WO2025224111A1 - Dispositif optronique de detection a diffraction et vehicule equipe d'un tel dispositif optronique - Google Patents

Dispositif optronique de detection a diffraction et vehicule equipe d'un tel dispositif optronique

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WO2025224111A1
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optronic
filters
optical system
diffraction grating
photosensitive elements
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PCT/EP2025/060940
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Arnaud Davenel
Gregory BRODA
Pascal Junique
Julie PIDOUX
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Safran Electronics and Defense SAS
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Safran Electronics and Defense SAS
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Publication date
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    • H04N23/55—Optical parts specially adapted for electronic image sensors; Mounting thereof

Definitions

  • the present invention relates to the field of optical phenomenon detection and more particularly to an optronic detection device usable for example for the self-protection of military vehicles and the guidance of missiles.
  • An optronic detection device generally comprises an optronic sensor and an optical system positioned in front of the optronic sensor.
  • the optronic sensor includes an array of photosensitive elements commonly called pixels (from the English "picture elements") that deliver a signal proportional to the energy transmitted by the light radiation striking them.
  • Threat detection for the self-protection of military vehicles relies on detecting threats, such as missiles, based on optical phenomena related, for example, to the ejection of gases from the missile's nozzle. It is understood that to increase the vehicle's chances of survival and to be able to trigger countermeasures, the missile must be detected as early as possible, even when the missile is very far away. This therefore requires the ability to detect a highly localized optical phenomenon within the landscape and to distinguish it from natural optical phenomena such as the sun or a sunspot. The principle is roughly the same for guiding missiles to a target. The early detection of threats/targets depends directly on the signal-to-noise ratio (SNR) provided by the optronic sensor (the higher the signal intensity compared to the noise, the easier it is to detect).
  • SNR signal-to-noise ratio
  • the classification of detected phenomena is performed based on a bispectral ratio or RBS; that is, the optronic detection device is configured to provide a signal in two spectral bands, and the classification depends on the intensity ratio of the signals in each band.
  • RBS bispectral ratio
  • the first and second filters are arranged in a Bayer pattern such that a first portion of the photosensitive elements is struck by light radiation in the first band of wavelengths, and a second portion of the photosensitive elements is struck by light radiation in the second band of wavelengths.
  • optronic detection devices For optronic detection devices to be effective, they must have a relatively small instantaneous field of view (FOV) to achieve sensitivity and resolution suitable for detection.
  • FOV instantaneous field of view
  • the narrower the field of view the smaller the area covered by the electronic device.
  • Optronic detection devices are therefore designed to have an adjustable line of sight. This is referred to as the total field of view or FOR, from the English "field of gaze,” to designate the maximum area covered by the optronic device when its line of sight is oriented.
  • FOR total field of view
  • This architecture has two weaknesses:
  • the refresh rate of the total field of view should be as high as possible but depends directly on the speed of movement of the line of sight.
  • document US-A-2005189492 describes an infrared imager comprising a matrix sensor in front of which a filter and a diffractive lens are successively placed, doubling the diameter of the spot formed by the light radiation on the sensor. This is equivalent to halving the optical cutoff frequency. It is also known from document JP-A-2010068136 describing an optical system incorporating a diffractive lens, single or multi-layered, arranged to reduce chromatic aberrations.
  • the invention is intended in particular to improve the detection capabilities of an optronic detection device.
  • an optronic detection device comprising:
  • an optronic sensor comprising an array of photosensitive elements
  • a filtering matrix extending in front of the optronic sensor and comprising at least first filters transparent to a first range of wavelengths and second filters transparent to a second range of wavelengths, the first filters and the second filters being distributed in a regular pattern on a surface of the filtering matrix each opposite one of the photosensitive elements;
  • the optical system includes at least one diffraction grating arranged so that any incident radiation from an external point source strikes one of the first filters and one of the second filters.
  • a diffractive grating which comprises a set of parallel lines, differs from a diffractive lens, which exhibits rotational symmetry.
  • the light emanating from each point of the observed scene will strike two corresponding photosensitive elements.
  • Each element has a specific wavelength band.
  • the individual line of sight of the photosensitive elements is modified by the diffractive grating without spreading the spot formed by the light radiation on the sensor.
  • the centroid of the point spread function (describing the response of the optronic sensor to a point source of radiation — this function is commonly called the PSF, or point spread function), also known as the spatial impulse response, is not located on a single photosensitive element but on two photosensitive elements positioned behind one of the first and second filters, respectively. Consequently, the risk of a failure to detect is low even if the line of sight is fixed. Furthermore, there is no longer any need for interpolation between the two wavelength bands because the information acquired in both wavelength bands corresponds to the same element of the observed scene.
