FR3142264A1 - Dispositif d’imagerie bi-spectrale à deux zones de détection - Google Patents
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Abstract
Ce dispositif d’imagerie (2) comprend un moyen de détection (4) d’un rayonnement électromagnétique comprenant une première et une deuxième zones de détection (6, 8) distinctes et respectivement sensibles à une première et à une deuxième bandes spectrales de rayonnement électromagnétique, le dispositif (2) comprenant un système optique (10) définissant une voie dioptrique (12) configurée pour orienter le rayonnement électromagnétique compris dans la première bande spectrale vers la première zone de détection (6), une voie catadioptrique (14) configurée pour orienter le rayonnement électromagnétique compris dans la deuxième bande spectrale vers la deuxième zone de détection (8), et comprenant un filtre dichroïque (16) disposé à la fois sur la voie dioptrique (12) et sur la voie catadioptrique (14) et configuré pour transmettre le rayonnement électromagnétique compris dans la première bande spectrale et réfléchir le rayonnement électromagnétique compris dans la deuxième bande spectrale. Figure pour l’abrégé : Fig 3
Description
L’invention a pour domaine technique les dispositifs d’imagerie, notamment les dispositifs d’imagerie infrarouge.
En particulier, la présente invention a pour objet un dispositif d’imagerie capable d’imager simultanément une scène observée dans deux bandes spectrales.
Le contenu spectral d’un objet présent dans une scène observée peut permettre de caractériser la nature de cet objet. Il existe des applications de détection et/ou de surveillance optique de la scène nécessitant de détecter une information spectrale comprise dans deux bandes spectrales pour caractériser l’objet afin par exemple de générer un signal d’alerte ou d’éviter la génération d’une fausse alerte.
Un dispositif d’imagerie capable de reconnaître deux bandes spectrales est donc nécessaire. Cependant, la dépendance de l’indice optique des composants optiques à la longueur d’onde rend difficile l’observation de la scène dans une bande spectrale étendue ou dans plusieurs bandes spectrales séparées.
Une solution couramment utilisée consiste à placer une roue munie de filtres optiques devant un détecteur large bande afin d’observer la scène successivement à travers les différents filtres optiques. Cependant une telle solution ne permet pas d’obtenir simultanément l’information spectrale dans plusieurs bandes spectrales.
Une autre solution consiste à utiliser deux détecteurs distincts, chaque détecteur comprenant un capteur et un système optique pour imager un champ électromagnétique provenant de la scène sur le capteur, le premier détecteur étant sensible à une première bande spectrale, le deuxième détecteur étant sensible à une deuxième bande spectrale. Une telle solution permet d’obtenir simultanément l’information spectrale dans plusieurs bandes spectrales mais est de coût financier élevé. L’intégration de ces deux détecteurs est également coûteuse en encombrement physique et en masse.
La présente invention a donc pour objectif de pallier tout ou partie des inconvénients précités et de fournir un dispositif d’imagerie configuré pour détecter simultanément deux bandes spectrales provenant d’une scène de manière fiable et peu couteuse.
La présente invention a pour objet un dispositif d’imagerie comprenant un moyen de détection d’un rayonnement électromagnétique issu d’une scène observée, le moyen de détection comprenant une première et une deuxième zones de détection distinctes et respectivement sensibles à une première et à une deuxième bandes spectrales de rayonnement électromagnétique, le dispositif d’imagerie comprenant un système optique définissant une voie dioptrique configurée pour orienter le rayonnement électromagnétique compris dans la première bande spectrale vers la première zone de détection, et définissant une voie catadioptrique configurée pour orienter le rayonnement électromagnétique compris dans la deuxième bande spectrale vers la deuxième zone de détection, le système optique comprenant un filtre dichroïque disposé à la fois sur la voie dioptrique et sur la voie catadioptrique et configuré pour transmettre le rayonnement électromagnétique compris dans la première bande spectrale et réfléchir le rayonnement électromagnétique compris dans la deuxième bande spectrale.
