WO2007003729A1 - Appareil de detection de rayonnement infrarouge, comprenant un ecran froid a section elliptique - Google Patents

Appareil de detection de rayonnement infrarouge, comprenant un ecran froid a section elliptique Download PDF

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WO2007003729A1
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sensor
optical axis
focus
sensitive surface
screen
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PCT/FR2006/001304
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Nicolas Sacepe
Bernard Ruocco-Angari
Arnaud Davenel
Jérome Rosello
Nicolas Duval
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Sagem Defense Securite
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    • G02B19/009—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the use for use with infrared radiation

Definitions

  • Infrared radiation detection apparatus comprising a cold screen with elliptical section
  • the invention relates to devices for detecting electromagnetic radiation (such as infrared), intended in particular to equip the homing devices with self - guided projectiles (missiles, rockets, etc.) / or thermal imaging cameras, binoculars and night glasses, telescopes, and more generally any observation device based on the principle of the detection of electromagnetic radiation.
  • electromagnetic radiation such as infrared
  • the screen itself can be a source of infrared radiation: to limit this radiation, it is customary to cool the screen using the aforementioned cryogenic source: this is why it seems appropriate to mount the screen on the cold finger, the screen being thereby maintained in operation at a temperature below ambient temperature (hypothetically substantially equal to 300K). Also such a screen is called "cold screen", as opposed to so-called warm screens, uncooled.
  • the temperature of a cold screen depends on the nature of the refrigerant used in the cold finger and the arrangement of the cold screen with respect thereto.
  • the temperature of the cold screen is between 77K (temperature of liquid nitrogen) and 300K (ambient temperature) . In practice, this temperature is between 8OK and 140K, and more precisely (depending in particular on the geometry of the screen) between -8U-K and 90K.
  • infrared radiation from an off-field source although not directly reaching the sensor, to reach it by reflection on the wall of the screen, within that source. this. To illustrate this situation, reference can be made to FIG.
  • the invention aims in particular to overcome the aforementioned drawbacks of known cold screens, by proposing a solution to minimize the thermal inertia of the screen and the incidence of parasitic radiation.
  • the invention provides an apparatus for detecting electromagnetic radiation, which comprises a sensor having a surface sensitive to said radiation, and a cold screen having a side wall having in section an arcuate profile. an ellipse such that any ray reflected by this wall, coming directly from an incident ray, does not meet the sensitive surface of the sensor.
  • secondary boundary focus is the intersection point of the circle, circumscribed to an edge of the diaphragm, and the secant plane, the secondary secondary focus being located on the side of the optical axis opposite the primary focus limit;
  • FIG. 4 is a sectional elevational view showing the apparatus of FIG. 3 along section plane IV-IV;
  • FIG. 7 to 10 are schematic views illustrating the various steps of geometric construction of a cold screen suitable for an apparatus according to the invention.
  • FIGS. 3 and 4 show an apparatus 1 for detecting electromagnetic radiation (in this case infrared radiation) for a self-guided projectile (such as a missile, not shown).
  • electromagnetic radiation in this case infrared radiation
  • a self-guided projectile such as a missile, not shown
  • An infrared sensor 8 is mounted on the end wall 7 so as to be struck by the infrared radiation passing through the window 3 while being cooled by the cold finger 4. More precisely, the sensor 8 has a flat upper surface 9 disposed in view of the window 3 and consisting of a matrix of pixels sensitive to infrared radiation. The sensor 8 defines an optical axis X perpendicular to the sensitive surface 9 and centered with respect thereto.
  • the plate 16 has a peripheral rib 17 on which the screen 10, provided with perforations 18, makes it possible to quickly reach a balance of pressures between the inside of the screen. (where is the sensor) and the outside.
  • the overall radius, denoted R, of the cold screen 10 is a predetermined parameter. This radius R results from a choice made according to the space available in the housing 2 around the sensor 8.
  • the selected secant plane contains one of the diagonals of the rectangle constituted by the sensitive surface 9 of the sensor 8, which surface 9 is shown schematically by a thick black horizontal line.
  • the circle (in dotted line in Figure 5) centered on the optical axis X and passing through the corners of the sensitive surface 9 of the sensor 8 (that is to say the four pixels of the sensitive surface 9 furthest from the optical axis X, located at the ends of the diagonals) intersects the secant plane at a point (confused with one of these pixels).
  • This point, denoted Fi is referred to as the "primary focus limit".
  • the distance from the primary focal point Fi to the optical axis X equal to the half-length of the diagonal of the sensitive surface 9, is a predetermined parameter; this distance is noted ri.
  • the edge of the diaphragm 13 (when it is circular), or the circle circumscribed at this edge (for example the circle centered on the optical axis X and passing through the corners of the diaphragm 13 when it is rectangular) cuts the secant plane, on the side of the optical axis X opposite the primary focus limit Fi, at a point, denoted F 2 , called "boundary secondary focus".
  • F 2 a point
  • boundary secondary focus the distance from the secondary focal point F 2 to the optical axis X, equal to the radius of the diaphragm 13 (or its circumscribed circle), is a predetermined parameter; this distance is noted r 2 .
  • the distance, denoted H, from the upper end 12 of the cold screen 10 to the sensitive surface 9 of the sensor 8 is also a predetermined parameter as a function of the distance separating the sensor 8 from the window 3 and the angular aperture of the predefined perception cone for the sensor 8.
  • the segment [FiF 2 ] is inclined with respect to the optical axis X and intersects the latter at a point I which is invariant in the symmetry of revolution of the side wall 14 around the X axis.
  • the tangent T to the ellipse E at the reference point P is parallel to the optical axis X (in other words, perpendicular to the sensitive surface 9). Since the reference point P is situated on the ellipse E, it results from the properties of the ellipses that any ray R2, reflected at the point P by the ellipse E, comes directly from an incident ray R1 "rasant" (that is, that is to say passing through the secondary secondary limit F 2 ), passes through the primary focus limit Fi.
