WO2010040914A2 - Systeme d'imagerie grand champ infrarouge integre dans une enceinte a vide - Google Patents

Systeme d'imagerie grand champ infrarouge integre dans une enceinte a vide Download PDF

Info

Publication number
WO2010040914A2
WO2010040914A2 PCT/FR2009/001189 FR2009001189W WO2010040914A2 WO 2010040914 A2 WO2010040914 A2 WO 2010040914A2 FR 2009001189 W FR2009001189 W FR 2009001189W WO 2010040914 A2 WO2010040914 A2 WO 2010040914A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
lens
imaging system
diaphragm
detector
cold
Prior art date
Application number
PCT/FR2009/001189
Other languages
English (en)
Other versions
WO2010040914A3 (fr
Inventor
Guillaume Druart
Jérôme Primot
Nicolas Guerineau
Jean Taboury
Original Assignee
Onera
Centre National De La Recherche Scientifique - Cnrs
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Onera, Centre National De La Recherche Scientifique - Cnrs filed Critical Onera
Priority to US13/121,327 priority Critical patent/US20120013706A1/en
Priority to EP09753137A priority patent/EP2335110A2/fr
Priority to JP2011530517A priority patent/JP2012505425A/ja
Publication of WO2010040914A2 publication Critical patent/WO2010040914A2/fr
Publication of WO2010040914A3 publication Critical patent/WO2010040914A3/fr
Priority to IL212185A priority patent/IL212185A0/en

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B13/00—Optical objectives specially designed for the purposes specified below
    • G02B13/16—Optical objectives specially designed for the purposes specified below for use in conjunction with image converters or intensifiers, or for use with projectors, e.g. objectives for projection TV
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B13/00—Optical objectives specially designed for the purposes specified below
    • G02B13/22—Telecentric objectives or lens systems
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J2005/0077—Imaging
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/02—Constructional details
    • G01J5/06—Arrangements for eliminating effects of disturbing radiation; Arrangements for compensating changes in sensitivity
    • G01J5/061—Arrangements for eliminating effects of disturbing radiation; Arrangements for compensating changes in sensitivity by controlling the temperature of the apparatus or parts thereof, e.g. using cooling means or thermostats
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/02—Constructional details
    • G01J5/08—Optical arrangements
    • G01J5/0806—Focusing or collimating elements, e.g. lenses or concave mirrors

