BE898150A - Système de détection de rayonnement infrarouge. - Google Patents

Abstract

Un système de détection de rayonnement infrarouge comprend notamment un système optique de formation d'image (25) qui applique à une surface image (16) le rayonnement provenant un d'un champ (23), un détecteur (26) ayant une surface de détection

Description

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 pour "Système de détection de rayonnement infrarouge" (Inventeur : Iain Alexander NEIL) comme
BREVET D'INVENTION. 



  Priorité de la demande de brevet déposée en Grande-Bretagne le 6 novembre 1982 sous le n  8231750, au nom de la Société susdite. 

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 SYSTEME DE DETECTION DE RAYONNEMENT INFRAROUGE 
La présente invention concerne des systèmes de détection de rayonnement infrarouge. 



   Les perfectionnements continuels des détecteurs de rayonnement infrarouge, comme ceux qui résultent de l'incorporation de l'élément détecteur ou des éléments détecteurs dans une enceinte formant un écran froid ayant une ouverture refroidie, ce qui limite l'angle d'acceptation du rayonnement et constitue ce qu'on appelle un   détecteur "li-   mité par le bruit de fond", et ceux qui résultent de la sensibilité accrue des éléments détecteurs individuels et de l'utilisation de surfaces de détection d'aire élevée, formées soit par un réseau d'éléments détecteurs soit par un seul élément détecteur, exigent un système optique à hautes performances pour appliquer le rayonnement au détecteur. 



   L'invention a donc pour but de procurer une forme perfectionnée de système de détection de rayonnement infrérouge. 



   L'invention propose un système de détection de rayonnement infrarouge comprenant un système optique de formation d'image destiné à recevoir un rayonnement provenant d'un champ et à appliquer ce rayonnement à une surface image, un détecteur ayant une surface de détection formée par un ou plusieurs éléments détecteurs placés dans une enceinte formant un écran froid ayant une ouverture refroidie, qui limite l'angle d'acceptation du rayonnement du détecteur, ce qui fait que ce dernier est du   type Illimité   par le bruit de fond", et un système de lentilles de transfert en- 

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 tre la surface image et le détecteur, pour transférer le rayonnement infrarouge entre eux et pour focaliser le rayonnement transféré sur la surface de détection du détecteur,

   dans lequel ce système de lentilles de transfert est constitué par quatre lentilles parmi lesquelles celle des lentilles qui est adjacente à la surface image a une vergence négative tandis que les trois autres lentilles ont des vergences positives, les vergences relatives desquatre lentilles étant choisies par rapport à la courbure de la surface image de façon à donner une courbure de champ du rayonnement focalisé sur la surface de détection qui coïncide avec la courbure physique de cette surface de détection, et les dimensions axiales respectives de l'espace d'air entre les deux lentilles proches de la surface image et entre les deux lentilles proches de la surface de détection étant notablement supérieures à celle de l'espace d'air restant du système de lentilles de transfert,

   ces dimensions axiales étant sélectionnées de façon à placer la pupille formée par le système de lentilles de transfert en coïncidence avec l'ouverture refroidie, la vergence globale du système de lentilles étant sélectionnée de façon à dimensionner la pupille formée par le système de lentilles de transfert de façon qu'elle corresponde à la dimension de l'ouverture refroidie, et la courbure des surfaces réfringentes des lentilles étant choisie de façon à donner de faibles aberrations de champ et de pupille. L'épaisseur centrale de chaque lentille du système de lentilles de transfert est de préférence faible, ce qui maximise la transmission du rayonnement et minimise la quantité de matière utilisée pour les lentilles.

   Il est également préférable que l'espace d'air axial entre les deux lentilles centrales du système de lentilles de transfert soit pratiquement égal à zéro, ce qui donne au système de lentilles de transfert un encombrement relativement réduit. 



   Chacune des surfaces réfringentes des lentilles 

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 peut commodément être sphérique (avec la signification qu'on donne à ce terme en optique), de façon que la fabrication de ces lentilles soit simple, au point de vue optique et mécanique. 



   On obtient commodément des variations de courbure de champ par la sélection de l'épaisseur des lentilles individuelles et/ou de la matière à partir de laquelle les lentilles sont fabriquées, bien que dans le cas où on utilise plus d'une matière dans le système de lentilles de transfert,   ilpuseêtre   nécessaire de compenser les aberrations chromatiques introduites. 