  • the bisector (denoted B) of the angular sector [F 1 PF 2 J, perpendicular to the tangent T, is therefore perpendicular to the optical axis X.
  • an ellipse of The given centers Fi and F 2 and of great axis given is the locus of the equidistant points of the first focus F x and of a circle, called the center circle having for center the second focus F 2 and for radius 2a.
  • the ellipse is the place of the centers of the circles, called follower circles, passing through the first focus Fi and tangent to the steering circle.
  • center circle denoted CD
  • CS follower circle
  • the useful part of the ellipse E is actually limited to the arc, constituting the side wall 14, between the base 11 and the upper end 12 of the cold screen 10.
  • CAO CAO
  • the base 11 of the cold screen 10 is in the form of a cylinder trunk of radius R and whose junction with the side wall 14 consists of the location (by symmetry of revolution around the optical axis X) of the reference points P, in the extension of the tangents T to the side wall 14 at these points P.
  • FIG 11 there is shown a first incident ray Rl grazing, that is to say tangent to the edge of the diaphragm 13 (it passes therefore in the immediate vicinity of the secondary secondary limit F 2 ).
  • This radius R1 strikes the screen 10 at the junction of the side wall 14 and the base 11 (that is to say at the reference point P), where it is reflected in a radius R2 which is flush with the sensitive surface 9 of the sensor 8 (passing in the immediate vicinity of the primary focus limit F x ), without however reaching it.
  • an incident ray R 'i which, passing through the diaphragm 13, fully hits the side wall 14: the radius R' 2 reflected directly is oriented outside the sensitive surface 9 of the sensor 8.
  • the primary focus is situated in an area delimited by the angular sector I [P 1 P ⁇ F 1 JI defined between the two half-lines [PP '] and [PFi], and represented in FIG. 12 by the inclined hatching, where P 'is the projection point, parallel to the optical axis X, of the reference point P on the plane defined by the sensitive surface 9 of the sensor 8;
  • the secondary focus is located in the area defined by the intersection of the angular sector [F 1 PF 2 J, defined by the half-lines [PFi] and [PF 2 ] with the sector
  • I n I PF 2 xJ defined by the half-lines [F 2 P) and the half-line [F 2 x) of origin F2, perpendicular to the optical axis X and non-intersecting with it.
  • This zone is represented in FIG. 12 by vertical hatching.

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Abstract

Appareil de détection de rayonnement électromagnétique, qui comprend un capteur (8) ayant une surface sensible (9) audit rayonnement, ainsi qu'un écran froid (10) ayant une paroi latérale (14) présentant en section un profil en arc d'ellipse tel que tout rayon réfléchi par cette paroi (14), issu directement d'un rayon incident, ne rencontre pas la surface sensible (9) du capteur (8).

Description

Appareil de détection de rayonnement infrarouge, comprenant un écran froid à section elliptique
L' invention a trait aux appareils de détection de rayonnement électromagnétique (tel qu'infrarouge), destinés notamment à équiper les autodirecteurs de projectiles autoguidés (missiles, roquettes, etc.)/ ou encore les caméras thermiques, jumelles et lunettes nocturnes, télescopes, et plus généralement tout dispositif d'observation basé sur le principe de la détection de rayonnement électromagnétique.
Les appareils de ce type sont généralement équipés d'un capteur de rayonnement électromagnétique (couramment dénommé « FPA », acronyme de l'anglais « Focal Plane Array ») qui ne peut fonctionner que sous vide et à basse température.
A des fins de simplification, on se réfère dans ce qui suit au rayonnement infrarouge, qui constitue une application préférée de l'invention, bien que celle-ci ne soit pas limitée à ce type de rayonnement.
Le capteur, placé dans un boîtier définissant une enceinte à vide et muni d' une fenêtre transparente au rayonnement infrarouge pour la transmission de celui-ci au capteur, est généralement monté sur une paroi terminale d'un doigt froid dans lequel est logé un échangeur de chaleur assurant le refroidissement cryogénique du capteur, à une température inférieure à 100 K.
La plupart des capteurs employés à ce jour présentent une surface rectangulaire (dans la majorité des cas) , ou circulaire, constituée d'une matrice de pixels sensibles au rayonnement infrarouge, qui peuvent percevoir celui-ci dans le cône plat limité par la surface du capteur, c'est- à-dire à 2π stéradians - il est à noter que l'on définit pour le capteur un axe optique perpendiculaire à sa surface sensible et passant par le centre de celle-ci. Or il apparaît nécessaire de limiter le cône de perception pour que celui-ci, tout en étant orienté dans la direction de l'axe optique et incluant la scène que l'on souhaite détecter, génératrice du rayonnement infrarouge (cette scène est par exemple constituée par un avion à réaction que poursuit le projectile équipé du capteur), n'inclue pas des sources externes de rayonnement infrarouge (dites hors champ), constitutives de parasites.
C'est pourquoi un écran muni d'un diaphragme est généralement interposé entre le capteur et la fenêtre : cet écran est censé faire barrage au rayonnement infrarouge en en limitant le flux perçu par chaque pixel du capteur a un cône de perception dont la génératrice s'appuie sur le bord du diaphragme. De nombreux documents décrivent de tels écrans froids.' Citons à titre d'exemple les brevets américains US 4 918 308, 4 954 708 et US 5 382 979.
En réalité, l'interposition d'un écran n'est pas suffisante pour éviter que des flux parasites n' atteignent le capteur, et ce pour au moins deux raisons.
D'une part, l'écran lui-même peut s'avérer source de rayonnement infrarouge : pour limiter ce rayonnement, on a coutume de refroidir l'écran en mettant à contribution la source cryogénique précitée : c'est pourquoi il apparaît opportun de monter l'écran sur le doigt froid, l'écran étant de la sorte maintenu en fonctionnement à une température inférieure à la température ambiante (par hypothèse sensiblement égale à 300K) . Aussi un tel écran est-il appelé « écran froid », par opposition aux écrans dits tièdes, non refroidis.