Ainsi, la présente invention permet de séparer spatialement l’information spectrale provenant de la scène et comprise dans la première bande spectrale de l’information spectrale provenant de la scène et comprise dans la deuxième bande spectrale. La présente invention est robuste à la variabilité des objets observés, des scènes et des atmosphères.
Avantageusement, le système optique comprend un miroir concave perforé en son centre disposé sur la voie catadioptrique, et une lentille radialement centrée sur le miroir concave disposée sur la voie dioptrique et axialement entre la scène observée et le miroir concave.
Dans un mode de réalisation, le filtre dichroïque comprend un traitement optique réalisé sur une surface de la lentille.
Avantageusement, lequel le système optique comprend un prisme disposé sur la voie dioptrique en regard de la scène observée.
Dans un mode de réalisation, le système optique comprend un ensemble d’au moins une lentille disposée à la fois sur la voie dioptrique et sur la voie catadioptrique, l’ensemble d’au moins une lentille étant disposé en regard du moyen de détection.
Avantageusement, l’ensemble d’au moins une lentille comprend au moins trois lentilles.
Dans un mode de réalisation, la surface de la deuxième zone de détection est au moins deux fois plus grande que la surface de la première zone de détection.
Avantageusement, la première bande spectrale comprend la bande spectrale MWIR, la deuxième bande spectrale comprenant la bande spectrale LWIR.
Dans un mode de réalisation, le moyen de détection comprend un capteur de rayonnement électromagnétique configuré pour détecter le rayonnement électromagnétique compris dans au moins les première et deuxième bandes spectrales, une partie inférieure du capteur définissant la première zone de détection, une partie supérieure du capteur définissant la deuxième zone de détection.
Dans un autre mode de réalisation, le moyen de détection comprend un premier capteur de rayonnement électromagnétique configuré pour détecter le rayonnement électromagnétique compris dans au moins la première bande spectrale et définissant la première zone de détection, et un deuxième capteur de rayonnement électromagnétique configuré pour détecter le rayonnement électromagnétique compris dans au moins la deuxième bande spectrale et définissant la deuxième zone de détection.
D’autres buts, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :
La représente schématiquement un dispositif d’imagerie 2 comprenant un moyen de détection 4 sensible au rayonnement électromagnétique, par exemple un bolomètre sensible au rayonnement électromagnétique infrarouge. Le dispositif d’imagerie 2 est orienté vers une scène émettant un rayonnement électromagnétique dans une première bande spectrale et dans une deuxième bande spectrale distincte de la première bande spectrale. On entend par bande spectrale d’un rayonnement électromagnétique une portion du spectre dudit rayonnement électromagnétique. Autrement dit, une bande spectrale est l’ensemble des longueurs d’ondes comprises entre deux longueurs d’ondes prédéfinies.
Le moyen de détection 4 comprend une première zone de détection 6 sensible à la première bande spectrale de rayonnement électromagnétique. La première zone de détection 6 est apte à recueillir des informations spectrales et spatiales provenant de la scène observée et comprises dans la première bande spectrale.
Le moyen de détection 4 comprend une deuxième zone de détection 8 distincte de la première zone de détection 6 et sensible à la deuxième bande spectrale de rayonnement électromagnétique. La deuxième zone de détection 8 est apte à recueillir des informations spectrales et spatiales provenant de la scène observée et comprises dans la deuxième bande spectrale.
Le dispositif d’imagerie 2 comprend un système optique 10 définissant une voie dioptrique 12 et une voie catadioptrique 14 (représentée en ), les rayons lumineux provenant de la scène subissant des réfractions et ne subissant pas de réflexions sur la voie dioptrique 12, les rayons lumineux provenant de la scène subissant des réfractions et des réflexions sur la voie catadioptrique 14.
