WO1998002769A1 - Systeme optique a rotation d'image et systeme d'observation le comportant - Google Patents

Systeme optique a rotation d'image et systeme d'observation le comportant Download PDF

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WO1998002769A1
WO1998002769A1 PCT/FR1997/001219 FR9701219W WO9802769A1 WO 1998002769 A1 WO1998002769 A1 WO 1998002769A1 FR 9701219 W FR9701219 W FR 9701219W WO 9802769 A1 WO9802769 A1 WO 9802769A1
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optical
axis
optical axis
rotation
optical system
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PCT/FR1997/001219
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Thierry Viard
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Aerospatiale Societe Nationale Industrielle
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/64—Imaging systems using optical elements for stabilisation of the lateral and angular position of the image
    • G02B27/642—Optical derotators, i.e. systems for compensating for image rotation, e.g. using rotating prisms, mirrors
    • G—PHYSICS
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/0816—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements
    • G—PHYSICS
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/10—Scanning systems

Definitions

  • the invention relates to an optical system with image rotation, that is to say of the type comprising optical elements (in particular mirrors or prism facets) making it possible to rotate, around the optical axis, the image obtained in the focal plane. It also relates to an observation system comprising such an optical system.
  • image rotation that is to say of the type comprising optical elements (in particular mirrors or prism facets) making it possible to rotate, around the optical axis, the image obtained in the focal plane.
  • observation system comprising such an optical system.
  • There are various optical applications where there is a need to rotate the image obtained in the focal plane around the optical axis in practice for positioning the image correctly relative to a detection assembly, for example a bar. or a matrix of CCD sensors.
  • Figure 1 recalls the principle of an image capture system using any optical instrument shown schematically under the reference 1, characterized by an optical axis ZZ, an entrance pupil 2, and a focal plane 3, and preceded by a plane optical mirror 4 inclined relative to the optical axis and controlled by a motor 5, reciprocating or continuous, having an axis of rotation coincident with the optical axis.
  • a rotation of amplitude ⁇ of the inclined optical mirror 4 causes a rotation of the same amplitude of the image obtained in the focal plane.
  • a first idea is to rotate the focal plane (in practice the detection elements located there) around the optical axis. This requires very high precision of movement so as not to generate defocusing; this is also difficult to implement because of the connections which must be ensured between the focal plane (and the associated electronics).
  • FIG. 2 differs from FIG. 1 by the interposition on the optical axis ZZ, upstream of the focal plane 3, of an image rotation device 6 comprising two inclined mirrors 6A and 6B transversely facing a mirror 6C parallel to the axis.
  • This arrangement in coated K sometimes gives its name to such an image rotation device, or derotator.
  • a rotation of this device ⁇ / 2 makes it possible to compensate for a rotation of ⁇ of the inclined optical mirror 4.
  • Other solutions involve a greater number of reflecting surfaces.
  • the object of the invention is to overcome these drawbacks, thanks to the use of an optical image rotation device which combines simplicity and efficiency (even lightness and compactness) as regards rotation about the axis. optics, and optical performances, in particular without chromatic aberrations, and image preservation with regard to the directions transverse to the optical axis, in particular without right / left inversion.
  • the invention provides for this purpose an optical system comprising an optical instrument having an optical axis ZZ and an exit pupil centered on this optical axis, an optical image rotation device disposed on this optical axis, a focal plane, an element detection device located in this focal plane, characterized in that the optical instrument has an observation direction having a non-zero inclination relative to the optical axis, this detection element is offset relative to the axis optic in an offset direction and the optical image rotation device is a roof reflector made up of two reflecting flat surfaces converging in a roof edge intersecting at a right angle the optical axis and having a controllable deflection in rotation around this optical axis, so as to intercept an incident useful beam of non-zero inclination with respect to the optical axis and to send it towards the offset detection element.
  • the invention combines an operation of the optical instrument outside its axis (that is to say that the direction of observation of the optical instrument has a non-zero inclination relative to the optical axis. in other words, a useful beam passage section is delimited which is eccentric relative to this optical axis, while the detection element is also eccentric relative to the optical axis) and the use of a simple roof reflector (possibly part of a prism). Thanks to the operation of the optical instrument outside its axis ("off-axis"), the use of a roof reflector, known per se, is made possible according to the invention without superposition of the incident and reflected beams. However, this roof mirror is simple and its optical performance is very good, in particular as regards the conservation of the image (no right / left inversion).
