FR2785395A1

FR2785395A1 - Intense radiation protection device, useful for protecting eyes or optronic devices against pulsed visible or IR laser weapons, has a nonlinear material layer between the first matrix of a micro-lens matrix pair and a common focal plane

Info

Publication number: FR2785395A1
Application number: FR9813683A
Authority: FR
Inventors: Michel Broekaert
Original assignee: Sagem SA
Current assignee: Sagem SA
Priority date: 1998-10-30
Filing date: 1998-10-30
Publication date: 2000-05-05
Anticipated expiration: 2018-10-30
Also published as: FR2785395B1

Abstract

An intense radiation protection device comprises a nonlinear material layer between the first matrix of a micro-lens matrix pair and a common focal plane. A device for protecting a sensitive object against intense radiation comprises one or more image transport optics having one or more pairs of identical focal length micro-lens matrices with coincident focal planes and one or more nonlinear material layers positioned between the first matrix and the focal plane. Preferred Features: The matrices consist of Si, Ge, ZnS, ZnSe or chalcogenide or halide glass, and the nonlinear material layer consists of VO2.

Description

'DISPOSITIF DE PROTECTION CONTRE LES RAYONNEMENTS INTENSES
La présente invention a pour objet un dispositif de protection d'organe sensible, tel que 1'oeil ou un dispositif optronique, contre les rayonnements intenses et notamment contre les impulsions laser dans le visible ou dans l'infrarouge.PROTECTION AGAINST INTENSE RADIATION
The subject of the present invention is a device for protecting a sensitive organ, such as the eye or an optronic device, against intense radiation and in particular against laser pulses in the visible or in the infrared.

On a déjà utilisé dans ce but des dispositifs placés sur le trajet du rayonnement, contenant un matériau ayant un comportement non linéaire en fonction de l'éclairement reçu souvent qualifié de solarisable . On peut notamment citer, parmi ces matériaux, l'oxyde de vanadium, divers polymères, des suspensions de particules de carbone dans des solvants. Ces matériaux ont un coefficient de transmission qui diminue brutalement à partir d'un seuil d'éclairement S1 déterminé, du fait du passage d'un état transparent à un état réflectif (cas de V02) ou diffusant. Il existe pour ces matériaux un second seuil S2 au-delà duquel le matériau est détruit. For this purpose, devices have already been used placed on the radiation path, containing a material having a non-linear behavior as a function of the illumination received, often qualified as solarisable. Mention may in particular be made, among these materials, of vanadium oxide, various polymers, suspensions of carbon particles in solvents. These materials have a transmission coefficient which abruptly decreases from a determined illumination threshold S1, due to the transition from a transparent state to a reflective state (case of V02) or diffusing. There exists for these materials a second threshold S2 beyond which the material is destroyed.

Les organes sensibles sont endommagés de leur côté au-delà d'un éclairement maximum déterminé, qui correspond, dans la pupille d'entrée du système optique d'observation placé en amont de l'organe sensible ou de cet organe lui-mme, à un éclairement maximum Sd. The sensitive organs are damaged on their side beyond a determined maximum illumination, which corresponds, in the entrance pupil of the optical observation system placed upstream of the sensitive organ or of this organ itself, to maximum illumination Sd.

Dans beaucoup de cas, et notamment lorsque le système optique donne un gain en éclairement élevé entre la pupille d'entrée et l'organe sensible, le seuil Sl pour lequel la transmission du matériau diminue est supérieur à Sd. Pour tenir compte de cette situation, un dispositif de protection suivant l'art antérieur comporte un dispositif de transfert d'image permettant de créer un plan focal intermédiaire entre la pupille d'entrée et l'organe et une lame du matériau ayant un comportement non linéaire à proximité de ce plan focal intermédiaire. Un tel dispositif présente un encombrement longitudinal qui est souvent un inconvénient grave. In many cases, and in particular when the optical system gives a high gain in illumination between the entrance pupil and the sensitive organ, the threshold S1 for which the transmission of the material decreases is greater than Sd. To take this situation into account, a protection device according to the prior art comprises an image transfer device making it possible to create an intermediate focal plane between the entrance pupil and the organ and a blade of the material having a non-behavior. linear near this intermediate focal plane. Such a device has a longitudinal bulk which is often a serious drawback.