Definitions

  • the present invention relates to a large-field infrared imaging system integrated in a vacuum chamber comprising a cooled detector and a dark chamber.
  • the present invention relates to the field of imaging in the infrared spectral domain.
  • field ray imaging system in the infrared spectral range comprising an infrared detector, a device for optical conjugation of the field rays with the detector and a dark chamber integrating said detector.
  • field rays in this patent will be understood to mean all the rays coming from a scene . to infinity and passing through the center of the entrance pupil.
  • Such a system is intended to be used for wide-field imaging, typically in a field of view between 20 ° and 180 °, in a spectral band of the infrared range, for steering or guidance missions.
  • cryostat hereinafter vacuum enclosure, closed by a porthole.
  • the vacuum created in the enclosure provides thermal insulation between the dark chamber containing the detector and the walls at ambient temperature of the enclosure, thus avoiding any risk of frost in the vicinity of the detector.
  • the pupil of an objectof is described by an opening of a certain diameter in a privileged plane which delimits the width of a beam of rays coming from a point of the scene.
  • the image of this opening by the lens is called the exit pupil.
  • Cold pupil The cold-eye objectives known from the state of the art consist in placing the optical conjugation elements outside the dark chamber and whose exit pupil coincides with the cold diaphragm.
  • the infrared detector is positioned within a cryogenic environment.
  • a pair of telecentric lenses is used, one of these telecentric lenses being placed inside the cryogenic environment behind the cold diaphragm. This pair refocuses the image provided by a first objective arranged in front of the rest of the system, which makes it possible to form a high quality image on the detector, while ensuring the coincidence of the exit pupil with the cold diaphragm.
  • the imaging system comprises a plurality of uncooled optical elements, disposed along the optical axis between the entrance pupil of the system and an insulating window, as well as a plurality of reflective annular segments disposed around the optical axis between the entrance pupil and the insulating window.
  • the optical elements at least one is disposed between the diaphragm and one of the reflective segments placed against the insulating window.
  • a compact telecentric optical system is composed of a diaphragm, an aspherical lens and a filter low-pass optics.
  • An object is imaged on a sensor placed after the optical system.
  • the diaphragm is arranged to face the object to be imaged, its position being adjustable by the user.
  • the aspheric lens is positioned at a given distance from the diaphragm.
  • This lens has a convex shape and a positive refractive index. It has on its rear face a diffractive zone so as to converge the rays incident on the lens towards the image by refraction and diffraction by correcting the chromatic aberrations.
  • the low-pass filter is disposed between the rear face of the aspherical lens and the sensor. The implementation of this diffractive zone at the level of the aspheric lens makes it possible to reduce the number of lenses required.
  • this solution has the disadvantage of implementing a diffractive zone to compensate for the chromaticism of the optical system and a low-pass optical filter, which generates a significant additional cost and a difficulty of implementation.
  • this solution is described only for an application in the visible range and not in the infrared. It therefore has no dark room and the diaphragm used is not a cold diaphragm.
  • the object of the present invention is to overcome this technical problem by integrating the optical conjugation device directly inside the vacuum chamber, whose pupil coincides with the cold diaphragm. This coincidence makes it possible to obtain a lens with a cold pupil without pupil conjugation, which makes it possible to simplify the optical combination with equivalent performances.
  • the entire optical combination is integrated in the vacuum chamber. This integration makes the whole compact and expand the area of use from the camera to extreme operating conditions that will not affect the optical and radiometric quality of the camera.
  • the transmission of the propagation medium will not depend on the degree of hygrometry of the ambient air and the infrared materials of the optical elements will retain their properties over time, even if they are hygroscopic.
  • the subject of the invention is a compact large field imaging system for the infrared spectral range, comprising a vacuum chamber comprising a window, a cooled dark chamber placed inside the vacuum chamber, provided with an opening called cold diaphragm, an infrared detector placed inside the cooled dark chamber and an optical conjugation device of the field rays with the detector.
  • the optical conjugation device does not comprise any element placed outside the vacuum chamber and comprises at least one cold lens placed inside the cooled dark chamber, the pupil of the optical conjugation device coinciding with the cold diaphragm.
  • the optical conjugation device consists of a single lens.
  • the lens used has a function of focusing and deflecting the field rays. It corrects the aberrations in the infrared spectral band used. Since the lens has a greater dimension than the diaphragm, which plays the role of cold diaphragm here, the latter plays the role of entrance pupil of the system and helps to distribute the field bundles on different zones of the lens, which allows to locally and separately correct the aberrations of different fields by a choice of the curvatures of the surfaces of the lens.
  • this imaging system comprising the combination between the lens and the diaphragm, makes it possible to correct out-of-field aberrations in a simple and effective manner since only one lens is necessary, this lens having, moreover, conventional dimensions, which makes it feasible easily and cheaply.
  • This system is thus distinguished from conventional architectures, which require the use of a combination of several lenses to obtain such a correction, which significantly increases both the size and cost of the system.
  • this system is very tolerant as regards the positioning of the lens and the diaphragm, which makes it very robust from an opto-mechanical point of view.
  • the integration of the lens within the dark chamber makes it possible to overcome the problem of conjugation of the entrance pupils and the cold diaphragm, since the cold diaphragm implemented constitutes the entrance pupil of the optical system. .
  • the surface of one of the diopters of the lens is flat.
  • the realization of the lens is then simplified by the flatness of the surface of one of the diopters, only the shape of the other being determined.
  • the lens is aspherical, which makes it possible to correct even more finely the field aberrations by aspherization of the lens.
  • the surface of at least one of the diopters of the lens is advantageously conical.
  • the aspherization of the lens is then simplified by the use of a conical surface easy to implement.
  • the surface of the diopter of the lens facing the field rays has a radius of curvature greater than the surface of the diopter facing the detector. This makes it possible to compress the field rays, since the crossing of the plane diopter by the field rays compresses the field angles by refraction before crossing the second diopter.
  • the surfaces of the diopters of the lens are calculated to correct the optical aberrations of the system in the infrared spectral range.
  • the lens has dimensions substantially equal to that of the detector.
  • the dimensions of the diaphragm are chosen so as to distribute the field rays over the whole of the lens. the surface of the lens.
  • the diaphragm is placed at a distance from the lens substantially equal to the focal length of the lens.
  • Each field ray thus arrives at normal incidence (angle substantially 90 °) on the detector.
  • This effect is all the more important as the system operates in the infrared range for which filters are commonly used. Indeed, all the field rays arriving perpendicularly on the detectors, the latter will see the filter under the same "color”.
  • the diaphragm is positioned at a wall of the dark chamber. This allows, on the one hand, to contain the entire system in the dark room and, on the other hand, to minimize the size of the room to a minimum.
  • the refractive index of the lens is greater than 3.0.
  • the use of high index materials for the lens contributes to improving the performance of the system. Such materials are not very dispersive, which limits chromaticity aberrations. This also makes it possible to reduce the radius of curvature of the lens and thus to make a lens thinner and more easily achievable.
  • At least one filter is arranged between the detector and the lens. This arrangement is all the more advantageous in the case of a telecentric system.
  • the surface of the diopter of the lens (4) facing the field rays is disposed against the diaphragm.
  • This arrangement is obtained by depositing a metal mask on the diopter of the lens, this mask having in its center an opening (circular or rectangular).
  • the imaging system according to the invention also includes, in a preferred manner, a device for cooling the interior of the dark chamber.
  • the window of the vacuum chamber can be replaced by a lens of compression of the field rays, which allows the system to reach the very large field (typically 180 °).
  • the porthole may also be replaced by an optical aberration correction lens, including distortion aberration which requires a device of optical conjugation which is symmetrical with respect to the plane of the diaphragm.
  • the front surface of the infrared detector has a non-zero curvature
  • adding an aspherical phase plate is placed between the porthole or the lens replacing it and the cold lens.
  • FIG. 1 a diagram of a wide-field infrared imaging system according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 2 a diagram of a telecentric infrared large-field imaging system, according to a second embodiment of the invention
