FR3118201A1 - Systeme optique imageur a trois miroirs - Google Patents
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Abstract
Un système optique imageur (1) à trois miroirs (M1, M2, M3) possède une configuration adaptée pour supprimer des rayons parasites qui pourraient atteindre un capteur d’image (2) du système, tout en permettant de grands champs, de grandes ouvertures et une bonne compacité du système. Le système peut aussi incorporer deux écrans d’entrée (11, 12) qui sont disposés de part et d’autre d’une entrée optique dudit système. Des fonctions desdits deux écrans d’entrée peuvent être limitées à intercepter des rayons provenant de champs qui sont éloignés angulairement par rapport à un champ d’entrée utile pour chaque image saisie. Les deux écrans d’entrée peuvent ainsi avoir des longueurs limitées vers l’amont, de sorte que le système présente un encombrement restreint.Figure d’abrégé : Figure 3b
Description
La présente description concerne un système optique imageur à trois miroirs, ainsi qu’un appareil imageur optronique qui comprend un tel système.
Des systèmes optiques imageurs à trois miroirs sont utilisés pour de très nombreuses applications. Ces systèmes peuvent notamment être du type télescopes, et l’article intitulé «Concurrent engineering of a next-generation freeform telescope» : optical design», de A. Bauer et al., Proc. of SPIE, Vol. 10998, 14 mai 2019, pp. 109980W-1 à 109980W-8, propose plusieurs nouvelles configurations de systèmes optiques imageurs chacun constitué par trois miroirs freeform. Des enjeux généraux qui concernent les systèmes optiques imageurs sont notamment leur encombrement et la possibilité de réduire une quantité de lumière parasite qui est superposée à des images formées par les miroirs. Il est courant d’utiliser un ou plusieurs écrans («baffle» en anglais) disposés de façon adéquate pour réduire la quantité de lumière parasite qui parvient au capteur d’image d’un tel système optique imageur, mais certains de ces écrans, notamment ceux qui sont les plus efficaces, augmentent l’encombrement du système dans une mesure importante. En plus d’augmenter son encombrement, de tels écrans augmentent aussi l’inertie du système optique imageur par rapport à des rotations qui lui sont appliquées pour balayer une large scène à saisir en plusieurs images successives. Une application des systèmes optiques imageurs qui nécessite que des rotations rapides de ceux-ci puissent être réalisées, avec des accélérations angulaires importantes, est la fourniture de boules optroniques de surveillance et de détection qui sont destinées à être embarquées à bord d’aéronefs, par exemple à bord d’hélicoptères ou de drones. Il est donc important d’obtenir de faibles niveaux de lumière parasite dans les images qui sont saisies, en même temps que les écrans qui sont incorporés au système optique imageur soient les plus petits possibles.
Dans toute la présente description, les termes amont et aval sont définis par rapport au sens de propagation des rayons qui proviennent de la scène et forment l’image dans le plan focal PF. En outre, on appelle rayon parabasal, ou rayon principal, le rayon lumineux qui provient de la scène et participe à l’image dans le plan focal PF en passant par un centre de la pupille d’entrée du système 1, avec une déviation angulaire qui est nulle par rapport à l’axe optique du système. Dans , le rayon parabasal est désigné par la référence RP, son segment initial par la référence RP0, ses premier et second segments intermédiaires par les références RP1et RP2, respectivement, et son segment terminal par la référence RP3. On appelle aussi rayon marginal de bord de champ un rayon lumineux qui provient d’un élément de la scène situé à la limite du champ d’entrée du système 1, et qui passe sur un bord de la pupille d’entrée du système.
Dans le système de , les miroirs M1 et M2 sont orientés de sorte que le second segment intermédiaire RP2du rayon parabasal RP coupe son segment initial RP0. Cette configuration des miroirs M1 et M2 est dite en α. En outre, les miroirs M2 et M3 sont orientés de sorte que le segment terminal RP3du rayon parabasal RP passe sur un côté latéral du miroir M2 qui est opposé à un décalage latéral du miroir M1 par rapport au miroir M2. De cette façon, le segment terminal RP3du rayon parabasal RP ne coupe pas son premier segment intermédiaire RP1. Cette configuration des miroirs M2 et M3 est dite en z. Ainsi, le système 1 possède une configuration optique globale qui est dite en α-z.
