WO2022129770A2 - Systeme optique imageur a trois miroirs - Google Patents

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WO2022129770A2
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Louis DUVEAU
Guillaume Druart
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Office National D'etudes Et De Recherches Aérospatiales
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    • G02B23/00—Telescopes, e.g. binoculars; Periscopes; Instruments for viewing the inside of hollow bodies; Viewfinders; Optical aiming or sighting devices
    • G02B23/02—Telescopes, e.g. binoculars; Periscopes; Instruments for viewing the inside of hollow bodies; Viewfinders; Optical aiming or sighting devices involving prisms or mirrors
    • G02B23/06—Telescopes, e.g. binoculars; Periscopes; Instruments for viewing the inside of hollow bodies; Viewfinders; Optical aiming or sighting devices involving prisms or mirrors having a focussing action, e.g. parabolic mirror
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B17/00—Systems with reflecting surfaces, with or without refracting elements
    • G02B17/02—Catoptric systems, e.g. image erecting and reversing system
    • G02B17/06—Catoptric systems, e.g. image erecting and reversing system using mirrors only, i.e. having only one curved mirror
    • G02B17/0626—Catoptric systems, e.g. image erecting and reversing system using mirrors only, i.e. having only one curved mirror using three curved mirrors
    • G02B17/0642—Catoptric systems, e.g. image erecting and reversing system using mirrors only, i.e. having only one curved mirror using three curved mirrors off-axis or unobscured systems in which not all of the mirrors share a common axis of rotational symmetry, e.g. at least one of the mirrors is warped, tilted or decentered with respect to the other elements

Definitions

  • the present description relates to an optical imaging system with three mirrors, as well as an optronic imaging device which comprises such a system.
  • Three-mirror imaging optical systems are used for very many applications. These systems can in particular be of the telescope type, and the article entitled “Concurrent engineering of a next-generation freeform telescope: optical design”, by A. Bauer et al., Proc, of SPIE, Vol. 10998, May 14, 2019, p. 109980W-1 to 109980W-8, offers several new configurations of imaging optical systems, each consisting of three freeform mirrors.
  • General issues which concern imaging optical systems are in particular their size and the possibility of reducing a quantity of stray light which is superimposed on images formed by the mirrors.
  • FIG. 1 is a diagram of one of the configurations which are mentioned in the article by A. Bauer et al. Cited above.
  • Such an imaging optical system is of the type with three mirrors, comprising a primary mirror, designated by M1, a secondary mirror, designated by M2, and a tertiary mirror, designated by M3.
  • mirrors are adapted and arranged so that light rays coming from a scene which is situated in an input field of the system are first reflected by the mirror M1, then by the mirror M2 and then by the mirror M3 to form an image of the scene in a focal plane of the system, denoted by PF.
  • any light ray which comes from the scene and which participates in forming the image is cut into an initial segment upstream of the mirror M1, a first intermediate segment of ray between the mirror M1 and the mirror M2, a second intermediate segment of radius between the mirror M2 and the mirror M3, and a terminal segment of radius between the mirror M3 and the focal plane PF.
  • the secondary mirror M2 can be convex and the tertiary mirror M3 can be concave.
  • the direction of curvature of the primary mirror M1 may vary depending on the place on it.
  • the three mirrors M1, M2 and M3 have freeform reflective surfaces.
  • a freeform surface which is also called a free surface, is not contained in any surface with symmetry of revolution.
  • the terms upstream and downstream are defined with respect to the direction of propagation of the rays which come from the scene and form the image in the focal plane PF.
  • parabasal ray or principal ray, is used to refer to the light ray which comes from the scene and participates in the image in the focal plane PF passing through a center of the entrance pupil of the system 1 , with an angular deviation which is zero with respect to the optical axis of the system.
  • the parabasal ray is designated by the reference RP, its initial segment by the reference RPo, its first and second intermediate segments by the references RPi and RP2, respectively, and its terminal segment by the reference RP3.
  • field edge marginal ray a light ray which comes from an element of the scene located at the limit of the entry field of the system 1 , and which passes on an edge of the entry pupil of the system.
  • the mirrors M1 and M2 are oriented so that the second intermediate segment RP2 of the parabasal ray RP intersects its initial segment RPo.
  • This configuration of the mirrors M1 and M2 is said in a.
  • mirrors M2 and M3 are oriented so that the terminal segment RPs of the parabasal ray RP passes on a lateral side of the mirror M2 which is opposite to a lateral offset of the mirror M1 with respect to the mirror M2. In this way, the terminal segment RPs of the parabasal ray RP does not intersect its first intermediate segment RPi.
  • This configuration of the mirrors M2 and M3 is said to be in z.
  • the system 1 has an overall optical configuration which is said to be in az.
  • the system 1 further comprises an image sensor 2 which is arranged so that a photosensitive surface S of this image sensor is superimposed on the focal plane PF.
  • the photosensitive surface S extends from an upstream limit LAM to a downstream limit LAV, the upstream limits LAM and downstream LAV of the photosensitive surface S of the image sensor 2 being defined with respect to respective projections of these limits on the initial segment of the parabasal ray RPo and with respect to the direction of propagation of the parabasal ray RP in this initial segment.
  • an object of the present invention is to propose a new imaging optical system for which the quantity of stray light which reaches the image sensor is reduced.
  • An additional object of the invention is that the imaging optical system has a small footprint.
  • Another additional object of the invention is that the imaging optical system can have a large entrance field, and/or have a large entrance pupil.
  • Yet another object of the invention is that the imaging optical system can be manufactured at low cost.
  • a first aspect of the invention provides an imaging optical system with three mirrors of the type described above, in which the secondary and tertiary mirrors are oriented so that the upstream limit of the photosensitive surface of the image sensor is shifted downstream with respect to a straight line which connects an upstream edge of the primary mirror to an upstream edge of the secondary mirror, or at an upstream edge of a screen that surrounds the secondary mirror.
  • the secondary mirror or the screen which surrounds it intercepts rays which would propagate in a straight line directly from the primary mirror to the photosensitive surface of the image sensor.
  • the upstream and downstream edges of the primary mirror, respectively of the secondary mirror are defined with respect to their respective projections on the initial segment of the parabasal ray and with respect to the direction of propagation of the parabasal ray in this initial segment.
  • the downstream offset of the upstream boundary of the photosensitive surface of the image sensor is parallel to the initial segment of the parabasal ray and oriented in accordance with the direction of propagation of the parabasal ray in this initial segment.
  • the system can also comprise a first input screen which is superimposed on initial segments of first marginal radii of the field edge, on the same first side of the input field. as the image sensor, opposed to the tertiary mirror.
  • this first entrance screen may have a downstream edge which joins terminal segments of second field edge marginal radii.
  • These second field edge marginal rays can be opposed to the first field edge marginal rays in a beam of rays which enters the system and forms the image, in particular when the system has a plane of symmetry which is common to the three mirrors .
  • Such a first input screen suppresses part of the light which would enter the system via its optical input by being oriented directly towards the image sensor.
  • this first entry screen may have a length starting from its downstream edge, such that an upstream edge of this first entry screen intercepts rays which would penetrate the system through its optical entry in the direction of the tertiary mirror , and would be reflected by this tertiary mirror in the direction of the image sensor.
  • the first entry screen may have a length which is limited parallel to the initial segment of the first field edge marginal radius. The bulk of the system including the first input screen is thus reduced.
  • the system can further comprise a second input screen which is superimposed on initial segments of the second field edge marginal rays, on the same second side of the field of input as the tertiary mirror, opposite the image sensor.