   L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif. La suite de la description se réfère aux dessins annexés sur lesquels :
La figure 1 est une vue latérale en élévation d'un système de détection infrarouge conforme à l'invention ; et
La figure 2 est une vue en plan du système de la figure 1. 



   Le système de détection infrarouge qui est représenté sur les dessins comprend un système de formation d'image 25 qui reçoit un rayonnement provenant d'un espace objet 23 et qui applique le rayonnement reçu à une surface image 16. Un système de lentilles de transfert 24 collecte le rayonnement sur la surface 16 et le transfère vers un détecteur 26. Le détecteur 26 comprend une surface de détection   0   qui est formée par un ou plusieurs éléments détecteurs qui sont situés à l'intérieur d'une enceinte formant un écran froid, ayant une ouverture refroidie 13 qui limite l'angle d'acceptation du rayonnement du détecteur 26, ce qui fait que ce dernier   est Illimité   par le bruit de fond". 



  Le système de lentilles de transfert 24 est conçu, comme on l'expliquera, de façon à focaliser le rayonnement transféré sur la surface   0   du détecteur 26, de façon que la courbure 

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 de champ de l'image de rayonnement soit identique à la courbure physique de la surface 0, et de façon que le rayonnement forme une pupille dont la position et les dimensions coïncident avec l'ouverture 13. 



   Le système de lentilles de transfert 24 est formé par quatre lentilles A, B, C, D alignées sur un axe optique commun et ayant des surfaces réfringentes sphériques respectives 1 et 2,3 et 4,5 et 6,7 et 8, qui rencontrent l'axe optique. La lentille A est adjacente au détecteur 26 et la lentille D est adjacente à la surface image 16. Chacune des lentilles A, B et C a une vergence positive, tandis que la lentille D a une vergence négative, et les vergences relatives sont sélectionnées de façon à faire en sorte que la courbure de champ de l'image de rayonnement formée dans le détecteur 26 soit identique à la courbure physique de la surface 0.

   En sélectionnant diverses combinaisons différentes pour les valeurs de vergence des lentilles individuelles, on peut s'adapter à diverses courbures physiques de la surface 0, indépendamment de la courbure de champ de la surface image 16 (qui peut varier en fonction de la nature du système de formation d'image 25, comme on l'expliquera). On sélectionne la vergence globale du système 24 de façon que la dimension de la pupille de rayonnement soit identique à la dimension de l'ouverture 13. 



   Le système de lentilles de transfert 24 comporte également un espace d'air L séparant les lentilles A et B, un espace d'air M séparant les lentilles B et C et un espace d'air N séparant les lentilles C et D. Pour faire varier axialement la position de la pupille de sortie de façon qu'elle coïncide exactement avec l'ouverture 13 du détecteur 26, on donne à chacun des espaces d'air L et N une valeur notablement supérieure à celle de l'espace d'air M. En fait, pour réduire l'encombrement, on donne à l'espace d'air M une valeur pratiquement égale à zéro. Avec cette configuration, la pupille de sortie du système 24 se trouve toujours entre 

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 la lentille A et le détecteur 26, de façon qu'il soit physiquement possible de faire en sorte que la pupille formée par le système 24 coïncide avec l'ouverture 13.

   La position de la pupille formée par le système 24 est déterminée par la valeur numérique des espaces d'air L et N. 



   Le système de formation d'image 25 n'est qu'une forme de système de formation d'image approprié qui peut être utilisé avec le système de lentilles de transfert 24 et le détecteur 26. A titre d'exemple, les systèmes de formation d'image pourraient être du type à balayage par ligne et par trame, avec ou sans grossissement et avec des objectifs, des télescopes à champs multiples ou des télescopes à distance focale variable, achromatisés ou non, dans chacun desquels la surface image 16 est formée.

   Le système 25 qui est décrit, simplement à titre d'exemple, comprend un miroir   os cillant 12 formé par un v) let qui pivote autour   d'un axe 20 et qui forme une pupille 15, un miroir-concave sphérique 11 formant une image intermédiaire 17, un tambour à miroirs 18 pouvant tourner autour d'un axe 19 et comportant des facettes planes 10 parallèles à l'axe 19, et qui forme une pupille 14, et un miroir de transfert sphérique concave 9 qui produit la surface image 16. Le système 25 est décrit de façon plus détaillée au point de vue fonctionnel dans le brevet GB 1 586 099. 