Le système 1 comprend en outre un capteur d’image 2 qui est agencé de sorte qu’une surface photosensible S de ce capteur d’image soit superposée au plan focal PF. La surface photosensible S s’étend à partir d’une limite amont LAMjusqu’à une limite aval LAV, les limites amont LAMet aval LAVde la surface photosensible S du capteur d’image 2 étant définies par rapport à des projections respectives de ces limites sur le segment initial du rayon parabasal RP0et par rapport au sens de propagation du rayon parabasal RP dans ce segment initial.
Problème technique
A partir de cette situation, un but de la présente invention est de proposer un nouveau système optique imageur pour lequel la quantité de lumière parasite qui parvient au capteur d’image est réduite.
Un but supplémentaire de l’invention est que le système optique imageur présente un faible encombrement.
Un autre but supplémentaire de l’invention est que le système optique imageur puisse avoir un grand champ d’entrée, et/ou avoir une grande pupille d’entrée.
Encore un autre but de l’invention est que le système optique imageur puisse être fabriqué à faible coût.
Pour atteindre l’un au moins de ces buts ou un autre, un premier aspect de l’invention propose un système optique imageur à trois miroirs du type décrit plus haut, dans lequel les miroirs secondaire et tertiaire sont orientés de sorte que la limite amont de la surface photosensible du capteur d’image soit décalée vers l’aval par rapport à une droite qui relie un bord amont du miroir primaire à un bord amont du miroir secondaire, ou à un bord amont d’un écran qui entoure le miroir secondaire. De cette façon, le miroir secondaire ou l’écran qui l’entoure intercepte des rayons qui se propageraient de façon rectiligne directement du miroir primaire à la surface photosensible du capteur d’image.
Conformément à la convention indiquée plus haut, les bords amont et aval du miroir primaire, respectivement du miroir secondaire, sont définis par rapport à des projections respectives de ceux-ci sur le segment initial du rayon parabasal et par rapport au sens de propagation du rayon parabasal dans ce segment initial. De façon similaire, le décalage vers l’aval de la limite amont de la surface photosensible du capteur d’image est parallèle au segment initial du rayon parabasal et orienté conformément au sens de propagation du rayon parabasal dans ce segment initial.
Une telle configuration du système, dans laquelle le miroir secondaire est donc situé entre le capteur d’image et le miroir primaire, permet de supprimer toute lumière parasite qui atteindrait le capteur d’image en provenant directement du miroir primaire, notamment de tels rayons qui pénétreraient par l’entrée optique du système et seraient réfléchis par le miroir primaire en direction du capteur d’image.
Selon un perfectionnement de l’invention, le système peut comprendre en outre un premier écran d’entrée qui est superposé à des segments initiaux de premiers rayons marginaux de bord de champ, d’un même premier côté du champ d’entrée que le capteur d’image, opposé au miroir tertiaire. Dans ce cas, ce premier écran d’entrée peut avoir un bord aval qui rejoint des segments terminaux de seconds rayons marginaux de bord de champ. Ces seconds rayons marginaux de bord de champ peuvent être opposés aux premiers rayons marginaux de bord de champ dans un faisceau de rayons qui entre dans le système et forme l’image, notamment lorsque le système possède un plan de symétrie qui est commun aux trois miroirs. Un tel premier écran d’entrée supprime une partie de la lumière qui pénétrerait dans le système par son entrée optique en étant orientée directement vers le capteur d’image. En outre, ce premier écran d’entrée peut avoir une longueur à partir de son bord aval, telle qu’un bord amont de ce premier écran d’entrée intercepte des rayons qui pénétreraient dans le système par son entrée optique en direction du miroir tertiaire, et seraient réfléchis par ce miroir tertiaire en direction du capteur d’image.
Grâce à la caractéristique de la présente invention, selon laquelle la limite amont de la surface photosensible du capteur d’image est décalée vers l’aval par rapport à la droite qui relie les bords amont respectifs des miroirs primaire et secondaire, le premier écran d’entrée peut avoir une longueur qui est limitée parallèlement au segment initial du premier rayon marginal de bord de champ. L’encombrement du système incluant le premier écran d’entrée est ainsi réduit.
Selon un perfectionnement complémentaire de l’invention, le système peut comprendre en outre un second écran d’entrée qui est superposé à des segments initiaux des seconds rayons marginaux de bord de champ, d’un même second côté du champ d’entrée que le miroir tertiaire, opposé au capteur d’image. Alors, ce second écran d’entrée peut avoir un bord aval qui est raccordé à un bord amont du miroir tertiaire, ou à un écran qui entoure ce miroir tertiaire, ou à une monture opaque du miroir tertiaire. Alternativement, le bord aval du second écran d’entrée peut être situé en aval d’une droite qui relie la limite amont de la surface photosensible du capteur d’image au bord aval du premier écran d’entrée. Un tel second écran d’entrée réduit d’une façon complémentaire la lumière qui pénètrerait dans le système par son entrée optique en étant dirigée directement vers le capteur d’image.