Le système optique 10 comprend des composants optiques sur la voie dioptrique 12 aptes à orienter le rayonnement électromagnétique émis par la scène et compris dans la première bande spectrale vers la première zone de détection 6.
Le système optique 10 comprend des composants optiques sur la voie catadioptrique 14 aptes à orienter le rayonnement électromagnétique émis par la scène et compris dans la deuxième bande spectrale vers la deuxième zone de détection 8.
Le système optique 10 comprend un filtre dichroïque 16 disposé à la fois sur la voie dioptrique 12 et sur la voie catadioptrique 14. Le filtre dichroïque 16 est configuré pour transmettre le rayonnement électromagnétique compris dans la première bande spectrale et à réfléchir le rayonnement électromagnétique compris dans la deuxième bande spectrale.
De préférence, les première et deuxième zones de détection 6, 8 sont spatialement séparées. Ainsi, le rayonnement électromagnétique compris dans la première bande spectrale est détecté par la première zone de détection 6, le rayonnement électromagnétique compris dans la deuxième bande spectrale n’étant pas dirigé vers la première zone de détection 6 par le système optique 10. Le rayonnement électromagnétique compris dans la deuxième bande spectrale est détecté par la deuxième zone de détection 8, le rayonnement électromagnétique compris dans la première bande spectrale n’étant pas dirigé vers la deuxième zone de détection 8. En variante, les première et deuxième zones de détection 6, 8 peuvent être partiellement confondues.
Le moyen de détection 4 est par exemple connecté à des moyens informatiques de calculs (non représentés) pour traiter les informations spectrales et spatiales provenant de la scène et recueillies par les première et deuxième zones de détection 6, 8.
Le système optique 10 comprend un miroir concave 18 perforé en son centre et disposé sur la voie catadioptrique 14.
Le système optique 10 comprend une lentille 20 radialement centrée sur le même axe optique que le miroir concave 18 et disposée sur la voie dioptrique 12. La lentille 20 est disposée axialement entre la scène observée et le miroir concave 18.
De préférence, le diamètre du miroir concave 18 est deux fois supérieur au diamètre de la lentille 20, ce dernier correspondant environ à la taille de la perforation au centre du miroir concave 18. Le diamètre du miroir concave 18 est par exemple de 65 mm, la distance entre le miroir concave 18 et le moyen de détection 4 est par exemple de 40 mm.
Le filtre dichroïque 16 comprend ici un traitement optique réalisé sur une surface de la lentille 20, ladite surface étant en regard du moyen de détection 4 et correspondant au deuxième dioptre de la lentille 20. Le traitement optique comprend par exemple un traitement diélectrique.
De préférence, le système optique 10 comprend un prisme 22 disposé sur la voie dioptrique 12 en regard de la scène observée. Ainsi, la lentille 20 est disposée axialement entre le prisme 22 et le moyen de détection 4. Le prisme 22 est apte à faire correspondre le champ d’observation de la voie dioptrique 12 avec le champ d’observation de la voie catadioptrique 14 de sorte que les première et deuxième zones de détection 6, 8 observent la même scène.
Le rayonnement électromagnétique provenant de la scène observée, contenant de l’information spectrale comprise dans la première bande spectrale et dans la deuxième bande spectrale, et étant sur la voie dioptrique 12 traverse le prisme 22 et le premier dioptre de la lentille 20. L’information spectrale du rayonnement électromagnétique comprise dans la première bande spectrale est alors transmise par le filtre dichroïque 16 en direction du moyen de détection 4, l’information spectrale du rayonnement électromagnétique comprise dans la deuxième bande spectrale étant réfléchie par le filtre dichroïque 16.
La lentille 20 comprend par exemple un matériau transmettant le rayonnement électromagnétique compris dans la première bande spectrale et réfléchissant le rayonnement électromagnétique compris dans la deuxième bande spectrale, par exemple du silicium et/ou du saphir.
