FR3089307A1 - Composant de tête hémisphérique à images parasites réduites - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un composant de tête monopupille (10)- à champ d’entrée hyper hémisphérique quasi afocal au voisinage du champ de rayon angulaire 90°,- à surface d’entrée (11) réfractive,- à face de sortie (12) concave, à zone centrale (122) réfractive et zone périphérique (121) réflective désignée miroir primaire, et comportant un miroir secondaire (13) asphérique, - à axe de symétrie de révolution (zz’). Le composant de tête est réalisé dans un bloc de matériau optique transparent, et il comporte une barrière (1000) située sur l’axe de symétrie de révolution (zz’) et traversant le composant de part en part, de manière à :- minimiser l’interception de faisceaux utiles incidents sur la surface d’entrée (11) et qui sortent par la zone centrale réfractive (122) de la face de sortie après double réflexion dans ledit composant, sans traverser l’axe de symétrie de révolution, et- maximiser l’interception de faisceaux parasites incidents sur la barrière. Figure pour l’abrégé : Fig. 3
Description
Description
Titre de l'invention : Composant de tête hémisphérique à images parasites réduites [0001] Le domaine de l’invention est celui des dispositifs optiques d’imagerie panoramique ou hémisphérique fonctionnant à toutes les longueurs d’ondes optiques allant de l’Ultra-Violet à l’Infra-rouge lointain, et comportant un composant de tête à symétrie de révolution.
[0002] Un tel composant de tête à symétrie de révolution est décrit dans le brevet LR 13 03027. Il est réalisé dans un seul bloc de matériau optique transparent dans la gamme spectrale d’utilisation du composant et comporte une ou plusieurs faces réfléchissantes.
[0003] Ce composant génère dans certains cas des images parasites. Des faisceaux incidents selon certains angles d’incidence qui traversent l’axe central du composant de tête et qui se réfléchissent sur le dioptre opposé à la face d’entrée, se réinjectent dans la combinaison optique et engendrent sur le plan focal du dispositif, des images parasites circulaires localisées sur l’image principale voulue. Ce phénomène est schématisé par le faisceau parasite noir épais sur la figure la qui, après réfraction sur la face d’entrée 11, traverse l’axe optique zz’ et subit une première réflexion sur la face d’entrée opposée puis une double réflexion dans le bloc du composant 10 (sur le miroir asphérique 12 puis sur le miroir secondaire 13) avant sa sortie par la face de sortie 12. Après réfraction sur la face d’entrée 11, les faisceaux utiles (en traits fins) ne subissent que la double réflexion avant leur sortie ; leur trajet ne traverse pas l’axe optique zz’ et ces faisceaux ne subissent pas une première réflexion sur la face d’entrée opposée. Ceci est illustré sur les images des figures 1b (sans image parasite) et le (avec image parasite).
[0004] Pour des combinaisons optiques où l’acquisition d’une image hémisphérique permet aux faisceaux recueillis de se propager hors d’un matériau, c’est-à-dire en espace libre (air par exemple), des solutions d’interception des faisceaux parasites par masquage mécanique ont été proposées. Un tel composant à symétrie de révolution 100 comporte par exemple un cylindre en verre constituant la surface d’entrée 101 dans lequel est placé un miroir asphérique 102 comme montré figure 2 ; les faisceaux incidents sur la surface d’entrée 101 sortent par la surface de sortie 103 après simple réflexion sur le miroir asphérique 102. Une tige 104 métallique ou plastique est ajoutée sur l’axe central (axe de symétrie zz’) du composant 100 pour stopper les faisceaux parasites.
[0005] Mais il n’existe pas de solution pour réduire voire supprimer les faisceaux parasites dans un composant de tête réalisé dans un matériau optique plein qui ne permet pas facilement l’introduction d’un masque matériel en son sein. En effet, la fabrication d’un matériau optique plein se fait par usinage des faces extérieures d’un bloc de verre optique plein. Il n’y a pas d’accès pour modifier facilement les propriétés optiques internes du composant selon son axe central.
[0006] Le but de l’invention est de pallier ces inconvénients.