Préférablement, le second écran d’entrée peut avoir un bord amont qui est situé en amont d’une droite qui relie le bord aval du premier écran d’entrée à la limite aval de la surface photosensible du capteur d’image. Ainsi, les premier et second écrans d’entrée coopèrent pour intercepter tous les rayons lumineux qui pénètreraient dans le système par son entrée optique en étant dirigés directement vers le capteur d’image ou vers le miroir tertiaire.
Encore grâce à la caractéristique de la présente invention, selon laquelle la limite amont de la surface photosensible du capteur d’image est décalée vers l’aval par rapport à la droite qui relie les bords amont respectifs des miroirs primaire et secondaire, le second écran d’entrée peut avoir une longueur qui est limitée parallèlement aux segments initiaux des seconds rayons marginaux de bord de champ. L’encombrement du système incluant en plus le second écran d’entrée est ainsi aussi réduit.
Dans des modes préférés de réalisation de l’invention, l’une au moins des caractéristiques additionnelles suivantes peut être reproduite optionnellement, seule ou en combinaison de plusieurs d’entre elles :
- l’un au moins parmi le miroir primaire, le miroir secondaire et le miroir tertiaire peut posséder une surface réfléchissante freeform ;
- une dimension longitudinale du capteur d’image détermine un premier angle de champ du système, et le système peut être adapté de sorte que ce premier angle de champ soit supérieur ou égal à 9° (degré), de préférence supérieur ou égal à 18°. Le champ d’entrée du système peut ainsi être grand, en étant préférablement inférieur à 45° ;
- le capteur d’image peut posséder un agencement matriciel, auquel cas une dimension transversale du capteur d’image, qui est perpendiculaire à sa dimension longitudinale, détermine un second angle de champ du système. Dans ce cas, le système peut être adapté en outre de sorte que le second angle de champ soit supérieur ou égal à 12°, de préférence supérieur ou égal à 24°, et préférablement inférieur à 60° ;
- le système peut avoir une valeur de nombre d’ouverture N qui est inférieure à 5, de préférence inférieure à 2, le nombre d’ouverture N étant égal à f/D où f est la longueur focale du système et D est une dimension de la pupille d’entrée du système. La valeur du nombre d’ouverture N peut donc être telle que la pupille d’entrée du système soit grande ;
- la valeur de la longueur focale f peut être inférieure ou égale à 100 mm, de préférence inférieure ou égale à 20 mm, et supérieure à 2 mm ;
- le capteur d’image peut être d’un type qui est sensible dans une partie au moins d’un intervalle spectral qui s’étend de 360 nm (nanomètre) à 14 µm (micromètre), en valeurs de longueur d’onde des rayons qui proviennent de la scène. En particulier, le capteur d’image peut être un capteur thermique du type à bolomètres ou à microbolomètres ;
- le système peut comprendre en outre un diaphragme pupillaire, ce diaphragme pupillaire étant situé au niveau du miroir primaire ou du miroir tertiaire, de préférence au niveau du miroir tertiaire. Pour ces deux positions du diaphragme pupillaire, ce dernier peut avoir une forme d’ouverture qui est simple, notamment circulaire, carrée ou rectangulaire. En outre, sa taille est plus petite lorsqu’il est situé au niveau du miroir tertiaire. Avantageusement, le diaphragme pupillaire peut être formé par le bord périphérique du miroir primaire ou du miroir tertiaire ;
- le système peut comprendre en outre un dispositif de séparation spectrale qui est disposé entre le miroir tertiaire et le capteur d’image, et un capteur d’image additionnel qui est disposé dans une image du plan focal du système formée par le dispositif de séparation spectrale ;
- les miroirs primaire, secondaire et tertiaire peuvent être contenus dans une sphère qui possède un diamètre compris entre 2 et 6 fois la valeur de la longueur focale f du système ; et
- l’un au moins parmi le miroir primaire, le miroir secondaire et le miroir tertiaire peut posséder une surface réfléchissante freeform ;
- une dimension longitudinale du capteur d’image détermine un premier angle de champ du système, et le système peut être adapté de sorte que ce premier angle de champ soit supérieur ou égal à 9° (degré), de préférence supérieur ou égal à 18°. Le champ d’entrée du système peut ainsi être grand, en étant préférablement inférieur à 45° ;