Cet inconvénient est encore accru lorsque l'on monte en cascade, dans le dispositif, plusieurs couches de matériaux absorbants situés dans des plans focaux intermédiaires successifs et échelonnés de façon que leurs plages Sl et S2 correspondent à des bandes d'éclairement dans la pupille d'entrée décroissantes dans le sens de parcours de la lumière. This drawback is further increased when there are cascaded, in the device, several layers of absorbent materials located in successive intermediate focal planes and staggered so that their ranges S1 and S2 correspond to light bands in the pupil d 'decreasing entry in the direction of light path.

Chaque couche protège celle qui est placée en aval grâce à un recouvrement entre les bandes. Il faut alors multiplier le nombre d'optiques destinées à créer des plans focaux intermédiaires.Each layer protects the one placed downstream thanks to an overlap between the strips. It is then necessary to multiply the number of optics intended to create intermediate focal planes.

La présente invention vise notamment à fournir un dispositif de protection peu encombrant dans le sens longitudinal et se prtant bien au montage en cascade de plusieurs éléments de protection à matériau non linéaire correspondant à des plages d'éclairement dans la pupille d'entrée différentes. The present invention aims in particular to provide a space-saving protection device in the longitudinal direction and which is well suited to cascade mounting of several protection elements made of non-linear material corresponding to different lighting ranges in the entrance pupil.

Dans ce but, l'invention propose notamment un dispositif de protection comprenant au moins une optique de transport d'image ayant au moins un couple de matrices de micro-lentilles de mme longueur focale, ayant des plans focaux confondus et au moins une couche de matériau non linéaire placée entre la première matrice et le plan focal. To this end, the invention proposes in particular a protection device comprising at least one image transport optic having at least one pair of micro-lens arrays of the same focal length, having coincident focal planes and at least one layer of non-linear material placed between the first matrix and the focal plane.

Un tel dispositif est prévu pour tre placé sur un faisceau parallèle d'entrée et restitue un faisceau parallèle de sortie. Such a device is designed to be placed on a parallel input beam and restores a parallel output beam.

Il peut avoir une épaisseur de quelques centimètres seulement.It can be only a few centimeters thick.

Un matériau ayant des seuils d'éclairement Sl et S2 donnés, placé derrière une matrice, protégera l'organe sensible contre les agressions dues à des éclairements compris entre S1/G et
S2/G dans la pupille d'entrée, G étant le grossissement donné par une matrice. A material having given illumination thresholds S1 and S2, placed behind a matrix, will protect the sensitive organ against attacks due to illuminations between S1 / G and
S2 / G in the entrance pupil, G being the magnification given by a matrix.

Souvent, on constituera les micro-lentilles sous forme de lentilles de Fresnel dont les anneaux concentriques peuvent tre à échelons plutôt que continus, pour faciliter la fabrication. Often, micro-lenses will be formed in the form of Fresnel lenses, the concentric rings of which may be stepped rather than continuous, to facilitate manufacture.

Dans ce cas, un front d'onde d'entrée plan se traduit en sortie par un front d'onde fractionné. Ce problème est écarté par la présence de la seconde matrice.In this case, a plane input wavefront results in output by a fractional wavefront. This problem is eliminated by the presence of the second matrix.