La température d' un écran froid dépend de la nature du fluide frigorigène utilisé dans le doigt froid et de la disposition de l'écran froid par- rapport à celui-ci. En théorie, la température de l'écran froid est comprise entre 77K (température de l'azote liquide) et 300K (température ambiante) . En pratique, cette température est comprise entre 8OK et 140K, et plus précisément (en fonction notamment de la géométrie de l'écran) entre -8U-K et 90K. D'autre part, il est courant que le rayonnement infrarouge issu d'une source hors champ, bien que n'atteignant pas directement le capteur, l'atteigne par réflexion sur la paroi de l'écran, à l'intérieur de celui- ci. Pour illustrer cette situation, on pourra se référer à la figure 1 qui montre une image issue d'un capteur infrarouge protégé par un écran classique de type cylindrique, sur la paroi duquel s'est reflétée une source hors champ, avec pour conséquence l'apparition sur l'image, dans une zone proche de son centre, d'une tache très claire accompagnée d' un voile plus sombre : on constate qu'une telle situation est nuisible aux performances du capteur, avec des conséquences néfastes sur la trajectoire du projectile. De nombreuses solutions ont été proposées pour remédier à ce problème. Il a notamment été proposé de munir l'écran froid, qui comprend une enveloppe de forme généralement cylindrique de révolution autour de l'axe optique du capteur, de baffles qui, en principe, piègent les rayons incidents issus de sources hors champs, les réflexions successives que subissent ces rayons épuisant alors rapidement leur énergie par absorption, de sorte que même dans l'hypothèse où après plusieurs réflexions un rayon issu d'une source hors champ viendrait malgré tout frapper le capteur, l'énergie résiduelle qu'il véhiculerait serait trop faible pour constituer un parasite gênant vis-à-vis de la scène à détecter.
Un écran froid muni de tels baffles superposés est notamment visible sur les dessins du brevet américain US 5 382 797 déjà cité. Diverses alternatives, fonctionnant suivant ce principe, ont été proposées. On pourra notamment se référer au document US 5 994 702, qui propose un écran froid en forme de soufflet d'accordéon, dont la paroi est supposée rediriger les rayons incidents non désirés à l'extérieur du capteur.
Si de telles solutions permettent effectivement de réduire l'incidence des flux parasites sur les performances du capteur, elles présentent toutefois le double inconvénient de la complexité et du coût de fabrication. En outre, et surtout, l'adjonction de baffles (comme dans le brevet US 5 382 797) ou la réalisation de surfaces brisées (comme dans le brevet US 5 994 702) augmente l'inertie thermique de l'écran froid, au détriment de sa capacité à être correctement refroidi.
Certes, le matériau dans lequel est réalisé l'écran froid
(généralement un alliage d'aluminium) peut être choisi de manière à présenter par nature une faible inertie thermique. Toutefois, un choix raisonné du matériau n'est pas suffisant, les zones de jonction entre les pièces constitutives de l'écran (notamment entre ies baffles et l'enveloppe cylindrique) restant quoi qu'il en soit difficiles à refroidir et pouvant générer un rayonnement infrarouge résiduel. Plusieurs constructeurs ont opté pour une solution de compromis en proposant un écran froid de forme conique (voir notamment les brevets précités US 4 918 308 et US 4 954 708), dont la forme simple permet de limiter l'inertie thermique tout en limitant le spectre de rayons issus de sources hors champs, susceptibles d'être réfléchis en direction du capteur.
Cette solution de compromis, certes considérée comme acceptable par certains constructeurs, ne résout toutefois pas le problème des parasites. La figure 2 montre une image issue d'un capteur infrarouge protégé par un écran de type conique, sur la paroi duquel s'est reflétée une source hors champ, avec pour conséquence l'apparition d'une tache très claire sur l'image, dans une zone proche de sa périphérie. Cette situation est moins gênante que dans le cas d'un écran cylindrique (voir plus haut) puisque la tache est plus éloignée du centre de l' image
(encore que cela dépende de l'ouverture angulaire du cône formé par l'écran), mais elle interdit cependant une exploitation du capteur au maximum de ses performances. L' invention vise notamment à remédier aux inconvénients précités des écrans froids connus, en proposant une solution permettant de minimiser l'inertie thermique de l'écran et l'incidence du rayonnement parasite. A cet effet, et suivant un premier aspect, l'invention propose un appareil de détection de rayonnement électromagnétique, qui comprend un capteur ayant une surface sensible audit rayonnement, ainsi qu'un écran froid ayant une paroi latérale présentant en section un profil en arc d'ellipse tel que tout rayon réfléchi par cette paroi, issu directement d'un rayon incident, ne rencontre pas la surface sensible du capteur.
L'invention propose, suivant un deuxième aspect, un appareil de détection de rayonnement électromagnétique, qui comprend :
- un boîtier définissant une enceinte à vide, ce boîtier comprenant une fenêtre transparente audit rayonnement électromagnétique ;
- un doigt froid présentant une paroi terminale sur laquelle est monté un capteur présentant une surface supérieure plane, sensible audit rayonnement électromagnétique et disposée en regard de ladite fenêtre, ledit capteur définissant un axe . optique perpendiculaire à la surface sensible et centré par rapport à celle-ci ; — un écran froid présentant une base, par laquelle il est monté sur le doigt froid, une extrémité supérieure disposée entre la fenêtre et le capteur et définissant un diaphragme centré sur l'axe optique, ainsi qu'une paroi latérale, reliant la base à l'extrémité supérieure et présentant une symétrie de révolution autour de l'axe optique, cet appareil étant caractérisé en ce que ladite paroi présente, en section dans tout plan sécant contenant l'axe optique, un profil en arc d'ellipse tel que tout rayon réfléchi par cette paroi, issu directement d'un rayon incident traversant ledit diaphragme, ne rencontre pas la surface sensible du capteur.