   Le tableau I en annexe donne un exemple de système de lentilles de transfert   24. et de   système de formation d'image 25 associé, dans lequel le rayon de courbure et l'ouverture optique de chaque surface optique sont donnés 
 EMI6.1 
 par rapport à la surface de détection. Ainsi, par exemple, la surface 9 a un rayon de courbure de-236, 09 mm, le signe moins indiquant que le centre de courbure est du côté gauche de la surface 9 ; le sommet de la surface 9 est décalé de - 11, 33 mm par rapport à l'axe Z dans la direction Y (comme il est indiqué sur la figure 1), et est séparé par un espace d'air de 294,62 mm du sommet de la surface précédente (dans 

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 la direction de référence) 8, dans la direction Z qui est axiale.

   Le système 24 produit un grossissement X 0,5 et il a une ouverture relative d'environ f/3 dans l'espace d'air entre la surface      et la surface 1, avec une ouverture relative d'environ f/6 dans l'espace d'air entre la surface 8 et la surface de miroir 9. Le tableau II en annexe donne des valeurs spécifiques de la qualité d'image dans l'ensemble du système optique. 



   Le système 24 décrit en relation avec les tableaux I et II produit de faibles aberrations de champ et de pupille et une distorsion minimale, et il peut être utilisé avec une surface   0   d'aire élevée, avec une bonne qualité de formation d'image sur cette surface et avec un diaphragme de détecteur efficace à l'ouverture 13. 



   On peut faire varier les paramètres du système 24 pour régler le facteur de grossissement dans la plage allant de 0,3 à   3, 0,   tout en conservant la qualité de résolution précitée, mais cette dernière se dégrade de façon inacceptable hors de cette plage de grossissement. Bien entendu, le facteur de grossissement sélectionné dépend de l'ouverture relative du détecteur 26 d'une part, et de l'ouverture relative à la sortie du système de formation d'image 25, d'autre part, ces deux paramètres nécessitant une adaptation avec les parties respectivement adjacentes du système 24. 



   Bien que l'exemple décrit fonctionne dans la région de longueur d'onde de 8-13 um, du fait des matières utilisées (c'est-à-dire le germanium), le système 24 peut fonctionner dans n'importe quelle partie de la région 1-13 um, par l'utilisation d'autres matières pour les lentilles (par exemple le silicium). Du germanium revêtu avec un revêtement de ARG 3, commercialisé par Barr and Stroud Limited, dont les caractéristiques sont une transmission élevée (environ 98 % ou plus), et une faible réflectivité (environ 0, 2 % ou moins), donne un effet"narcisse"pratiquement nul pour la bande 8-12 um qui est particulièrement utile. 

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   On notera que les données numériques indiquées ici concernent une température de 200C et que l'ouverture relative considérée est obtenue par la formule (2 sin    e) -1,   dans laquelle   e   est le demi-angle au sommet du cône formé par le pinceau de champ axial après réfraction en sortie de la lentille sur laquelle il est projeté. 



   Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. 

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  ANNEXE : TABLEAU I 
 EMI9.1 
 
<tb> 
<tb> Elément <SEP> Surface <SEP> Séparation <SEP> Décalage <SEP> Rayon <SEP> de <SEP> Matière'Diamètre <SEP> d'ouverture <SEP> (2)
<tb> (1) <SEP> courbure <SEP> Direction <SEP> de <SEP> Direction <SEP> de
<tb> l'axe <SEP> X <SEP> l'axe <SEP> Y
<tb> Détecteur <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> Plan <SEP> Air <SEP> 7, <SEP> 5 <SEP> 1, <SEP> 0 <SEP> 
<tb> Pupille <SEP> et <SEP> 13 <SEP> 14,80 <SEP> 0 <SEP> Plan <SEP> Air <SEP> 4, <SEP> 9 <SEP> 4, <SEP> 9 <SEP> 
<tb> diaphragme
<tb> 5, <SEP> 20 <SEP> 0 <SEP> -40, <SEP> 00 <SEP> Air <SEP> 10, <SEP> 1 <SEP> 6,7
<tb> Lentille <SEP> A
<tb> 2 <SEP> 4,00 <SEP> 0 <SEP> -32,15 <SEP> Ge <SEP> 11,2 <SEP> 7, <SEP> 6 <SEP> 
<tb> 3 <SEP> 51,17 <SEP> 0 <SEP> -92,80 <SEP> Air <SEP> 41,5 <SEP> 13, <SEP> 4
<tb> Lentille <SEP> B <SEP> 
<tb> 4 <SEP> 5,00 <SEP> 0 <SEP> -74,97 <SEP> Ge <SEP> 43,8 <SEP> 14,