  • the diffraction grating is positioned at one end of the optical system close to the filtering matrix
  • the optical system includes at least a first group at the input of the optical system and a second group at the output of the optical system and the diffraction grating between the two groups;
  • the diffraction grating is positioned close to the first group
  • the diffraction grating is positioned close to the second group
  • the diffraction grating is positioned at one end of the optical system close to the filtering matrix
  • the optical system includes at least one scanning blade; - the scanning blade carries the diffraction grating.
  • the invention also relates to a vehicle having a structure on which such an optronic device is fixed, the optronic device being fixed in position relative to said structure.
  • FIG. 1 is a schematic view of an optronic detection device according to a first embodiment, in cross-section along its optical axis, in a version mounted on a vehicle;
  • FIG. 2 is a view analogous to figure 1 of an optronic device according to a second embodiment
  • FIG. 3 is a view analogous to figure 1 of an optronic device according to a third embodiment
  • FIG. 4 is a view analogous to figure 1 of an optronic device according to a fourth embodiment
  • FIG. 5 is a view analogous to figure 1 of an optronic device according to a fifth embodiment
  • FIG. 6 is an enlarged view of area VI of figure 5;
  • FIG. 7 is a view analogous to Figure 1, partial, of an optronic device according to a variant of the fifth embodiment
  • FIG. 8 is a partial schematic top view of a filter matrix according to a first embodiment
  • FIG. 9 is a view analogous to figure 8 showing different possible shifts on this filter matrix
  • FIG. 10 is a partial schematic top view of a filtering matrix according to a second embodiment
  • FIG. 11 is a partial schematic top view of a filtering matrix according to a third embodiment
  • FIG. 12 is a partial schematic top view of a filtering matrix according to a fourth embodiment
  • FIG. 13 is a schematic cross-sectional view of a diffraction plate used in this optronic detection device, according to a first embodiment
  • FIG. 14 is a schematic cross-sectional view of a diffraction plate according to a second embodiment
  • FIG. 15 is a partial schematic top view of an optronic sensor used in the optronic sensing device according to the invention.
  • FIG. 16 is a schematic cross-sectional view showing the diffraction effect obtained by the invention.
  • FIG. 17 is an enlarged view of area XVII of figure 16.
  • the optronic detection device is mounted on a vehicle V.
  • the optronic device 1 includes a frame 2, an optronic sensor 3, a filtering matrix 4 and an optical system 5.
  • the frame 2 is fixed to a structure of the vehicle V so that it is immobile relative to it (strapdown mounting).
  • the optronic sensor 3 is fixed to the frame 3 and includes known in itself a matrix of photosensitive elements E (see figure 15).
  • the filter matrix 4 extends in front of the optronic sensor 3 and contains, in a manner known to itself, first filters B1 transparent to a first wavelength range and second filters B2 transparent to a second wavelength range.
  • the first filters B1 and the second filters B2 are distributed in a regular pattern on a surface of the filter matrix 4, each opposite one of the photosensitive elements E ( Figure 15).
  • the pattern is, for example, a Bayer checkerboard.
  • the first filters B1 here allow the blue MWIR wavelength band (3.6 ⁇ m; 4.1 ⁇ m) to pass through
  • the second filters B2 here allow the red MWIR wavelength band (4.5 ⁇ m; 4.9 ⁇ m) to pass through.
  • the optical system 5 extends in front of the filter matrix 4 and comprises, along an optical axis, a first group of lenses 5.1 arranged at the entrance of the optical system 5 and a second group of lenses 5.2 arranged at the exit of the optical system 5 to direct the incident light radiation towards the optronic sensor 3 and form an image on it. This arrangement is known in itself and will not be described in further detail here.
  • the optical system 5 further comprises at least one diffraction grating 6 arranged so that any incident radiation from a point source strikes one of the first filters B1 and one of the second filters B2.
  • the resulting shift on the filter matrix 4 is illustrated in Figures 16 and 17.
  • the diffraction grating can be arranged to cause a shift of any odd number of filters, in one way or another
  • Offsets D1 and D3 are linear offsets of a single filter; offset D2 is a linear offset of three filters in a straight line; offset D4 is a linear offset of seven filters in a straight line; offsets D5 and D6 are L-shaped offsets of three filters. Other offset values are, of course, possible.
  • the centroid of the point's spreading function (or spatial impulse response) is not located on a single photosensitive element E, but on two photosensitive elements E positioned behind one of the first filters B1 and one of the second filters B2, respectively.