La forme elliptique (en coupe) de la paroi permet d'éviter l'apparition de parasites sur le capteur, nuisibles aux performances de ce dernier. En outre, compte tenu de sa forme compacte, cet écran présente une inertie thermique faible qui facilite son refroidissement. De fait, un tel écran présente des performances similaires (voire supérieures) à celles des écrans cylindriques à baffles multiples, tout en présentant une inertie thermique et un coût de fabrication voisin de ceux d'un écran conique.
Plus concrètement, dans tout plan sécant contenant l'axe optique, ladite ellipse présente deux foyers, à savoir un foyer primaire et un foyer secondaire, localisés dans respectivement deux zones prédéterminées dudit plan, à savoir :
— pour le foyer primaire , le secteur angulaire [P1PF1 J défini entre les deux demi-droites [PP' ) et [PFi) ,
— pour le foyer secondaire, la zone définie par
I F1PF2 JI, défini par les demi-droites [PFi) et [PF2) avec le secteur angulaire |PF2xj, défini par les demi-droites [F2P) et la demi-droite [F∑x) d'origine F2, perpendiculaire à l'axe optique et non sécante avec celui-ci, où :
— Fi, appelé foyer primaire limite, est le point intersection du cercle, centré sur l'axe optique et circonscrit à la surface sensible du capteur, et du plan sécant ;
— F2, appelé foyer secondaire limite, est le point intersection du cercle, circonscrit à un bord du diaphragme, et du plan sécant, le foyer secondaire limite étant situé du côté de l'axe optique opposé au foyer primaire limite ;
— P, appelé point de référence, est le point, situé à une distance prédéterminée de l'axe optique correspondant au rayon hors tout de l'écran froid, et situé à une distance du plan défini par la surface sensible du capteur telle que la bissectrice du secteur angulaire [F1PF2] est perpendiculaire à l'axe optique ;
— P' est le point projection du point de référence P sur le plan défini par la surface sensible du capteur.
Suivant un mode particulier de réalisation, le foyer primaire de l'ellipse est confondu avec le foyer primaire limite, tandis que le foyer secondaire de l'ellipse peut être confondu avec le foyer secondaire limite.
La base de l'écran froid se présente par exemple sous la forme d'une portion de cylindre dont la jonction avec la paroi latérale est constituée par le lieu des points de référence. Quant au diaphragme de l'écran froid, il est par exemple à contour circulaire.
D'autres objets et avantages de l'invention apparaîtront à la lumière de la description faite ci-après en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1, déjà évoquée, montre une image issue d'un capteur à infrarouge surmonté d'un écran classique de type cylindrique, avec apparition d'une tache lumineuse issue d'une source hors champ ;
- la figure 2, également évoquée en introduction, est une vue similaire à la figure 1, où le capteur infrarouge est surmonté d' un écran de type conique ;
- la figure 3 est une vue en perspective en éclaté partiel, montrant un appareil selon l'invention ;
- la figure 4 est une vue d'élévation en coupe montrant l'appareil de la figure 3, suivant le plan de coupe IV-IV ;
- la figure 5 est une vue en plan de dessus montrant l'appareil des figures 3 et 4, sans son écran froid ;
- la figure 6 est une vue schématique illustrant une propriété particulière de l'ellipse, appliquée à un appareil selon l'invention ;
- les figures 7 à 10 sont des vues schématiques illustrant les différentes étapes de construction géométrique d'un écran froid convenant à un appareil selon l'invention ;
- la figure 11 est une vue schématique montrant l'association d'un capteur et d'un écran froid d'un appareil suivant l'invention, sur laquelle sont tracés les chemins optiques de deux rayons incidents distincts. - la figure 12 est une vue schématique illustrant une généralisation de la construction illustrée sur les figures 7 à 10.
Sur les figures 3 et 4 est représenté un appareil 1 de détection de rayonnement électromagnétique (en l'occurrence de rayonnement infrarouge) pour un projectile autoguidé (tel qu'un missile, non représenté).
Cet appareil comprend un boîtier 2 définissant une enceinte dans laquelle règne un vide partiel (10~6 bar environ), muni d'une fenêtre 3 transparente au rayonnement infrarouge et réalisée à cet effet en germanium, en saphir ou encore en silice.
L'appareil 1 comporte en outre un doigt froid 4 comprenant un récipient Dewar 5, conformé pour recevoir un échangeur de chaleur (non représenté) mettant en œuvre l'effet Joule Thomson. Le récipient Dewar 5 présente une paroi latérale 6 sensiblement cylindrique, fermée, à une extrémité, par une paroi terminale 7 située au droit de la fenêtre 3.
Un capteur 8 infrarouge est monté sur la paroi terminale 7 de manière à pouvoir être frappé par le rayonnement infrarouge traversant la fenêtre 3 tout en étant refroidi par le doigt froid 4. Plus précisément, le capteur 8 présente une surface supérieure 9 plane, disposée en regard de la fenêtre 3 et constituée d'une matrice de pixels sensibles au rayonnement infrarouge. Le capteur 8 définit un axe optique X perpendiculaire à la surface sensible 9 et centré par rapport à celle-ci.
Le capteur 8 peut présenter un contour circulaire (auquel cas l'axe optique X est confondu avec l'axe de révolution d'un tel contour) ; toutefois, dans le mode de réalisation représenté, et de manière classique, il présente un contour rectangulaire, l'axe optique X passant alors par la croisée des diagonales de ce contour. De manière connue, pour l'analyse de son signal le capteur 8 est relié électriquement à une carte électronique de circuit intégré (dite carte de proximité, non représentée), montée à l'extérieur du boîtier 2.
Comme cela est visible sur la figure 3, l'appareil comprend en outre un écran froid 10, monté sur le doigt froid 4, destiné à limiter le flux de rayonnement infrarouge susceptible d'atteindre le capteur 8.