  • this second input screen can have a downstream edge which is connected to an upstream edge of the tertiary mirror, or to a screen which surrounds this tertiary mirror, or to an opaque mount of the tertiary mirror.
  • the downstream edge of the second input screen can be located downstream of a straight line which connects the upstream limit of the photosensitive surface of the image sensor to the downstream edge of the first input screen.
  • Such a second input screen additionally reduces the light that would enter the system through its optical input by being directed directly towards the image sensor.
  • the second input screen may have an upstream edge which is located upstream of a straight line which connects the downstream edge of the first input screen to the downstream limit of the photosensitive surface of the image sensor.
  • the first and second input screens cooperate to intercept all the light rays that would enter the system through its optical input by being directed directly towards the image sensor or towards the tertiary mirror.
  • the second entry screen may have a length which is limited parallel to the initial segments of the second field edge marginal rays.
  • the bulk of the system including in addition the second input screen is thus also reduced.
  • at least one of the following additional characteristics can be reproduced optionally, alone or in combination of several of them:
  • the primary mirror, the secondary mirror and the tertiary mirror may have a freeform reflective surface
  • a longitudinal dimension of the image sensor determines a first field angle of the system, and the system can be adapted so that this first field angle is greater than or equal to 9° (degree), preferably greater than or equal to 18 °.
  • the input field of the system can thus be large, preferably being less than 45°;
  • the image sensor may have a matrix arrangement, in which case a transverse dimension of the image sensor, which is perpendicular to its longitudinal dimension, determines a second field angle of the system.
  • the system can also be adapted so that the second field angle is greater than or equal to 12°, preferably greater than or equal to 24°, and preferably less than 60°;
  • the system can have an aperture number value N which is less than 5, preferably less than 2, the aperture number N being equal to f/D where f is the focal length of the system and D is a dimension of the entrance pupil of the system.
  • the value of the aperture number N can therefore be such that the entrance pupil of the system is large;
  • the value of the focal length f may be less than or equal to 100 mm, preferably less than or equal to 20 mm, and greater than 2 mm;
  • the image sensor can be of a type which is sensitive in at least part of a spectral interval which extends from 360 nm (nanometer) to 14 pm (micrometer), in wavelength values of rays coming from the scene.
  • the image sensor can be a thermal sensor of the bolometer or microbolometer type;
  • the system may further comprise a pupillary diaphragm, this pupillary diaphragm being located at the level of the primary mirror or of the tertiary mirror, preferably at the level of the tertiary mirror.
  • the pupillary diaphragm can have an opening shape which is simple, in particular circular, square or rectangular. Also, its size is smaller when located at mirror level tertiary.
  • the pupillary diaphragm can be formed by the peripheral edge of the primary mirror or of the tertiary mirror;
  • the system can further comprise a spectral separation device which is placed between the tertiary mirror and the image sensor, and an additional image sensor which is placed in an image of the focal plane of the system formed by the separation device spectral;
  • the primary, secondary and tertiary mirrors can be contained in a sphere which has a diameter of between 2 and 6 times the value of the focal length f of the system;
  • At least one of the primary, secondary and tertiary mirrors may comprise a rigid part made of an injected material based on polymers, and optionally a reflective metal layer.
  • a second aspect of the invention proposes an optronic imaging device which comprises a system in accordance with the first aspect indicated above.
  • This device can be a flying machine seeker, a thermal camera, a vision assistance device or an optronic monitoring and detection ball, without limitation.
  • FIG. 1 is an optical diagram of an imaging optical system as known prior to the present invention
  • FIG. 2 is an optical diagram of an imaging optical system according to the present invention.
  • FIG. 3a corresponds to [Fig. 2] by illustrating features of the invention
  • FIG. 3b corresponds to [Fig. 3a] to illustrate other features of the invention
  • FIG. 4 corresponds to [Fig. 2] for an improvement of the invention
  • FIG. 5 shows an optronic imaging device which incorporates the system of [Fig. 2]-
  • the direct orthogonal coordinate system x, y, z is such that the x axis is perpendicular to the plane of the figures, the z axis is parallel to the initial segment RPo of the parabasal ray RP and oriented in the direction of propagation of the ray on this segment, and the axis y is oriented so that the terminal segments of the rays which participate in the image which is formed in the focal plane PF, oriented according to the direction of propagation of these rays, have projections on the axis y which are positively oriented.
  • the y-z plane which is the plane of the figures, can be a plane of symmetry of the system 1, including a plane of symmetry of the reflecting surface of each of the mirrors M1, M2 and M3.
  • the upstream and downstream terms are defined with respect to the z axis, by comparing the respective positions of the projections of the boundaries or edges of optical components on this z axis.
  • the downstream edge BAVI respectively BAV2
  • the line Do which is indicated in [Fig. 1] connects the upstream edges of mirrors M1 and M2, which are denoted BAMI and BAM2 respectively. It shows that the image sensor 2 is shifted at least partly upstream of this straight line Do, still with respect to the z axis. Because of these relative positions of the straight line Do and of the image sensor 2, stray light can propagate directly from the mirror M1 to the image sensor 2. This stray light can come from the scene towards which the optical input of the system 1, be reflected by the mirror M1 in the direction of the image sensor 2, then arrive directly to the image sensor 2 passing on the upstream side of the mirror M2.
  • the reference Ri in [Fig. 1 ] denotes a ray of this stray light.
  • This stray light ray Ri having a slight inclination with respect to the optical axis of the system 1 at the level of its optical input, that is to say a slight inclination with respect to the z axis before being reflected by the mirror M1, its suppression by a field edge mask placed at the optical input of the system 1 would require this mask to have a great length in the direction upstream of the optical input.
  • FIG. 2 shows a system 1 of the same type as that of [Fig. 1], but as modified by the present invention.
  • the mirrors M2 and M3 are located and inclined so that the photosensitive surface S of the image sensor 2 is fully shifted upstream with respect to the straight line Do.
  • the upstream limit LAM of the photosensitive surface S is located on the downstream side of the straight line Do.
  • stray light can no longer propagate directly from mirror M1 to image sensor 2: rays similar to ray Ri are all suppressed by the invention.
  • the upstream edge of the mirror M2 can be replaced to define the line Do by an upstream edge of a peripheral screen of the mirror M2 which extends the latter upstream.
  • the mirror M3 constitutes the entrance pupil.
  • the dimension of the photosensitive surface S of the image sensor 2 which appears in the y-z plane of the figure, is such that the associated field angle is equal to 18°.
  • this dimension of the photosensitive surface S has been called the longitudinal dimension, and the associated field angle has been called the first field angle. This first field angle is denoted in below.
  • the image sensor 2 can be of the matrix type, in which case its photosensitive surface S has another dimension which is parallel to the x axis. This other dimension has been called the transverse dimension of the photosensitive surface S in the general part of the present description.
  • this transverse dimension of the photosensitive surface S of the image sensor 2 is such that the associated field angle, called second of field, is equal to 24°.
  • system 1 of [Fig. 2] has a total field which is large, 18°x24°.
  • this image sensor when the photosensitive surface S of the image sensor 2 is rectangular, this image sensor is preferably oriented so that the largest lateral dimension of its photosensitive surface is perpendicular to the plane of symmetry of the system 1, that is to say perpendicular to the plane of [Fig. 2],
  • the image sensor 2 has 240 pixels of 12 ⁇ m (micrometer) each, in its longitudinal dimension, and 320 pixels in its transverse dimension.
  • the focal length value f of this system 1 is equal to 9 mm (millimeter), and its aperture number N is equal to 1.5, corresponding to an entrance pupil dimension of 6 mm.