  • the diffraction grating 6 is carried by a blade 60 positioned near the group of lenses 5.2 at the output of the optical system 5.
  • the diffractive equation of the diffractive grating 6 is, for example, 0.0036X for a shift along the X-axis of the filtering matrix 4 (recall that the optical phase is defined modulo 2n and where X is the slope of the line defining the surface of the diffractive grating 6, a line which is folded every jump of 2n to obtain a sawtooth surface profile such as that visible in Figure 13).
  • the diffractive equation of the diffractive grating 6 is, for example, 0.0036Y for a shift along the Y-axis of the filtering matrix 4.
  • the blade 60 is made of germanium and has a surface with reliefs forming the diffraction grating 6.
  • the plate 60 is a phase plate incorporating local modifications of the refractive index distributed and arranged in the thickness of the plate 60 to form the diffraction grating 6.
  • the diffraction grating 6 is carried by a blade 60 positioned at the output of the optical system 5 near the filtering matrix 6.
  • the diffractive equation of the diffractive grating 6 is for example 0.035X for a shift along the X axis of the filtering matrix 4.
  • the diffractive equation of the diffractive grating 6 is for example 0.035Y for a shift along the Y axis of the filtering matrix 4.
  • the diffraction grating 6 is carried by a blade 60 positioned near the first group of lenses 5.1.
  • the diffractive equation of the diffractive grating 6 is for example 0.0066X for a shift along the X axis of the filtering matrix 4.
  • the diffractive equation of the diffractive grating 6 is for example 0.0066Y for a shift along the Y axis of the filtering matrix 4.
  • the diffraction grating 6 is carried by a 90° reflecting plate 5.3 positioned between the two groups of lenses 5.1 and 5.2.
  • the diffractive equation of the diffractive grating 6 is for example 0.0029X for a shift along the X axis of the filtering matrix 4.
  • the diffractive equation of the diffractive grating 6 is for example 0.0029Y for a shift along the Y axis of the filtering matrix 4.
  • the diffraction grating 6 is carried by a blade 60 positioned as in the first embodiment, and the optical system 5 includes at least one scanning blade 7 positioned near the first group of lenses 5.1.
  • the scanning blade 7 is a blade with flat and parallel faces, mounted to pivot about its central axis forming an acute angle with the optical axis of the optical system 5 to have two extreme positions shown respectively as a solid line and a dashed line in Figure 6.
  • the scanning blade 7 is arranged to offset the line of sight by a few sensitive elements so that the optronic detection device does not have a blind zone.
  • the angle between the central pivot axis of the scanning blade 7 and the optical axis of the optical system 5 is approximately 2.16°.
  • the scanning blade is inclined at 2.11° and the diffractive equation is 0.0058X (or Y as appropriate).
  • the scanning blade 7 is positioned in the second lens group 5.2.
  • the angle between the central pivot axis of the scanning blade 7 and the optical axis of the optical system 5 is approximately 1.12°.
  • the invention is not limited to the embodiments described but encompasses any variant falling within the scope of the invention as defined by the claims.
  • the optronic detection device according to the invention may have a different structure from that described.
  • the first and second filters can be arranged in rows as in Figure 10, in columns, or diagonally.
  • the filter matrix can also include, in addition to the first and second filters, third filters transparent to a third wavelength (see Figure 11 with a diagonal filter arrangement, for example), or even fourth filters transparent to a fourth wavelength (see Figure 12 with a row filter arrangement, for example), or more.
  • the first wavelength band can be separated from the second wavelength band, as in the example described, or the two wavelength bands can be placed side-by-side.
  • the optronic device of the invention is not limited to infrared detection applications but can also be configured to operate in other domains, for example, in the visible spectrum.
  • the optical system may comprise a single group of lenses or more than two groups of lenses.
  • the diffractive grating 6 can be made directly on a lens of the optical system 5.
  • the sweeping blade 7 is optional.

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Abstract

Dispositif optronique de détection (D, comprenant : un capteur optronique (3) comportant une matrice d'éléments photosensibles (E); une matrice de filtrage (4) comportant au moins des premiers filtres (B1) transparents à une première plage de longueurs d' onde et des deuxièmes filtres (B2) transparents à une deuxième plage de longueurs d'onde, les premiers filtres (B1) et les deuxièmes filtres (B2) étant répartis selon un motif régulier chacun en regard d'un des éléments photosensibles (E); un système optique (5) s'étendant en avant de la matrice de filtrage (4). Le système optique (5) comprend au moins un réseau de diffraction (6) agencé pour que tout rayonnement incident provenant d'une source ponctuelle externe frappe un des premiers filtres (Bl) et un des deuxièmes filtres (B2). Véhicule comportant un tel dispositif.