[0007] La solution selon l’invention consiste à prévoir dans la zone centrale du composant de tête, une zone qui n’est pas située sur le trajet des faisceaux utiles pour la formation de l’image voulue, afin de pouvoir placer dans cette zone un masquage pour les faisceaux directs parasites qui eux, passent par le centre du composant optique.
[0008] Plus précisément l’invention a pour objet un composant de tête monopupille
- à champ d’entrée hyper hémisphérique quasi afocal au voisinage du champ de rayon angulaire 90°,
- à surface d’entrée refractive qui est une surface de révolution à génératrice droite inclinée sur l’axe optique d’un angle inférieur à 30°,
- à face de sortie concave vue de l’extérieur du composant, à zone centrale réfractive et zone périphérique reflective désignée miroir primaire, et comportant un miroir secondaire asphérique à zone utile prédéterminée,
- à axe de symétrie de révolution et ayant un diamètre extérieur maximal D.
[0009] Il est principalement caractérisé en ce que le composant de tête est réalisé dans un bloc de matériau optique transparent à des longueurs d’onde prédéterminées, et en ce qu’il comporte une barrière à symétrie de révolution située sur l’axe de symétrie de révolution et traversant le composant de part en part, de diamètre d avec d < 10% D, de manière à :
- minimiser l’interception de faisceaux utiles incidents sur la surface d’entrée et qui sortent par la zone centrale réfractive de la face de sortie après double réflexion dans ledit composant, sans traverser l’axe de symétrie de révolution, et
- maximiser l’interception de faisceaux parasites incidents sur la barrière.
[0010] La barrière est par exemple cylindrique ou conique.
[0011] D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, faite à titre d’exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels :
[0012] [fig.la] décrite illustre schématiquement la présence de faisceaux parasites dans un composant de tête d’un dispositif d’imagerie hémisphérique [0013] [fig.lb] illustre une image sans faisceaux parasites [0014] [fig. le] illustre une image avec faisceaux parasites [0015] [fig.2] déjà décrite représente schématiquement une combinaison optique de l’art antérieur, [0016] [fig.3] montre un exemple d’un mode de réalisation de composant de tête selon l’invention, [0017] [fig.4a] montre un premier exemple de variante de composant de tête selon l’invention.
[0018] [fig.4b] montre un deuxième exemple de variante de composant de tête selon l’invention.
[0019] D’une figure à l’autre, les mêmes éléments sont repérés par les mêmes références. [0020] La solution selon l’invention consiste à modifier le composant de tête pour qu’il interdise le passage des faisceaux parasites, c’est-à-dire ceux qui ne suivent pas le parcours optique pour lequel le composant de tête a été conçu. Pour ce faire on forme une barrière centrée sur l’axe optique (axe de symétrie du composant de tête) pour éliminer au mieux les faisceaux parasites passant par cet axe optique ou proche de lui, sans gêner le passage des faisceaux utiles. Puisque les faisceaux utiles ne passent pas par cette barrière centrale, elle n’a donc pas d’impact sur eux.
[0021] On décrit en relation avec les figures 3, 4a et 4b, un composant de tête 10 monopupille à champ hyper-hémisphérique par exemple de l’ordre de 200° à 220°, quasi afocal au voisinage du champ de rayon angulaire 90° (c’est-à-dire variant typiquement entre 90° ± 2°) tel que décrit dans le brevet FR 13 03027. Le composant est quasi afocal en ce sens que les images sagittale et tangentielle d’un objet situé au voisinage de ce champ horizontal sont l’une réelle et l’autre virtuelle. Il est mono pupille en ce sens que toutes les voies optiques passent par la même pupille en sortie du composant de tête.
[0022] Sa surface d’entrée 11 réfractive est une surface de révolution à génératrice droite inclinée sur l’axe optique d’un angle inférieur à 30°.
[0023] Sa face de sortie 12 est concave vue de l’extérieur du composant avec pour les rayons provenant de la face d’entrée 11 et transitant dans le composant 10 :
- une zone centrale 122 réfractive et
- une zone périphérique 121 reflective désignée miroir primaire.