En règle générale, on souhaite former une image après le dispositif. Pour cela, il faut qu'un front d'onde incident plan reste plan après le système optique. Or un grossissement de-1 ne remplit pas cette condition ; seul un grossissement de 1 le permet. Pour cela il suffit de faire suivre un premier couple de matrices d'un second couple présentant une disposition inversée, avec une mme répartition des micro-lentilles. Si on donne au premier couple un grossissement global égal à-g, le second couple aura un grossissement égal à-1/g. Pour faciliter le transport de pupille, lors du couplage des deux couples, on donnera généralement à g une valeur inférieure à 1, par exemple égale à-0, 9 environ. Generally, you want to form an image after the device. For this, it is necessary that a plane incident wavefront remains plane after the optical system. Now a magnification of -1 does not meet this condition; only a magnification of 1 allows this. To do this, it suffices to have a first pair of matrices followed by a second pair having an inverted arrangement, with the same distribution of micro-lenses. If the first couple is given an overall magnification equal to -g, the second couple will have a magnification equal to -1 / g. To facilitate pupil transport, when coupling the two pairs, g will generally be given a value less than 1, for example equal to approximately 0.9.

Lorsqu'on dispose ainsi deux couples, on dispose de deux emplacements où placer des couches de matériaux qui peuvent tre différents ; dans ce cas la couche placée en amont est prévue pour protéger celle qui est en aval, ce qui implique que sa bande de protection corresponde à un flux d'entrée plus élevé. When two pairs are thus provided, there are two places where layers of materials which may be different can be placed; in this case, the layer placed upstream is provided to protect that which is downstream, which implies that its protective strip corresponds to a higher input flux.

Un tel dispositif peut constituer un ensemble autonome destiné à tre placé devant l'oeil ou devant la lentille frontale d'un appareil optique tel qu'une lunette. Such a device can constitute an autonomous assembly intended to be placed in front of the eye or in front of the front lens of an optical device such as a telescope.

Les caractéristiques ci-dessus ainsi que d'autres apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels : -la figure 1 est un schéma en coupe montrant une disposition
possible des composants d'un dispositif suivant l'invention à
deux couples, l'échelle étant dilatée dans le sens de
circulation de la lumière pour plus de clarté et seul un
fragment correspondant à trois micro-lentilles de chaque
matrice étant représenté ; -la figure 2 est un schéma de détail à grande échelle,
montrant un fragment d'une des matrices de micro-lentilles, -la figure 3 est un schéma montrant un montage possible d'un
dispositif suivant l'invention sur une lunette.The above characteristics as well as others will appear better on reading the following description of a particular embodiment, given by way of nonlimiting example. The description refers to the accompanying drawings, in which: FIG. 1 is a sectional diagram showing an arrangement
possible components of a device according to the invention to
two couples, the scale being expanded in the direction of
light circulation for clarity and only one
fragment corresponding to three micro-lenses of each
matrix being shown; FIG. 2 is a large-scale detail diagram,
showing a fragment of one of the micro-lens arrays, FIG. 3 is a diagram showing a possible mounting of a
device according to the invention on a telescope.

Il sera surtout question par la suite de dispositifs destinés à la protection, contre les tirs laser, d'optiques de caméra travaillant dans le visible, ou l'IR proche ou lointain.. It will mainly be a question later of devices intended for protection, against laser shots, of camera optics working in the visible, or near or far IR.

La longueur d'onde des lasers peut avoir des valeurs très diverses et la protection doit alors s'étendre jusqu'à l'extrémité de la fentre de transmission de l'instrument. Mais l'invention est également applicable à la protection d'autres organes sensibles pour lesquels les plages de longueur d'onde sont différentes.The wavelength of the lasers can have very diverse values and the protection must then extend to the end of the transmission window of the instrument. However, the invention is also applicable to the protection of other sensitive organs for which the wavelength ranges are different.

Le dispositif montré en figure 1 constitue un véhicule de transport de pupille du point de vue de l'optique géométrique. The device shown in FIG. 1 constitutes a pupil transport vehicle from the point of view of geometric optics.

Il comporte deux couples de micro-lentilles placés en série dans une disposition inversée et de mme constitution, si ce n'est que le premier présente un grossissement gl légèrement inférieur à 1 et le second un grossissement g2 tel que glx (l/g2) = 1. It comprises two pairs of micro-lenses placed in series in an inverted arrangement and of the same constitution, except that the first has a magnification gl slightly less than 1 and the second a magnification g2 such that glx (l / g2) = 1.