- le capteur d’image peut posséder un agencement matriciel, auquel cas une dimension transversale du capteur d’image, qui est perpendiculaire à sa dimension longitudinale, détermine un second angle de champ du système. Dans ce cas, le système peut être adapté en outre de sorte que le second angle de champ soit supérieur ou égal à 12°, de préférence supérieur ou égal à 24°, et préférablement inférieur à 60° ;
- le système peut avoir une valeur de nombre d’ouverture N qui est inférieure à 5, de préférence inférieure à 2, le nombre d’ouverture N étant égal à f/D où f est la longueur focale du système et D est une dimension de la pupille d’entrée du système. La valeur du nombre d’ouverture N peut donc être telle que la pupille d’entrée du système soit grande ;
- la valeur de la longueur focale f peut être inférieure ou égale à 100 mm, de préférence inférieure ou égale à 20 mm, et supérieure à 2 mm ;
- le capteur d’image peut être d’un type qui est sensible dans une partie au moins d’un intervalle spectral qui s’étend de 360 nm (nanomètre) à 14 µm (micromètre), en valeurs de longueur d’onde des rayons qui proviennent de la scène. En particulier, le capteur d’image peut être un capteur thermique du type à bolomètres ou à microbolomètres ;
- le système peut comprendre en outre un diaphragme pupillaire, ce diaphragme pupillaire étant situé au niveau du miroir primaire ou du miroir tertiaire, de préférence au niveau du miroir tertiaire. Pour ces deux positions du diaphragme pupillaire, ce dernier peut avoir une forme d’ouverture qui est simple, notamment circulaire, carrée ou rectangulaire. En outre, sa taille est plus petite lorsqu’il est situé au niveau du miroir tertiaire. Avantageusement, le diaphragme pupillaire peut être formé par le bord périphérique du miroir primaire ou du miroir tertiaire ;
- le système peut comprendre en outre un dispositif de séparation spectrale qui est disposé entre le miroir tertiaire et le capteur d’image, et un capteur d’image additionnel qui est disposé dans une image du plan focal du système formée par le dispositif de séparation spectrale ;
- les miroirs primaire, secondaire et tertiaire peuvent être contenus dans une sphère qui possède un diamètre compris entre 2 et 6 fois la valeur de la longueur focale f du système ; et
- l’un au moins des miroirs primaire, secondaire et tertiaire peut comprendre une partie rigide en un matériau injecté à base de polymères, et optionnellement une couche métallique réfléchissante.
Enfin, un second aspect de l’invention propose un appareil imageur optronique qui comprend un système conforme au premier aspect indiqué ci-dessus. Cet appareil peut être un autodirecteur d’engin volant, une caméra thermique, un appareil d’assistance de vision ou une boule optronique de surveillance et de détection, de façon non-limitative.
Brève description des figures
Les caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement dans la description détaillée ci-après d’exemples de réalisation non-limitatifs, en référence aux figures annexées parmi lesquelles :
Description détaillée de l’invention
Pour raison de clarté, les dimensions des éléments qui sont représentés dans ces figures ne correspondent ni à des dimensions réelles, ni à des rapports de dimensions réels. En outre, des références identiques qui sont indiquées dans des figures différentes désignent des éléments identiques ou qui ont des fonctions identiques. On pourra supposer que le plan des figures constitue un plan de symétrie des systèmes optiques imageurs qui sont représentés, bien qu’une telle symétrie ne soit pas indispensable à l’invention. En effet, les trois miroirs de chaque système peuvent être inclinés de sorte que les segments du rayon parabasal ne soient pas coplanaires.
Dans - , le trièdre orthogonal direct x, y, z est tel que l’axe x soit perpendiculaire au plan des figures, l’axe z soit parallèle au segment initial RP0du rayon parabasal RP et orienté dans le sens de propagation du rayon sur ce segment, et l’axe y est orienté de sorte que les segments terminaux des rayons qui participent à l’image qui est formée dans le plan focal PF, orientés selon le sens de propagation de ces rayons, aient des projections sur l’axe y qui sont orientées positivement. Le plan y-z, qui est le plan des figures, peut être un plan de symétrie du système 1, y compris un plan de symétrie de la surface réfléchissante de chacun des miroirs M1, M2 et M3. Les termes d’amont et d’aval sont définis par rapport à l’axe z, en comparant les positions respectives des projections des limites ou bords de composants optiques sur cet axe z. En particulier, le bord aval BAV1, respectivement BAV2, est opposé au bord amont BAM1, resp. BAM2, pour le miroir M1, resp. M2.