Cet écran 10 présente une symétrie de révolution autour d'un axe propre qui, lorsque l'écran 10 est en position dans l'appareil 1, est confondu avec l'axe optique X du capteur 8. L'écran 10 entoure le capteur 8 ; il présente une base 11, par laquelle l'écran 10 est monté sur le récipient Dewar 5, une extrémité supérieure 12 disposée entre la fenêtre 3 et le capteur 8 et définissant un diaphragme 13 centré sur l'axe optique X, ainsi qu'une paroi latérale 14 reliant la base 11 à l'extrémité supérieure 12.
Selon un mode de réalisation illustré sur les figures 3 et 4, la base 11 se présente sous la forme d'une portion de cylindre, fixée, par un bord inférieur 15, à une platine 16 qui s'étend radialement, au-dessous du capteur 8, autour de la paroi latérale 6 cylindrique du récipient Dewar 5, à laquelle la platine 16 est elle-même fixée. Suivant un autre mode de réalisation (non représenté) , la base de l'écran se réduit à un bord inférieur circulaire, comme nous l'expliquerons ci-après.
Comme cela est visible sur les figures 3 et 4 , la platine 16 présente une nervure 17 périphérique/ sur laquelle repose l'écran 10, munie d'ajours 18 permettant d'atteindre rapidement un équilibre des pressions entre l'intérieur de l'écran (où se trouve le capteur) et l' extérieur.
Suivant un mode de réalisation également illustré sur les figures 3 et 4, l'extrémité supérieure 12 de l'écran 10 se présente sous la forme d'une couronne à contour circulaire entourant l'axe optique X et s' étendant dans un plan perpendiculaire à celui-ci.
Quant à la paroi latérale 14, elle présente une face interne à concavité tournée vers l'axe optique X. La paroi latérale 14 est une paroi mince : son épaisseur est négligeable devant ses autres dimensions (diamètre, hauteur) . Pour cette raison, et à des fins de simplification, on assimile dans ce qui suit la paroi latérale 14, qui désigne un solide, à sa face interne, qui désigne quant à elle une surface, et dont la forme et les propriétés (notamment optiques) qui en découlent constituent un objet principal du présent brevet.
Dans ce qui suit, on présente tout d'abord (1) le principe sur lequel repose la construction de la paroi latérale 14, et plus généralement de l'écran froid 10.
Puis on fait quelques remarques préliminaires sur les phénomènes d'absorption et de diffusion (2). On présente ensuite (3) un exemple particulier de construction de la paroi latérale 14, avant de. généraliser (4) cette construction à partir de l'exemple présenté au (3).
1. Principe
La paroi latérale 14 présente, en section dans tout plan contenant l'axe optique X (confondu sur les figures 7 à 12 avec le plan de la feuille) , un profil en arc d'ellipse tel que tout rayon réfléchi par cette surface, issu directement d' un rayon incident traversant le diaphragme 13, ne rencontre pas la surface sensible 9 du capteur 8.
Cette particularité de l'écran froid met en œuvre une propriété particulière de l'ellipse, illustrée sur la figure 6. Sur cette figure, on a tracé une ellipse avec, en traits pointillés, ses deux axes principaux, et on a placé sur son grand axe ses deux foyers F et F' .
En supposant que cette ellipse est en fait une paroi mince réfléchissante représentée en coupe, elle possède la propriété suivante : tout rayon lumineux R2 réfléchi par la paroi, issu directement d'un rayon incident Rl passant par un premier foyer F, passe par le second foyer F' . Cette propriété est bien connue des mathématiciens, de même que son corollaire : tout rayon R2' réfléchi par la paroi 14, issu directement d'un rayon incident Rl' ne passant pas par l'un des foyers (par exemple d'un côté du premier foyer F opposé au second foyer F' , comme représenté sur la figure 6) , ne passe pas non plus par l'autre (il passe en l'occurrence du côté du second foyer F' opposé au premier foyer F) .
C'est précisément ce corollaire qu'on applique pour la construction de la paroi latérale 14, comme cela apparaîtra ci-après .
2. Remarques préliminaires sur l'absorption et la diffusion
Outre la réflexion ' simple (appelée réflexion spéculaire) , la paroi latérale 14 est le siège de deux autres phénomènes.
Le premier est l'absorption par la paroi 14 d'une partie de l'énergie du rayonnement infrarouge qui la frappe. Des mesures ont montré que, pour les matériaux classiquement retenus pour le revêtement interne des écrans froids (aluminium alodiné, PTFE nickelé, alodine chromique, oxyde chromique noir mat, oxyde sulfurique noir mat, etc.), le taux d'énergie absorbée par l'écran froid 10 est de 90%, seuls 10% de l'énergie étant effectivement réfléchis. En d'autres termes, tout rayon réfléchi issu directement (c'est-à-dire après une seule réflexion) d'un rayon incident traversant le diaphragme 13 n'est porteur que du dixième de l'énergie de ce rayon incident. Il en résulte notamment que, dans l'hypothèse où le rayon réfléchi subirait lui-même une réflexion supplémentaire contre l'écran froid 10, son énergie serait à nouveau absorbée à 90%, de sorte que le rayon réfléchi ultérieur ne porterait que 1% de l'énergie initiale ' du rayon incident, et ainsi de suite.
Par conséquent, on ne tient compte, par principe, que des réflexions directes, en négligeant les réflexions secondaires, les rayons correspondants n'étant pas porteurs d'une énergie suffisante pour engendrer des parasites gênants pour les performances du capteur 8.
Le second phénomène est la diffusion : tout rayon frappant la paroi 14 n'est pas réfléchi de manière strictement spéculaire. Il se forme en effet à l'origine du rayon réfléchi un cône de diffusion dont l'angle solide dépend de l'état de surface (rugosité) de la paroi 14. Plus précisément, cet angle solide augmente avec la rugosité. On veillera donc à ce que cet état de surface soit suffisamment bon pour limiter la diffusion et ainsi focaliser au maximum les rayons réfléchis en dehors de la surface sensible 9 du capteur 8, tout en étant compatible avec une fabrication de l'écran froid 10 à coûts maîtrisés. Une rugosité comprise entre 1 μm et 10 μm paraît de ce point de vue un compromis raisonnable.