Description

DISPOSITIF OPTRONIQUE DE DETECTION A DIFFRACTION ET VEHICULE EQUIPE D' UN TEL DISPOSITIF OPTRONIQUE
La présente invention concerne le domaine de la détection de phénomènes optiques et plus particulièrement un dispositif optronique de détection utilisable par exemple pour l ' autoprotection des véhicules militaires et le guidage des missiles .
ARRIERE PLAN DE L' INVENTION
Un dispositif optronique de détection comprend généralement un capteur optronique et un système optique disposé en avant du capteur optronique . Le capteur optronique comprend une matrice d' éléments photosensibles couramment appelés pixels (de l ' anglais picture elements) délivrant un signal proportionnel à l ' énergie transmise par le rayonnement lumineux qui les frappent .
La détection de menaces pour l ' autoprotection de véhicules militaires repose sur la détection de menaces , telles que les missiles , à partir de phénomènes optiques liés par exemple à l ' éj ection des gaz par la tuyère du missile . On comprend que pour augmenter les chances de survie du véhicule et pouvoir déclencher des contremesures , il faut détecter le missile au plus tôt , c' est-à-dire alors même que le missile est très éloigné . Ceci suppose donc de pouvoir détecter dans le paysage un phénomène optique très localisé et de le distinguer de phénomènes optiques naturels comme le soleil ou une flaque solaire . Le principe est grossièrement le même pour le guidage des missiles vers une cible . La détection précoce des menaces/cibles dépend directement du rapport signal/bruit ou RSB fourni par le capteur optronique (plus le signal a une intensité supérieure à celle du bruit, plus il est facile à détecter) .
La classification des phénomènes détectés (phénomènes naturels vs menaces/cibles ) est effectuée en fonction d' un rapport bi-spectral ou RBS , c' est-à-dire que le dispositif optronique de détection est agencé pour fournir un signal dans deux bandes spectrales et la classification dépend du rapport d' intensité des signaux dans chacune des bandes . Il est à cette fin connu de placer, en avant du capteur optronique, une matrice de filtrage bi-spectral comprenant des premiers filtres laissant passer un rayonnement lumineux dans une première bande de longueurs d' onde et des deuxièmes filtres laissant passer un rayonnement lumineux dans une deuxième bande de longueurs d' onde . Les premiers filtres et les deuxièmes filtres sont disposés selon un motif de type Bayer de sorte qu' une première partie des éléments photosensibles est frappée par le rayonnement lumineux dans la première bande de longueurs d' onde et une deuxième partie des éléments photosensibles est frappée par le rayonnement lumineux dans la deuxième bande de longueurs d' onde .
Par ailleurs , les dispositifs optroniques de détection doivent pour être efficaces disposer d' un champ instantané d' observation (ou FOV de l ' anglais field of view) relativement petit pour avoir une sensibilité et une résolution adaptées à la détection . Cependant , plus le champ d' observation est étroit et plus la zone couverte par le dispositif électronique est faible .
Les dispositifs optroniques de détection sont donc conçus pour avoir une ligne de visée orientable . On parle alors de champ total d' observation ou FOR de l ' anglais field of regard pour désigner la zone maximale couverte par le dispositif optronique en orientant sa ligne de visée .
Cette architecture présente deux faiblesses :
- l ' interpolation nécessaire au calcul du rapport bi- spectral car cette interpolation tend à réduire localement l ' intensité du signal dans les parties interpolées de l ' image , parties interpolées qui risquent d' être noyées dans le bruit lorsque le rapport si- gnal/bruit est faible , notamment en limite de détection (menace/cible lointaine ou de petites dimensions ) .
- la cadence de rafraîchissement du champ total d' observation doit être la plus élevée possible mais dépend directement de la vitesse de déplacement de la ligne de visée .
Le seul moyen de remédier à la première faiblesse est d' optimiser l ' algorithme d' interpolation .