Chaque couple peut tre constitué de deux plaques prenant en sandwich une couche de matériau non linéaire, ou plusieurs couches minces séparées par des intercalaires transparents.Each pair can consist of two plates sandwiching a layer of non-linear material, or several thin layers separated by transparent interleaves.

Les plaques peuvent notamment tre en Ge, Si. Verres de
Calgogenure ou d'Hallogenure dans l'IR moyen et lointain, en verre de silice dans le visible, en Zns OU Zn Se pour le visible et-l'IR et avoir une épaisseur de quelques millimètres. Les couches à caractéristique non linéaire peuvent notamment tre en : -VO2 déposé par vaporisation sous vide ou par une technique
sol-gel, qui a l'avantage de passer de l'état transparent à
l'état réflectif (plutôt qu'absorbant) au-delà d'un seuil
d'éclairement Si ; -divers polymères, -des dispersions de particules de carbone ou de polymères dans
des solvants, en particulier pour la protection dans le
visible, et le proche IR.The plates can in particular be made of Ge, Si.
Calgogenide or Hallogenide in the middle and far IR, in silica glass in the visible, in Zns OR Zn Se for the visible and-the IR and have a thickness of a few millimeters. The layers with a non-linear characteristic can in particular be made of: -VO2 deposited by vacuum vaporization or by a technique
sol-gel, which has the advantage of going from transparent state to
reflective (rather than absorbent) state beyond a threshold
of illumination Si; - various polymers, - dispersions of carbon particles or polymers in
solvents, especially for protection in the
visible, and the near IR.

Plusieurs couches de matériaux peuvent tre prévues, et séparées par des lamelles de Si ou Ge ou de métal déposés par évaporation et servant d'entretoises et de masques et de support. Several layers of material can be provided, and separated by strips of Si or Ge or of metal deposited by evaporation and serving as spacers and masks and support.

Les faces éloignées des plaques sont gravées pour constituer un réseau de micro-lentilles accolées généralement à pourtour hexagonal, réparties suivant un réseau triangulaire. Ces microlentilles sont à échelons et les échelons ont une profondeur égale à un nombre entier de longueurs d'onde de façon à donner à la micro-lentille un caractère diffractif. The distant faces of the plates are etched to form a network of microlenses attached generally to a hexagonal periphery, distributed in a triangular network. These microlenses are stepped and the steps have a depth equal to an integer number of wavelengths so as to give the microlens a diffractive character.

Un processus simple de fabrication est la photogravure : un jeu de quatre masques successifs permet de réaliser 16 niveaux différents, ce qui est généralement suffisant. Les aberrations introduites par le défaut de continuité sur la première matrice sont corrigées par la seconde matrice montée symétriquement. A simple manufacturing process is photoengraving: a set of four successive masks allows for 16 different levels, which is generally sufficient. The aberrations introduced by the lack of continuity on the first matrix are corrected by the second symmetrically mounted matrix.

L'épaisseur des deux plaques est telle que la couche soit placée dans le plan focal commun des deux matrices ou légèrement en amont. The thickness of the two plates is such that the layer is placed in the common focal plane of the two matrices or slightly upstream.

Pour des seuils de protection S1 et de destruction S2, la présence du matériau à un emplacement où le gain optique est Gi protège les éléments placés en aval contre tout éclairement Si dans la pupille d'entrée compris entre Sl/Gi et S2/Gi. For S1 protection and S2 destruction thresholds, the presence of the material at a location where the optical gain is Gi protects the elements placed downstream against any illumination Si in the entrance pupil between Sl / Gi and S2 / Gi.

Le dispositif peut comporter plusieurs couches successives d'un mme matériau non linéaire (ou de matériaux différents), de façon à avoir des gains optiques Gi différents pour chaque couche. The device may comprise several successive layers of the same non-linear material (or of different materials), so as to have different optical gains Gi for each layer.