3. Construction de la paroi latérale
Les différentes étapes de cette construction sont illustrées sur les figures 7 à 10. La paroi 14 étant symétrique de révolution par rapport à l'axe optique X, on construit un arc d'ellipse dont la développée, par rotation autour de cet axe X, formera la paroi 14.
Il est à noter que le rayon hors tout, noté R, de l'écran froid 10, est un paramètre prédéterminé. Ce rayon R résulte d' un choix fait en fonction de la place disponible dans le boîtier 2 autour du capteur 8.
Par hypothèse, on se place dans un plan sécant (contentant l'axe optique X), comme cela est schématiquement représenté sur la figure 7. Sur cette figure, le plan sécant choisi contient l'une des diagonales du rectangle constitué par la surface sensible 9 du capteur 8, laquelle surface 9 est représentée schématiquement par un trait noir épais horizontal. Le cercle (en trait mixte sur la figure 5) centré sur l'axe optique X et passant par les coins de la surface sensible 9 du capteur 8 (c'est-à-dire les quatre pixels de la surface sensible 9 les plus éloignés de l'axe optique X, situés aux extrémités des diagonales) coupe le plan sécant en un point (confondu avec l'un de ces pixels) . Ce point, noté Fi, est dénommé « foyer primaire limite ». Par construction, la distance du foyer primaire limite Fi à l'axe optique X, égale à la demi-longueur de la diagonale de la surface sensible 9, est un paramètre prédéterminé ; cette distance est notée ri.
Le bord du diaphragme 13 (lorsque celui-ci est circulaire) , ou le cercle circonscrit à ce bord (par exemple le cercle centré sur l'axe optique X et passant par les coins du diaphragme 13 lorsque celui-ci est rectangulaire) coupe le plan sécant, du côté de l'axe optique X opposé au foyer primaire limite Fi, en un point, noté F2, appelé « foyer secondaire limite ». De même que pour le foyer primaire limite Fi, la distance du foyer secondaire limite F2 à l'axe optique X, égale au rayon du diaphragme 13 (ou de son cercle circonscrit) , est un paramètre prédéterminé ; cette distance est notée r2. Il est à noter que la distance, notée H, de l'extrémité supérieure 12 de l'écran froid 10 à la surface sensible 9 du capteur 8 est également un paramètre prédéterminé en fonction de la distance séparant le capteur 8 de la fenêtre 3 et de l'ouverture angulaire du cône de perception prédéfini pour le capteur 8.
Comme cela est visible sur la figure 7, le segment [FiF2] est incliné par rapport à l'axe optique X et coupe ce dernier en un point I qui est invariant dans la symétrie de révolution de la paroi latérale 14 autour de l'axe X.
Compte tenu de la propriété des ellipses, mise ci- dessus en évidence en référence à la figure 6, il apparaît qu'une ellipse ayant pour foyers les foyers primaires limites Fi et F2 aurait pour propriété de réfléchir directement en dehors de la surface 9 du capteur 8 tout rayon incident passant par le diaphragme 13.
Il est à noter qu'il existe une infinité d'ellipses ayant pour foyers les foyers limites Fi et F2. Toutefois, il n'existe qu'une ellipse, notée E et dite ellipse limite, (représentée partiellement en pointillés sur la figure 7) ayant pour foyers les foyers limites Fi et F2 et passant en outre par un point P, appelé point de référence, ayant les propriétés suivantes :
- la distance du point de référence P à l'axe optique X est égale au rayon hors tout R de l'écran froid 10 ;
- la tangente T à l'ellipse E au point de référence .P (tangente représentée en pointillés sur la figure 7) est parallèle à l'axe optique X (en d'autres termes, perpendiculaire à la surface sensible 9) . Le point de référence P étant situé sur l'ellipse E, il résulte des propriétés des ellipses que tout rayon R2, réfléchi au point P par l'ellipse E, issu directement d'un rayon incident Rl « rasant » (c'est-à-dire passant par le foyer secondaire limite F2) , passe par le foyer primaire limite Fi.
Suivant le présent exemple de réalisation, on choisit de construire la paroi latérale 14 sur la base de l'ellipse E, laquelle permet de satisfaire le principe formulé ci-dessus (1) .
Compte tenu des propriétés optiques des dioptres, la bissectrice (notée B) du secteur angulaire [F1PF2J, perpendiculaire à la tangente T, est de ce fait perpendiculaire à l'axe optique X.
On peut déduire de cette propriété la distance Z qui sépare le point de référence P du plan (représenté en pointillés sur la figure 7) défini par la surface sensible 9. En effet, si l'on note i l'angle incident, c'est-à- dire l'angle formé avec la bissectrice B (en pointillés sur la figure 7) par le rayon incident Rl passant par F2 et P, auquel est égal l'angle formé avec la bissectrice B par le rayon R2 réfléchi, passant par P et Fi, on peut calculer cet angle i de deux manières différentes :
Figure imgf000018_0001
et
tan/ =—^- (2)
R-rx
On déduit de (1) et (2) que :
Z- *(*-''> (3,
2R +r2 -T1
On voit donc que, les paramètres dimensionnels H, R, ri et r2 de l'écran froid 10 étant prédéterminés, on peut en déduire par simple calcul, au moyen de la formule (3) , la position (R, Z) du point de référence P. On est alors en mesure de construire complètement l'ellipse limite E par une méthode géométrique qui va être décrite à présent.