Un moyen pour remédier à la deuxième faiblesse est d' utiliser un capteur optronique , de plus grande taille , monté fixe sur le véhicule (montage dit strapdown) . Cependant , cela s ' accompagne d' un inconvénient qui n' existait pas avec les dispositifs optroniques à ligne de visée orientable . En effet, une menace faisant route de collision avec le véhicule menacé se présente touj ours dans la même orientation par rapport au véhicule menacé . Lorsqu' elle est lointaine, le rayonnement lumineux émis par la menace ne vient frapper qu' un filtre de la matrice de filtrage bi-spectral et ne pourra être détecté par l ' élément photosensible qui se trouve derrière ce filtre que si le rayonnement lumineux correspond à la bande de longueurs d' onde de ce filtre . Ce problème n' arrive pas avec un dispositif optronique à ligne de visée orientable du fait que la ligne de visée balaye l ' environnement du véhicule ( le rayonnement lumineux de la menace va toucher successivement plusieurs filtres de la matrice de filtrage , et donc les éléments photosensibles qui se trouvent derrière ) .
Il est connu par ailleurs du document US-A-2005189492 un imageur infrarouge comprenant un capteur matriciel devant lequel sont placés successivement un filtre et une lentille diffractive augmentant par deux le diamètre de la tache formée par le rayonnement lumineux sur le capteur . Ceci revient à diviser par deux la fréquence de coupure optique . Il est également connu du document JP-A-2010068136 décrit un système optique incorporant une lentille diffractive , mono ou multicouche , agencée pour réduire les aberrations chromatiques .
OBJET DE L' INVENTION
L' invention a notamment pour but d' améliorer les capacités de détection d' un dispositif optronique de détection .
RESUME DE L ' INVENTION
A cet effet, on prévoit , selon l ' invention un dispositif optronique de détection, comprenant :
- un bâti ,
- un capteur optronique comportant une matrice d' éléments photosensibles ;
- une matrice de filtrage s ' étendant en avant du capteur optronique et comportant au moins des premiers filtres transparents à une première plage de longueurs d' onde et des deuxièmes filtres transparents à une deuxième plage de longueurs d' onde, les premiers filtres et les deuxièmes filtres étant répartis selon un motif régulier sur une surface de la matrice de filtrage chacun en regard d' un des éléments photosensibles ;
- un système optique s ' étendant en avant de la matrice de filtrage ;
Le système optique comprend au moins un réseau de diffraction agencé pour que tout rayonnement incident provenant d' une source ponctuelle externe frappe un des premiers filtres et un des deuxièmes filtres .
On rappelle qu' un réseau diffractif , qui comprend un ensemble de lignes parallèles , est différent d' une lentille diffractive qui présente elle une symétrie de révolution . Ainsi , grâce au réseau de diffraction, le rayonnement lumineux provenant de chaque point de la scène observée va arriver sur deux éléments photosensibles correspondant chacun à une bande de longueurs d' onde . Dit autrement , la ligne de visée individuelle des éléments photosensibles est modifiée par le réseau diffractif sans étalement de la tache formée par le rayonnement lumineux sur le capteur . Exprimé de manière plus technique , le barycentre de la fonction d' étalement du point (décrivant la réponse du capteur optronique à une source ponctuelle de rayonnement - cette fonction est couramment appelée PSF de l ' anglais point spread fonction) , également appelée réponse impulsionnelle spatiale , n ' est pas sur un unique élément photosensible mais sur deux éléments photosensibles disposés derrière un des premiers filtres et un des deuxièmes filtres respectivement . Par conséquent, le risque d' une absence de détection est faible même si la ligne de visée est fixe . En outre , il n' y a plus besoin d' interpolation entre les deux bandes de longueurs d' onde car les informations acquises dans les deux bandes de longueurs d' onde correspondent au même élément de la scène observée .
Selon des caractéristiques optionnelles , utilisées individuellement ou tout ou partie en combinaison :
- le réseau de diffraction est porté par une lame ;
- le réseau de diffraction est disposé à une extrémité du système optique voisine de la matrice de filtrage ;
- le système optique comprend au moins un premier groupe en entrée du système optique et un deuxième groupe en sortie du système optique et le réseau de diffraction entre les deux groupes ;
- le réseau de diffraction est disposé à proximité du premier groupe ;
- le réseau de diffraction est disposé à proximité du deuxième groupe ;
- le réseau de diffraction est disposé à une extrémité du système optique voisine de la matrice de filtrage ;
- le système optique comprend au moins une lame de balayage ; - la lame de balayage porte le réseau de diffraction.
L' invention concerne également un véhicule ayant une structure sur laquelle est fixé un tel dispositif optronique, le dispositif optronique étant fixe en position par rapport à ladite structure.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation particuliers et non limitatifs de l'invention .