  • FIG. 3 a diagram of a wide-field infrared imaging system with filter, according to a third embodiment of the invention
  • FIG. 4 a diagram of a wide-field infrared imaging system according to a fourth embodiment of the invention.
  • FIG. 5 a diagram of a wide-field infrared imaging system according to a fifth embodiment of the invention.
  • FIG. 6 a diagram of a wide-field infrared imaging system according to a sixth embodiment of the invention.
  • FIG. 7 a diagram of a large infrared field imaging system according to a seventh embodiment of the invention.
  • FIG. 1 represents a diagram of a large-field infrared imaging system according to a first embodiment of the invention.
  • the imaging system 1 makes it possible to focus a beam of field rays on a detector in an infrared spectral band. These field rays come from the scene to be imaged. It includes for this purpose a vacuum chamber 13 provided with a window 14, a dark room 3, an infrared detector 2, an optical conjugation device 4 and a diaphragm 5.
  • the dark chamber 3 is cooled by means of the cooling device
  • This chamber has an opening 5 'in the extension of the opening 5 of the dark chamber, along the axis A of the system 1. In front of this opening 5' is disposed a window 14.
  • the dark chamber 3 is a mechanical structure regulated in temperature.
  • the dark chamber 3 and the diaphragm 5 make it possible to significantly limit the thermal parasitic flux likely to bias the measurement in the infrared range.
  • the detector 2 is an infrared sensor. It is integrated in the dark room
  • the detector consists of a two-dimensional matrix of detection elements.
  • the detector consists of a one-dimensional array of detection elements. This detector has a high spectral response in the infrared spectral band used for the application. This spectral band may be determined by a bandpass filter disposed between the detector and the aspherical lens 4, as described below with reference to FIG.
  • the optical conjugation device 4 makes it possible to optically conjugate the field rays with the detector 2. It consists of an aspherical lens 4 integrated in the dark chamber 3. This lens 4 is placed at a distance from the detector 2 substantially equal to its focal length F so as to precisely focus the field rays on the detector.
  • the lens 4 is in the form of a convex plane lens whose refractive index is positive.
  • the surface of the second diopter 7, oriented towards the detector is aspherical in order to correct the field aberrations.
  • the surface of the first diopter 6, oriented towards the field rays, is flat. This convex plane lens, of which a single surface is to aspherize, is thus made simpler to manufacture industrially.
  • the lens 4 is not aspherical. It has a convex plane shape, with the second diopter having a spherical surface. The use of such a lens less optimally corrects aberrations but is simpler to achieve.
  • the lens 4 is thus positioned so that the second diopter 7, whose surface has a non-zero curvature, is oriented towards the detector 2, with respect to the first diopter 6 whose surface is flat. This makes it possible to compress at best the field rays that cross the two diopters of the lens.
  • the lens 4 it is possible to make the lens 4 so that the surfaces of its two diopters 6 and 7 have a non-zero curvature.
  • the surface of the second diopter 7 of the lens 4 is calculated so as to achieve three functions: the deflection of the field rays, the focusing of these same field rays and the correction of optical aberrations over the entire field in the desired infrared spectral range.
  • the lens 4 has dimensions substantially equal to that of the detector
  • the refractive index of the lens 4 is preferably greater than 3.0.
  • the materials used to make such a lens may be for example germanium, whose index is equal to 4.0, or silicon, whose index is equal to 3.5. More generally, the lens can be made in any type of high-index material. This helps to improve the performance of the system, since they limit chromaticity aberrations because of their low chromatic dispersion.
  • a high refractive index also makes it possible to reduce the radius of curvature of the lens and thus to make a thinner lens.
  • the maximum length of the imaging system is proportional to the refractive index and the focal length of the lens. It thus appears that the higher the index, the less the size of the system will be.
  • the diaphragm 5 (cold diaphragm, that is to say the pupil of the system) allows the distribution of the field rays on the lens 4. It is therefore positioned in front of this lens 4 and has dimensions smaller than this, of so to be the entrance pupil of the system. More precisely, the dimensions of the diaphragm 5 are chosen as a function of the opening ⁇ of the optical system, so as to distribute the field rays over the entire surface of the lens. The lens surface is thus optimally used to correct the aberrations.
  • This diaphragm 5 is positioned at a wall of the dark chamber 3 so as to act as a cold diaphragm of the dark chamber. It allows to reduce the thermal influence of the ambient background by delimiting the angle of view of this ambient background.
  • the chamber thus has at its diaphragm its only opening, the dimensions of which correspond exactly to that of the diaphragm 5. The entire system is then contained in the dark chamber.
  • This system has the advantage of being very compact, compared to architectures according to the state of the art, while providing accurate measurements on a very large field of view.
  • the field limitation of this system is related to the size of the lens and / or the size of the detector.
  • FIG. 2 represents a diagram of a telecentric infrared wide-field imaging system, according to a second embodiment of the invention.
  • This imaging system has telecentric properties by proper placement of the diaphragm 5 at a preferred position in front of the lens.
  • the diaphragm 5 is placed in front of the lens 4, at a distance thereof substantially equal to the focal length F of the lens 4.
  • the telecentric effect obtained for all the field rays corresponds to the fact that all main rays, that is to say all the field rays passing through the center of the entrance pupil - the diaphragm 5 -, will arrive on the detector 2 parallel to the optical axis A.
  • FIG. 3 represents a diagram of a wide-field infrared imaging system with filter, according to a third embodiment of the invention.
  • a filter 11 is disposed between the detector 2 and the aspheric lens 4. This filter is arranged in front of the detector to filter the desired infrared spectral band. It also makes it possible to correct the detector's cutoff wavelength problems as well as radiometric problems.
  • the diaphragm is also positioned to have a telecentric system.
  • the telecentric property of the system is particularly fundamental in the infrared range when a filter is used in front of the detector. Indeed, the filters used have the particularity of filtering at different wavelengths of the rays arriving on the filter with different inclinations. Therefore, with a telecentric system, since all the main rays arrive perpendicularly on the filter, they will all see the filter of the same "color", that is to say with the same wavelength.
  • FIG. 4 represents a diagram of a wide-field infrared imaging system, according to a fourth embodiment of the invention.
  • the lens 4 is convex plane, the plane diopter being the diopter 6 facing the field rays.
  • This dioptre plane 6 is disposed against the diaphragm 5.
  • a metal mask 12 is deposited on the diopter of the lens 4, this mask having in its center a circular opening corresponding to the diaphragm 5.
  • the diaphragm no longer consists of an opening in a mechanical part but an opening in a metal mask 12 deposited on the lens 4.
  • FIG. 5 represents a diagram of a wide-field infrared imaging system, according to a fifth embodiment of the invention.
  • the window 14 is replaced by a lens 14 'for compressing the field rays, the shape of which is determined so as to compress the field rays and thus to make sure that the rays are very inclined with respect to the axis A can reach the detector 2.
  • This lens 14 has the function of converting a very large field observation cone into an observation cone that can be imaged by the integrated lens dark chamber 3.
  • FIG. 6 represents a diagram of a wide-field infrared imaging system, according to a sixth embodiment of the invention.
  • This embodiment evolves by the integration between the lens 4 and the detector 2 of a diverging lens 15 making it possible to increase the opening of the system 1 and therefore its sensitivity, while maintaining a modulation transfer function that is satisfactory.
  • This lens 15 may be refractive or diffractive.
  • the lens 15 can be cleverly integrated in place of the detector window.
  • FIG. 7 represents a diagram of a wide-field infrared imaging system, according to a seventh embodiment of the invention.
  • the front surface 2 'of the infrared detector 2 has a non-zero curvature. This curvature of the infrared focal plane makes it possible to increase the opening of the system 1 and thus its sensitivity, while maintaining a modulation transfer function that is satisfactory.
  • the front surface 2 'of the detector 2 may have a spherical, aspherical shape or be composed of a series of small planar detectors whose vertices rest on a spherical or spherical structure.
  • the window 14 is replaced by an optical aberration correction lens, in particular the distortion aberration which requires an optical conjugation device 4 which is symmetrical with respect to the plane of the diaphragm , and or an aspherical phase plate is placed between the window 14 or the lens replacing it and the cold lens 4.
  • an optical aberration correction lens in particular the distortion aberration which requires an optical conjugation device 4 which is symmetrical with respect to the plane of the diaphragm
  • an aspherical phase plate is placed between the window 14 or the lens replacing it and the cold lens 4.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Lenses (AREA)
  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
  • Radiation Pyrometers (AREA)