La droite D0qui est indiquée dans relie les bords amont des miroirs M1 et M2, qui sont notés respectivement BAM1et BAM2. Elle montre que le capteur d’image 2 est décalé au moins en partie en amont de cette droite D0, toujours par rapport à l’axe z. A cause de ces positions relatives de la droite D0et du capteur d’image 2, de la lumière parasite peut se propager directement du miroir M1 au capteur d’image 2. Cette lumière parasite peut provenir de la scène vers laquelle est tournée l’entrée optique du système 1, être réfléchie par le miroir M1 en direction du capteur d’image 2, puis parvenir directement au capteur d’image 2 en passant sur le côté amont du miroir M2. La référence R1dans désigne un rayon de cette lumière parasite. Ce rayon R1de lumière parasite ayant une faible inclinaison par rapport à l’axe optique du système 1 au niveau de son entrée optique, c’est-à-dire une faible inclinaison par rapport à l’axe z avant d’être réfléchi par le miroir M1, sa suppression par un masque de bord de champ placé à l’entrée optique du système 1 nécessiterait que ce masque ait une grande longueur en direction l’amont de l’entrée optique.
Dans le système 1 de , le miroir M3 constitue la pupille d’entrée.
Pour le mode de réalisation de l’invention de , la dimension de la surface photosensible S du capteur d’image 2 qui apparaît dans le plan y-z de la figure, est telle que l’angle de champ associé soit égal à 18°. Dans la partie générale de la présente description, cette dimension de la surface photosensible S a été appelée dimension longitudinale, et l’angle de champ associé a été appelé premier angle de champ. Ce premier angle de champ est noté α1dans la suite.
Le capteur d’image 2 peut être de type matriciel, auquel cas sa surface photosensible S possède une autre dimension qui est parallèle à l’axe x. Cette autre dimension a été appelée dimension transversale de la surface photosensible S dans la partie générale de la présente description. Pour le mode de réalisation de , cette dimension transversale de la surface photosensible S du capteur d’image 2 est telle que l’angle de champ associé, appelé second de champ, soit égal à 24°. Ainsi, le système 1 de possède un champ total qui est grand, de 18°x24°. Toutefois, il est possible d’obtenir des champs plus grands, ou plus petits, avec une telle configuration du système optique imageur. Conformément au mode de réalisation qui est décrit ici, lorsque la surface photosensible S du capteur d’image 2 est rectangulaire, ce capteur d’image est préférablement orienté pour que la plus grande dimension latérale de sa surface photosensible soit perpendiculaire au plan de symétrie du système 1, c’est-à-dire perpendiculaire au plan de .
Pour le mode de réalisation de qui est montré à titre d’exemple, le capteur d’image 2 possède 240 pixels de 12 µm (micromètre) chacun, dans sa dimension longitudinale, et 320 pixels dans sa dimension transversale. La valeur de longueur focale f de ce système 1 est égale à 9 mm (millimètre), et son nombre d’ouverture N est égal à 1,5, correspondant à une dimension de pupille d’entrée de 6 mm.
Dans des modes de réalisation possibles de l’invention, certains ou tous les composants optiques du système 1 peuvent être réalisés par impression tridimensionnelle, couramment appelée impression 3D.
Dans d’autres modes de réalisation possibles, certains ou tous les composants optiques du système 1 peuvent être réalisés en un matériau à base de polymères qui est injecté. De tels autres modes de réalisation peuvent avoir des prix de revient qui sont particulièrement faibles. En outre, au moins l’un des miroirs M1, M2 et M3 qui est ainsi formé par injection peut être réalisé directement avec un système d’auto-positionnement de ce miroir.
Chacun des miroirs M1, M2 et M3 peut être constitué par une partie de base qui est rigide et qui procure la forme de sa surface réfléchissante, et par une couche métallique réfléchissante qui est déposée sur sa surface. La partie de base, rigide, peut être constituée par matériau solide imprimé 3D, ou être à base de polymères injectés. Pour le miroir M2, la partie de base et la couche réfléchissante de ce miroir sont désignées par les références M2b et M2r, respectivement, dans .