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
Il sera fait référence aux dessins annexés, parmi lesquels :
[Fig. 1] est une vue schématique d'un dispositif optronique de détection selon un premier mode de réalisation, en coupe selon l'axe optique de celui-ci, dans une version embarquée sur un véhicule ;
[Fig. 2] est une vue analogue à la figure 1 d'un dispositif optronique selon un deuxième mode de réalisation ;
[Fig. 3] est une vue analogue à la figure 1 d'un dispositif optronique selon un troisième mode de réalisation ;
[Fig. 4] est une vue analogue à la figure 1 d'un dispositif optronique selon un quatrième mode de réalisation ;
[Fig. 5] est une vue analogue à la figure 1 d'un dispositif optronique selon un cinquième mode de réalisation ;
[Fig. 6] est une vue agrandie de la zone VI de la figure 5 ;
[Fig. 7] est une vue analogue à la figure 1, partielle, d'un dispositif optronique selon une variante du cinquième mode de réalisation ;
[Fig. 8] est une vue schématique partielle de dessus d'une matrice de filtrage selon un premier mode de réalisation ; [Fig. 9] est une vue analogue à la figure 8 montrant différents décalages possibles sur cette matrice de filtrage ; [Fig. 10] est une vue schématique partielle de dessus d'une matrice de filtrage selon un deuxième mode de réalisation ; [Fig. 11] est une vue schématique partielle de dessus d'une matrice de filtrage selon un troisième mode de réalisation ;
[Fig. 12] est une vue schématique partielle de dessus d'une matrice de filtrage selon un quatrième mode de réalisation ;
[Fig. 13] est une vue schématique en coupe d'une lame de diffraction utilisée dans ce dispositif optronique de détection, selon un premier mode de réalisation ;
[Fig. 14] est une vue schématique en coupe d'une lame de diffraction selon un deuxième mode de réalisation ;
[Fig. 15] est une vue schématique partielle de dessus d'un capteur optronique utilisé dans le dispositif optronique de détection selon l'invention ;
[Fig. 16] est une vue schématique en coupe montrant l'effet de diffraction obtenu par l'invention ;
[Fig. 17] est une vue agrandie de la zone XVII de la figure 16.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
En référence à la figure 1, le dispositif optronique de détection selon l'invention, généralement désigné en 1, est embarqué sur un véhicule V.
Le dispositif optronique 1 comprend un bâti 2, un capteur optronique 3, une matrice de filtrage 4 et un système optique 5.
Le bâti 2 est fixé à une structure du véhicule V pour être immobile par rapport à celle-ci (montage dit strapdown) .
Le capteur optronique 3 est fixé au bâti 3 et comporte de manière connue en elle-même une matrice d' éléments photosensibles E (voir la figure 15) .
La matrice de filtrage 4 s'étend en avant du capteur op- tronique 3 et comporte de façon connue en elle-même des premiers filtres B1 transparents à une première plage de longueurs d'onde et des deuxièmes filtres B2 transparents à une deuxième plage de longueurs d'onde. Les premiers filtres B1 et les deuxièmes filtres B2 sont répartis selon un motif régulier sur une surface de la matrice de filtrage 4 chacun en regard d'un des éléments photosensibles E (Figure 15) . Le motif est par exemple en un damier de type BAYER. Les premiers filtres B1 laissent ici passer la bande de longueurs d'onde MWIR bleue ( [3,6 m ; 4,1 pm] ) et les deuxièmes filtres B2 laissent ici passer la bande de longueurs d'onde MWIR rouge ( [4,5 pm ; 4,9 pm] ) .
Le système optique 5 s'étend en avant de la matrice de filtrage 4 et comprend ici, le long d'un axe optique, un premier groupe de lentilles 5.1 disposé à l'entrée du système optique 5 et un deuxième groupe de lentilles 5.2 disposé à la sortie du système optique 5 pour diriger le rayonnement lumineux incident vers le capteur optronique 3 et former une image sur celui-ci. Cet agencement est connu en lui-même et ne sera pas plus détaillé ici.
Le système optique 5 comprend en outre au moins un réseau de diffraction 6 agencé pour que tout rayonnement incident provenant d'une source ponctuelle frappe un des premiers filtres B1 et un des deuxièmes filtres B2. On a illustré le décalage ainsi produit sur la matrice de filtrage 4 sur les figures 16 et 17.
Le réseau de diffraction peut être agencé pour provoquer un décalage d'un nombre impair quelconque de filtres, dans un sens ou un autre
- selon l'axe X (lignes) de la matrice de filtrage (flèches Dl, D2 de la figure 9) ; et/ou
- selon l'axe Y (colonnes) de la matrice de filtrage (flèches D3, D4 de la figure 9) ; et/ou
- selon un axe quelconque de la matrice de filtrage (flèches D5, D6 de la figure 9) .