  • the exit pupil is real and the optical image rotation device is located at least near this real exit pupil
  • the optical instrument comprises an intermediate diaphragm eccentric with respect to the optical axis delimiting a passage section corresponding to the inclined direction of observation,
  • this diaphragm is arranged at least approximately in an intermediate focal plane of the optical instrument
  • the optical instrument comprises a fixed return surface eccentric with respect to the optical axis and determining the orientation of the incident useful beam intercepted by the optical image rotation device
  • this deflection surface runs along a geometric surface having the optical axis as an axis of symmetry, - this deflection surface is located at the outlet of the optical instrument and reflects a beam diverging into said useful incident beam, in convergent form,
  • the detection element comprises at least one line of elementary detectors arranged perpendicular to the offset direction,
  • the optical instrument includes an image transport device, -
  • This optical system comprises, at the head of the optical instrument, a rotary mirror of non-zero inclination relative to the controllable angular axis around this optical axis, this rotary mirror and the optical image rotation device being controlled in rotation so that their respective amplitudes of rotation are in a ratio of 2/1,
  • the roof reflector is formed by two perpendicular faces of a prism at right angles.
  • the invention also relates to an observation system relating to such an optical system, preferably when it comprises a rotating mirror at the head of the optical instrument.
  • this observation system operates by relative scrolling with respect to the scene to be observed / monitored, and the axis of rotation of the inclined optical mirror is oriented parallel to the direction of scrolling: the flux returned to the optical instrument is independent of the angular position of the inclined optical mirror.
  • the invention preferably relates to observations in visible light, even infrared.
  • FIG. 1 is the block diagram of a known device for changing the target
  • FIG. 2 is the block diagram of a known device for rotating an image with three mirrors
  • FIG. 3 is the block diagram of a device according to the invention comprising a double mirror
  • FIG. 4 is the partial block diagram of another device according to the invention, using a prism at right angles to the place of the double mirror
  • FIG. 5 is the block diagram of an optical system combining the invention with image transport
  • FIG. 6 is a view of the intermediate focal plane of the system of FIG. 5
  • FIG. 7 is a view of the final plane of the system of FIG. 5
  • FIG. 8 is the block diagram of another optical system according to the invention, involving a deflection mirror
  • the principle figure 3 describes an optical system comprising an optical instrument 11 and, on the optical axis ZZ thereof, an image rotation device 16 comprising two mirrors 16A and 16B perpendicular and converging in an edge YY intersecting the axis ZZ at right angles (axis XX is another axis, perpendicular to YY and ZZ)
  • the optical instrument 11 operates outside its axis, that is to say that the incident beam received by the mirror 16 is inclined relative to the optical axis. This is for example achieved by an eccentric diaphragm, not shown, located upstream, or downstream, of the optical instrument or inside it.
  • the incident beam is here returned by the mirror 16 to the optical instrument, so that the focal plane 13 is opposite this mirror 16 relative to the optical instrument, being coincident with the focal plane of input of this instrument
  • Reference 17 represents an image detector which is offset from Z-Z
  • FIG. 4 corresponds to an alternative embodiment in which the two reflective surfaces at right angles 16A 'and 16B', arranged to the right of the optical instrument , are part of a prism
  • FIG. 5 is an alternative embodiment where the beam returned by the roof reflector 26 does not cross the optical instrument
  • This system of FIG. 5 comprises an optical instrument 21 of optical axis ZZ, an entrance pupil 22, ICI real and materialized by a diaphragm, an intermediate focal plane 23A, an inclined optical mirror 24 of axis of rotation coincident with the axis ZZ (its inclination is for example 45 °), a roof reflector 26, at right angles, with edge YY intersecting the optical axis at right angles, and a focal plane 23B in which is located a detector d image 27 located away from the ZZ axis
  • an eccentric diaphragm 29 is formed on the light path, preferably located in an area where the beam is narrow, that is to say here in the focal plane intermediate 23A
  • An image transport device 28 is optionally provided on the beam path, it is of any suitable known type, for example an optical guide, it optionally deforms the optical axis
  • the intermediate focal plane 23A and the device for transporting image are represented here, for reasons of readability, outside of the optical instrument 21 It is however understood that these elements 21, 23A and 28 jointly constitute a unit which can be designated under the designation of global optical instrument
  • an ⁇ rotation of the mirror 24 rotates the image by an angle ⁇ on the intermediate focal plane, but that an ⁇ / 2 rotation of the roof reflector 26 allows the final image to be brought back to the image detector 27
  • the roof reflector 26 is preferably located near the actual exit pupil 26A of the overall optical instrument
  • FIG. 8 proposes a variant, a system marked 20 as a whole comprising an optical instrument 31 shown diagrammatically by a simple entry lens with an axis ZZ preceded by an inclined rotary mirror 34 which can rotate around the optical axis, a plane intermediate focal 33A, a deflection mirror 38,
  • REPLACEMENT SHEET (RULE 26) a roof reflector 36 at right angle YY intersecting the axis ZZ at right angles, and an image detector 37 located in the final focal plane 33B
  • the reference 40 represents an actual exit pupil, that is to say that it designates an area, materialized HERE by a diaphragm but this is not necessary, where the beam is narrow This pupil is real in the sense that the beam really does.