Abstract

La présente invention concerne un système d'imagerie grand champ compact (1) pour le domaine spectral infrarouge, comprenant une enceinte à vide (13) comportant un hublot (14), une chambre obscure refroidie (3) placée à l'intérieur de l'enceinte à vide (13), munie d'une ouverture appelée diaphragme froid (5), un détecteur infrarouge (2) placé à l'intérieur de la chambre obscure refroidie (3) et un dispositif de conjugaison optique (4) des rayons de champ avec le détecteur (2). Dans ce système, le dispositif de conjugaison optique (4) ne comprend aucun élément placé à l'extérieur de l'enceinte à vide (13) et comprend au moins une lentille froide (4) placée à l'intérieur de ladite chambre obscure refroidie (3), la pupille du dispositif de conjugaison optique coïncidant avec le diaphragme froid (5).

Description

SYSTEME D'IMAGERIE GRAND CHAMP INFRAROUGE INTEGRE DANS UNE
ENCEINTE A VIDE
La présente invention concerne un système d'imagerie grand champ infrarouge intégré dans une enceinte à vide comprenant un détecteur refroidi et une chambre obscure.
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention se rapporte au domaine de l'imagerie dans le domaine spectral infrarouge.
Elle se rapporte plus particulièrement à un système d'imagerie de rayons de champ dans le domaine spectral infrarouge comprenant un détecteur infrarouge, un dispositif de conjugaison optique des rayons de champ avec le détecteur et une chambre obscure intégrant ledit détecteur. On entendra par « rayons de champ » dans le présent brevet l'ensemble des rayons provenant d'une scène. à l'infini et passant par le centre de la pupille d'entrée.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE
Un tel système vise à être utilisé pour de l'imagerie grand champ, typiquement dans un champ d'observation entre 20° et 180°, dans une bande spectrale du domaine infrarouge, pour des missions de pilotage ou de guidage.
Dans ce domaine technique, les besoins concernent actuellement la miniaturisation des systèmes d'imagerie. Il importe en effet de disposer de systèmes de moins en moins encombrants, pour faciliter leur intégration dans des systèmes plus complexes. Ces systèmes doivent par ailleurs disposer d'une résolution spatiale et d'une sensibilité suffisamment élevées. Enfin, il est nécessaire que ces systèmes présentent un rapport signal sur bruit suffisant pour détecter une cible à une température donnée sur un fond à une température différente.
A ce titre, il est connu de l'état de la technique d'utiliser un détecteur refroidi et d'intégrer ce détecteur dans un écran froid appelé par la suite « chambre obscure », ouverte par un diaphragme dit « diaphragme froid ». Ce diaphragme sert à limiter le flux de fond vu par le détecteur et limite ainsi l'angle sous lequel le détecteur voit la scène extérieure. Ce diaphragme est aussi appelé diaphragme d'ouverture. C'est lui qui définit les limites de l'angle solide du faisceau utile émis par un point de référence de l'objet ou de la source. Il est situé par convention sur l'axe optique du système. Cette chambre obscure, refroidie à une température très basse (typiquement à -
2000C), est positionnée dans un cryostat, appelé par la suite enceinte à vide, fermé par un hublot. Le vide créé dans l'enceinte assure une isolation thermique entre la chambre obscure contenant le détecteur et les parois à température ambiante de l'enceinte, évitant ainsi tout risque de givre au voisinage du détecteur.
II est connu de l'état de la technique que la conception d'une caméra infrarouge nécessite :
- de réduire efficacement le rayonnement lié à l'environnement de la caméra en réduisant l'ouverture du diaphragme froid et - de maximiser le flux émis par les points de la scène à observer en augmentant l'ouverture de la pupille du dispositif de conjugaison optique, appelé « objectif ». En effet, par définition, la pupille d'un objectof est décrite par une ouverture d'un certain diamètre dans un plan privilégié qui délimite la largeur d'un faisceau de rayons issu d'un point de la scène. L'image de cette ouverture par l'objectif est appelée pupille de sortie.
Pour cela, le concepteur de l'objectif cherchera à faire coïncider la pupille de sortie de l'objectif avec le diaphragme froid. Dans ce cas, on parlera d'un objectif à
« pupille froide ». Les objectifs à pupille froide connus de l'état de la technique consistent à placer les éléments optiques de conjugaison à l'extérieur de la chambre obscure et dont la pupille de sortie coïncide avec le diaphragme froid. Une telle solution est décrite dans le document de brevet américain US 4,783,593. Dans ce document, le détecteur infrarouge est positionné au sein d'un environnement cryogénique. Afin de permettre la focalisation des rayons de champ avec une résolution suffisante, une paire de lentilles télécentriques est utilisée, l'une de ces lentilles télécentriques étant placée à l'intérieur de l'environnement cryogénique, derrière le diaphragme froid. Cette paire refocalise l'image fournie par un premier objectif disposé devant le reste du système, ce qui permet de former une image de qualité élevée sur le détecteur, tout en assurant la coïncidence de la pupille de sortie avec le diaphragme froid.
Une autre solution est décrite dans le document de brevet américain US 7,002,154. Dans ce document, le système d'imagerie comprend une pluralité d'éléments optiques non refroidis, disposés le long de l'axe optique entre la pupille d'entrée du système et une fenêtre isolante, ainsi qu'une pluralité de segments annulaires réfléchissants disposés autour de l'axe optique entre la pupille d'entrée et la fenêtre isolante. Parmi les éléments optiques, au moins un est disposé entre le diaphragme et l'un des segments réflexifs placé contre la fenêtre isolante.
Ces solutions présentent néanmoins l'inconvénient d'être très encombrantes. En effet, ces solutions à pupille froide nécessitent un système de conjugaison de pupille avec le diaphragme froid, ce qui ajoute des éléments optiques au système. De plus, dans la mesure où elles sont utilisées pour des applications de hautes performances (en termes de champ, de résolution angulaire et de portée), elles nécessitent une grande ouverture à la fois sur l'axe optique et dans le champ, contrainte qui implique de corriger de nombreuses aberrations. Des dioptres adéquats - des lentilles - sont ainsi ajoutés afin de maintenir le système d'imagerie en limite de diffraction. Il apparaît clairement, dans ces conditions, que le nombre d'optiques à rajouter sera d'autant plus grand que l'ouverture du système est grand.
Une solution pour réduire le nombre de lentilles est décrite dans le document de brevet coréen KR 1999/065839. Dans ce document, un système optique compact télécentrique est composé d'un diaphragme, d'une lentille asphérique et d'un filtre optique passe-bas. Un objet est imagé sur un capteur placé après le système optique. Le diaphragme est disposé pour faire face à l'objet à imager, sa position pouvant être réglée par l'utilisateur. La lentille asphérique est positionnée à une distance donnée du diaphragme. Cette lentille présente une forme convexe et un indice de réfraction positif. Elle présente sur sa face arrière une zone diffractive de façon à faire converger les rayons incidents sur la lentille vers l'image par réfraction et diffraction en corrigeant les aberrations chromatiques. Le filtre passe-bas est disposé entre la face arrière de la lentille asphérique et le capteur. La mise en oeuvre de cette zone diffractive au niveau de la lentille asphérique permet de diminuer le nombre de lentilles nécessaires.
Néanmoins, cette solution présente l'inconvénient de mettre en œuvre une zone diffractive pour compenser le chromatisme du système optique ainsi que d'un filtre optique passe-bas, ce qui engendre un coût supplémentaire significatif et une difficulté de réalisation. Par ailleurs, cette solution n'est décrite que pour une application dans le domaine visible et non dans l'infrarouge. Il ne comporte donc aucune chambre obscure et le diaphragme utilisé n'est pas un diaphragme froid.
Ainsi, aucune solution de l'état de la technique ne permet de fournir un système d'imagerie infrarouge qui soit à la fois simple, miniature, grand champ, de résolution élevée, tout en conjuguant la pupille avec le diaphragme froid du système.
OBJET DE L'INVENTION
Le but de la présente invention est de remédier à ce problème technique, en intégrant le dispositif de conjugaison optique directement à l'intérieur de l'enceinte à vide, dont la pupille coïncide avec le diaphragme froid. Cette coïncidence permet d'obtenir un objectif à pupille froide sans conjugaison de pupille, ce qui permet de simplifier la combinaison optique avec des performances équivalentes.
L'ensemble de la combinaison optique est intégré dans l'enceinte à vide. Cette intégration permet de rendre l'ensemble compact et d'étendre le domaine d'utilisation de la caméra à des conditions d'utilisation extrêmes qui n'influeront sur pas la qualité optique et radiométrique de la caméra. En particulier, la transmission du milieu de propagation ne dépendra pas du degré d'hygrométrie de l'air ambiant et les matériaux infrarouges des éléments optiques conserveront leurs propriétés dans le temps, même si ceux-ci sont hygroscopiques.
L'approche de la solution a consisté à étudier différentes conceptions optiques existantes, en particulier des systèmes d'imagerie « sans optiques », comme un sténopé. Celui-ci présente usuellement l'inconvénient de disposer d'une faible ouverture optique, ce qui le rend inadapté pour des applications de faible flux. Pourtant, le sténopé étant très fermé et très tolérant en champ, il est apparu que l'intégration de ce dernier dans un système grand champ, composé généralement d'une première lentille de compression de champ et d'une série de lentilles pour la focalisation et la correction du champ, permet de supprimer toutes les lentilles sauf la première lentille de compression du champ.
Dans ce but, l'invention a pour objet un système d'imagerie grand champ compact pour le domaine spectral infrarouge, comprenant une enceinte à vide comportant un hublot, une chambre obscure refroidie placée à l'intérieur de l'enceinte à vide, munie d'une ouverture appelée diaphragme froid, un détecteur infrarouge placé à l'intérieur de la chambre obscure refroidie et un dispositif de conjugaison optique des rayons de champ avec le détecteur. Dans ce système, le dispositif de conjugaison optique ne comprend aucun élément placé à l'extérieur de l'enceinte à vide et comprend au moins une lentille froide placée à l'intérieur de la chambre obscure refroidie, la pupille du dispositif de conjugaison optique coïncidant avec le diaphragme froid.