Les décalages Dl et D3 sont des décalages rectilignes d'un filtre ; le décalage D2 est un décalage rectiligne de trois filtres en ligne droite ; le décalage D4 est un décalage rectiligne de sept filtres en ligne droite ; les décalages D5 et D6 sont des décalages en L de trois filtres. D'autres valeurs de décalage sont bien entendu possibles.
On comprend que le rayonnement lumineux provenant de chaque point de la scène va arriver sur un filtre B1 et un filtre B2 et donc sur deux éléments photosensibles E correspondant chacun à une bande de longueurs d'onde. Autrement dit, le barycentre de la fonction d'étalement du point (ou réponse impulsionnelle spatiale) n'est donc pas sur un unique élément photosensible E mais sur deux éléments photosensibles E disposés derrière un des premiers filtres B1 et un des deuxièmes filtres B2 respectivement.
Dans le premier mode de réalisation représenté sur la figure 1, le réseau de diffraction 6 est porté par une lame 60 positionnée à proximité du groupe de lentilles 5.2 en sortie du système optique 5.
Pour des éléments photosensibles E de dimension 15 m, l'équation diffractive du réseau diffractif 6 est par exemple 0,0036X pour un décalage selon l'axe X de la matrice de filtrage 4 (on rappelle que la phase optique est définie modulo 2n et que X est la pente de la droite définissant la surface du réseau diffractif 6, droite que l'on replie tous les sauts de 2n pour obtenir un profil de surface en dents de scie tel que celui visible sur la figure 13) . L'équation diffractive du réseau diffractif 6 est par exemple 0,0036Y pour un décalage selon l'axe Y de la matrice de filtrage 4.
Selon un premier mode de réalisation de la lame 60, représenté sur la figure 13, la lame 60 est en germanium et a une surface pourvue de reliefs formant le réseau de diffraction 6.
Selon un deuxième mode de réalisation de la lame 60, représenté sur la figure 14, la lame 60 est une lame de phase incorporant des modifications locales de l'indice de réfraction réparties et agencées dans l'épaisseur de la lame 60 pour former le réseau de diffraction 6.
Dans le deuxième mode de réalisation du dispositif optro- nique, représenté sur la figure 2, le réseau de diffraction 6 est porté par une lame 60 positionnée en sortie du système optique 5 à proximité de la matrice de filtrage 6.
Pour des éléments photosensibles E de dimension 15 m, l'équation diffractive du réseau diffractif 6 est par exemple 0,035X pour un décalage selon l'axe X de la matrice de filtrage 4. L'équation diffractive du réseau diffractif 6 est par exemple 0,035Y pour un décalage selon l'axe Y de la matrice de filtrage 4.
Dans le troisième mode de réalisation représenté sur la figure 3, le réseau de diffraction 6 est porté par une lame 60 positionnée à proximité du premier groupe de lentilles 5.1. Pour des éléments photosensibles E de dimension 15 m, l'équation diffractive du réseau diffractif 6 est par exemple 0,0066X pour un décalage selon l'axe X de la matrice de filtrage 4. L'équation diffractive du réseau diffractif 6 est par exemple 0,0066Y pour un décalage selon l'axe Y de la matrice de filtrage 4.
Dans le quatrième mode de réalisation représenté sur la figure 4, le réseau de diffraction 6 est porté par une lame réfléchissante 5.3 de renvoi à 90° positionnée entre les deux groupes de lentilles 5.1 et 5.2.
Pour des éléments photosensibles E de dimension 15 m, l'équation diffractive du réseau diffractif 6 est par exemple 0,0029X pour un décalage selon l'axe X de la matrice de filtrage 4. L'équation diffractive du réseau diffractif 6 est par exemple 0,0029Y pour un décalage selon l'axe Y de la matrice de filtrage 4.
Dans le cinquième mode de réalisation représenté sur les figures 5 et 6, le réseau de diffraction 6 est porté par une lame 60 positionnée comme dans le premier mode de réalisation et le système optique 5 comprend au moins une lame de balayage 7 positionnée à proximité du premier groupe de lentilles 5.1. La lame de balayage 7 est une lame à faces planes et parallèles, montée pour pivoter autour de son axe central formant un angle aigu avec l'axe optique du système optique 5 pour avoir deux positions extrêmes représentées respectivement en trait continu et en trait mixte sur la figure 6. La lame de balayage 7 est agencée pour décaler de quelques éléments sensibles la ligne de visée de telle manière le dispositif optronique de détection n'ait pas de zone aveugle. Pour des éléments photosensibles E de dimension 15 m, l'angle entre l'axe central de pivotement de la lame de balayage 7 et l'axe optique du système optique 5 est de 2,16° environ .