  • the roof reflector 36 is preferably located at least near this real exit pupil, thanks to which this reflector can be small without this implying a loss of flux.
  • the deflection surface 38 is advantageously concave so as to return a incident beam diverging into a converging reflected beam HERE is a reflective surface HERE It may alternatively be an image transport lens.
  • This deflection surface is advantageously an eccentric portion of a geometric surface having the local Z-Z axis as the axis of symmetry.
  • this deflection surface participates in the delimitation of the inclined useful beam, and therefore in the off-axis operation of the optical instrument.
  • the dimensioning of the diaphragm 39 advantageously located HERE also in the intermediate focal plane 33A can be simplified, for example by a simple screen intercepting the axis ZZ and protecting the image detector 37 with respect to the whole of the flux entering the lens 11
  • the diaphragms 29 and 39 of Figures 5 and 8 have for example an arcuate shape centered on the axis whose amplitude around Z-Z corresponds to the amplitude of rotation of the mirror 34
  • the direction in which the image detector is offset from the axis is approximately parallel to the edge Y-Y of the roof reflector, with a deviation of about the angle ⁇ / 2 necessary for the rotation compensation
  • This image detector preferably comprises at least one line of elementary detectors perpendicular to this offset direction. It is preferably a matrix of such elementary detectors.
  • both the intermediate diaphragms such as 29 or 39, the return surface 38 and the image detectors 17, 27 and 37 are fixed; it is of course possible in a variant to provide that the diaphragms, or even the return surface, can rotate around Z-Z in synchronism with the mirror 24 or 34.
  • the system of FIG. 5 or 8 is on board a vehicle, such as an airplane or satellite, shown diagrammatically by the reference 100, having a direction of travel D relative to the scene to be observed / monitored.
  • the axis of rotation of the rotary mirror that is to say, in the examples of FIGS. 5 and 8, the optical axis is advantageously parallel to this direction D of travel.
  • the invention consists in using a device consisting of two mirrors at 90 ° from one another (or a prism at right angles) and operating the optical instrument outside of its axis (off-axis) in the field as shown in figure 3, 4, 5 or 8.
  • the rotary mirror and the roof reflector are controlled in rotation so that their relative amplitudes of rotation are in a 2/1 ratio.
  • the invention is particularly advantageous for combinations with image transport and therefore having an actual exit pupil as illustrated in FIG. 5 (the device is then placed in this pupil to reduce its size).
  • this derotator behaves like a plane mirror for any field in the Y-Z plane. It is therefore possible to separate the incident beam from the reflected beam when working in the field. If the picture
  • REPLACEMENT SHEET (RULE 26) "scrolls" in front of the instrument, it can be envisaged to "slow down” this movement, to increase the radiometry and the FTM (that is to say the Modulation Transfer Function), by tilting the device with two mirrors around of the X axis
  • FTM that is to say the Modulation Transfer Function
  • the last advantage of this invention is that it makes possible the compensation of the image rotation (or the rotation of the image) by simple rotation of the device with two mirrors by an angle half of the desired image rotation (rotation around from Z)
  • the invention has numerous applications - all optical combinations operating off-axis in the field,
  • the two sides of the “V-mirror” device are used in their entirety (full coverage) and simultaneously (the incident flux covers the two mirrors as well as the reflected flux) which makes it possible to considerably reduce the size of the “V-mirror” device ";
  • V-mirror is done thanks to the direction of observation inclined with respect to the optical axis, which avoids losing flux by implanting a beam splitter for example.

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Abstract

Un système optique comporte un instrument optique (11, 11', 21, 31) ayant un axe optique Z-Z et une pupille de sortie (26A, 40) centrée sur cet axe optique, un dispositif optique de rotation d'image (16, 16', 26, 36) disposé sur cet axe optique, un plan focal (13, 23, 33B), un élément de détection d'image (27, 37) situé dans ce plan focal, caractérisé en ce que l'instrument optique a une direction d'observation présentant une inclinaison non nulle par rapport à l'axe optique, cet élément de détection (17, 27, 37) est décalé par rapport à l'axe optique selon une direction de décalage et le dispositif optique de rotation d'image est un réflecteur en toit (16, 16', 26, 36) constitué de deux surfaces planes réfléchissantes (16A, 16B, 16A', 16B') convergeant en une arête de toit coupant à angle droit l'axe optique et présentant un débattement contrôlable en rotation autour de cet axe optique, en sorte d'intercepter un faisceau utile incident d'inclinaison non nulle par rapport à l'axe optique et de l'envoyer vers l'élément décalé de détection.