Dans le plan y-z de et , le champ d’entrée du système 1 est limité entre deux rayons marginaux de bord de champ qui sont désignés par les références RM1et RM2. Les segments initiaux de ces rayons marginaux de bord de champ RM1et RM2forment donc entre eux l’angle de champ α1qui a été introduit plus haut. L’écran d’entrée 11 est superposé au segment initial du rayon marginal de bord de champ RM1, et l’écran d’entrée 12 est superposé au segment initial du rayon marginal de bord de champ RM2. En outre, l’écran d’entrée 11 peut s’étendre vers l’aval jusqu’au segment terminal du rayon marginal de bord de champ RM2, et l’écran d’entrée 12 peut s’étendre vers l’aval jusqu’au bord amont BAM3du miroir M3. Autrement dit, le bord aval BAV 11de l’écran d’entrée 11 peut être situé sur le segment terminal du rayon marginal de bord de champ RM2, et le bord aval BAV 1 2de l’écran d’entrée 12 peut rejoindre le bord amont BAM3du miroir M3. En dehors du plan y-z de et , les écrans d’entrée 11 et 12 sont de préférence superposés aux rayons marginaux de bord de champ qui sont voisins des rayons marginaux de bord de champ RM1et RM2.
Dans le plan y-z et en référence à , la référence F0 désigne le champ d’entrée du système 1, les références F1 et F2 désignent des champs angulaires qui sont externes au champ d’entrée F0 mais voisins angulairement de celui-ci, et les références F3 et F4 désignent des champs angulaires qui sont situés angulairement sur des côtés des champs F1 et F2, respectivement, opposés par rapport au champ d’entrée F0. Les champs F1 et F2 sont donc appelés champs voisins du champ d’entrée F0, et les champs F3 et F4 sont appelés champs éloignés du champ d’entrée F0.
Des rayons qui proviennent des champs voisins F1 et F2 et qui pourraient être réfléchis par le miroir M1, puis par le miroir M2 et enfin par le miroir M3 parviennent au capteur d’image 2 en dehors de sa surface photosensible S. Par principe, des rayons qui proviennent des champs éloignés F3 et F4 ne suivent pas le chemin nominal à l’intérieur du système 1, successivement par les trois miroirs, mais ils sont soit orientés directement vers le capteur d’image 2 s’ils proviennent du champ éloigné F4, soit ils parviendraient au capteur d’image 2 après réflexion sur le miroir M3 s’ils proviennent du champ éloigné F3 ou le miroir
Le placement du capteur d’image 2 près de l’entrée optique O du système 1, tel que procuré par la configuration en α-z, permet d’éviter que des rayons parasites qui proviendraient du champ voisin F1 puissent être réfléchis par le miroir M3 en direction du capteur d’image 2. La fonction de l’écran d’entrée 11 comprend donc l’interception des rayons parasites provenant du champ éloigné F3 qui pourraient être réfléchis par le miroir M3 en direction du capteur d’image 2, mais sans comprendre d’intercepter les rayons parasites qui proviendraient du champ voisin F1 aussi en direction du miroir M3. Grâce à cela, la longueur de l’écran d’entrée 11 vers l’amont du système 1 peut être courte.
L’écran d’entrée 11 intercepte aussi une partie des rayons qui proviennent du champ éloigné F4 en étant orientés vers le capteur d’image 2, c’est-à-dire ceux des rayons du champ éloigné F4 qui sont les moins inclinés par rapport à l’axe z. Ceux-ci sont en effet interceptés par la partie aval de l’écran d’entrée 11.
Par ailleurs, ceux des rayons du champ éloigné F4 qui sont les plus inclinés par rapport à l’axe z en étant orientés vers le capteur d’image 2, sont interceptés par l’écran d’entrée 12. Pour intercepter ces rayons, l’écran d’entrée 12 peut posséder un bord amont BAM 12qui est en amont d’une droite D1qui relie le bord aval BA V 1 1de l’écran d’entrée 11 à la limite aval LA Vde la surface photosensible S du capteur d’image 2. Mais grâce à la caractéristique selon laquelle le miroir M2 intercepte les rayons qui se propageraient rectilignement entre le miroir M1 et le capteur d’image 2, l’écran d’entrée 12 n’a pas besoin d’intercepter des rayons parasites du champ voisin F2 qui se réfléchiraient sur le miroir M1 en direction du capteur d’image 2, ni ceux les moins inclinés du champ éloigné F4. La configuration en α-z du système 1 permet donc, en plaçant le capteur d’image 2 près de son entrée optique O, de n’avoir que les rayons parasites les plus inclinés du champ éloigné F4 à intercepter par l’écran d’entrée 12, sans nécessiter que cet écran d’entrée 12 doive intercepter les rayons du champ voisin F2 ni les rayons les moins inclinés du champ éloigné F4. Le bord amont BAM12de l’écran d’entrée 12 peut donc être situé sur la droite D1sans nécessairement la dépasser vers l’amont. Ainsi, l’écran d’entrée 12 peut aussi avoir une longueur vers l’amont, c’est-à-dire qui s’étend en avant de l’entrée optique O, qui est courte. Par ailleurs, il peut être suffisant que le bord aval BAV 12de l’écran d’entrée 12 soit situé sur une droite D2qui relie le bord aval BA V 11de l’écran d’entrée 11 à la limite amont LAMde la surface photosensible S du capteur d’image 2, au lieu de rejoindre le bord amont BAM3du miroir M3.