Il est possible de réaliser le faisceau diffractif directement sur la lame de balayage 7. Dans un tel cas, la lame de balayage est inclinée de 2,11° et l'équation diffractive est 0,0058X (ou Y selon le cas)
Dans la variante du cinquième mode de réalisation représentée sur la figure 7, la lame de balayage 7 est positionnée dans le deuxième groupe de lentilles 5.2. L'angle entre l'axe central de pivotement de la lame de balayage 7 et l'axe optique du système optique 5 est de 1,12° environ. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits mais englobe toute variante entrant dans le champ de l'invention telle que définie par les revendications .
En particulier, le dispositif optronique de détection selon l'invention peut avoir une structure différente de celle décrite .
Au lieu d'une répartition en damier comme représenté sur les figures 8 et 9, les premiers filtres et les deuxièmes filtres peuvent être répartis en lignes comme sur la figure 10, en colonnes ou en diagonales. La matrice de filtrage peut en outre comporter, en plus des premiers filtres et des deuxièmes filtres, des troisièmes filtres transparents à une troisièmes longueurs d'onde (voir la figure 11 avec une répartition des filtres par diagonales par exemple) , voire des quatrièmes filtres transparents à une quatrième longueurs d'onde (voir la figure 12 avec une répartition des filtres par lignes par exemple) ou plus. La première bande de longueurs d' onde peut être séparée de la deuxième bande de longueurs d' onde comme dans l ' exemple décrit, ou les deux bandes de longueurs d' onde peuvent être accolées . On pourrait par exemple avoir : la première bande de longueurs d' onde correspondant à la bande MWIR et la deuxième bande de longueurs d' onde correspondant à la bande SWIR ; ou la première bande de longueurs d' onde correspondant à la bande MWIR et la deuxième bande de longueurs d' onde correspondant à la bande LWIR ; ou la première bande de longueurs d' onde correspondant à la bande SWIR et la deuxième bande de longueurs d' onde correspondant à la bande LWIR . On notera cependant que le dispositif optronique de l ' invention n' est pas limité aux applications de détection infrarouge mais peut également être agencé pour fonctionner dans d' autres domaines et par exemple dans le domaine visible .
Le système optique peut comprendre un unique groupe de lentilles ou plus de deux groupes de lentilles .
Le réseau diffractif 6 peut être réalisé directement sur une lentille du système optique 5 .
La lame de balayage 7 est facultative .

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif optronique de détection (1) , comprenant :
- un bâti (2 ) ,
- un capteur optronique (3) comportant une matrice d'éléments photosensibles (E) ;
- une matrice de filtrage (4) s'étendant en avant du capteur optronique (3) et comportant au moins des premiers filtres (Bl) transparents à une première plage de longueurs d'onde et des deuxièmes filtres (B2) transparents à une deuxième plage de longueurs d'onde, les premiers filtres (Bl) et les deuxièmes filtres (B2) étant répartis selon un motif régulier sur une surface de la matrice de filtrage (4) chacun en regard d'un des éléments photosensibles (E) ;
- un système optique (5) s'étendant en avant de la matrice de filtrage (4) ; caractérisé en ce que le système optique (5) comprend au moins un réseau de diffraction (6) agencé pour que tout rayonnement incident provenant d'une source ponctuelle externe frappe un des premiers filtres (Bl) et un des deuxièmes filtres (B2) .
2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le réseau de diffraction (6) est porté par une lame.
3. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le réseau de diffraction (6) est disposé à une extrémité du système optique (5) voisine de la matrice de filtrage (4) .
4. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le système optique comprend au moins un premier groupe en entrée du système optique et un deuxième groupe en sortie du système optique et le réseau de diffraction (6) est entre les deux groupes.
5. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel le réseau de diffraction (6) est disposé à proximité du premier groupe .
6. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel le réseau de diffraction (6) est disposé à proximité du deuxième groupe .
7. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le système optique (5) comprend au moins une lame de balayage (7) .
8. Dispositif selon la revendication 7, dans lequel la lame de balayage (7) porte le réseau de diffraction (6) .
9. Véhicule (V) ayant une structure sur laquelle est fixé un dispositif optronique (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, le dispositif optronique (1) étant fixe en position par rapport à ladite structure.
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US20050189492A1 (en) 2004-02-26 2005-09-01 Milton A. F. Multi-color infrared imaging device
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