, les centres de chaque zone

de recouvrement étant espacés de 120".

La zone panoramique de couverture, délimitée en trait interrompu sur la figure 7, est donc définie par une bande de 360 de longueur suivant

l'axe en gisement et +60 de largeur suivant l'axe en site.

Claims (5)

REVENDICATIONS

1. Dispositif optique de type fish-eye pour la détection et la localisation d'une source rayonnante, du type comportant une optique combinée à un détecteur plan quatre quadrants (5) centrés sur un même axe optique (10), caractérisé en ce que d'une part, I'optique comporte, centrée sur l'axe optique (10), un groupe afocal frontal (6) recevant le faisceau lumineux issu de la source rayonnante, un objectif (3) formé d'au moins une lentille convergente, et un diaphragme (7) dont l'ouverture et la position fixent la taille maximale d'une pupille d'entrée virtuelle (8) et dont la taille augmente avec l'angle d'incidence du faisceau lumineux (61, 62) pour conserver une sensibilité à la détection quasi-constante dans tout le champ angulaire couvert par le dispositif, et d'autre part, le détecteur plan quatre quadrants (5) est défocalisé par rapport au foyer de l'objectif (3) pour que la projection du faisceau lumineux sur le détecteur (5) forme une tache homogène comprise dans la partie sensible du détecteur (5) pour tout le

champ angulaire couvert par le dispositif.

2. Dispositif optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le groupe afocal (6) comporte une première et une deuxième lentille divergente (11 et 12), et une lentille convergente (14), en ce que l'objectif (3) comporte une première et une deuxième lentille convergente (16 et 17), en ce que le diaphragme (15) est disposé sur le dioptre d'entrée de la lentille convergente (14), et en ce que le détecteur (5) est défocalisé vers l'arrière du plan focal (PF1) de l'objectif (16, 17) d'une distance (dl) déterminée pour

obtenir une tache homogène sur le détecteur (5).

3. Dispositif optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le groupe afocal (6) comporte une première et une deuxième lentille divergente (18 et 19) et une lentille convergente (20), en ce que l'objectif (3) comporte une lentille convergente (21), en ce que le diaphragme (22) est disposé sur le dioptre de sortie de la lentille convergente (21) formant l'objectif (3), et en ce que le détecteur (5) est défocalisé vers l'avant du plan focal (PF2) de l'objectif (21) d'une distance (d2) déterminée pour obtenir une

tache homogène sur le détecteur (5).

4. Dispositif optique panoramique pour la détection et la localisation d'une source rayonnante, caractérisé en ce qu'il comporte trois dispositifs identiques revendiqués selon l'une quelconque des

revendications 1 à 3 dont les axes optiques (101, 102 et 103) sont disposés suivant un même plan horizontal, chaque axe (101, 102 et 103) formant respectivement un angle de 120 I'un par rapport à l'autre.5

5. Application du dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, à la détection et la localisation d'une source

rayonnante.