  • FIG. 3a] and [Fig. 3b] repeat the same embodiment of the invention as [Fig. 2] by showing that the three mirrors M1, M2 and M3 of the system 1, as well as the image sensor 2, are contained in a sphere of diameter equal to 40 mm, designated by SPH.
  • the system 1 is thus particularly compact, and adapted to be incorporated into optronic imaging devices such as flying machine seekers, thermal cameras, vision assistance devices and optronic balls for surveillance and detection.
  • FIG. 5 shows such an optronic monitoring and detection ball, designated by the reference 20, which is on board a drone 30 and which incorporates the system 1 .
  • some or all of the optical components of the system 1 can be made by three-dimensional printing, commonly called 3D printing.
  • the optical components of the system 1 can be made of a material based on polymers which is injected. Such other embodiments may have cost prices which are particularly low.
  • at least one of the mirrors M1, M2 and M3 which is thus formed by injection can be made directly with a self-positioning system for this mirror.
  • Each of the mirrors M1, M2 and M3 can be constituted by a base part which is rigid and which provides the shape of its reflective surface, and by a reflective metal layer which is deposited on its surface.
  • the base part, rigid can be made of solid 3D printed material, or be based on injected polymers.
  • the base part and the reflective layer of this mirror are designated by the references M2b and M2r, respectively, in [Fig. 2],
  • FIG. 3a] and [Fig. 3b] further show two input screens which are added to system 1 to further reduce the amount of stray light that might reach image sensor 2.
  • the input screen which is designated by reference 11 has been called first entry screen in the general part of the present description, and that designated by the reference 12 has been called second entry screen.
  • the optical input of system 1 is designated by the reference O.
  • the input screen 11 is located on the edge of the optical input O which is close to the image sensor 2
  • the input screen 12 is located on the edge of the optical input O which is opposite the input screen 11.
  • the input screen 12 is close to the mirror M3.
  • the image sensor 2 is located close, or very close to the optical input O, being offset laterally with respect to the latter in a direction opposite to the mirror M3 .
  • the input field of system 1 is limited between two field edge marginal radii which are designated by the references RMi and RM2.
  • the initial segments of these marginal field edge radii RM1 and RM2 therefore form between them the field angle eu which was introduced above.
  • the input screen 11 is superimposed on the initial segment of the field edge marginal radius RM1, and the input screen 12 is superimposed on the initial segment of the field edge marginal radius RM2.
  • entry screen 11 may extend downstream to the terminal segment of field edge marginal radius RM2, and entry screen 12 may extend downstream to at the upstream edge BAMS of mirror M3.
  • the downstream edge BAVH of the entry screen 11 can be located on the terminal segment of the field edge marginal radius RM2, and the downstream edge BAVI2 of the entry screen 12 can join the upstream edge M3 Mirror BAMS.
  • the input screens 11 and 12 are preferably superimposed on the field edge marginal rays which are close to the field edge marginal rays RM1 and RM2.
  • FIG. 3a shows the complete paths of the field edge marginal rays RMi and RM 2 inside the system 1, as well as their participation in the image which is formed on the photosensitive surface S of the image sensor 2.
  • the ray marginal edge of field RMi participates in the formation of the image at the downstream limit LAV of the photosensitive surface S of the image sensor 2
  • the marginal edge of field ray RM 2 participates in the formation of the image at the upstream limit LAM.
  • the reference F0 designates the input field of the system 1
  • the references F1 and F2 designate angular fields which are external to the input field FO but angularly close to it
  • the references F3 and F4 designate angular fields which are angularly located on opposite sides of the fields F1 and F2, respectively, with respect to the input field FO.
  • Fields F1 and F2 are therefore called fields neighboring the input field FO
  • fields F3 and F4 are called fields far from the input field FO.
  • the function of the input screen 11 therefore includes the interception of stray rays coming from the far field F3 which could be reflected by the mirror M3 in the direction of the image sensor 2 , but without understanding to intercept the parasitic rays which would come from the neighboring field F1 also in the direction of the mirror M3. Thanks to this, the length of the input screen 11 upstream of the system 1 can be short.
  • the input screen 11 also intercepts part of the rays which come from the far field F4 while being oriented towards the image sensor 2, that is to say those of the rays from the far field F4 which are the less inclined with respect to the z axis. These are indeed intercepted by the downstream part of the input screen 11.
  • the input screen 12 may have an upstream edge BAMI2 which is upstream of a straight line Di which connects the downstream edge BAVH of the input screen 11 to the downstream limit LAV of the photosensitive surface S of the image sensor 2.
  • the input screen 12 does not need to intercept stray rays from the neighboring field F2 which would be reflected on the mirror M1 in the direction of the image sensor 2, nor those less inclined from the distant field F4.
  • the a-z configuration of system 1 therefore makes it possible, by placing the image sensor 2 close to its optical input O, to have only the most inclined stray rays of the far field F4 to be intercepted by the input screen 12 , without requiring this input screen 12 to intercept the rays of the neighboring field F2 or the less inclined rays of the distant field F4.
  • the upstream edge BAMI2 of the entry screen 12 can therefore be located on the line Di without necessarily exceeding it upstream.
  • the input screen 12 can also have an upstream length, that is to say which extends in front of the optical input O, which is short.
  • the downstream edge BAVI2 of the input screen 12 may be located on a straight line D2 which connects the downstream edge BAVH of the input screen 11 to the upstream limit LAM of the photosensitive surface S of the image sensor 2, instead of joining the upstream edge BAMS of the mirror M3.
  • the entire system 1, including these input screens 11 and 12, therefore has a small footprint.
  • FIG. 4 still corresponds to the embodiment of the invention of [Fig. 2], to show a possible integration of an additional image sensor in the system 1.
  • the reference 13 designates a spectral separation device, such as a dichroic separator for example.
  • Device 13 produces an image PF' of the focal plane PF.
  • An additional image sensor 2' can then be arranged so that its photosensitive surface is superimposed on the image PF' of the focal plane.
  • the additional image sensor 2' may be silicon-based and sensitive in the visible light range, by way of example.

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Abstract

Un système optique imageur (1) à trois miroirs (M1, M2, M3) possède une configuration adaptée pour supprimer des rayons parasites qui pourraient atteindre un capteur d'image (2) du système, tout en permettant de grands champs, de grandes ouvertures et une bonne compacité du système. Le système peut aussi incorporer deux écrans d'entrée (11, 12) qui sont disposés de part et d'autre d'une entrée optique dudit système. Des fonctions desdits deux écrans d'entrée peuvent être limitées à intercepter des rayons provenant de champs qui sont éloignés angulairement par rapport à un champ d'entrée utile pour chaque image saisie. Les deux écrans d'entrée peuvent ainsi avoir des longueurs limitées vers l'amont, de sorte que le système présente un encombrement restreint.

Description

Description
Titre : SYSTEME OPTIQUE IMAGEUR A TROIS MIROIRS
Domaine technique
[0001] La présente description concerne un système optique imageur à trois miroirs, ainsi qu’un appareil imageur optronique qui comprend un tel système.