De manière privilégiée, le dispositif de conjugaison optique est constitué d'une seule lentille.
La lentille utilisée a une fonction de focalisation et de déviation des rayons de champ. Elle permet de corriger les aberrations dans la bande spectrale infrarouge utilisée. La lentille présentant une dimension plus grande que le diaphragme, qui joue ici le rôle de diaphragme froid, ce dernier joue le rôle de pupille d'entrée du système et contribue à répartir les faisceaux de champ sur différentes zones de la lentille, ce qui permet de corriger localement et séparément les aberrations de différents champs par un choix des courbures des surfaces de la lentille.
Ainsi ce système d'imagerie, comprenant la combinaison entre la lentille et le diaphragme, permet de corriger les aberrations hors champ de manière simple et efficace puisqu'une seule lentille est nécessaire, cette lentille présentant par ailleurs des dimensions classiques, ce qui la rend réalisable facilement et à moindre coût. Ce système se distingue ainsi des architectures classiques, qui nécessitent l'utilisation d'une combinaison de plusieurs lentilles pour obtenir une telle correction, ce qui augmente significativement à la fois l'encombrement et le coût du système. De plus, ce système est très tolérant en ce qui concerne le positionnement de la lentille et du diaphragme, ce qui le rend très robuste d'un point de vue opto-mécanique.
Par ailleurs, l'intégration de la lentille au sein de la chambre obscure permet de s'affranchir du problème de conjugaison des pupilles d'entrée et du diaphragme froid, puisque le diaphragme froid mis en œuvre constitue la pupille d'entrée du système optique.
Enfin, l'homme du métier notera que ce système est d'autant plus compact que le champ à observer est important, ce qui le rend particulièrement bien adapté pour des applications d'observation grand champ.
Avantageusement, la surface de l'un des dioptres de la lentille est plane. La réalisation de la lentille est alors simplifiée par la planéité de la surface d'un des dioptres, seule la forme de l'autre étant à déterminer.
Avantageusement, la lentille est asphérique, ce qui permet de corriger encore plus finement les aberrations de champ par asphérisation de la lentille. Dans ce dernier cas, la surface d'au moins l'un des dioptres de la lentille est avantageusement conique. L'asphérisation de la lentille est alors simplifiée par l'utilisation d'une surface conique facile à mettre en œuvre.
De manière préférentielle, la surface du dioptre de la lentille orienté vers les rayons de champ présente un rayon de courbure plus grand que la surface du dioptre orienté vers le détecteur. Cela permet de compresser les rayons de champ, puisque la traversée du dioptre plan par les rayons de champ compresse les angles de champ par réfraction avant la traversée du second dioptre.
Dans un mode de réalisation visant à minimiser les aberrations en fonction du spectre infrarouge, les surfaces des dioptres de la lentille sont calculées de sorte à corriger les aberrations optiques du système dans le domaine spectral infrarouge.
Dans un mode de réalisation visant à pouvoir utiliser toute la surface du détecteur et donc améliorer la résolution du système, la lentille présente des dimensions sensiblement égales à celle du détecteur.
Dans un mode de réalisation visant à pouvoir utiliser toute la surface de la lentille pour réaliser la correction des aberrations et donc de les corriger de manière plus précise, les dimensions du diaphragme sont choisies de sorte à répartir les rayons de champ sur l'ensemble de la surface de la lentille.
Dans un mode avantageux de réalisation visant à obtenir un effet télécentrique pour tous les rayons de champ, le diaphragme est placé à une distance de la lentille sensiblement égale à la distance focale de la lentille. Chaque rayon de champ arrive ainsi en incidence normale (angle sensiblement de 90°) sur le détecteur. Cet effet est d'autant plus primordial que le système fonctionne dans le domaine infrarouge pour lequel des filtres sont couramment utilisés. En effet, tous les rayons de champ arrivant perpendiculairement sur les détecteurs, ces derniers verront le filtre sous la même « couleur ». Avantageusement, le diaphragme est positionné au niveau d'une paroi de la chambre obscure. Cela permet, d'une part, de faire contenir le système entier dans la chambre obscure et, d'autre part, de minimiser les dimensions de la chambre au strict minimum.
De préférence, l'indice de réfraction de la lentille est supérieur à 3,0. L'utilisation de matériaux à fort indice pour la lentille contribue en effet à améliorer les performances du système. De tels matériaux sont peu dispersifs, ce qui limite les aberrations de chromaticité. Cela permet également de réduire le rayon de courbure de la lentille et donc de réaliser une lentille plus mince et plus facilement réalisable.
Afin de réaliser les différents filtrages nécessaires à la réduction du domaine spectral infrarouge utilisé, par exemple la bande infrarouge II ou III, au moins un filtre est disposé entre le détecteur et la lentille. Cette disposition est d'autant plus avantageuse dans le cas d'un système télécentrique.
Selon un mode particulier de réalisation, la surface du dioptre de la lentille (4) orienté vers les rayons de champ est disposée contre le diaphragme. Cette disposition est obtenue en déposant un masque métallique sur le dioptre de la lentille, ce masque comportant en son centre une ouverture (circulaire ou rectangulaire).
Le système d'imagerie selon l'invention comprend également, de manière privilégiée, un dispositif de refroidissement de l'intérieur de la chambre obscure.
On ne considère maintenant que le cas de détecteurs refroidis. Le hublot de l'enceinte à vide peut être remplacé par une lentille de compression des rayons de champ, ce qui permet au système d'atteindre le très grand champ (typiquement 180°).
Le hublot peut également être remplacé par une lentille de correction d'aberrations optiques, notamment l'aberration de distorsion qui requiert un dispositif de conjugaison optique qui soit symétrique par rapport au plan du diaphragme.
Afin d'augmenter l'ouverture du système et donc sa sensibilité tout en maintenant une fonction de transfert de modulation satisfaisante, il peut être prévu: - de disposer une lentille divergente entre le détecteur infrarouge et le dispositif de conjugaison optique, et/ou
- que la surface avant du détecteur infrarouge présente une courbure non nulle,
- d'ajouter une lame de phase asphérisée est placée entre le hublot ou la lentille le remplaçant et la lentille froide.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'exemples non limitatifs de réalisation, en référence aux figures annexées représentant respectivement :
- la figure 1 , un schéma d'un système d'imagerie grand champ infrarouge selon un premier mode de réalisation de l'invention,
- la figure 2, un schéma d'un système d'imagerie grand champ infrarouge télécentrique, selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, - la figure 3, un schéma d'un système d'imagerie grand champ infrarouge avec filtre, selon un troisième mode de réalisation de l'invention,
- la figure 4, un schéma d'un système d'imagerie grand champ infrarouge selon un quatrième mode de réalisation de l'invention,
- la figure 5, un schéma d'un système d'imagerie grand champ infrarouge selon un cinquième mode de réalisation de l'invention,
- la figure 6, un schéma d'un système d'imagerie grand champ infrarouge selon un sixième mode de réalisation de l'invention, et
- la figure 7, un schéma d'un système d'imagerie grand champ infrarouge selon un septième mode de réalisation de l'invention.
EXPOSE DETAILLE DE MODES DE REALISATION PARTICULIERS Les exemples de réalisation ci-après s'appliquent pour tout système d'imagerie grand champ, dans des bandes spectrales infrarouge, notamment les bandes spectrales II (longueur d'onde entre 3 à 5 micromètres) et III (longueur d'onde entre 8 à 12 micromètres).
La figure 1 représente un schéma d'un système d'imagerie grand champ infrarouge selon un premier mode de réalisation de l'invention.
Le système d'imagerie 1 permet de réaliser la focalisation d'un faisceau de rayons de champ sur un détecteur dans une bande spectrale infrarouge. Ces rayons de champ proviennent de la scène à imager. Il comprend pour cela une enceinte à vide 13 munie d'un hublot 14, une chambre obscure 3, un détecteur infrarouge 2, un dispositif de conjugaison optique 4 et un diaphragme 5.
La chambre obscure 3 est refroidie au moyen du dispositif de refroidissement
13, par exemple une enceinte à vide. Cette enceinte présente une ouverture 5' dans le prolongement de l'ouverture 5 de la chambre obscure, suivant l'axe A du système 1. Devant cette ouverture 5' est disposée un hublot 14.
La chambre obscure 3 est une structure mécanique régulée en température.
Elle se présente sous la forme d'une boîte noire comportant une seule ouverture correspondante au diaphragme 5, qui joue ici le rôle de diaphragme de la chambre obscure. La chambre obscure 3 et le diaphragme 5 permettent de limiter de manière significative le flux parasite thermique susceptible de biaiser la mesure dans le domaine infrarouge.
Le détecteur 2 est un capteur infrarouge. Il est intégré dans la chambre obscure
3 de manière à être accolé à la paroi de la face arrière de la chambre. Il est constitué d'une matrice bidimensionnelle d'éléments de détection. Selon un autre mode de réalisation, le détecteur est constitué d'une barrette monodimensionnelle d'éléments de détection. Ce détecteur dispose d'une réponse spectrale élevée dans la bande spectrale infrarouge utilisée pour l'application. Cette bande spectrale pourra être déterminée par un filtre passe-bande disposé entre le détecteur et la lentille asphérique 4, comme décrit plus loin en référence à la figure 3.
Le dispositif de conjugaison optique 4 permet de conjuguer optiquement les rayons de champ avec le détecteur 2. Il est constitué d'une lentille asphérique 4 intégrée dans la chambre obscure 3. Cette lentille 4 est placée à une distance du détecteur 2 sensiblement égale à sa distance focale F de sorte à focaliser précisément les rayons de champ sur le détecteur.
La lentille 4 se présente sous la forme d'une lentille plan convexe dont l'indice de réfraction est positif. Dans le présent exemple de réalisation, la surface du deuxième dioptre 7, orienté vers le détecteur, est asphérique afin de corriger les aberrations de champ. La surface du premier dioptre 6, orienté vers les rayons de champ, est plane. Cette lentille plan convexe, dont une seule surface est à asphériser, est ainsi rendue plus simple à fabriquer industriellement.