  0
<tb> 5 <SEP> 0,10 <SEP> 0 <SEP> 97,70 <SEP> Air <SEP> 44,8 <SEP> 14,2 <SEP> 
<tb> Lentille <SEP> C
<tb> 6 <SEP> 5,00 <SEP> 0 <SEP> 266,25 <SEP> Ge <SEP> 45,1 <SEP> 14,5 <SEP> 
<tb> 7 <SEP> 29, <SEP> 05 <SEP> 0-47, <SEP> 24 <SEP> Air <SEP> 23, <SEP> 1 <SEP> 5, <SEP> 4 <SEP> 1 <SEP> 
<tb> Lentille <SEP> D <SEP> 8 <SEP> 4,00 <SEP> 0 <SEP> -87,86 <SEP> Ge <SEP> 23,7 <SEP> 5,6
<tb> Miroir <SEP> 9 <SEP> 294,62 <SEP> -11,33 <SEP> -236,09 <SEP> Air <SEP> 81,7 <SEP> 36,4
<tb> Facette <SEP> du <SEP> 10 <SEP> -152,27 <SEP> -3,31 <SEP> Plan <SEP> Air <SEP> 23,0 <SEP> 12,0
<tb> rotor <SEP> 
<tb> (3)Pupille <SEP> 14 <SEP> 0 <SEP> -0,0 <SEP> Plan <SEP> Air <SEP> 11,2 <SEP> 11,2
<tb> Miroir <SEP> 11 <SEP> 147, <SEP> 53-7, <SEP> 64-159,24 <SEP> Air <SEP> 149,3 <SEP> 14,2 <SEP> 
<tb> Miroir <SEP> oscil- <SEP> 12 <SEP> -258,94 <SEP> -6,55 <SEP> Plan <SEP> Air <SEP> 14,0 <SEP> 23,

  0
<tb> ant <SEP> 
<tb> (4)Pupille <SEP> 15 <SEP> 0 <SEP> -0,00 <SEP> Plan <SEP> Air <SEP> 13,1 <SEP> 13,1
<tb> 
 

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Notes concernant le tableau I (1) Le décalage est mesuré de façon cumulée à partir de l'axe Z, dans la direction de l'axe Y. 



  (2) Comme l'exige un détecteur ayant des dimensions de + 3,75 mm dans la direction de l'axe X et de + 0,5 mm dans la direction de l'axe Y, pour des angles de rotation carac- téristiques pour le rotor et le miroir oscillant. 



  (3) Pour une facette du rotor dans un plan perpendiculaire à l'axe Z. 



    - (4) Données   mesurées au centre de l'axe de rotation du miroir oscillant. 



   TABLEAU II 
 EMI10.1 
 
<tb> 
<tb> Tailles <SEP> de <SEP> spot <SEP> appropriées <SEP> (en <SEP> valeur <SEP> efficace) <SEP> dans <SEP> le <SEP> plan
<tb> du <SEP> détecteur <SEP> (en <SEP> microns)
<tb> Repère <SEP> Champ <SEP> du <SEP> Angle <SEP> du <SEP> rotor <SEP> Rayonnement <SEP> monodétecteur <SEP> (mm) <SEP> (degrés) <SEP> chromatique <SEP> à <SEP> 9, <SEP> 3 <SEP> pm <SEP> 
<tb> A <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 32,5
<tb> B <SEP> ¯ <SEP> 1,875 <SEP> 0 <SEP> 37 <SEP> ; <SEP> 2 <SEP> 
<tb> C <SEP> + <SEP> 3,750 <SEP> 0 <SEP> 49,8
<tb> D <SEP> T <SEP> 3,750 <SEP> +9, <SEP> 46 <SEP> 45,5
<tb> E <SEP> + <SEP> 1, <SEP> 875 <SEP> +7, <SEP> 78 <SEP> 31, <SEP> 4 <SEP> 
<tb> F <SEP> 0 <SEP> #6,09 <SEP> 33, <SEP> 6
<tb> G <SEP> ¯1,875 <SEP> #4,40 <SEP> 42,2
<tb> H <SEP> :