Technique antérieure
[0002] Des systèmes optiques imageurs à trois miroirs sont utilisés pour de très nombreuses applications. Ces systèmes peuvent notamment être du type télescopes, et l’article intitulé «Concurrent engineering of a next-generation freeform telescope» : optical design», de A. Bauer et al., Proc, of SPIE, Vol. 10998, 14 mai 2019, pp. 109980W-1 à 109980W-8, propose plusieurs nouvelles configurations de systèmes optiques imageurs chacun constitué par trois miroirs freeform. Des enjeux généraux qui concernent les systèmes optiques imageurs sont notamment leur encombrement et la possibilité de réduire une quantité de lumière parasite qui est superposée à des images formées par les miroirs. Il est courant d’utiliser un ou plusieurs écrans («baffle» en anglais) disposés de façon adéquate pour réduire la quantité de lumière parasite qui parvient au capteur d’image d’un tel système optique imageur, mais certains de ces écrans, notamment ceux qui sont les plus efficaces, augmentent l’encombrement du système dans une mesure importante. En plus d’augmenter son encombrement, de tels écrans augmentent aussi l’inertie du système optique imageur par rapport à des rotations qui lui sont appliquées pour balayer une large scène à saisir en plusieurs images successives. Une application des systèmes optiques imageurs qui nécessite que des rotations rapides de ceux-ci puissent être réalisées, avec des accélérations angulaires importantes, est la fourniture de boules optroniques de surveillance et de détection qui sont destinées à être embarquées à bord d’aéronefs, par exemple à bord d’hélicoptères ou de drones. Il est donc important d’obtenir de faibles niveaux de lumière parasite dans les images qui sont saisies, en même temps que les écrans qui sont incorporés au système optique imageur soient les plus petits possibles. [0003] [Fig. 1] est un schéma d’une des configurations qui sont mentionnées dans l’article de A. Bauer et al. cité ci-dessus. Un tel système optique imageur, désigné globalement par la référence 1 , est du type à trois miroirs, comprenant un miroir primaire, désigné par M1 , un miroir secondaire, désigné par M2, et un miroir tertiaire, désigné par M3. Ces miroirs sont adaptés et agencés pour que des rayons lumineux provenant d’une scène qui est située dans un champ d’entrée du système soient réfléchis d’abord par le miroir M1 , puis par le miroir M2 et ensuite par le miroir M3 pour former une image de la scène dans un plan focal du système, désigné par PF. Ainsi, un rayon lumineux quelconque qui provient de la scène et qui participe à former l'image est découpé en un segment initial en amont du miroir M1 , un premier segment intermédiaire de rayon entre le miroir M1 et le miroir M2, un second segment intermédiaire de rayon entre le miroir M2 et le miroir M3, et un segment terminal de rayon entre le miroir M3 et le plan focal PF. Le miroir secondaire M2 peut être convexe et le miroir tertiaire M3 peut être concave. Le sens de courbure du miroir primaire M1 peut varier en fonction de l’endroit sur celui-ci. Les trois miroirs M1 , M2 et M3 possèdent des surfaces réfléchissantes freeform. De façon connue, une surface freeform, qui est aussi appelée surface libre, n’est contenue dans aucune surface à symétrie de révolution.
[0004] Dans toute la présente description, les termes amont et aval sont définis par rapport au sens de propagation des rayons qui proviennent de la scène et forment l’image dans le plan focal PF. En outre, on appelle rayon parabasal, ou rayon principal, le rayon lumineux qui provient de la scène et participe à l’image dans le plan focal PF en passant par un centre de la pupille d’entrée du système 1 , avec une déviation angulaire qui est nulle par rapport à l’axe optique du système. Dans [Fig. 1 ], le rayon parabasal est désigné par la référence RP, son segment initial par la référence RPo, ses premier et second segments intermédiaires par les références RPi et RP2, respectivement, et son segment terminal par la référence RP3. On appelle aussi rayon marginal de bord de champ un rayon lumineux qui provient d’un élément de la scène situé à la limite du champ d’entrée du système 1 , et qui passe sur un bord de la pupille d’entrée du système.
[0005] Dans le système de [Fig. 1 ], les miroirs M1 et M2 sont orientés de sorte que le second segment intermédiaire RP2 du rayon parabasal RP coupe son segment initial RPo. Cette configuration des miroirs M1 et M2 est dite en a. En outre, les miroirs M2 et M3 sont orientés de sorte que le segment terminal RPs du rayon parabasal RP passe sur un côté latéral du miroir M2 qui est opposé à un décalage latéral du miroir M1 par rapport au miroir M2. De cette façon, le segment terminal RPs du rayon parabasal RP ne coupe pas son premier segment intermédiaire RPi. Cette configuration des miroirs M2 et M3 est dite en z. Ainsi, le système 1 possède une configuration optique globale qui est dite en a-z.
[0006] Le système 1 comprend en outre un capteur d’image 2 qui est agencé de sorte qu'une surface photosensible S de ce capteur d’image soit superposée au plan focal PF. La surface photosensible S s’étend à partir d’une limite amont LAM jusqu’à une limite aval LAV, les limites amont LAM et aval LAV de la surface photosensible S du capteur d’image 2 étant définies par rapport à des projections respectives de ces limites sur le segment initial du rayon parabasal RPo et par rapport au sens de propagation du rayon parabasal RP dans ce segment initial.
Problème technique
[0007] A partir de cette situation, un but de la présente invention est de proposer un nouveau système optique imageur pour lequel la quantité de lumière parasite qui parvient au capteur d’image est réduite.
[0008] Un but supplémentaire de l’invention est que le système optique imageur présente un faible encombrement.
[0009] Un autre but supplémentaire de l’invention est que le système optique imageur puisse avoir un grand champ d’entrée, et/ou avoir une grande pupille d’entrée.
[0010] Encore un autre but de l’invention est que le système optique imageur puisse être fabriqué à faible coût.
Résumé de l’invention
[0011] Pour atteindre l’un au moins de ces buts ou un autre, un premier aspect de l’invention propose un système optique imageur à trois miroirs du type décrit plus haut, dans lequel les miroirs secondaire et tertiaire sont orientés de sorte que la limite amont de la surface photosensible du capteur d’image soit décalée vers l’aval par rapport à une droite qui relie un bord amont du miroir primaire à un bord amont du miroir secondaire, ou à un bord amont d’un écran qui entoure le miroir secondaire. De cette façon, le miroir secondaire ou l’écran qui l’entoure intercepte des rayons qui se propageraient de façon rectiligne directement du miroir primaire à la surface photosensible du capteur d’image.
[0012] Conformément à la convention indiquée plus haut, les bords amont et aval du miroir primaire, respectivement du miroir secondaire, sont définis par rapport à des projections respectives de ceux-ci sur le segment initial du rayon parabasal et par rapport au sens de propagation du rayon parabasal dans ce segment initial. De façon similaire, le décalage vers l’aval de la limite amont de la surface photosensible du capteur d’image est parallèle au segment initial du rayon parabasal et orienté conformément au sens de propagation du rayon parabasal dans ce segment initial.
[0013] Une telle configuration du système, dans laquelle le miroir secondaire est donc situé entre le capteur d’image et le miroir primaire, permet de supprimer toute lumière parasite qui atteindrait le capteur d’image en provenant directement du miroir primaire, notamment de tels rayons qui pénétreraient par l’entrée optique du système et seraient réfléchis par le miroir primaire en direction du capteur d’image.