Avantageusement, la lentille 20 comprend un traitement anti-reflet apte à diminuer la réflexion du rayonnement électromagnétique compris dans la première bande spectrale.
Comme illustré sur la , le rayonnement électromagnétique provenant de la scène observée, contenant de l’information spectrale comprise dans la première bande spectrale et dans la deuxième bande spectrale, et étant sur la voie catadioptrique 14, est réfléchi par le miroir concave 18 en direction du filtre dichroïque 16. L’information spectrale du rayonnement électromagnétique comprise dans la première bande spectrale est alors transmise par le filtre dichroïque 16, l’information spectrale du rayonnement électromagnétique comprise dans la deuxième bande spectrale est réfléchie par le filtre dichroïque 16 en direction du moyen de détection 4. La configuration optique de la voie catadioptrique 14 est proche de la configuration optique d’un télescope de type Cassegrain.
En variante, le filtre dichroïque 16 pourrait comprendre un composant optique dichroïque placé axialement entre le miroir concave 18 et la lentille 20, ledit composant optique dichroïque comprenant par exemple une lame à faces planes et parallèles ou tout autre composant optique dichroïque simplifiant la réalisation et/ou la fabrication de la fonction de filtrage spectrale assurée par le filtre dichroïque 16.
Le système optique 10 comprend un ensemble d’au moins une lentille 24 disposée à la fois sur la voie dioptrique 12 et sur la voie catadioptrique 14. L’ensemble d’au moins une lentille 24 est disposé en regard du moyen de détection 4, axialement entre la lentille 20 et le moyen de détection 4.
La illustre simultanément le trajet du rayonnement électromagnétique provenant de la scène sur les voies dioptrique 12 et catadioptrique 14.
L’ensemble d’au moins une lentille 24 est apte à orienter le rayonnement électromagnétique de la voie dioptrique 12, compris dans la première bande spectrale et traversant le filtre dichroïque 16, vers la première zone de détection 6.
L’ensemble d’au moins une lentille 24 est apte à orienter le rayonnement électromagnétique de la voie catadioptrique 14, compris dans la deuxième bande spectrale et réfléchi par le filtre dichroïque 16, vers la deuxième zone de détection 8.
Optionnellement, l’ensemble d’au moins une lentille 24 comprend au moins trois lentilles afin de corriger les principales aberrations optiques.
Dans un mode de réalisation particulier, la première bande spectrale comprend la bande spectrale MWIR, pour MidWave InfraRed en termes anglo-saxons, la deuxième bande spectrale comprenant la bande spectrale LWIR, pour Long Wave InfraRed en termes anglo-saxons. La bande spectrale MWIR comprend par exemple le rayonnement électromagnétique dont la longueur d’onde est comprise entre 3 et 5 µm. La bande spectrale LWIR comprend par exemple le rayonnement électromagnétique dont la longueur d’onde est comprise entre 8 et 14 µm.
Avantageusement, le moyen de détection 4 comprend une structure étanche (non représentée) munie d’un hublot 26 et un capteur 28 disposé à l’intérieur de la structure étanche, l’intérieur de la structure étanche étant apte à être refroidi et à être mis sous vide, par exemple sous vide secondaire. Un tel moyen de détection 4 permet d’effectuer des mesures de rayonnement électromagnétique infrarouge de qualité.