Description

Système optique à rotation d'image et système d'observation le comportant
L'invention concerne un système optique à rotation d'image, c'est-à-dire du type comportant des éléments optiques (notamment miroirs ou facettes de prisme) permettant de faire tourner à volonté, autour de l'axe optique, l'image obtenue dans le plan focal. Elle concerne également un système d'observation comportant un tel système optique. II existe diverses applications optiques où l'on ressent le besoin de faire tourner autour de l'axe optique l'image obtenue dans le plan focal, en pratique pour positionner l'image correctement par rapport à un ensemble de détection, par exemple une barrette ou une matrice de capteurs CCD.
Ce besoin apparaît notamment dans des applications d'observation ou de surveillance lorsque, soit la scène à observer/surveiller tourne, soit l'axe de visée est susceptible de changer d'orientation (caméras de surveillance, avions ou satellites d'observation, pour des missions diverses telles que cartographie ou étude des couches atmosphériques à la surface de la Terre, voire d'autres planètes, etc.). Les changements de l'axe de visée sont le plus souvent obtenus par rotation d'un miroir de visée disposé en tête d'un instrument optique ; la rotation se fait soit autour de l'axe optique, soit autour d'un axe transversal à ce dernier ; il peut en résulter une rotation de l'image autour de l'axe optique qui peut être préjudiciable à la qualité des images obtenues et de leur traitement (dégradation de la qualité d'image due au "bougé", etc.).
La figure 1 rappelle le principe d'un système de saisie d'image utilisant un instrument optique quelconque schématisé sous la référence 1 , caractérisé par un axe optique Z-Z, une pupille d'entrée 2, et un plan focal 3, et précédé par un miroir optique plan 4 incliné par rapport à l'axe optique et commandé par un moteur 5, à mouvement alternatif ou continu, ayant un axe de rotation confondu avec l'axe optique. Une rotation d'amplitude α du miroir optique incliné 4 entraîne une rotation de même amplitude de l'image obtenue dans le plan focal.
Des solutions ont déjà été proposées pour compenser une telle rotation (ou en variante pour provoquer volontairement une rotation).
Une première idée consiste à faire tourner le plan focal (en pratique les éléments de détections qui y sont situés) autour de l'axe optique. Cela demande une très grande précision de mouvement pour ne pas générer de défocalisation ; cela est en outre difficile à mettre en oeuvre en raison des connexions qui doivent être assurées entre le plan focal (et les électroniques associées).
Une autre solution, plus réaliste, consiste à prévoir des jeux de prismes ou de miroirs, faisant intervenir en pratique au moins trois surfaces réfléchissantes. Un exemple en est donné à la figure 2 qui se distingue de la figure 1 par l'interposition sur l'axe optique Z-Z, en amont du plan focal 3, d'un dispositif de rotation d'image 6 comportant deux miroirs inclinés 6A et 6B faisant transversalement face à un miroir 6C parallèle à l'axe. Cette disposition en K couché donne parfois son nom à un tel dispositif de rotation d'image, ou dérotateur. Une rotation de ce dispositif α/2 permet de compenser une rotation de α du miroir optique incliné 4. D'autres solutions font intervenir un plus grand nombre de surfaces réfléchissantes. Cette solution à jeux de prismes ou miroirs est souvent tolérante en positionnement mais les jeux de prismes génèrent des aberrations chromatiques tandis que les jeux de miroirs sont encombrants et sont souvent lourds en raison de la taille requise pour que les surfaces réfléchissantes interceptent tout le faisceau utile, et en raison de la distance (ou tirage) requise entre la dernière surface réfléchissante et le plan focal.
L'invention a pour objet de pallier ces inconvénients, grâce à la mise en oeuvre d'un dispositif optique de rotation d'image qui combine simplicité et efficacité (voire légèreté et faible encombrement) en ce qui concerne la rotation autour de l'axe optique, et performances optiques, sans aberrations chromatiques notamment, et conservation d'image en ce qui concerne les directions transversales à l'axe optique, notamment sans inversion droite/gauche.