[0014] Selon un perfectionnement de l’invention, le système peut comprendre en outre un premier écran d’entrée qui est superposé à des segments initiaux de premiers rayons marginaux de bord de champ, d’un même premier côté du champ d’entrée que le capteur d’image, opposé au miroir tertiaire. Dans ce cas, ce premier écran d’entrée peut avoir un bord aval qui rejoint des segments terminaux de seconds rayons marginaux de bord de champ. Ces seconds rayons marginaux de bord de champ peuvent être opposés aux premiers rayons marginaux de bord de champ dans un faisceau de rayons qui entre dans le système et forme l’image, notamment lorsque le système possède un plan de symétrie qui est commun aux trois miroirs. Un tel premier écran d’entrée supprime une partie de la lumière qui pénétrerait dans le système par son entrée optique en étant orientée directement vers le capteur d’image. En outre, ce premier écran d’entrée peut avoir une longueur à partir de son bord aval, telle qu’un bord amont de ce premier écran d’entrée intercepte des rayons qui pénétreraient dans le système par son entrée optique en direction du miroir tertiaire, et seraient réfléchis par ce miroir tertiaire en direction du capteur d’image. [0015] Grâce à la caractéristique de la présente invention, selon laquelle la limite amont de la surface photosensible du capteur d’image est décalée vers l’aval par rapport à la droite qui relie les bords amont respectifs des miroirs primaire et secondaire, le premier écran d’entrée peut avoir une longueur qui est limitée parallèlement au segment initial du premier rayon marginal de bord de champ. L’encombrement du système incluant le premier écran d’entrée est ainsi réduit.
[0016] Selon un perfectionnement complémentaire de l’invention, le système peut comprendre en outre un second écran d’entrée qui est superposé à des segments initiaux des seconds rayons marginaux de bord de champ, d’un même second côté du champ d’entrée que le miroir tertiaire, opposé au capteur d’image. Alors, ce second écran d’entrée peut avoir un bord aval qui est raccordé à un bord amont du miroir tertiaire, ou à un écran qui entoure ce miroir tertiaire, ou à une monture opaque du miroir tertiaire. Alternativement, le bord aval du second écran d’entrée peut être situé en aval d’une droite qui relie la limite amont de la surface photosensible du capteur d’image au bord aval du premier écran d’entrée. Un tel second écran d’entrée réduit d’une façon complémentaire la lumière qui pénétrerait dans le système par son entrée optique en étant dirigée directement vers le capteur d’image.
[0017] Préférablement, le second écran d’entrée peut avoir un bord amont qui est situé en amont d’une droite qui relie le bord aval du premier écran d’entrée à la limite aval de la surface photosensible du capteur d’image. Ainsi, les premier et second écrans d’entrée coopèrent pour intercepter tous les rayons lumineux qui pénétreraient dans le système par son entrée optique en étant dirigés directement vers le capteur d’image ou vers le miroir tertiaire.
[0018] Encore grâce à la caractéristique de la présente invention, selon laquelle la limite amont de la surface photosensible du capteur d'image est décalée vers l’aval par rapport à la droite qui relie les bords amont respectifs des miroirs primaire et secondaire, le second écran d’entrée peut avoir une longueur qui est limitée parallèlement aux segments initiaux des seconds rayons marginaux de bord de champ. L’encombrement du système incluant en plus le second écran d’entrée est ainsi aussi réduit. [0019] Dans des modes préférés de réalisation de l’invention, l’une au moins des caractéristiques additionnelles suivantes peut être reproduite optionnellement, seule ou en combinaison de plusieurs d’entre elles :
- l’un au moins parmi le miroir primaire, le miroir secondaire et le miroir tertiaire peut posséder une surface réfléchissante freeform ;
- une dimension longitudinale du capteur d’image détermine un premier angle de champ du système, et le système peut être adapté de sorte que ce premier angle de champ soit supérieur ou égal à 9° (degré), de préférence supérieur ou égal à 18°. Le champ d’entrée du système peut ainsi être grand, en étant préférablement inférieur à 45° ;
- le capteur d’image peut posséder un agencement matriciel, auquel cas une dimension transversale du capteur d’image, qui est perpendiculaire à sa dimension longitudinale, détermine un second angle de champ du système. Dans ce cas, le système peut être adapté en outre de sorte que le second angle de champ soit supérieur ou égal à 12°, de préférence supérieur ou égal à 24°, et préférablement inférieur à 60° ;
- le système peut avoir une valeur de nombre d’ouverture N qui est inférieure à 5, de préférence inférieure à 2, le nombre d’ouverture N étant égal à f/D où f est la longueur focale du système et D est une dimension de la pupille d’entrée du système. La valeur du nombre d’ouverture N peut donc être telle que la pupille d’entrée du système soit grande ;
- la valeur de la longueur focale f peut être inférieure ou égale à 100 mm, de préférence inférieure ou égale à 20 mm, et supérieure à 2 mm ;
- le capteur d’image peut être d’un type qui est sensible dans une partie au moins d’un intervalle spectral qui s’étend de 360 nm (nanomètre) à 14 pm (micromètre), en valeurs de longueur d’onde des rayons qui proviennent de la scène. En particulier, le capteur d’image peut être un capteur thermique du type à bolomètres ou à microbolomètres ;
- le système peut comprendre en outre un diaphragme pupillaire, ce diaphragme pupillaire étant situé au niveau du miroir primaire ou du miroir tertiaire, de préférence au niveau du miroir tertiaire. Pour ces deux positions du diaphragme pupillaire, ce dernier peut avoir une forme d’ouverture qui est simple, notamment circulaire, carrée ou rectangulaire. En outre, sa taille est plus petite lorsqu’il est situé au niveau du miroir tertiaire. Avantageusement, le diaphragme pupillaire peut être formé par le bord périphérique du miroir primaire ou du miroir tertiaire ;
- le système peut comprendre en outre un dispositif de séparation spectrale qui est disposé entre le miroir tertiaire et le capteur d’image, et un capteur d’image additionnel qui est disposé dans une image du plan focal du système formée par le dispositif de séparation spectrale ;
- les miroirs primaire, secondaire et tertiaire peuvent être contenus dans une sphère qui possède un diamètre compris entre 2 et 6 fois la valeur de la longueur focale f du système ; et
[0020] - l’un au moins des miroirs primaire, secondaire et tertiaire peut comprendre une partie rigide en un matériau injecté à base de polymères, et optionnellement une couche métallique réfléchissante.
[0021] Enfin, un second aspect de l’invention propose un appareil imageur optronique qui comprend un système conforme au premier aspect indiqué ci-dessus. Cet appareil peut être un autodirecteur d’engin volant, une caméra thermique, un appareil d’assistance de vision ou une boule optronique de surveillance et de détection, de façon non-limitative.
Brève description des figures
[0022] Les caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement dans la description détaillée ci-après d’exemples de réalisation non-limitatifs, en référence aux figures annexées parmi lesquelles :
[0023] [Fig. 1] est un schéma optique d’un système optique imageur tel que connu avant la présente invention ;
[0024] [Fig. 2] est un schéma optique d’un système optique imageur conforme à la présente invention ;
[0025] [Fig. 3a] correspond à [Fig. 2] en illustrant des caractéristiques de l’invention ;
[0026] [Fig. 3b] correspond à [Fig. 3a] pour illustrer d’autres caractéristiques de l’invention ;
[0027] [Fig. 4] correspond à [Fig. 2] pour un perfectionnement de l’invention ; et [0028] [Fig. 5] montre un appareil imageur optronique qui incorpore le système de [Fig. 2]-
Description détaillée de l’invention
[0029] Pour raison de clarté, les dimensions des éléments qui sont représentés dans ces figures ne correspondent ni à des dimensions réelles, ni à des rapports de dimensions réels. En outre, des références identiques qui sont indiquées dans des figures différentes désignent des éléments identiques ou qui ont des fonctions identiques. On pourra supposer que le plan des figures constitue un plan de symétrie des systèmes optiques imageurs qui sont représentés, bien qu’une telle symétrie ne soit pas indispensable à l’invention. En effet, les trois miroirs de chaque système peuvent être inclinés de sorte que les segments du rayon parabasal ne soient pas coplanaires.