Grâce aux longueurs limitées vers l’amont des deux écrans d’entrée 11 et 12, l’ensemble du système 1, y compris ces écrans d’entrée 11 et 12, présente donc un encombrement qui est faible.
Il est entendu que l’invention peut être reproduite en modifiant des aspects secondaires des modes de réalisation qui ont été décrits en détail ci-dessus, tout en conservant certains au moins des avantages cités. Notamment, un système optique imageur conforme à l’invention peut être utilisé dans d’autres applications que celles qui ont été citées. En outre, toutes les valeurs numériques qui ont été mentionnées ne l’ont été qu’à titre d’illustration, et peuvent être changées en fonction de l’application considérée. L’Homme du métier saura en effet adapter sans difficulté les valeurs de longueur focale, d’angle de champ, de dimension de pupille d’entrée, etc, à chaque application.
Claims (13)
- Système optique imageur (1) à trois miroirs, comprenant un miroir primaire (M1), un miroir secondaire (M2) et un miroir tertiaire (M3), adaptés et agencés pour que des rayons lumineux provenant d’une scène qui est située dans un champ d’entrée du système soient réfléchis d’abord par le miroir primaire, puis par le miroir secondaire et ensuite par le miroir tertiaire pour former une image de la scène dans un plan focal (PF) du système,
un rayon lumineux qui provient de la scène et qui participe à former l’image étant ainsi découpé en un segment initial en amont du miroir primaire (M1), un premier segment intermédiaire de rayon entre le miroir primaire et le miroir secondaire (M2), un second segment intermédiaire de rayon entre le miroir secondaire et le miroir tertiaire (M3), et un segment terminal de rayon entre le miroir tertiaire et le plan focal (PF),
les miroirs primaire (M1) et secondaire (M2) étant orientés de sorte que le second segment intermédiaire d’un rayon parabasal du système (1) coupe le segment initial dudit rayon parabasal, et les miroirs secondaire et tertiaire (M3) étant orientés de sorte que le segment terminal du rayon parabasal passe sur un côté latéral du miroir secondaire qui est opposé à un décalage latéral du miroir primaire par rapport audit miroir secondaire, de sorte que le segment terminal du rayon parabasal ne coupe pas le premier segment intermédiaire dudit rayon parabasal,
le système (1) comprenant en outre un capteur d’image (2) agencé de sorte qu’une surface photosensible (S) dudit capteur d’image soit superposée au plan focal (PF), la surface photosensible s’étendant à partir d’une limite amont (LAM) jusqu’à une limite aval (LAV), les limites amont et aval de la surface photosensible du capteur d’image étant définies par rapport à des projections respectives desdites limites amont et aval sur le segment initial du rayon parabasal et par rapport au sens de propagation du rayon parabasal dans ledit segment initial rayon parabasal,
le système (1) étant caractérisé en ce que les miroirs secondaire (M2) et tertiaire (M3) sont orientés de sorte que la limite amont (LAM) de la surface photosensible (S) du capteur d’image (2) soit décalée vers l’aval par rapport à une droite (D0) qui relie un bord amont (BAM1) du miroir primaire (M1) à un bord amont (BAM 2) du miroir secondaire (M2), ou à un bord amont d’un écran qui entoure le miroir secondaire, de sorte que le miroir secondaire ou l’écran qui entoure ledit miroir secondaire intercepte des rayons qui se propageraient de façon rectiligne directement du miroir primaire à la surface photosensible du capteur d’image,
le bord amont (BAM1, BAM 2) et un bord aval (BA V 1, BA V2) du miroir primaire (M1), respectivement du miroir secondaire (M2), étant définis par rapport à des projections respectives desdits bords amont et aval du miroir primaire, respectivement du miroir secondaire, sur le segment initial du rayon parabasal et par rapport au sens de propagation du rayon parabasal dans ledit segment initial de rayon parabasal,
et le décalage vers l’aval de la limite amont (LAM) de la surface photosensible (S) du capteur d’image (2) étant parallèle au segment initial du rayon parabasal et orienté conformément au sens de propagation du rayon parabasal dans ledit segment initial du rayon parabasal. - Système optique imageur (1) selon la revendication 1, dans lequel l’un au moins parmi le miroir primaire (M1), le miroir secondaire (M2) et le miroir tertiaire (M3) possède une surface réfléchissante freeform.