Dans un autre mode de réalisation, la lentille 4 n'est pas asphérique. Elle présente une forme plan convexe, avec le deuxième dioptre ayant une surface sphérique. L'utilisation d'une telle lentille corrige de manière moins optimale les aberrations mais est plus simple à réaliser.
La lentille 4 est ainsi positionnée de manière à ce que le deuxième dioptre 7, dont la surface présente une courbure non nulle, soit orienté vers le détecteur 2, par rapport au premier dioptre 6 dont la surface est plane. Cela permet de compresser au mieux les rayons de champ qui traversent les deux dioptres de la lentille.
Selon d'autres modes de réalisation, il est possible de réaliser la lentille 4 de sorte que les surfaces de ses deux dioptres 6 et 7 présentent une courbure non nulle.
La surface du deuxième dioptre 7 de la lentille 4 est calculée de sorte à réaliser trois fonctions : la déviation des rayons de champ, la focalisation de ces mêmes rayons de champ et la correction des aberrations optiques sur l'ensemble du champ dans le domaine spectral infrarouge souhaité.
La lentille 4 présente des dimensions sensiblement égales à celle du détecteur
2, de sorte à répartir les rayons de champ sur toute la surface du détecteur et ainsi utiliser l'ensemble du détecteur, ce qui permet d'obtenir une meilleure résolution du système.
L'indice de réfraction de la lentille 4 est préférentiellement supérieur à 3,0. Les matériaux utilisés pour réaliser une telle lentille peuvent être par exemple du germanium, dont l'indice est égal à 4,0, ou du silicium, dont l'indice est égal à 3,5. Plus généralement, la lentille peut être réalisée dans tout type de matériau à fort indice. Cela contribue en effet à améliorer les performances du système, puisqu'ils limitent les aberrations de chromaticité du fait de leur faible dispersion chromatique.
Un fort indice de réfraction permet également de réduire le rayon de courbure de la lentille et donc de réaliser une lentille plus mince. En effet, la longueur maximale du système d'imagerie est proportionnelle à l'indice de réfraction et à la distance focale de la lentille. Il apparaît ainsi que plus l'indice est fort et moins la taille du système sera limitante.
Le diaphragme 5 (diaphragme froid, c'est-à-dire pupille du système) permet la répartition des rayons de champ sur la lentille 4. Il est pour cela positionné devant cette lentille 4 et présente des dimensions inférieure à celle-ci, de sorte à être la pupille d'entrée du système. Plus précisément, les dimensions du diaphragme 5 sont choisis en fonction de l'ouverture α du système optique, de sorte à répartir les rayons de champ sur l'ensemble de la surface de la lentille. On utilise ainsi la surface de la lentille de manière optimale pour corriger les aberrations.
Ce diaphragme 5 est positionné au niveau d'une paroi de la chambre obscure 3 de sorte à jouer le rôle de diaphragme froid de la chambre obscure. Il permet ainsi de réduire l'influence thermique du fond ambiant en délimitant l'angle de vue de ce fond ambiant. La chambre présente ainsi au niveau du diaphragme sa seule ouverture, dont les dimensions correspondent exactement à celle du diaphragme 5. Le système entier est alors contenu dans la chambre obscure.
Tous les éléments du système - la chambre obscure, le détecteur, la lentille et le diaphragme - sont centrés au niveau de l'axe optique A du système 1.
L'homme du métier, de par ses connaissances générales en opto-mécanique, sera à même de réaliser la conception de ce système sur la base des éléments décrits ci-dessus. En particulier, il pourra réaliser le diaphragme 5 par simple perforation d'une paroi de la chambre obscure 3, disposer correctement la lentille 4 par l'intermédiaire par exemple d'éléments d'entretoise et accoler le détecteur 2 sur la face arrière de l'intérieur de la chambre obscure 3.
Ce système présente l'avantage d'être très compact, par rapport à des architectures selon l'état de la technique, tout en fournissant des mesures précises sur un champ de visualisation très grand.
II convient par ailleurs de noter que la limitation de champ de ce système est liée à la taille de la lentille et/ou de la dimension du détecteur.
Il convient également de noter que plus le système visualise un champ important et plus il est compact. Dans le cas par exemple d'un système contenant une lentille d'épaisseur au centre 2 millimètres et un détecteur d'épaisseur 7,5 millimètres, visualisant un champ de 60°, l'encombrement est égal à 13 millimètres. En comparaison, un système contenant les mêmes lentille et détecteur, mais visualisation un champ de 90°, présente un encombrement de 10 millimètres.
La figure 2 représente un schéma d'un système d'imagerie grand champ infrarouge télécentrique, selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. Ce système d'imagerie présente des propriétés de télécentrisme par un placement adéquat du diaphragme 5 à une position privilégiée devant la lentille. A cet effet, le diaphragme 5 est placé devant la lentille 4, à une distance de celle-ci sensiblement égale à la distance focale F de la lentille 4. L'effet télécentrique obtenu pour tous les rayons de champ correspond au fait que tous les rayons principaux, c'est-à-dire tous les rayons de champ passant par le centre de la pupille d'entrée - le diaphragme 5 -, vont arriver sur le détecteur 2 parallèlement à l'axe optique A.
Pour obtenir cette position privilégiée du diaphragme 5, un ajustement de sa position autour de la position décrite ci-dessus peut être nécessaire du fait de l'épaisseur de le lentille et des forts champs utilisés.
La figure 3 représente un schéma d'un système d'imagerie grand champ infrarouge avec filtre, selon un troisième mode de réalisation de l'invention.
Un filtre 11 est disposé entre le détecteur 2 et la lentille asphérique 4. Ce filtre est disposé en avant du détecteur pour filtrer la bande spectrale infrarouge souhaitée. Il permet également de corriger les problèmes de longueur d'onde de coupure du détecteur, ainsi que des problèmes radiométriques.
L'homme du métier comprendra qu'il est nécessaire d'ajuster les positions des différents éléments, en particulier de la lentille 4, pour compenser le décalage engendré par l'introduction de la lame à faces parallèles que constitue un filtre.
Dans ce mode de réalisation, le diaphragme est également positionné de sorte à disposer d'un système télécentrique. La propriété télécentrique du système est particulièrement fondamentale dans le domaine infrarouge lorsqu'un filtre est utilisé en avant du détecteur. En effet, les filtres utilisés présentent la particularité de filtrer suivant des longueurs d'onde différentes des rayons arrivant sur le filtre avec des inclinaisons différentes. Dès lors, avec un système télécentrique, dans la mesure où tous les rayons principaux arrivent perpendiculairement sur le filtre, ils verront tous le filtre de la même « couleur », c'est-à-dire avec la même longueur d'onde. La figure 4 représente un schéma d'un système d'imagerie grand champ infrarouge, selon un quatrième mode de réalisation de l'invention.
Dans ce mode de réalisation, la lentille 4 est plan convexe, le dioptre plan étant le dioptre 6 orienté vers les rayons de champ. Ce dioptre plan 6 est disposé contre le diaphragme 5. Pour mettre en œuvre ce mode de réalisation, on dépose un masque métallique 12 sur le dioptre de la lentille 4, ce masque comportant en son centre une ouverture circulaire correspondant au diaphragme 5. Le diaphragme n'est ainsi plus constitué d'une ouverture dans une pièce mécanique mais d'une ouverture dans un masque métallique 12 déposé sur la lentille 4.
La figure 5 représente un schéma d'un système d'imagerie grand champ infrarouge, selon un cinquième mode de réalisation de l'invention.
Dans ce mode de réalisation, le hublot 14 est remplacé par une lentille 14' de compression des rayons de champ, dont la forme est déterminée de sorte à compresser les rayons de champ et donc à faire en sorte que des rayons très inclinés par rapport à l'axe A puisse atteindre le détecteur 2. Cette lentille 14 a pour fonction de convertir un cône d'observation très grand champ en un cône d'observation pouvant être imagé par la chambre obscure 3 à lentille intégrée.
Elle permet donc au système d'imagerie d'atteindre le très grand champ (typiquement 180°) et rend donc possible la réalisation de caméras dans le domaine infrarouge, à très grand champ (« fish eye » en langue anglo-saxonne) et qui soit à la fois très compact et à faible coût.
Dans le cas précis d'un système intégré dans un cryostat, comme illustré en figure 5, cette lentille 14 peut judicieusement remplacer le hublot du cryostat. Elle remplit alors également une fonction supplémentaire d'étanchéité du cryostat, à la place du hublot qui assure habituellement cette fonction. La figure 6 représente un schéma d'un système d'imagerie grand champ infrarouge, selon un sixième mode de réalisation de l'invention.
Ce mode de réalisation évolue par l'intégration entre la lentille 4 et le détecteur 2 d'une lentille divergente 15 permettant d'augmenter l'ouverture du système 1 et donc sa sensibilité, tout en maintenant une fonction de transfert de modulation qui soit satisfaisante. Cette lentille 15 peut être réfractive ou diffractive.
Dans le cas d'une configuration utilisant un micro-bolomètre, la lentille 15 peut être astucieusement intégrée à la place du hublot du détecteur.
La figure 7 représente un schéma d'un système d'imagerie grand champ infrarouge, selon un septième mode de réalisation de l'invention.
Dans ce mode de réalisation, la surface avant 2' du détecteur infrarouge 2 présente une courbure non nulle. Cette courbure du plan focal infrarouge permet d'augmenter l'ouverture du système 1 et donc sa sensibilité, tout en maintenant une fonction de transfert de modulation qui soit satisfaisante.
A ce titre, la surface avant 2' du détecteur 2 peut avoir une forme sphérique, asphérique ou être composée d'une série de petits détecteur plans dont les sommets reposent sur une structure sphérique ou sphérique.
Les modes de réalisation précédemment décrits de la présente invention sont donnés à titre d'exemples et ne sont nullement limitatifs. Il est entendu que l'homme du métier est à même de réaliser différentes variantes de l'invention sans pour autant sortir du cadre du brevet.
En particulier, il peut être procédé aux modifications suivantes : - le hublot 14 est remplacé par une lentille de correction d'aberrations optiques, notamment l'aberration de distorsion qui requiert un dispositif de conjugaison optique 4 qui soit symétrique par rapport au plan du diaphragme, et/ou une lame de phase asphérisée est placée entre le hublot 14 ou la lentille le remplaçant et la lentille froide 4.