[0030] Dans [Fig. 1]-[Fig. 4], le trièdre orthogonal direct x, y, z est tel que l’axe x soit perpendiculaire au plan des figures, l’axe z soit parallèle au segment initial RPo du rayon parabasal RP et orienté dans le sens de propagation du rayon sur ce segment, et l’axe y est orienté de sorte que les segments terminaux des rayons qui participent à l’image qui est formée dans le plan focal PF, orientés selon le sens de propagation de ces rayons, aient des projections sur l’axe y qui sont orientées positivement. Le plan y-z, qui est le plan des figures, peut être un plan de symétrie du système 1 , y compris un plan de symétrie de la surface réfléchissante de chacun des miroirs M1 , M2 et M3. Les termes d’amont et d'aval sont définis par rapport à l’axe z, en comparant les positions respectives des projections des limites ou bords de composants optiques sur cet axe z. En particulier, le bord aval BAVI , respectivement BAV2, est opposé au bord amont BAM-I , resp. BAM2, pour le miroir M1 , resp. M2.
[0031] La droite Do qui est indiquée dans [Fig. 1 ] relie les bords amont des miroirs M1 et M2, qui sont notés respectivement BAMI et BAM2. Elle montre que le capteur d’image 2 est décalé au moins en partie en amont de cette droite Do, toujours par rapport à l’axe z. A cause de ces positions relatives de la droite Do et du capteur d’image 2, de la lumière parasite peut se propager directement du miroir M1 au capteur d’image 2. Cette lumière parasite peut provenir de la scène vers laquelle est tournée l’entrée optique du système 1 , être réfléchie par le miroir M1 en direction du capteur d’image 2, puis parvenir directement au capteur d’image 2 en passant sur le côté amont du miroir M2. La référence Ri dans [Fig. 1 ] désigne un rayon de cette lumière parasite. Ce rayon Ri de lumière parasite ayant une faible inclinaison par rapport à l’axe optique du système 1 au niveau de son entrée optique, c’est-à-dire une faible inclinaison par rapport à l’axe z avant d’être réfléchi par le miroir M1 , sa suppression par un masque de bord de champ placé à l’entrée optique du système 1 nécessiterait que ce masque ait une grande longueur en direction l’amont de l’entrée optique.
[0032] [Fig. 2] montre un système 1 du même type que celui de [Fig. 1], mais tel que modifié par la présente invention. Selon l’invention, les miroirs M2 et M3 sont situés et inclinés pour que la surface photosensible S du capteur d’image 2 soit intégralement décalée en amont par rapport à la droite Do. Autrement dit, la limite amont LAM de la surface photosensible S est située sur le côté aval de la droite Do. De cette façon, de la lumière parasite ne peut plus se propager directement du miroir M1 au capteur d’image 2 : des rayons similaires au rayon Ri sont tous supprimés par l’invention. Evidemment, le bord amont du miroir M2 peut être remplacé pour définir la droite Do par un bord amont d’un écran périphérique du miroir M2 qui prolonge ce dernier vers l’amont.
[0033] Dans le système 1 de [Fig. 2], le miroir M3 constitue la pupille d’entrée.
[0034] Pour le mode de réalisation de l’invention de [Fig. 2], la dimension de la surface photosensible S du capteur d’image 2 qui apparaît dans le plan y-z de la figure, est telle que l'angle de champ associé soit égal à 18°. Dans la partie générale de la présente description, cette dimension de la surface photosensible S a été appelée dimension longitudinale, et l'angle de champ associé a été appelé premier angle de champ. Ce premier angle de champ est noté en dans la suite.
[0035] Le capteur d’image 2 peut être de type matriciel, auquel cas sa surface photosensible S possède une autre dimension qui est parallèle à l’axe x. Cette autre dimension a été appelée dimension transversale de la surface photosensible S dans la partie générale de la présente description. Pour le mode de réalisation de [Fig. 2], cette dimension transversale de la surface photosensible S du capteur d'image 2 est telle que l’angle de champ associé, appelé second de champ, soit égal à 24°. Ainsi, le système 1 de [Fig. 2] possède un champ total qui est grand, de 18°x24°. Toutefois, il est possible d’obtenir des champs plus grands, ou plus petits, avec une telle configuration du système optique imageur. Conformément au mode de réalisation qui est décrit ici, lorsque la surface photosensible S du capteur d'image 2 est rectangulaire, ce capteur d’image est préférablement orienté pour que la plus grande dimension latérale de sa surface photosensible soit perpendiculaire au plan de symétrie du système 1 , c’est-à-dire perpendiculaire au plan de [Fig. 2],
[0036] Pour le mode de réalisation de [Fig. 2] qui est montré à titre d’exemple, le capteur d’image 2 possède 240 pixels de 12 pm (micromètre) chacun, dans sa dimension longitudinale, et 320 pixels dans sa dimension transversale. La valeur de longueur focale f de ce système 1 est égale à 9 mm (millimètre), et son nombre d’ouverture N est égal à 1 ,5, correspondant à une dimension de pupille d’entrée de 6 mm.
[0037] [Fig. 3a] et [Fig. 3b] reprennent le même mode de réalisation de l'invention que [Fig. 2] en montrant que les trois miroirs M1 , M2 et M3 du système 1 , ainsi que le capteur d’image 2, sont contenus dans une sphère de diamètre égal à 40 mm, désignée par SPH. Le système 1 est ainsi particulièrement compact, et adapté pour être incorporé dans des appareils imageurs optroniques tels que des autodirecteurs d’engin volant, des caméras thermiques, des appareils d’assistance de vision et des boules optroniques de surveillance et de détection. [Fig. 5] montre une telle boule optronique de surveillance et de détection, désignée par la référence 20, qui est embarquée à bord d’un drone 30 et qui incorpore le système 1 .
[0038] Dans des modes de réalisation possibles de l’invention, certains ou tous les composants optiques du système 1 peuvent être réalisés par impression tridimensionnelle, couramment appelée impression 3D.
[0039] Dans d’autres modes de réalisation possibles, certains ou tous les composants optiques du système 1 peuvent être réalisés en un matériau à base de polymères qui est injecté. De tels autres modes de réalisation peuvent avoir des prix de revient qui sont particulièrement faibles. En outre, au moins l’un des miroirs M1 , M2 et M3 qui est ainsi formé par injection peut être réalisé directement avec un système d’auto-positionnement de ce miroir. [0040] Chacun des miroirs M1 , M2 et M3 peut être constitué par une partie de base qui est rigide et qui procure la forme de sa surface réfléchissante, et par une couche métallique réfléchissante qui est déposée sur sa surface. La partie de base, rigide, peut être constituée par matériau solide imprimé 3D, ou être à base de polymères injectés. Pour le miroir M2, la partie de base et la couche réfléchissante de ce miroir sont désignées par les références M2b et M2r, respectivement, dans [Fig. 2],
[0041] [Fig. 3a] et [Fig. 3b] montrent en outre deux écrans d'entrée qui sont ajoutés au système 1 pour réduire encore plus la quantité de lumière parasite qui pourrait atteindre le capteur d’image 2. L’écran d’entrée qui est désigné par la référence 11 a été appelé premier écran d’entrée dans la partie générale de la présente description, et celui désigné par la référence 12 a été appelé second écran d’entrée. L’entrée optique du système 1 est désignée par la référence O. L’écran d’entrée 11 est situé sur le bord de l’entrée optique O qui est proche du capteur d’image 2, et l’écran d’entrée 12 est situé sur le bord de l’entrée optique O qui est opposé à l’écran d’entrée 11. Ainsi, l’écran d’entrée 12 est proche du miroir M3. En effet, grâce à la configuration en a-z du système 1 , le capteur d’image 2 est situé près, ou très près de l’entrée optique O, en étant décalé latéralement par rapport à celle-ci dans une direction opposée au miroir M3.