L'invention propose à cet effet un système optique comportant un instrument optique ayant un axe optique Z-Z et une pupille de sortie centrée sur cet axe optique, un dispositif optique de rotation d'image disposé sur cet axe optique, un plan focal, un élément de détection d'image situé dans ce plan focal, caractérisé en ce que l'instrument optique a une direction d'observation présentant une inclinaison non nulle par rapport à l'axe optique, cet élément de détection est décalé par rapport à l'axe optique selon une direction de décalage et le dispositif optique de rotation d'image est un réflecteur en toit constitué de deux surfaces planes réfléchissantes convergeant en une arête de toit coupant à angle droit l'axe optique et présentant un débattement contrôlable en rotation autour de cet axe optique, en sorte d'intercepter un faisceau utile incident d'inclinaison non nulle par rapport à l'axe optique et de l'envoyer vers l'élément décalé de détection.
On appréciera que l'invention combine un fonctionnement de l'instrument optique en dehors de son axe (c'est-à-dire que la direction d'observation de l'instrument optique a une inclinaison non nulle par rapport à l'axe optique ; en d'autres termes on délimite une section de passage du faisceau utile qui est excentrée par rapport à cet axe optique, tandis que l'élément de détection est lui aussi excentré par rapport à l'axe optique) et l'utilisation d'un simple réflecteur en toit (faisant éventuellement partie d'un prisme). Grâce au fonctionnement de l'instrument optique en dehors de son axe ("off-axis"), l'utilisation d'un réflecteur en toit, connu en soi, est rendue possible selon l'invention sans superposition des faisceaux incident et réfléchi. Or ce miroir en toit est simple et ses performances optiques sont très bonnes, notamment en ce qui concerne la conservation de l'image (pas d'inversion droite/gauche).
Il est à noter que des réflecteurs en toit rotatifs semblent avoir été déjà proposés, mais dans le domaine de l'interférométrie, c'est-à-dire sans qu'il y ait formation d'image au sens de l'invention. Selon des caractéristiques préférées de l'invention, éventuellement combinées :
- la pupille de sortie est réelle et le dispositif optique de rotation d'image est situé au moins à proximité de cette pupille de sortie réelle,
- l'instrument optique comporte un diaphragme intermédiaire excentré par rapport à l'axe optique délimitant une section de passage correspondant à la direction d'observation inclinée,
- ce diaphragme est disposé au moins approximativement dans un plan focal intermédiaire de l'instrument optique,
- ce diaphragme est fixe, - l'instrument optique comporte une surface fixe de renvoi excentrée par rapport à l'axe optique et déterminant l'orientation du faisceau utile incident intercepté par le dispositif optique de rotation d'image,
- cette surface de renvoi longe une surface géométrique ayant l'axe optique comme axe de symétrie, - cette surface de renvoi est située à la sortie de l'instrument optique et réfléchit un faisceau divergent en ledit faisceau utile incident, sous forme convergente,
- l'élément de détection comporte au moins une ligne de détecteurs élémentaires disposée perpendiculairement à la direction de décalage,
- l'instrument optique comporte un dispositif de transport d'image, - ce système optique comporte, en tête de l'instrument optique, un miroir rotatif d'inclinaison non nulle par rapport à l'axe angulaire contrôlable autour de cet axe optique, ce miroir rotatif et le dispositif optique de rotation d'image étant commandés en rotation de manière que leurs amplitudes respectives de rotation sont dans un rapport de 2/1 ,
- le réflecteur en toit est formé par deux faces perpendiculaires d'un prisme à angle droit.
L'invention concerne également un système d'observation concernant un tel système optique, de préférence lorsqu'il comporte un miroir rotatif en tête de l'instrument optique.
De manière préférée, ce système d'observation fonctionne par défilement relatif par rapport à la scène à observer/surveiller, et l'axe de rotation du miroir optique incliné est orienté parallèlement à la direction de défilement : le flux renvoyé dans l'instrument optique est indépendant de la position angulaire du miroir optique incliné.
L'invention concerne de préférence les observations en lumière visible, voire infrarouge.