Claims

REVENDICATIONS
1 - Système d'imagerie grand champ compact (1 ) pour le domaine spectral infrarouge comprenant une enceinte à vide (13) comportant un hublot (14), une chambre obscure refroidie (3) placée à l'intérieur de l'enceinte à vide (13), munie d'une ouverture appelée diaphragme froid (5), un détecteur infrarouge
(2) placé à l'intérieur de la chambre obscure refroidie
(3) et un dispositif de conjugaison optique
(4) des rayons de champ avec le détecteur (2), caractérisé en ce que le dispositif de conjugaison optique (4) ne comprend aucun élément placé à l'extérieur de l'enceinte à vide (13) et comprend au moins une lentille froide (4) placée à l'intérieur de ladite chambre obscure refroidie (3), la pupille du dispositif de conjugaison optique coïncidant avec le diaphragme froid (5).
2 - Système d'imagerie (1) selon la revendication 1 , dans laquelle le dispositif de conjugaison optique (4) est constitué d'une seule lentille (4).
3 - Système d'imagerie (1) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la surface de l'un des dioptres (4,7) de la lentille froide (4) est plane.
4 - Système d'imagerie (1 ) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la lentille froide (4) est asphérique.
5 - Système d'imagerie (1) selon la revendication 4, dans lequel la surface d'au moins l'un des dioptres (6,7) de la lentille froide (4) est conique.
6 - Système d'imagerie (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la surface du dioptre (6) de la lentille froide (4), orienté vers les rayons de champ, présente un rayon de courbure plus grand que la surface du dioptre (7) orienté vers le détecteur (2).
7 - Système d'imagerie (1 ) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les surfaces des dioptres (6,7) de la lentille froide (4) sont calculées de sorte à corriger les aberrations optiques du système (1) dans le domaine spectral infrarouge.
8 - Système d'imagerie (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la lentille froide (4) présente des dimensions sensiblement égales à celles du détecteur (2).
9 - Système d'imagerie (1 ) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les dimensions du diaphragme (5) sont choisies de sorte à répartir les rayons de champ sur l'ensemble de la surface de la lentille (4).
10 - Système d'imagerie (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le diaphragme (5) est placé à une distance de la lentille (4) sensiblement égale à la distance focale de ladite lentille (4).
11 - Système d'imagerie (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le diaphragme (5) est positionné au niveau d'une paroi de la chambre obscure (3).
12 - Système d'imagerie (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'indice de réfraction de la lentille (4) est supérieur à 3,0.
13 - Système d'imagerie (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel au moins un filtre (11) est disposé entre le détecteur (2) et la lentille (4).
14 - Système d'imagerie (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la surface du dioptre (6) de la lentille froide (4), orienté vers les rayons de champ est positionnée contre le diaphragme (5).
15 - Système d'imagerie (1 ) selon l'une des revendications précédentes, comprenant un dispositif de refroidissement (12) de l'intérieur de la chambre obscure (3). 16 - Système d'imagerie (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le hublot (14) est remplacé par une lentille (14') de compression des rayons de champ.
17 - Système d'imagerie (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel il est disposé entre le dispositif de conjugaison optique (4) et le détecteur (2), une lentille divergente (15).
18 - Système d'imagerie (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la surface avant (2') du détecteur (2) présente une courbure non nulle.
19 - Système d'imagerie (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le hublot (14) est remplacé par une lentille de correction d'aberrations optiques, notamment l'aberration de distorsion qui requiert un dispositif de conjugaison optique (4) qui soit symétrique par rapport au plan du diaphragme.
20 - Système d'imagerie (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel une lame de phase asphérisée est placée entre le hublot (14) ou la lentille le remplaçant et la lentille froide (4).
PCT/FR2009/001189 2008-10-07 2009-10-07 Systeme d'imagerie grand champ infrarouge integre dans une enceinte a vide WO2010040914A2 (fr)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US13/121,327 US20120013706A1 (en) 2008-10-07 2009-10-07 Infrared wide field imaging system integrated in a vacuum housing
EP09753137A EP2335110A2 (fr) 2008-10-07 2009-10-07 Système d'imagerie grand champ infrarouge intégré dans une enceinte à vide
JP2011530517A JP2012505425A (ja) 2008-10-07 2009-10-07 真空筐体内に統合された赤外線広視野撮像システム
IL212185A IL212185A0 (en) 2008-10-07 2011-04-06 Infrared wide field imaging system integrated in a vacuum housing

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR08/05528 2008-10-07
FR0805528A FR2936878B1 (fr) 2008-10-07 2008-10-07 Systeme d'imagerie grand infrarouge a chambre obscure integrant une lentille

Publications (2)

Publication Number Publication Date
WO2010040914A2 true WO2010040914A2 (fr) 2010-04-15
WO2010040914A3 WO2010040914A3 (fr) 2010-10-14

Family

ID=40380141

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/FR2009/001189 WO2010040914A2 (fr) 2008-10-07 2009-10-07 Systeme d'imagerie grand champ infrarouge integre dans une enceinte a vide

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20120013706A1 (fr)
EP (1) EP2335110A2 (fr)
JP (1) JP2012505425A (fr)
FR (1) FR2936878B1 (fr)
IL (1) IL212185A0 (fr)
WO (1) WO2010040914A2 (fr)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2533519A1 (fr) 2011-06-09 2012-12-12 Commissariat à l'Énergie Atomique et aux Énergies Alternatives Dispositif d'imagerie infrarouge à blindage intégré contre des rayonnements infrarouges parasites et procédé de fabrication du dispositif.
US9194750B2 (en) 2009-10-07 2015-11-24 Semi Conductor Devices—Elbit Systems—Rafael Partnership Infra-red imager
WO2016102453A1 (fr) * 2014-12-22 2016-06-30 Office National D'etudes Et De Recherche Aerospatiales (Onera) Systeme d'imagerie grand champ infrarouge