[0042] Dans le plan y-z de [Fig. 3a] et [Fig. 3b], le champ d’entrée du système 1 est limité entre deux rayons marginaux de bord de champ qui sont désignés par les références RMi et RM2. Les segments initiaux de ces rayons marginaux de bord de champ RM1 et RM2 forment donc entre eux l’angle de champ eu qui a été introduit plus haut. L’écran d’entrée 1 1 est superposé au segment initial du rayon marginal de bord de champ RM1, et l’écran d’entrée 12 est superposé au segment initial du rayon marginal de bord de champ RM2. En outre, l’écran d’entrée 11 peut s’étendre vers l’aval jusqu’au segment terminal du rayon marginal de bord de champ RM2, et l’écran d’entrée 12 peut s’étendre vers l’aval jusqu’au bord amont BAMS du miroir M3. Autrement dit, le bord aval BAVH de l’écran d’entrée 1 1 peut être situé sur le segment terminal du rayon marginal de bord de champ RM2, et le bord aval BAVI2 de l’écran d’entrée 12 peut rejoindre le bord amont BAMS du miroir M3. En dehors du plan y-z de [Fig. 3a] et [Fig. 3b], les écrans d’entrée 11 et 12 sont de préférence superposés aux rayons marginaux de bord de champ qui sont voisins des rayons marginaux de bord de champ RM1 et RM2. [0043] [Fig. 3a] montre les trajets complets des rayons marginaux de bord de champ RMi et RM2 à l’intérieur du système 1 , ainsi que leur participation à l’image qui est formée sur la surface photosensible S du capteur d’image 2. Le rayon marginal de bord de champ RMi participe à la formation de l’image à la limite aval LAV de la surface photosensible S du capteur d’image 2, et le rayon marginal de bord de champ RM2 participe à la formation de l’image à la limite amont LAM.
[0044] Dans le plan y-z et en référence à [Fig. 3b], la référence F0 désigne le champ d’entrée du système 1 , les références F1 et F2 désignent des champs angulaires qui sont externes au champ d’entrée FO mais voisins angulairement de celui-ci, et les références F3 et F4 désignent des champs angulaires qui sont situés angulairement sur des côtés des champs F1 et F2, respectivement, opposés par rapport au champ d’entrée FO. Les champs F1 et F2 sont donc appelés champs voisins du champ d’entrée FO, et les champs F3 et F4 sont appelés champs éloignés du champ d’entrée FO.
[0045] Des rayons qui proviennent des champs voisins F1 et F2 et qui pourraient être réfléchis par le miroir M1 , puis par le miroir M2 et enfin par le miroir M3 parviennent au capteur d’image 2 en dehors de sa surface photosensible S. Par principe, des rayons qui proviennent des champs éloignés F3 et F4 ne suivent pas le chemin nominal à l’intérieur du système 1 , successivement par les trois miroirs, mais ils sont soit orientés directement vers le capteur d’image 2 s’ils proviennent du champ éloigné F4, soit ils parviendraient au capteur d’image 2 après réflexion sur le miroir M3 s’ils proviennent du champ éloigné F3 ou le miroir
[0046] Le placement du capteur d’image 2 près de l’entrée optique O du système 1 , tel que procuré par la configuration en a-z, permet d’éviter que des rayons parasites qui proviendraient du champ voisin F1 puissent être réfléchis par le miroir M3 en direction du capteur d’image 2. La fonction de l’écran d'entrée 11 comprend donc l’interception des rayons parasites provenant du champ éloigné F3 qui pourraient être réfléchis par le miroir M3 en direction du capteur d’image 2, mais sans comprendre d’intercepter les rayons parasites qui proviendraient du champ voisin F1 aussi en direction du miroir M3. Grâce à cela, la longueur de l’écran d’entrée 11 vers l’amont du système 1 peut être courte. [0047] L’écran d’entrée 11 intercepte aussi une partie des rayons qui proviennent du champ éloigné F4 en étant orientés vers le capteur d’image 2, c’est-à-dire ceux des rayons du champ éloigné F4 qui sont les moins inclinés par rapport à l’axe z. Ceux-ci sont en effet interceptés par la partie aval de l’écran d’entrée 1 1 .
[0048] Par ailleurs, ceux des rayons du champ éloigné F4 qui sont les plus inclinés par rapport à l’axe z en étant orientés vers le capteur d’image 2, sont interceptés par l’écran d’entrée 12. Pour intercepter ces rayons, l’écran d’entrée 12 peut posséder un bord amont BAMI2 qui est en amont d’une droite Di qui relie le bord aval BAVH de l’écran d’entrée 1 1 à la limite aval LAV de la surface photosensible S du capteur d’image 2. Mais grâce à la caractéristique selon laquelle le miroir M2 intercepte les rayons qui se propageraient rectilignement entre le miroir M1 et le capteur d’image 2, l’écran d’entrée 12 n’a pas besoin d’intercepter des rayons parasites du champ voisin F2 qui se réfléchiraient sur le miroir M1 en direction du capteur d’image 2, ni ceux les moins inclinés du champ éloigné F4. La configuration en a-z du système 1 permet donc, en plaçant le capteur d’image 2 près de son entrée optique O, de n’avoir que les rayons parasites les plus inclinés du champ éloigné F4 à intercepter par l’écran d’entrée 12, sans nécessiter que cet écran d’entrée 12 doive intercepter les rayons du champ voisin F2 ni les rayons les moins inclinés du champ éloigné F4. Le bord amont BAMI2 de l’écran d’entrée 12 peut donc être situé sur la droite Di sans nécessairement la dépasser vers l’amont. Ainsi, l’écran d’entrée 12 peut aussi avoir une longueur vers l’amont, c’est-à-dire qui s’étend en avant de l’entrée optique O, qui est courte. Par ailleurs, il peut être suffisant que le bord aval BAVI2 de l’écran d’entrée 12 soit situé sur une droite D2 qui relie le bord aval BAVH de l’écran d’entrée 11 à la limite amont LAM de la surface photosensible S du capteur d’image 2, au lieu de rejoindre le bord amont BAMS du miroir M3.
[0049] Grâce aux longueurs limitées vers l’amont des deux écrans d’entrée 11 et 12, l’ensemble du système 1 , y compris ces écrans d’entrée 11 et 12, présente donc un encombrement qui est faible.
[0050] [Fig. 4] correspond encore au mode de réalisation de l’invention de [Fig. 2], pour montrer une intégration possible d’un capteur d’image supplémentaire dans le système 1. La référence 13 désigne un dispositif de séparation spectrale, tel qu’un séparateur dichroïque par exemple. Le dispositif 13 produit une image PF’ du plan focal PF. Un capteur d’image supplémentaire 2’ peut alors est disposé de sorte que sa surface photosensible soit superposée à l’image PF’ du plan focal. Le capteur d’image supplémentaire 2’ peut être à base de silicium et sensible dans l’intervalle de lumière visible, à titre d’exemple.
[0051] Il est entendu que l’invention peut être reproduite en modifiant des aspects secondaires des modes de réalisation qui ont été décrits en détail ci-dessus, tout en conservant certains au moins des avantages cités. Notamment, un système optique imageur conforme à l’invention peut être utilisé dans d’autres applications que celles qui ont été citées. En outre, toutes les valeurs numériques qui ont été mentionnées ne l’ont été qu’à titre d’illustration, et peuvent être changées en fonction de l’application considérée. L’Homme du métier saura en effet adapter sans difficulté les valeurs de longueur focale, d’angle de champ, de dimension de pupille d’entrée, etc, à chaque application.