[0024] Ces deux zones peuvent être constituées de deux surfaces jointives de rayons de courbure différents avec dans ce cas, la zone périphérique 121 asphérique et la zone centrale 122 sphérique comme on peut le voir sur les figures 4a et 4b, ou d’une unique surface définie par une même fonction géométrique le plus souvent asphérique comme montré figure 3.
[0025] Le composant de tête comporte un miroir secondaire 13 à zone utile (c’est-à-dire réfléchissante) prédéterminée comportant une zone utile intérieure 132 et une zone utile extérieure 131. La zone utile intérieure 132 peut exclure le centre car celui-ci peut présenter un point de rebroussement ; elle correspond alors à un champ de vue annulaire. La zone utile est asphérique à focale spatialement variable avec une puissance locale maximale formant une courbe en cloche sur la zone utile extérieure 131 et inférieure d’au moins un facteur 2 (par rapport à cette puissance maximale) vers l’intérieur de la zone utile intérieure 132, de manière à ce que la résolution radiale soit minimale à l’horizon ; la puissance locale varie continûment mais pas linéairement en fonction du champ objet ; elle présente un maximum correspondant à la zone utilisée par le champ horizontal et un minimum correspondant à la zone utilisée par le champ vertical ou quasi-vertical (=de rayon angulaire <20°), c’est-à-dire vers l’intérieur de la zone intérieure 132. Cela permet au module d’imagerie comportant un tel composant de tête, de posséder une focale locale variant d’un facteur supérieur à 2 dans le champ. La focale locale fl est définie par l’expression fl(0) = dy/d0r, dans laquelle dy est le champ image élémentaire correspondant à un champ objet élémentaire d0r d’orientation radiale et centré sur le champ de rayon angulaire Θ ; la puissance locale est Pl(0) =1/ fl(0).
[0026] Le composant de tête comporte en outre une barrière 1000 à symétrie de révolution située sur l’axe de révolution zz’ du composant et qui traverse le composant de part en part (du miroir secondaire 13 jusqu’à la zone centrale 122), de manière à minimiser l’interception des faisceaux utiles qui ne traversent pas l’axe de révolution et maximiser l’interception de faisceaux parasites incidents sur la barrière. Cette barrière 1000 peut avoir une forme cylindrique droite de diamètre d comme montré sur la figure 3. Elle peut aussi avoir une forme conique de diamètre maximal d comme montré sur les figures 4a ou 4b, avec la pointe du cône située au centre de la zone centrale 122, sa base de diamètre d étant située au niveau du miroir secondaire 13. On a typiquement d < 10% D, D étant le diamètre maximal du composant de tête, pour minimiser l’interception des faisceaux utiles.
[0027] Cette barrière 1000 est réalisée en formant un trou à paroi polie ou dépolie, par :
- forage par une tige diamant ou autres ;
- forage par fusion ou micro-explosion laser ;
- forage par jet d’eau ;
- préformage dans le bloc de matériau du composant, par exemple par fusion du matériau pour créer des microbulles.
[0028] Ce trou est de préférence rendu opaque en ne le polissant pas après forage ou en le recouvrant d’une peinture adaptée. Les parois du trou peuvent être diffusantes. Il peut aussi être rempli d’un matériau opaque, d’un matériau absorbant. Plus généralement la barrière peut être formée par toute modification locale des caractéristiques du matériau du bloc du composant de tête.
[0029] Pour le bloc du composant de tête 10 on peut utiliser divers matériaux. Pour les applications d’imagerie Visible (0.4-0.65 pm) et/ou d’imagerie Proche Infra-rouge (NIR 0.65-1 pm) et/ou d’imagerie Infra-rouge SWIR (1.5-1.7 pm), et/ou d’imagerie NIR+SWIR (lpm-1.7 pm), on peut utiliser comme matériau du verre optique standard désigné sous cette appellation générique ou sous sa marque commerciale Schott NBK7 ou N-BK7HT de préférence dans le cas où la voie SWIR est utilisée, sans que la généralité de la référence en soit modifiée. Ce verre a l’avantage d’avoir un faible coût, d’exister en standard en grande épaisseur, et d’être relativement dur et peu sensible aux agents chimiques. Parmi les autres matériaux candidats, on peut citer en particulier le verre désigné sous sa marque commerciale Schott N-SK2 ou équivalent ainsi que la Silice et les verres moniables.