On utilise à cet effet deux propriétés géométriques de l'ellipse. Suivant la première de ces propriétés, en tout point M d'une ellipse, la somme des distances séparant ce point des foyers F, F' est constante et égale au double de la longueur du grand axe (noté a) de l'ellipse. Cette propriété est exprimée par l'équation suivante :
- MF+MF=Ia (4)
Suivant la seconde de ces propriétés, une ellipse de foyers donnés Fi et F2 et de grand axe a donné est le lieu des points équidistants du premier foyer Fx et d'un cercle, appelé cercle directeur ayant pour centre le second foyer F2 et pour rayon 2a. En d'autres termes, l'ellipse est le lieu des centres des cercles, appelés cercles suiveurs, passant par le premier foyer Fi et tangents au cercle directeur.
Le cercle directeur, noté CD, de centre F2, ainsi qu'un cercle suiveur, noté CS, de centre Fi, sont représentés en pointillés sur la figure 8. En pratique, pour la construction des points de l'ellipse, on n'obtient pas obligatoirement la position des centres des cercles suiveurs CS par construction de ces derniers : il suffit d'utiliser une propriété des triangles isocèles, selon laquelle la médiatrice et la hauteur du côté opposé au sommet principal du triangle (par lequel passe l'axe de symétrie du triangle) sont confondues.
Ainsi, comme cela est illustré sur les figures 8 et 9, on commence par construire le cercle directeur CD de centre le foyer secondaire limite F2. Puis on choisit un point Ai du cercle directeur et on trace le rayon [F2Ai] •
On trace ensuite le segment [AiFi] . A partir du milieu Bi du segment [AiFi] , on trace une perpendiculaire (BiMi) à ce segment, qui coupe le rayon [F2Ai] en un point Mi. Par construction, le triangle A1MF1 est isocèle : de ce fait, le cercle de centre Mi et de rayon M1A1 (ou M1F1) est tangent au cercle directeur CD et passe par le foyer primaire limite Fi : il s'agit donc d'un cercle suiveur CS tel que défini ci-dessus. Le point Mi est donc un point de l'ellipse de foyers Fi et F2 et de grand axe a .
En appliquant cette méthode N fois à partir d'une succession de rayons [F2Ai], [F2A2],..., [F2AN], on obtient, à partir du point de référence P, N points Mi, M2,..., MN en veillant par exemple à ce que le dernier MN se trouve sur l'extrémité supérieure 12 de l'écran froid 10 (c'est-à- dire que, par construction, le rayon F2AN est perpendiculaire à l'axe optique X, comme cela est illustré sur la figure 9. L'ellipse joignant les N points M1, M2,..., MN ainsi construits est représentée sur la figure 10 : il s'agit de l'ellipse limite E définie ci-dessus.
La partie utile de l' ellipse E se limite en réalité à l'arc, constituant la paroi latérale 14, compris entre la base 11 et l'extrémité supérieure 12 de l'écran froid 10.
Nous venons de décrire une méthode mathématique pour construire la paroi latérale à partir de paramètres prédéterminés de l'appareil 1, et en particulier de l'écran froid 10. Cette méthode est aisément programmable dans un logiciel de conception assistée par ordinateur
(CAO) , celui-ci pouvant aisément construire la paroi latérale 14 par interpolation linéaire à partir des N points Mi, M2,..., MN. Bien entendu, plus le nombre N choisi est élevé, plus la paroi latérale 14 est, en section, proche de l'ellipse correspondante.
Puis la paroi latérale 14 est simplement obtenue par révolution, autour de l'axe optique X, de l'arc d'ellipse ainsi construit.
Si la fabrication de l'écran froid 10 peut être réalisée par usinage, on lui préférera toutefois le moulage ou l'estampage, pour des raisons de précision dimensionnelle et de coût de revient.
Dans l'exemple de réalisation représenté sur les figures, et notamment sur la figure 11, la base 11 de l'écran froid 10 se présente sous la forme d'un tronc de cylindre de rayon R et dont la jonction avec la paroi latérale 14 est constituée du lieu (par symétrie de révolution autour de l'axe optique X) des points de référence P, dans le prolongement des tangentes T à la paroi latérale 14 en ces points P.
Il est à noter que, suivant cette solution, et par construction, aucun rayon réfléchi par la base 11, issu directement d'un rayon incident traversant le diaphragme 13, ne peut atteindre la surface sensible 9 du capteur 8.
Cette solution doit être retenue dans l'hypothèse d'une fabrication de l'écran froid 10 par moulage (ou par estampage) , de sorte à permettre un démoulage facile de 1' écran.
Sur la figure 11, on a représenté un premier rayon incident Rl rasant, c'est-à-dire tangent au bord du diaphragme 13 (il passe donc au voisinage immédiat du foyer secondaire limite F2) . Ce rayon Rl frappe l'écran 10 à la jonction de la paroi latérale 14 et de la base 11 (c'est-à-dire au point de référence P), où il est réfléchi en un rayon R2 qui est effleure la surface sensible 9 du capteur 8 (en passant au voisinage immédiat du foyer primaire limite Fx), sans toutefois l'atteindre. On a également représenté un rayon incident R' i qui, passant par le diaphragme 13, frappe pleinement la paroi latérale 14 : le rayon R' 2 réfléchi directement est orienté en dehors de la surface sensible 9 du capteur 8. Mais on pourra prolonger la paroi latérale 14 au-delà du lieu des points de référence 14, jusqu'au bord inférieur 15 de l'écran 10, bord auquel se limitera ainsi la base 11 (cette alternative n'est pas représentée sur les figures) . Toutefois, comme cela est évoqué ci-dessus, une telle solution ne convient que dans l'hypothèse d'une réalisation de l'écran 10 par usinage ; elle ne convient ni dans le cas d'une fabrication par moulage ou par estampage, du fait que le plus grand diamètre de l'écran froid 10 ne se trouve pas sur son bord inférieur 15.