   <SEP> t3, <SEP> 750 <SEP> +2, <SEP> 71 <SEP> 53, <SEP> 4 <SEP> 
<tb> I <SEP> #3,750 <SEP> #15,55 <SEP> 49,3
<tb> J <SEP> #1,875 <SEP> #13,87 <SEP> 28,5
<tb> K <SEP> 0 <SEP> #12,18 <SEP> 34,3
<tb> L <SEP> ¯1,875 <SEP> #10,49 <SEP> 47,8
<tb> M <SEP> ¯3,750 <SEP> #8,81 <SEP> 59,3
<tb> 

Claims (6)

EMI11.1

1 REVENDICATIONS 1. Système de détection de rayonnement infrarouge comprenant un système optique de formation d'image (25) destiné à recevoir un rayonnement provenant d'un champ (23) et à appliquer ce rayonnement à une surface image (16), un détecteur (26) ayant une surface de détection () formée par un ou plusieurs éléments détecteurs placés dans une enceinte formant un écran froid qui comporte une ouverture refroidie (13) qui limite l'angle d'acceptation du rayonnement par le détecteur (26), grâce à quoi le détecteur est limité par le bruit de fond, caractérisé en ce qu'il comporte un système de lentilles de transfert (24) entre la surface image (16) et le détecteur (26) destiné à transférer le rayonnement infrarouge entre eux et à focaliser le rayonnement transféré sur la surface de détection ()

du détecteur (26), et ce système de lentilles de transfert (24) est constitué par quatre lentilles (A, B, C, D) parmi lesquelles celle (D) des lentilles, qui est adjacente à la surface image (16) a une vergence négative tandis que les trois autres lentilles (A, B, C) ont des vergences positives, les vergences relatives des quatre lentilles (A, B, C, D) étant sélectionnées en relation avec la courbure de la surface image (16) pour donner une courbure de champ du rayonnement focalisé sur la surface de détection () qui coïncide avec la courbure physique de cette surface de détection (), et les dimensions axiales respectives de l'espace d'air (N, L) entre les deux lentilles (C, D) les plus proches de la surface image (16) et entre les deux lentilles (A, B) les plus proches de la surface de détection ()

étant notablement supérieures à celle de l'espace d'air restant (M) du système de lentilles de transfert (24), les dimensions axiales (L, M, N) étant sélectionnées de façon à placer la pupille formée par le système de lentilles de transfert (24) en coïncidence avec l'ouverture refroidie (13), la vergence globale du système de lentilles de transfert (24) étant sélectionnée de façon à dimension- <Desc/Clms Page number 12> ner la pupille formée par le système de lentilles de transfert (24) pour qu'elle corresponde à la dimension de l'ouverture refroidie (13), et la courbure des surfaces ré- EMI12.1 fringentes (1-8) des lentilles (A, B, C, D) étant sélectionnée de façon à donner de faibles aberrations de champ et de pupille.

2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'épaisseur centrale de chaque lentille (A, B, C, D) du système de lentilles de transfert (24) est faible, ce qui a pour effet de maximiser la transmission du rayonnement et de minimiser la quantité de matière utilisée pour les lentilles.

3. Système selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'espace d'air axial (M) entre les deux lentilles centrales (B, C) du système de lentilles de transfert (24) est pratiquement égal à zéro, ce qui donne un encombrement relativement faible au système de lentilles de transfert (24).

4. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chacune des surfaces réfringentes (1-8) des lentilles (A, B, C, D) est sphérique, pour que la fabrication de ces lentilles soit simple, du point de vue optique comme du point de vue mécanique.

5. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'on réalise des changements de courbure de champ par la sélection de l'épaisseur des lentilles individuelles (A, B, C, D) et/ou de la matière à partir de laquelle on fabrique les lentilles (A, B, C, D).

6. Système de détection de rayonnement infrarouge, substantiellement tel que décrit précédemment et illustré aux dessins annexés. p. pon de : Société dite : BARR & STROUD LIMITED Anvers le 4 novembre 1983. p. pon de : Bureau des Brevets et des Marques M. F. J. Bockstael S. A.