[0030] Pour les applications multi spectrales plus large bande, on peut en particulier utiliser comme matériau du composant de tête du ZnS multi spectral (transparent du Visible à l’infrarouge bande III), de l’Alon (matériau dur transparent du Visible à l’infrarouge bande II), du Silicium (transparent en bandes SWIR et IR II) des matériaux en cours de développement comme les céramiques (matériaux durs transparents du Proche Infrarouge à l’infrarouge bande III).
[0031] Divers modes de réalisation d’un composant de tête selon l’invention sont montrés figures 3, 4a et 4b.
[0032] Selon un premier mode de réalisation montré figure 3, la surface d’entrée 11 est une surface de révolution à génératrice droite inclinée sur l’axe optique d’un angle nul. Dit autrement il s’agit d’une surface cylindrique dont les faces sont parallèles à l’axe optique zz’ : les faces sont verticales.
[0033] La face de sortie 12 est concave vue de l’extérieur avec pour les rayons provenant de la face d’entrée : une zone centrale 122 refractive et une zone périphérique 121 réflective formant le miroir primaire. Cette zone périphérique 121 est de préférence asphérique pour améliorer la qualité optique des images.
[0034] Dans un exemple d’autre mode de réalisation montré figure 4a, la surface d’entrée 11 est conique c’est-à-dire à génératrice inclinée sur l’axe optique d’un angle inférieur à 30° et non nul, en l’occurrence d’un angle de 15° comme indiqué sur la figure (le sommet de cet angle d’inclinaison sur l’axe optique zz’ pointe vers z’). Cela permet d’obtenir une visée zénithale performante.
[0035] Selon une variante de ce deuxième mode de réalisation, montrée figure 4b, la surface d’entrée 11 est conique à cône inversé par rapport à l’exemple précédent ; elle est inclinée sur l’axe optique d’un angle de 7° comme indiqué sur la figure (le sommet de cet angle d’inclinaison sur l’axe optique zz’ pointe vers z). Cette configuration est avantageuse pour une utilisation en zone d’intempéries (pluie, neige, etc.).
[0036] La surface d’entrée 11 est avantageusement recouverte d’un traitement hydrophobe.
Claims (1)
-
Revendications [Revendication 1] Composant de tête monopupille (10) - à champ d’entrée hyper hémisphérique quasi afocal au voisinage du champ de rayon angulaire 90°, - à surface d’entrée (11) refractive qui est une surface de révolution à génératrice droite inclinée sur l’axe optique d’un angle inférieur à 30°, - à face de sortie (12) concave vue de l’extérieur du composant, à zone centrale (122) réfractive et zone périphérique (121) reflective désignée miroir primaire, et comportant un miroir secondaire (13) asphérique à zone utile prédéterminée, - à axe de symétrie de révolution (zz’) et ayant un diamètre extérieur maximal D, caractérisé en ce que le composant de tête est réalisé dans un bloc de matériau optique transparent à des longueurs d’onde prédéterminées, et en ce qu’il comporte une barrière (1000) à symétrie de révolution située sur l’axe de symétrie de révolution (zz’) et traversant le composant de part en part, de diamètre d avec d < 10% D, de manière à : - minimiser l’interception de faisceaux utiles incidents sur la surface d’entrée (11) et qui sortent par la zone centrale réfractive (122) de la face de sortie après double réflexion dans ledit composant, sans traverser l’axe de symétrie de révolution, et - maximiser l’interception de faisceaux parasites incidents sur la barrière. [Revendication 2] Composant de tête selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la barrière (1000) est cylindrique ou conique. [Revendication 3] Composant de tête selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la barrière (1000) est un trou percé dans le composant. [Revendication 4] Composant de tête selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le trou est rempli d’un matériau absorbant. [Revendication 5] Composant de tête selon la revendication 3, caractérisé en ce que les paroi du trou sont diffusantes. 1/3
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