4. Généralisation
Dans ce qui précède, on a construit la paroi latérale
14 à partir d'une ellipse limite E dont les foyers sont les foyers limites Fi et F2, situés respectivement sur un cercle circonscrit à la surface sensible 9 du capteur 8 et sur le bord du diaphragme 13. Cette ellipse E constitue un cas particulier vérifiant le principe édicté ci-dessus (Cf. (I)), en vertu duquel, dans tout plan sécant, aucun rayon incident traversant le diaphragme 13 ne doit passer entre les foyers de l'ellipse constituant la paroi 14 (en effet, à défaut, des rayons réfléchis par la paroi latérale 14 pourraient frapper la surface sensible 9 du capteur 8) . Toutefois, il existe une infinité d'ellipses satisfaisant ce principe.
En nommant par convention foyer primaire et foyer secondaire les foyers de toute ellipse appartenant à cet ensemble, on définit pour ces foyers les règles suivantes :
— le foyer primaire est situé dans une zone délimitée par le secteur angulaire I[P1PΛF1JI défini entre les deux demi-droites [PP' ) et [PFi) , et représentée sur la figure 12 par les hachures inclinées, où P' est le point projection, parallèlement à l'axe optique X, du point de référence P sur le plan défini par la surface sensible 9 du capteur 8 ;
— le foyer secondaire est situé dans la zone définie par l'intersection du secteur angulaire [F1PF2J, défini par les demi-droites [PFi) et [PF2) avec le secteur
I n I PF2xJ, défini par les demi-droites [F2P) et la demi-droite [F2x) d'origine F2, perpendiculaire à l'axe optique X et non sécante avec celui-ci. Cette zone est représentée sur la figure 12 par les hachures verticales.
On est ainsi assuré que tout rayon incident traversant le diaphragme 13 ne passe pas entre les foyers de l'ellipse constituant la paroi latérale 14, de sorte que le rayon issu de ce rayon incident par réflexion directe contre la paroi 14 ne passe pas non plus entre les foyers, et ne peut de ce fait atteindre la surface sensible 9 du capteur 8.

Claims

REVENDICATIONS
1. Appareil (1) de détection de rayonnement électromagnétique, qui comprend un capteur (8) ayant une surface sensible (9) audit rayonnement, ainsi qu'un écran froid (10) ayant une paroi latérale (14) présentant en section un profil en arc d'ellipse tel que tout rayon réfléchi par cette paroi (14), issu directement d'un rayon incident, ne rencontre pas la surface sensible (9) du capteur (8) .
2. Appareil (1) de détection de rayonnement électromagnétique, qui comprend :
- un boîtier (2) définissant une enceinte à vide, ce boîtier (2) comprenant une fenêtre (3) transparente audit rayonnement électromagnétique ;
- un doigt froid (4) présentant une paroi terminale (7) sur laquelle est monté un capteur (8) présentant une surface supérieure (9) plane sensible audit rayonnement électromagnétique et disposée en regard de ladite fenêtre (3), ledit capteur (8) définissant un axe optique (X) perpendiculaire à ladite surface sensible (9) et centré par rapport à celle-ci ;
- un écran froid (10) présentant une base (11), par laquelle il est monté sur le doigt froid (4), une extrémité supérieure (12) disposée entre la fenêtre
(3) et le capteur (8) et définissant un diaphragme (13) centré sur l'axe optique (X), ainsi qu'une paroi latérale (14), reliant la base (11) à l'extrémité supérieure (12) et présentant une symétrie de révolution autour de l'axe optique (X), cet appareil (1) étant caractérisé en ce que ladite paroi (14) présente, en section dans tout plan sécant contenant l'axe optique (X), un profil en arc d'ellipse tel que tout rayon réfléchi par cette paroi, issu directement d'un rayon incident traversant ledit diaphragme (13) , ne rencontre pas la surface sensible (9) du capteur (8) .
3. Appareil (1) selon la revendication 2, dans lequel, dans tout plan sécant contenant l'axe optique (X), ladite ellipse présente deux foyers, à savoir un foyer primaire et un foyer secondaire, localisés dans respectivement deux zones prédéterminées dudit plan, à savoir :
Figure imgf000025_0001
défini entre les deux demi-droites [PP') et [PFi), — pour le foyer secondaire, la zone définie par l'intersection du secteur angulaire [F1PF2J, défini par les demi-droites [PFi) et [PF2) avec le PF2xj, défini par les demi- droites [F2P) et la demi-droite [F2x) d'origine F2, perpendiculaire à l'axe optique et non sécante avec celui-ci, où :
- Fi, appelé foyer primaire limite, est le point intersection du cercle, centré sur l'axe optique (X) et circonscrit à la surface sensible (9) du capteur (8), et du plan sécant ;
- F2, appelé foyer secondaire limite, est le point intersection du cercle, circonscrit à un bord du diaphragme (13) , et du plan sécant, ce foyer secondaire limite F2 étant situé du côté de l'axe optique (X) opposé au foyer primaire limite Fi ;
- P, appelé point de référence, est le point, situé à une distance prédéterminée de l'axe optique (X) correspondant au rayon hors tout (R) de l'écran froid (10), et situé à une distance (Z) du plan défini par la surface sensible (9) du capteur (8) telle que la bissectrice du secteur angulaire I[FiP"F2JI est perpendiculaire à l'axe optique (X) ;
- P' est le point projection du point de référence P sur le plan défini par la surface sensible (9) du capteur (8).
4. Appareil (1) selon la revendication 3, dans lequel le foyer primaire de l'ellipse est confondu avec le foyer primaire limite Fi.
5. Appareil (1) selon la revendication 3 ou 4, dans lequel le foyer secondaire de l'ellipse est confondu avec le foyer secondaire limite F2.
6. Appareil (1) selon l'une des revendications 3 à 5, dans lequel la base (11) de l'écran froid (10) se présente sous la forme d'une portion de cylindre dont la jonction avec la paroi latérale (14) est constituée par le lieu des points de référence P.
7. Appareil (1) selon l'une des revendications 2 à 6, dans lequel le diaphragme (13) de l'écran froid (10) est à contour circulaire.
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