- Système optique imageur (1) selon la revendication 1 ou 2, comprenant en outre un premier écran d’entrée (11) qui est superposé à des segments initiaux de premiers rayons marginaux de bord de champ, d’un même premier côté du champ d’entrée que le capteur d’image (2), opposé au miroir tertiaire (M3), et ledit premier écran d’entrée ayant un bord aval (BAV 11) qui rejoint des segments terminaux de seconds rayons marginaux de bord de champ.
- Système optique imageur (1) selon la revendication 3, comprenant en outre un second écran d’entrée (12) qui est superposé à des segments initiaux des seconds rayons marginaux de bord de champ, d’un même second côté du champ d’entrée que le miroir tertiaire (M3), opposé au capteur d’image (2), et ledit second écran d’entrée ayant un bord aval (BAV 1 2) qui est raccordé à un bord amont (BAM3) du miroir tertiaire, ou à un écran qui entoure ledit miroir tertiaire, ou à une monture opaque dudit miroir tertiaire, ou bien ledit bord aval du second écran d’entrée est situé en aval d’une droite (D2) qui relie la limite amont (LAM) de la surface photosensible (S) du capteur d’image (2) au bord aval (BAV 1 1) du premier écran d’entrée (11).
- Système optique imageur (1) selon la revendication 4, dans lequel le second écran d’entrée (12) a un bord amont (BAM 1 2) qui est situé en amont d’une droite (D1) qui relie le bord aval (BAM 1) du premier écran d’entrée (11) à la limite aval (LA V) de la surface photosensible (S) du capteur d’image (2).
- Système optique imageur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel une dimension longitudinale du capteur d’image (2) détermine un premier angle (α1) de champ du système,
le système (1) étant adapté de sorte que ledit premier angle (α1) de champ soit supérieur ou égal à 9°, de préférence supérieur ou égal à 18°. - Système optique imageur (1) selon la revendication 6, dans lequel le capteur d’image (2) possède un agencement matriciel, et une dimension transversale dudit capteur d’image, qui est perpendiculaire à la dimension longitudinale, détermine un second angle de champ du système,
le système (1) étant adapté en outre de sorte que ledit second angle de champ soit supérieur ou égal à 12°, de préférence supérieur ou égal à 24°. - Système optique imageur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, ayant une valeur de nombre d’ouverture N qui est inférieure à 5, de préférence inférieure à 2, le nombre d’ouverture N étant égal à f/D où f est une longueur focale f du système et D est une dimension d’une pupille d’entrée dudit système.
- Système optique imageur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre un diaphragme pupillaire, ledit diaphragme pupillaire étant situé au niveau du miroir primaire (M1) ou du miroir tertiaire (M3), de préférence au niveau du miroir tertiaire.
- Système optique imageur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre un dispositif de séparation spectrale (13) qui est disposé entre le miroir tertiaire (M3) et le capteur d’image (2), et un capteur d’image additionnel (2’) qui est disposé dans une image (PF’) du plan focal (PF) du système formée par le dispositif de séparation spectrale.
- Système optique imageur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les miroirs primaire (M1), secondaire (M2) et tertiaire (M3) sont contenus dans une sphère qui possède un diamètre compris entre 2 et 6 fois une valeur de longueur focale f du système.
- Système optique imageur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’un au moins des miroirs primaire (M1), secondaire (M2) et tertiaire (M3) comprend une partie rigide (M2b) en un matériau injecté à base de polymères, et optionnellement une couche métallique réfléchissante (M2r).
- Appareil imageur optronique (100), comprenant un système (1) qui est conforme à l’une quelconque des revendications précédentes, ledit appareil étant sélectionné parmi un autodirecteur d’engin volant, une caméra thermique, un appareil d’assistance de vision et une boule optronique de surveillance et de détection.
Priority Applications (7)
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|---|---|---|---|
| FR2013568A FR3118201A1 (fr) | 2020-12-17 | 2020-12-17 | Systeme optique imageur a trois miroirs |
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
| A. BAUER ET AL.: "Concurrent engineering of a next-generation freeform telescope» : optical design", PROC. OF SPIE, vol. 10998, 14 May 2019 (2019-05-14), pages 1 - 8, XP060121921, DOI: 10.1117/12.2519174 |
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