Les gains optiques et/ou les matériaux successifs sont prévus de façon qu'il y ait un recouvrement partiel des bandes successives, correspondant à des plages de protection correspondant à des éclairements décroissant depuis la pupille d'entrée. Chaque couche protège les couches situées en aval contre la destruction. The optical gains and / or the successive materials are provided so that there is a partial overlap of the successive bands, corresponding to protection areas corresponding to decreasing illuminations from the entrance pupil. Each layer protects the layers downstream from destruction.

Le dispositif de protection dont un fragment est montré en figure 1 comprend deux optiques de transport d'image 10 et 12 placés en cascade et comportant chacune un couple de matrices de micro-lentilles. Trois micro-lentilles seulement de chaque matrice sont représentées et le trajet des faisceaux lumineux n'est représenté que pour un seul jeu de plusieurs microlentilles situées en alignement. The protection device, a fragment of which is shown in FIG. 1, comprises two image transport optics 10 and 12 placed in cascade and each comprising a pair of micro-lens arrays. Only three microlenses of each matrix are shown and the path of the light beams is shown only for a single set of several microlenses located in alignment.

La matrice 16 par exemple est constituée par une plaque en matériau transparent dans la plage de longueur d'onde d'observation, par exemple en germanium ou en silicium dans l'infrarouge. La face avant de la plaque est usinée pour constituer une matrice de micro-lentille diffractive. Cet usinage peut se faire par photogravure en plusieurs étapes successives. Au cours de chaque étape, la surface est recouverte d'une résine photosensible, insolée à travers un masque particulier puis, attaquée. Ce procédé de fabrication donne naissance à une lentille dont la surface n'est pas continue, mais à échelons. Les aberrations qui en résultent sont écartées par le montage dos à dos de deux matrices. The matrix 16 for example is constituted by a plate made of transparent material in the observation wavelength range, for example germanium or silicon in the infrared. The front face of the plate is machined to form a matrix of diffractive micro-lens. This machining can be done by photoengraving in several successive stages. During each step, the surface is covered with a photosensitive resin, exposed through a special mask and then attacked. This manufacturing process gives rise to a lens whose surface is not continuous, but in steps. The resulting aberrations are eliminated by back-to-back mounting of two matrices.

Dans une variante de réalisation, la plaque 14 est gravée sur ces deux faces, de façon à constituer un réseau de microlentilles biconvexe la première face étant une lentille diffractive et la seconde une lentille de Fresnel binarisée. In an alternative embodiment, the plate 14 is engraved on these two faces, so as to constitute a network of biconvex microlenses, the first face being a diffractive lens and the second a binarized Fresnel lens.

Dans ce cas on sera souvent amené à constituer la couche non linéaire par une feuille prise en sandwich entre les deux matrices successives.In this case it will often be necessary to constitute the non-linear layer by a sheet sandwiched between the two successive matrices.

Pour donner aux micro-lentilles un type diffractif, on donne à la profondeur h (figure 2) une valeur égale à un nombre entier de fois la longueur d'onde. To give the microlenses a diffractive type, the depth h (Figure 2) is given a value equal to an integer of times the wavelength.

Le gain en éclairement dans chaque couple est égal au rapport entre la surface de chaque micro-lentille et la surface de la tâche image correspondante, déterminée par la diffraction, les aberrations et la défocalisation. Dans le visible par exemple, le gain G est de 106 pour un diamètre de micro-lentilles de 1 mm et une tâche de 1 um. The gain in illumination in each pair is equal to the ratio between the surface of each microlens and the surface of the corresponding image task, determined by diffraction, aberrations and defocusing. In the visible range, for example, the gain G is 106 for a microlens diameter of 1 mm and a spot of 1 μm.