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2974189B1 (fr) 2011-04-14 2013-12-20 Onera (Off Nat Aerospatiale) Systeme d'imagerie comprenant une lentille de fresnel
JP5906859B2 (ja) * 2012-03-21 2016-04-20 株式会社タムロン 赤外線用光学系
JP2014092535A (ja) * 2012-11-07 2014-05-19 Dainippon Screen Mfg Co Ltd 温度測定装置および熱処理装置
CN104155009A (zh) * 2014-07-28 2014-11-19 武汉振光科技有限公司 红外光学系统及红外光学设备
FR3047322B1 (fr) * 2016-01-29 2018-08-17 Thales Systeme optique comportant un bloc de detection optique a estimation de profondeur independant de la focale dudit systeme optique
KR102113188B1 (ko) * 2018-11-06 2020-06-03 (주)티엔에치넷 핀홀 현상을 이용한 이동방향 감지를 위한 지향성 적외선 감지 센서
CN116841004A (zh) * 2022-03-23 2023-10-03 华为技术有限公司 一种红外成像模组和红外成像方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3794838A (en) * 1972-02-10 1974-02-26 Barnes Eng Co Compensation means for ambient temperature changes of a radiation chopper in a radiometer
US4041314A (en) * 1975-09-19 1977-08-09 Bodenseewerk, Geratetechnik Gmbh Detector device responsive to infrared radiation
US4783593A (en) * 1985-12-26 1988-11-08 General Electric Company Optical system for wide angle IR imager
US5258618A (en) * 1991-12-12 1993-11-02 General Electric Company Infrared imager forming two narrow waveband images of the same object field
US5666221A (en) * 1992-07-20 1997-09-09 Hughes Electronics Binary optic imaging system
US6133569A (en) * 1997-04-03 2000-10-17 Nikon Corporation Thermal infrared camera
US20040238741A1 (en) * 2003-05-28 2004-12-02 Opto-Knowledge Systems, Inc. Method and apparatus for using temperature controlled variable diaphragms or swappable fixed apertures with infrared cameras

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4421985A (en) * 1981-06-30 1983-12-20 Vought Corporation Dark field infrared telescope
US5107120A (en) * 1989-09-22 1992-04-21 Pennwalt Corporation Passive infrared detector
FR2667695B1 (fr) * 1990-10-09 1993-08-27 Thomson Trt Defense Systeme d'objectifs a athermalisation optique.
JP2555693Y2 (ja) * 1991-03-28 1997-11-26 株式会社ニコン 眼科機器
US5153772A (en) * 1991-04-09 1992-10-06 Toledyne Industries, Inc. Binary optic-corrected multistage imaging system
JPH0560600A (ja) * 1991-09-03 1993-03-09 Nikon Corp 赤外線光学系
DE4303231C2 (de) * 1993-02-04 1995-02-23 Steinheil Optronik Gmbh Infrarot-Strahlendetektoreinrichtung
US5841589A (en) * 1995-09-26 1998-11-24 Boeing North American, Inc. Panoramic optics assembly having an initial flat reflective element
JP2001059771A (ja) * 1999-08-23 2001-03-06 Hamamatsu Photonics Kk 光学装置
US20030102435A1 (en) * 2001-11-20 2003-06-05 Mark Myers Multiband, single element wide field of view infrared imaging system
KR100492575B1 (ko) * 2002-08-17 2005-06-03 엘지전자 주식회사 좁은 수광각을 갖는 써모파일 적외선 센서
JP3924546B2 (ja) * 2003-04-04 2007-06-06 三菱電機株式会社 撮像装置
US6862147B1 (en) * 2003-10-23 2005-03-01 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Decentered field lens with tilted focal plane array
JP2008048293A (ja) * 2006-08-18 2008-02-28 Kyocera Corp 撮像装置、およびその製造方法
US8118429B2 (en) * 2007-10-29 2012-02-21 Amo Wavefront Sciences, Llc. Systems and methods of phase diversity wavefront sensing
US7808635B2 (en) * 2008-08-27 2010-10-05 Lawrence Livermore National Security, Llc Wide swath imaging spectrometer utilizing a multi-modular design

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3794838A (en) * 1972-02-10 1974-02-26 Barnes Eng Co Compensation means for ambient temperature changes of a radiation chopper in a radiometer
US4041314A (en) * 1975-09-19 1977-08-09 Bodenseewerk, Geratetechnik Gmbh Detector device responsive to infrared radiation
US4783593A (en) * 1985-12-26 1988-11-08 General Electric Company Optical system for wide angle IR imager
US5258618A (en) * 1991-12-12 1993-11-02 General Electric Company Infrared imager forming two narrow waveband images of the same object field
US5666221A (en) * 1992-07-20 1997-09-09 Hughes Electronics Binary optic imaging system
US6133569A (en) * 1997-04-03 2000-10-17 Nikon Corporation Thermal infrared camera
US20040238741A1 (en) * 2003-05-28 2004-12-02 Opto-Knowledge Systems, Inc. Method and apparatus for using temperature controlled variable diaphragms or swappable fixed apertures with infrared cameras

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9194750B2 (en) 2009-10-07 2015-11-24 Semi Conductor Devices—Elbit Systems—Rafael Partnership Infra-red imager
EP2533519A1 (fr) 2011-06-09 2012-12-12 Commissariat à l'Énergie Atomique et aux Énergies Alternatives Dispositif d'imagerie infrarouge à blindage intégré contre des rayonnements infrarouges parasites et procédé de fabrication du dispositif.
US8941068B2 (en) 2011-06-09 2015-01-27 Commissariat àl'Énergie Atomique et aux Énergies Alternatives Infrared imagery device with integrated shield against parasite infrared radiation and method of manufacturing the device
WO2016102453A1 (fr) * 2014-12-22 2016-06-30 Office National D'etudes Et De Recherche Aerospatiales (Onera) Systeme d'imagerie grand champ infrarouge
US10054773B2 (en) 2014-12-22 2018-08-21 Office National D'Études Et De Recherches Aérospatiales (Onera) Wide-field infrared imaging system

Also Published As

Publication number Publication date
IL212185A0 (en) 2011-06-30
FR2936878A1 (fr) 2010-04-09
WO2010040914A3 (fr) 2010-10-14
JP2012505425A (ja) 2012-03-01
US20120013706A1 (en) 2012-01-19
EP2335110A2 (fr) 2011-06-22
FR2936878B1 (fr) 2010-12-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2010040914A2 (fr) Systeme d'imagerie grand champ infrarouge integre dans une enceinte a vide
EP2368098B1 (fr) Spectrometre imageur de type dyson de qualite image amelioree et a faible distorsion
EP2697677B1 (fr) Systeme d'imagerie comprenant une lentille de fresnel
JP6765743B2 (ja) 宇宙飛行体内に用いられる望遠鏡及び望遠鏡アレイ
EP3237860B1 (fr) Systeme d'imagerie grand champ infrarouge
FR2484657A1 (fr) Lunette afocale " zoom "
EP2385411A1 (fr) Procédé de correction de défauts d' aberrations au sein d'un dispositif optique d' observation d'un champ à travers une fenêtre
FR3015696A1 (fr) Module optique d'imagerie a champ hyper hemispherique et distorsion controlee, compatible d'un environnement exterieur
EP3458819B1 (fr) Spectro-imageur multivoie a transformee de fourier
EP3551975B1 (fr) Système de détection de rayonnements électromagnétiques
FR2897165A1 (fr) Optique grand angle dans le spectre infrarouge
EP3899458B1 (fr) Instrument a plusieurs voies optiques
FR2696892A1 (fr) Caméra infrarouge protégée contre les modulations parasites de flux capté.
FR3121759A1 (fr) Télescope bi-champ catadioptrique
EP0610635B1 (fr) Dispositif optique de calibration pour caméra thermique
FR3059156B1 (fr) Module de detection optique
FR3122262A1 (fr) Télescope compact pour la détection de débris spatiaux
WO2024110716A1 (fr) Dispositif d'imagerie bi-spectrale à deux zones de détection
WO2023057635A1 (fr) Dispositif d'imagerie infrarouge
FR3141450A1 (fr) Télescope de Schmidt à performances améliorées, dispositifs et procédé de détection associés
FR2931255A1 (fr) Systeme optique et procede de conception associe
FR2874427A1 (fr) Unite d'isolation thermique pour un detecteur et utilisation de celle-ci
FR2647232A1 (fr) Camera astronomique a haute resolution et a grand champ
FR2924821A1 (fr) Systeme d'imagerie.

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 09753137

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A2

REEP Request for entry into the european phase

Ref document number: 2009753137

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2009753137

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 212185

Country of ref document: IL

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2011530517

Country of ref document: JP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 13121327

Country of ref document: US