Des objets, caractéristiques et avantages de l'invention ressortent de la description qui suit, donnée à titre d'exemple non limitatif, en regard des dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 est le schéma de principe d'un dispositif connu de changement de visée,
- la figure 2 est le schéma de principe d'un dispositif connu de rotation d'image à trois miroirs, - la figure 3 est le schéma de principe d'un dispositif conforme à l'invention comportant un double miroir,
- la figure 4 est le schéma partiel de principe d'un autre dispositif conforme à l'invention, utilisant un prisme à angle droit à la place du double miroir, - la figure 5 est le schéma de principe d'un système optique combinant l'invention à un transport d'image,
- la figure 6 est une vue du plan focal intermédiaire du système de la figure 5, - la figure 7 est une vue du plan final du système de la figure 5,
- la figure 8 est le schéma de principe d'un autre système optique conforme à l'invention, faisant intervenir un miroir de renvoi
La figure de principe 3 décrit un système optique comportant un instrument optique 11 et, sur l'axe optique Z-Z de celui-ci, un dispositif de rotation d'image 16 comportant deux miroirs 16A et 16B perpendiculaires et convergent en une arête Y-Y coupant l'axe Z-Z a angle droit (l'axe X-X est un autre axe, perpendiculaire à Y-Y et Z-Z) L'instrument optique 11 fonctionne en dehors de son axe, c'est-à-dire que le faisceau incident reçu par le miroir 16 est incliné par rapport à l'axe optique Cela est par exemple réalisé par un diaphragme excentré non représenté situe en amont, ou en aval, de l'instrument optique ou à l'intérieur de celui-ci
Le faisceau incident est ici renvoyé par le miroir 16 vers l'instrument optique, de sorte que le plan focal 13 se trouve a l'opposé de ce miroir 16 par rapport à l'instrument optique, en étant confondu avec le plan focal d'entrée de cet instrument
La référence 17 représente un détecteur d'image excentre par rapport à Z-Z
Une rotation α/2 du miroir autour de Z-Z provoque une rotation α dans le plan focal La figure 4 correspond à une variante de réalisation dans laquelle les deux surfaces réfléchissantes à angle droit 16A' et 16B', disposées a droite de l'instrument optique, font partie d'un prisme
La figure 5 est une variante de réalisation où le faisceau renvoyé par le réflecteur en toit 26 ne retraverse pas l'instrument optique Ce système de la figure 5 comprend un instrument optique 21 d'axe optique Z-Z, une pupille d'entrée 22, ICI réelle et matérialisée par un diaphragme, un plan focal intermédiaire 23A, un miroir optique incliné 24 d'axe de rotation confondu avec l'axe Z-Z (son inclinaison est par exemple de 45°), un réflecteur en toit 26, à angle droit, d'arête Y-Y coupant l'axe optique à angle droit, et un plan focal 23B dans lequel est situé un détecteur d'image 27 situé à l'écart de l'axe Z-Z
Pour garantir le fonctionnement de l'instrument optique en dehors de son axe, un diaphragme excentré 29 est ménagé sur le trajet lumineux, de préférence situé en une zone où le faisceau est étroit, c'est-à-dire ici dans le plan focal intermédiaire 23A
Un dispositif de transport d'image 28 est éventuellement prévu sur le trajet du faisceau , il est de tout type connu approprié, par exemple un guide optique , il déforme éventuellement l'axe optique Le plan focal intermédiaire 23A et le dispositif de transport d'image sont ici représentés, pour des raisons de lisibilité, en dehors de l'instrument optique 21 On comprend toutefois que ces éléments 21 , 23A et 28 constituent conjointement un ensemble que l'on peut désigner sous la désignation d'instrument optique global On observe qu'une rotation α du miroir 24 fait tourner l'image d'un angle α sur le plan focal intermédiaire, mais qu'une rotation α/2 du réflecteur en toit 26 permet de ramener l'image finale sur le détecteur d'image 27
Le réflecteur en toit 26 est de préférence situé auprès de la pupille de sortie réelle 26A de l'instrument optique global
La figure 8 propose en variante, un système repéré 20 dans son ensemble comportant un instrument optique 31 schématisé par une simple lentille d'entrée d'axe Z-Z précédé d'un miroir rotatif incliné 34 pouvant tourner autour de l'axe optique, un plan focal intermédiaire 33A, un miroir de renvoi 38,
FEUILLE OE REMPLACEMENT (REGLE 26) un réflecteur en toit 36 à angle droit d'arête Y-Y coupant l'axe Z-Z à angle droit, et un détecteur d'image 37 situé dans le plan focal final 33B
La référence 40 représente une pupille de sortie réelle, c'est-à- dire qu'elle désigne une zone, matérialisée ICI par un diaphragme mais cela n'est pas nécessaire, où le faisceau est étroit Cette pupille est réelle en ce sens que le faisceau y parvient réellement. Le réflecteur en toit 36 est de préférence situé au moins à proximité de cette pupille de sortie réelle grâce à quoi ce réflecteur peut être de petite taille sans que cela implique une perte de flux La surface de renvoi 38 est avantageusement concave en sorte de renvoyer un faisceau incident divergent en un faisceau réfléchi convergent II s'agit ICI d'une surface réfléchissante II peut s'agir en variante d'une lentille de transport d'image.