En général, on souhaite former une image en aval du dispositif. Pour cela, il faut qu'un front d'onde plan incident ne soit pas modifié par le système optique. Or un grossissement de-1 donné par le couple 10 ne permet pas de remplir cette condition. Un grossissement de 1 est nécessaire pour y parvenir. In general, it is desired to form an image downstream of the device. For this, an incident plane wavefront must not be modified by the optical system. However, a magnification of −1 given by the pair 10 does not make it possible to fulfill this condition. A magnification of 1 is necessary to achieve this.

Ce résultat est obtenu en cascadant les couples 10 et 12, dont le second est inversé. Si le premier a un grossissement égal à -g, le second a un grossissement égal à-1/g.This result is obtained by cascading the pairs 10 and 12, the second of which is reversed. If the first has a magnification equal to -g, the second has a magnification equal to-1 / g.

On utilisera souvent, à titre de matériau non linéaire, V02, qui a l'avantage de passer d'un état transparent à un état réflectif au-delà du seuil Sl. Ce seuil S1 est compris entre 0,2 et 0,7 J/cm2 suivant le dopage et l'épaisseur. S2 est d'environ 2 J/cm2. Pour un diamètre de la pupille d'entrée de 60 mm et une tâche image de 29 um environ, on obtient une protection à partir d'un flux d'entrée de 1, 68.105 J/cm2 environ. We will often use, as a non-linear material, V02, which has the advantage of going from a transparent state to a reflective state beyond the threshold S1. This threshold S1 is between 0.2 and 0.7 J / cm2 depending on the doping and the thickness. S2 is around 2 J / cm2. For an entrance pupil diameter of 60 mm and an image task of approximately 29 μm, protection is obtained from an entry flux of approximately 1.68 × 10 5 J / cm 2.

On peut également utiliser, à titre de matériau non linéaire, des semi conducteurs : InSb et HgTe, In ba As, ou des polymères. It is also possible to use, as non-linear material, semiconductors: InSb and HgTe, In ba As, or polymers.

Le faible encombrement du dispositif fait qu'il trouve de nombreuses applications. Un tel dispositif 10 peut tre monté en avant de la lentille frontale d'une lunette, comme indiqué sur la figure 3. Mais il présente un intért tout particulier dans le cas des systèmes optiques à protéger qui n'ont pas de plan focal intermédiaire entre la pupille et l'organe sensible ou dans lesquels un tel plan focal intermédiaire n'est pas accessible. The small size of the device means that it finds many applications. Such a device 10 can be mounted in front of the front lens of a telescope, as indicated in FIG. 3. But it is of particular interest in the case of optical systems to be protected which do not have an intermediate focal plane between the pupil and the sensitive organ or in which such an intermediate focal plane is not accessible.

Claims

Device for protecting a sensitive organ against intense radiation, comprising at least one image transport optic having at least a pair of micro-lens arrays of the same focal length, having coincident focal planes and at least one layer of material non-linear placed between the first matrix and the focal plane.

2. Device according to claim 1, characterized in that the device comprises two successive pairs of dies having a symmetrical arrangement.

3. Device according to claim 2, characterized in that the first pair of matrices having a magnification g less than 1, the second couple has a magnification 1 / g.

4. Device according to claim 2 or 3, characterized in that layers of materials of different non-linear characteristics are placed in the two pairs.

5. Device according to any one of claims 1 to 4, characterized in that it comprises several successive pairs of matrix each provided with a layer of material, the optical gains of the frontal matrix and / or the materials of the successive couples being such that the range of protection offered by each layer, between the opacification threshold and the destruction threshold, corresponds to an energy band in the entrance pupil greater than the corresponding band of couples placed downstream and present an overlap with the range of the next couple.

6. Device according to any one of claims 1 to 5, characterized in that each matrix is constituted by a blade of transparent material of diffractive micro-lenses with triangular pitch, associated with a single or multiple layer of the material with non-linear characteristic .

7. Device according to claim 6, characterized in that the etching of the micro-lenses has a depth corresponding to an integer multiple of the average wavelength of the radiations to be stopped.

8. Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the matrices are made of Si, Ge, ZnS, ZnSe, calcogenide or allogenide glasses and the layers of V02.