De préférence, le miroir concave 18, le prisme 22, la lentille 20 et l’ensemble d’au moins une lentille 24 sont dimensionnés de sorte que la surface de la deuxième zone de détection 8 est au moins deux fois plus grande que la surface de la première zone de détection 6. Dans l’exemple illustré, la surface de la deuxième zone de détection 8 est quatre fois plus grande que la surface de la première zone de détection 6. Ce mode de réalisation est particulièrement avantageux lorsque l’intensité du rayonnement électromagnétique de la première bande spectrale est inférieure à l’intensité du rayonnement électromagnétique de la deuxième bande spectrale. Concentrer d’avantage le rayonnement électromagnétique de la première bande spectrale permet d’augmenter la portée de détection de la première zone de détection 6. La plus grande surface de la deuxième zone de détection 8 permet une résolution angulaire plus grande de la scène observée par la deuxième zone de détection 8. Par exemple, les première et deuxième zones de détection 6, 8 comprennent des pixels de détection de dimensions individuelles identiques et recueillent des informations spectrales et spatiales provenant d’un même espace de la scène observée. En conséquence, la deuxième zone de détection 8 peut comprendre plus de pixels de détection que la première zone de détection 6 et donc recueillir une information spatiale provenant du même espace de la scène observée plus précise que l’information recueillie par la première zone de détection 6, la deuxième zone de détection 8 étant alors apte à observer plus de détails de la scène observée que la première zone de détection 6.
Dans un mode de réalisation particulier illustré à la , le moyen de détection 4 comprend un unique capteur 30 de rayonnement électromagnétique sensible au moins aux première et deuxième bandes spectrales. Le capteur 30 comprend une partie inférieure 32 définissant la première zone de détection 6 et une partie supérieure 34 définissant la deuxième zone de détection 8, les parties inférieure 32 et supérieure 34 étant au moins sensibles aux première et deuxième bandes spectrales de rayonnement électromagnétique. De préférence, les parties inférieure 32 et supérieure 34 sont spatialement séparées et sensibles uniquement aux première et deuxième bandes spectrales de rayonnement électromagnétique afin de limiter les risques d’une fausse détection.
Dans un autre mode de réalisation illustré à la , le moyen de détection 4 comprend un premier capteur de rayonnement électromagnétique 36 et un deuxième capteur de rayonnement électromagnétique 38.
Le premier capteur de rayonnement électromagnétique 36 est sensible au moins à la première bande spectrale et définit la première zone de détection 6. De préférence, le premier capteur de rayonnement électromagnétique 36 est sensible uniquement à la première bande spectrale, notamment afin d’améliorer l’efficacité de détection du premier capteur de rayonnement électromagnétique 36 dans la première bande spectrale.
Le deuxième capteur de rayonnement électromagnétique 38 est sensible au moins à la deuxième bande spectrale et définit la deuxième zone de détection 8. De préférence, le deuxième capteur de rayonnement électromagnétique 38 est sensible uniquement à la deuxième bande spectrale, notamment afin d’améliorer l’efficacité de détection du deuxième capteur de rayonnement électromagnétique 38 dans la deuxième bande spectrale.
Avantageusement, les moyens informatiques de calculs sont aptes à analyser des variations d’acquisitions successives du moyen de détection 4, notamment pour ne pas détecter un rayonnement électromagnétique compris dans une troisième bande spectrale, la troisième bande spectrale ne comprenant par les première et deuxième bandes spectrales et/ou pour améliorer la détection d’un objet présent dans la scène observée.
Optionnellement, les moyens informatiques de calculs sont aptes à effectuer le rapport de l’intensité lumineuse détectée dans la première zone de détection 6 et de l’intensité lumineuse détectée dans la deuxième zone de détection 8 afin notamment de déterminer si l’objet présent dans la scène observée émet davantage de rayonnement électromagnétique dans la première bande spectrale ou dans la deuxième bande spectrale.
Avantageusement, le dispositif d’imagerie 2 est apte à aider au pilotage d’un hélicoptère, notamment apte à améliorer la perception du pilote de l’hélicoptère en situation dégradée telle que dans le brouillard.
Optionnellement, le dispositif d’imagerie 2 peut comprendre au moins un composant optique de forme libre, ou freeform en termes anglo-saxons, notamment pour adapter les dimensions du dispositif d’imagerie 2 et/ou le nombre de composants optiques du dispositif d’imagerie 2.