On appréciera que la surface de renvoi permet que le système soit dans son ensemble très compact
Cette surface de renvoi est avantageusement une portion excentrée d'une surface géométrique ayant l'axe Z-Z local comme axe de symétrie Ainsi cette surface de renvoi participe à la délimitation du faisceau utile incliné, et donc au fonctionnement hors axe de l'instrument optique. Le dimensionnement du diaphragme 39 avantageusement situé ICI aussi dans le plan focal intermédiaire 33A peut en être simplifié, par exemple en un simple écran interceptant l'axe Z-Z et protégeant le détecteur d'image 37 par rapport à l'ensemble du flux rentrant dans la lentille 11
Les diaphragmes 29 et 39 des figures 5 et 8 ont par exemple une forme arquée centrée sur l'axe dont l'amplitude autour de Z-Z correspond à l'amplitude de rotation du miroir 34
En principe la direction selon laquelle le détecteur d'image est décalé par rapport à l'axe est approximativement parallèle à l'arête Y-Y du réflecteur en toit, avec un écart d'environ l'angle α/2 nécessaire à la compensation de rotation
FEUILLE OE REMPLACEMENT (REGLE 26) Ce détecteur d'image comporte de préférence au moins une ligne de détecteurs élémentaires perpendiculaire à cette direction de décalage. Il s'agit de préférence d'une matrice de tels détecteurs élémentaires.
De préférence aussi bien les diaphragmes intermédiaires tels que 29 ou 39, la surface de renvoi 38 que les détecteurs d'image 17, 27 et 37 sont fixes ; on peut bien sûr prévoir en variante que les diaphragmes, voire la surface de renvoi, puissent tourner autour de Z-Z en synchronisme avec le miroir 24 ou 34.
Selon une application préférée, le système de la figure 5 ou 8 est embarqué sur un véhicule, tel qu'avion ou satellite, schématisé par la référence 100, présentant une direction de défilement D par rapport à la scène à observer/surveiller. L'axe de rotation du miroir rotatif, c'est-à-dire, dans les exemples des figures 5 et 8, l'axe optique est avantageusement parallèle à cette direction D de défilement. L'invention consiste à utiliser un dispositif constitué de deux miroirs à 90° l'un de l'autre (ou un prisme à angle droit) et de faire fonctionner l'instrument optique en dehors de son axe (off-axis) dans le champ comme indiqué sur la figure 3, 4, 5 ou 8.
Le miroir rotatif et le réflecteur en toit sont commandés en rotation en sorte que leurs amplitudes relatives de rotation soient dans un rapport 2/1.
L'invention est particulièrement intéressante pour les combinaisons avec transport d'image et disposant donc d'une pupille réelle de sortie comme illustré sur la figure 5 (le dispositif est alors placé dans cette pupille pour diminuer sa taille).
L'intérêt de cette invention est d'abord sa simplicité puisque utilisant un dispositif à deux miroirs seulement.
Ensuite, ce dérotateur se comporte comme un miroir plan pour tout champ dans le plan Y-Z. Il est donc possible de séparer le faisceau incident du faisceau réfléchi lorsque l'on travaille dans le champ. Si l'image
FEUILLE OE REMPLACEMENT (REGLE 26) "défile" devant l'instrument, il peut être envisageable de "ralentir" ce mouvement, pour augmenter la radiométπe et la FTM (c'est-à-dire la Fonction de Transfert de Modulation), en basculant le dispositif à deux miroirs autour de l'axe X Un autre intérêt de cette invention est que le dispositif se comporte comme un coin de cube pour les champs dans le plan X-Y il en resuite que toute image issue de l'invention aura sa droite à droite et sa gauche à gauche) pas d'inversion gauche-droite) . si l'objet est du texte lisible, l'image sera aussi du texte lisible Cette propriété "coin de cube" permet au dispositif d'être insensible à toute rotation autour de l'axe Y et d'être, ainsi, tolérant dans cette direction
Le dernier intérêt de cette invention est qu'elle rend possible la compensation de la rotation image (ou la mise en rotation de l'image) par simple rotation du dispositif à deux miroirs d'un angle moitié de la rotation image souhaitée (rotation autour de Z)
Afin de diminuer la taille du réflecteur en toit qui sert de dérotateur, il est conseillé de l'implanter dans une pupille de sortie réelle comme illustré sur les figures 5 et 8
L'invention a de nombreuses applications - toutes combinaisons optiques fonctionnant off-axis dans le champ,
- simplification des méthodes de caractérisation et de mesure de performance (FTM par exemple) par la mise en rotation de l'image d'une mire fixe par l'invention, - balayage conique de l'axe de visée d'un instrument fixe muni du dispositif à deux miroirs pour les applications Lidars
Il va de soi que la description qui précède n'a été proposée qu'à titre d'exemple non limitatif et que de nombreuses variantes peuvent être proposées par l'homme de l'art sans sortir du cadre de l'invention On appréciera que - l'invention est particulièrement intéressante pour des instruments optiques passifs, à grande pupille d'entrée possédant une pupille réelle de sortie dans laquelle le dispositif « V-mirror » est implanté ;
- les deux faces du dispositif « V-mirror » sont utilisées dans leur totalité (couverture complète) et simultanément (le flux incident couvre les deux miroirs ainsi que le flux réfléchi) ce qui permet de diminuer considérablement la taille du dispositif « V-mirror » ;
- l'axe de rotation du dispositif « V-mirror » est confondu avec l'axe optique de l'instrument qui, lui, est fixe (ne tourne pas) ; - la séparation flux incident / flux réfléchi sur le dispositif
« V-mirror » se fait grâce à la direction d'observation inclinée par rapport à l'axe optique, ce qui évite de perdre du flux en implantant un séparateur de rayons par exemple.