Claims

Revendications
[Revendication 1] Système optique imageur (1 ) à trois miroirs, comprenant un miroir primaire (M1), un miroir secondaire (M2) et un miroir tertiaire (M3), adaptés et agencés pour que des rayons lumineux provenant d’une scène qui est située dans un champ d’entrée du système soient réfléchis d’abord par le miroir primaire, puis par le miroir secondaire et ensuite par le miroir tertiaire pour former une image de la scène dans un plan focal (PF) du système, un rayon lumineux qui provient de la scène et qui participe à former l’image étant ainsi découpé en un segment initial en amont du miroir primaire (M1 ), un premier segment intermédiaire de rayon entre le miroir primaire et le miroir secondaire (M2), un second segment intermédiaire de rayon entre le miroir secondaire et le miroir tertiaire (M3), et un segment terminal de rayon entre le miroir tertiaire et le plan focal (PF), les miroirs primaire (M1 ) et secondaire (M2) étant orientés de sorte que le second segment intermédiaire d’un rayon parabasal du système (1 ) coupe le segment initial dudit rayon parabasal, et les miroirs secondaire et tertiaire (M3) étant orientés de sorte que le segment terminal du rayon parabasal passe sur un côté latéral du miroir secondaire qui est opposé à un décalage latéral du miroir primaire par rapport audit miroir secondaire, de sorte que le segment terminal du rayon parabasal ne coupe pas le premier segment intermédiaire dudit rayon parabasal, le système (1 ) comprenant en outre un capteur d’image (2) agencé de sorte qu’une surface photosensible (S) dudit capteur d’image soit superposée au plan focal (PF), la surface photosensible s’étendant à partir d’une limite amont (LA ) jusqu’à une limite aval (LAV), les limites amont et aval de la surface photosensible du capteur d’image étant définies par rapport à des projections respectives desdites limites amont et aval sur le segment initial du rayon parabasal et par rapport au sens de propagation du rayon parabasal dans ledit segment initial rayon parabasal, le système (1 ) étant caractérisé en ce que les miroirs secondaire (M2) et tertiaire (M3) sont orientés de sorte que la limite amont (L M) de la surface photosensible (S) du capteur d’image (2) soit décalée vers l’aval par rapport à une droite (Do) qui relie un bord amont (BAMI) du miroir primaire (M1 ) à un bord amont (B M2) du miroir secondaire (M2), ou à un bord amont d’un écran qui entoure le miroir secondaire, de sorte que le miroir secondaire ou l’écran qui entoure ledit miroir secondaire intercepte des rayons qui se propageraient de façon rectiligne directement du miroir primaire à la surface photosensible du capteur d’image, le bord amont (BAMI , B M2) et un bord aval (BAVI , BAV2) du miroir primaire (M1 ), respectivement du miroir secondaire (M2), étant définis par rapport à des projections respectives desdits bords amont et aval du miroir primaire, respectivement du miroir secondaire, sur le segment initial du rayon parabasal et par rapport au sens de propagation du rayon parabasal dans ledit segment initial de rayon parabasal, et le décalage vers l’aval de la limite amont (LAM) de la surface photosensible (S) du capteur d’image (2) étant parallèle au segment initial du rayon parabasal et orienté conformément au sens de propagation du rayon parabasal dans ledit segment initial du rayon parabasal.
[Revendication 2] Système optique imageur (1 ) selon la revendication 1 , dans lequel l’un au moins parmi le miroir primaire (M1 ), le miroir secondaire (M2) et le miroir tertiaire (M3) possède une surface réfléchissante freeform.
[Revendication 3] Système optique imageur (1 ) selon la revendication 1 ou 2, comprenant en outre un premier écran d’entrée (11 ) qui est superposé à des segments initiaux de premiers rayons marginaux de bord de champ, d’un même premier côté du champ d’entrée que le capteur d’image (2), opposé au miroir tertiaire (M3), et ledit premier écran d’entrée ayant un bord aval (BAVH) qui rejoint des segments terminaux de seconds rayons marginaux de bord de champ.
[Revendication 4] Système optique imageur (1 ) selon la revendication 3, comprenant en outre un second écran d’entrée (12) qui est superposé à des segments initiaux des seconds rayons marginaux de bord de champ, d’un même second côté du champ d’entrée que le miroir tertiaire (M3), opposé au capteur d’image (2), et ledit second écran d’entrée ayant un bord aval (BAVI2) qui est raccordé à un bord amont (BAMS) du miroir tertiaire, ou à un écran qui entoure ledit miroir tertiaire, ou à une monture opaque dudit miroir tertiaire, ou bien ledit bord aval du second écran d’entrée est situé en aval d’une droite (D2) qui - 17 - relie la limite amont (LAM) de la surface photosensible (S) du capteur d’image (2) au bord aval (BAVU) du premier écran d’entrée (1 1 ).
[Revendication s] Système optique imageur (1 ) selon la revendication 4, dans lequel le second écran d’entrée (12) a un bord amont (BAMI2) qui est situé en amont d’une droite (Di) qui relie le bord aval (BAMI) du premier écran d’entrée (11 ) à la limite aval (LAV) de la surface photosensible (S) du capteur d’image (2).
[Revendication 6] Système optique imageur (1 ) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel une dimension longitudinale du capteur d’image (2) détermine un premier angle (ai) de champ du système, le système (1 ) étant adapté de sorte que ledit premier angle (ai) de champ soit supérieur ou égal à 9°, de préférence supérieur ou égal à 18°.
[Revendication 7] Système optique imageur (1 ) selon la revendication 6, dans lequel le capteur d’image (2) possède un agencement matriciel, et une dimension transversale dudit capteur d’image, qui est perpendiculaire à la dimension longitudinale, détermine un second angle de champ du système, le système (1 ) étant adapté en outre de sorte que ledit second angle de champ soit supérieur ou égal à 12°, de préférence supérieur ou égal à 24°.
[Revendication 8] Système optique imageur (1 ) selon l’une quelconque des revendications précédentes, ayant une valeur de nombre d’ouverture N qui est inférieure à 5, de préférence inférieure à 2, le nombre d’ouverture N étant égal à f/D où f est une longueur focale f du système et D est une dimension d’une pupille d’entrée dudit système.
[Revendication 9] Système optique imageur (1 ) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre un diaphragme pupillaire, ledit diaphragme pupillaire étant situé au niveau du miroir primaire (M1 ) ou du miroir tertiaire (M3), de préférence au niveau du miroir tertiaire.
[Revendication 10] Système optique imageur (1 ) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre un dispositif de séparation spectrale (13) qui est disposé entre le miroir tertiaire (M3) et le capteur d’image (2), et un capteur - 18 - d’image additionnel (2’) qui est disposé dans une image (PF’) du plan focal (PF) du système formée par le dispositif de séparation spectrale.
[Revendication 11] Système optique imageur (1 ) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les miroirs primaire (M1 ), secondaire (M2) et tertiaire (M3) sont contenus dans une sphère qui possède un diamètre compris entre 2 et 6 fois une valeur de longueur focale f du système.
[Revendication 12] Système optique imageur (1 ) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’un au moins des miroirs primaire (M1 ), secondaire (M2) et tertiaire (M3) comprend une partie rigide (M2b) en un matériau injecté à base de polymères, et optionnellement une couche métallique réfléchissante (M2r).
[Revendication 13] Appareil imageur optronique (100), comprenant un système (1 ) qui est conforme à l’une quelconque des revendications précédentes, ledit appareil étant sélectionné parmi un autodirecteur d’engin volant, une caméra thermique, un appareil d’assistance de vision et une boule optronique de surveillance et de détection.
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