Optionnellement, le dispositif d’imagerie 2 peut comprendre au moins un composant optique nanostructuré, par exemple une métasurface telle une méta-lentille, notamment pour réduire les dimensions du dispositif d’imagerie 2 et/ou le nombre de composants optiques du dispositif d’imagerie 2 et/ou pour ajouter des fonctions optiques supplémentaires au dispositif d’imagerie 2.
Claims (10)
- Dispositif d’imagerie (2) comprenant un moyen de détection (4) d’un rayonnement électromagnétique issu d’une scène observée, caractérisé en ce que le moyen de détection (4) comprend une première et une deuxième zones de détection (6, 8) distinctes et respectivement sensibles à une première et à une deuxième bandes spectrales de rayonnement électromagnétique, le dispositif d’imagerie (2) comprenant un système optique (10) définissant une voie dioptrique (12) configurée pour orienter le rayonnement électromagnétique compris dans la première bande spectrale vers la première zone de détection (6), et définissant une voie catadioptrique (14) configurée pour orienter le rayonnement électromagnétique compris dans la deuxième bande spectrale vers la deuxième zone de détection (8), le système optique (10) comprenant un filtre dichroïque (16) disposé à la fois sur la voie dioptrique (12) et sur la voie catadioptrique (14) et configuré pour transmettre le rayonnement électromagnétique compris dans la première bande spectrale et réfléchir le rayonnement électromagnétique compris dans la deuxième bande spectrale.
- Dispositif d’imagerie (2) selon la revendication 1, dans lequel le système optique (10) comprend un miroir concave (18) perforé en son centre disposé sur la voie catadioptrique (14), et une lentille (20) radialement centrée sur le miroir concave (18) disposée sur la voie dioptrique (12) et axialement entre la scène observée et le miroir concave (18).
- Dispositif d’imagerie (2) selon la revendication 2, dans lequel le filtre dichroïque (16) comprend un traitement optique réalisé sur une surface de la lentille (20).
- Dispositif d’imagerie (2) selon l’une quelque des revendications 1 à 3, dans lequel le système optique (10) comprend un prisme (22) disposé sur la voie dioptrique (12) en regard de la scène observée.
- Dispositif d’imagerie (2) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le système optique (10) comprend un ensemble d’au moins une lentille (24) disposée à la fois sur la voie dioptrique (12) et sur la voie catadioptrique (14), l’ensemble d’au moins une lentille (24) étant disposé en regard du moyen de détection (4).
- Dispositif d’imagerie (2) selon la revendication 5, dans lequel l’ensemble d’au moins une lentille (24) comprend au moins trois lentilles.
- Dispositif d’imagerie (2) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la surface de la deuxième zone de détection (8) est au moins deux fois plus grande que la surface de la première zone de détection (6).
- Dispositif d’imagerie (2) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la première bande spectrale comprend la bande spectrale MWIR, la deuxième bande spectrale comprenant la bande spectrale LWIR.
- Dispositif d’imagerie (2) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel le moyen de détection (4) comprend un capteur de rayonnement électromagnétique (30) configuré pour détecter le rayonnement électromagnétique compris dans au moins les première et deuxième bandes spectrales, une partie inférieure (32) du capteur (30) définissant la première zone de détection (6), une partie supérieure (34) du capteur (30) définissant la deuxième zone de détection (8).
- Dispositif d’imagerie (2) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel le moyen de détection (4) comprend un premier capteur de rayonnement électromagnétique (36) configuré pour détecter le rayonnement électromagnétique compris dans au moins la première bande spectrale et définissant la première zone de détection (6), et un deuxième capteur de rayonnement électromagnétique (38) configuré pour détecter le rayonnement électromagnétique compris dans au moins la deuxième bande spectrale et définissant la deuxième zone de détection (8).
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- 2023-11-13 WO PCT/FR2023/051778 patent/WO2024110716A1/fr unknown
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
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