Claims

REVENDICATIONS
1. Système optique comportant un instrument optique (11, 11', 21 , 31 ) ayant un axe optique Z-Z et une pupille de sortie (26A, 40) centrée sur cet axe optique, un dispositif optique de rotation d'image (16, 16', 26, 36) disposé sur cet axe optique, un plan focal (13, 23, 33B), un élément de détection d'image (27, 37) situé dans ce plan focal, caractérisé en ce que l'instrument optique a une direction d'observation présentant une inclinaison non nulle par rapport à l'axe optique, cet élément de détection (17, 27, 37) est décalé par rapport à l'axe optique selon une direction de décalage et le dispositif optique de rotation d'image est un réflecteur en toit (16, 16', 26, 36) constitué de deux surfaces planes réfléchissantes (16A, 16B, 16A', 16B') convergeant en une arête de toit coupant à angle droit l'axe optique et présentant un débattement contrôlable en rotation autour de cet axe optique, en sorte d'intercepter un faisceau utile incident d'inclinaison non nulle par rapport à l'axe optique et de l'envoyer vers l'élément décalé de détection.
2. Système optique selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la pupille de sortie (26A, 40) est réelle et le dispositif optique de rotation d'image (16, 16', 26, 36) est situé au moins à proximité de cette pupille de sortie réelle.
3. Système optique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'instrument optique comporte un diaphragme intermédiaire (29, 39) excentré par rapport à l'axe optique délimitant une section de passage correspondant à la direction d'observation inclinée.
4. Système optique selon la revendication 3, caractérisé en ce que ce diaphragme est disposé au moins approximativement dans un plan focal intermédiaire (23A, 33A) de l'instrument optique.
5. Système optique selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que ce diaphragme (29, 39) est fixe.
6. Système optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'instrument optique comporte une surface fixe de renvoi (38) excentrée par rapport à l'axe optique et déterminant l'orientation du faisceau utile incident intercepté par le dispositif optique de rotation d'image.
7. Système optique selon la revendication 6, caractérisé en ce que cette surface de renvoi (38) longe une surface géométrique ayant l'axe optique comme axe de symétrie.
8. Système optique selon la revendication 7, caractérisé en ce que cette surface de renvoi (38) est située à la sortie de l'instrument optique et réfléchit un faisceau divergent en ledit faisceau utile incident, sous forme convergente.
9. Système optique selon l'une quelconque des revendications
1 à 8, caractérisé en ce que l'élément de détection (17, 27, 37) comporte au moins une ligne de détecteurs élémentaires disposée perpendiculairement à la direction de décalage.
10. Système optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'instrument optique (21) comporte un dispositif de transport d'image (28).
11. Système optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que ce système optique comporte, en tête de l'instrument optique, un miroir rotatif (24, 34) d'inclinaison non nulle par rapport à l'axe angulaire contrôlable autour de cet axe optique, ce miroir rotatif et le dispositif optique de rotation d'image étant commandés en rotation de manière que leurs amplitudes respectives de rotation sont dans un rapport de 2/1.
12. Système optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 , caractérisé en ce que le réflecteur en toit (16') est formé par deux faces perpendiculaires d'un prisme à angle droit.
13. Système d'observation comportant un système optique conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que ce système optique comporte, en tête de l'instrument optique, un miroir rotatif (24, 34) d'inclinaison non nulle par rapport à l'axe angulaire contrôlable autour de cet axe optique, ce miroir rotatif et le dispositif optique de rotation d'image étant commandés en rotation de manière que leurs amplitudes respectives de rotation sont dans un rapport de 2/1.
14. Système d'observation selon la revendication 13, caractérisé en ce que ce système d'observation a une direction de défilement par rapport à une scène à observer, et l'axe de rotation du miroir rotatif est parallèle à cette direction de défilement.
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