Brevet FR2008910A1 — publié le 19700130

La présente invention concerne les systèmes optiques servant à agrandir des images par projection et, plus spécialement, les systèmes optiques permettant à la fois une rotation de l'image projetée et une modification de son gran di ssetent. Les objectifs d'agrandissement sont souvent associés à un collimateur et à un prisme de Wollaston rotatif, qui permet une rotation de l'image par rapport & l'objet. L'objet et le collimateur travaillent chacun avec une conjuguée infinie, si bien que la lumière issue d'un point quelconque du plan objet forme un faisceau parallèle entre eux deux. Le prisme de Wollaston est intercalé sur ce faisceau pour introduire un dioptre réfléchissant dans le système optique. La rotation du prisme autour de l'axe optique fait tourner l'image par rapport à l'objet d'un angle double de l'angle de rotation du prisme. Ce prisme doit être assez grand pour couvrir le champ de l'objectif et c'est généralement l1élément le plus comateux du système optique. En outre, lorsqu'on utilise l'objectif d'agrandissement pour la copie de documents, il doit être d'une trC bonne qualité pour assurer le pouvoir résolvant nécessaire. On peut calculer de tels systèmes pour qu'ils aient la tres grande qualité optique requise, mais est difficile de maintenir cette qualité lorsque le système doit travailler a asplification variable. L'invention a essentiellement pour objet un système optique perfectionné, s- tiné notanment aux appareils de lecture et de reproduction de documents,perre~- tant de faire tourner l'image par rapport à l'objet et de faire zamier le gran- dissement dans un domaine de valeurs étendu. Le système optique suivant l'invention comprend un collimateur et un prisme de Wollaston associés à un jeu d'objectifs interchangeables à diaphragme extérieur, chacun formé de sept lentilles réparties en quatre groupes, qui soXL à partir de la grande distance conjuguée, un ménisque antérieur convergent, un doublet ménisque convergent, une lentille divergente biconcave et un triplet convergent contenant un espace d'air. Le doublet ménisque convergent comprend un verre antérieur biconvexe et un verre postérieur biconcave et le triplet est formé de deux verres biconvexes encadrant un verre biconcave, les deux premiers séparés du verre antérieur par un espace d'air.L'utilisation d'objectifs à diaphragme antérieur permet de placer le prisme au voisinage du diaphragme. Par conséquent, on peut diminuer les dimensions du prisme puisque l'ouverture est le plus petite au voisinage du diaphragme. Le système optique agrandit l'image par rapport à l'objet proportionnellement aux distances conjuguées. On peut donc faire varier l'amplification en dépla- çant le plan image par rapport au système optique dans un domaine de positions axiales comprenant le plan focal du collimateur et en déplaçant ensuite le système, avec une amplitude petite, pour mettre l'image au point. L'amplitude de ce second déplacement doit être suffisamment petite pour que le parallélisme des rayons lumineux transmis par le prisme ne soit pas détruit, ce qui limite l'intervalle des amplifications possibles avec un seul objectif. On peut étendre est intervalle par la substitution d'autres objectifs de distances focale différentes.Chacun de ces divers objectifs interchangeables pourrait être une version réduite à l'échelle de la même combinaison optique, mais on obtiendrait ainsi une ouverture qui dixèrerait de la mSme manière d'un objectif à un autre. Par conséquent, on utilise suivant l'invention des combinaisons optiques un peu différentes, de telle manière que les objectifs de plus petite distance focale soient un peu plus ouverts, ce qui permet d'ob- tenir une ouverture numérique constante pour la longue conjuguée. Au dessin annexé, donné seulement à titre d'exemple - la Fig. 1 est une coupe d'un système optique suivant l'invention, comprenant un collimateur, un prisme de Wollaston et un objectif, la grande distance conjuguée étant du côté gauche de la figure; - la Fig. 2 reproduit un ensemble de courbes relatives à l'objectif décrit à l'exemple 1, montrant la distribution de l'énergie du rayonnement lumineux traversant le système pour des demi-angles de champ égaux à 0 , 6 05', 9 05', 11 18', 13 30' et 14 56', pour une ouverture utile de f/3,2, et un grandissement de 20,3 ;; - les Fig. 3A et 3B reproduisent les courbes d'aberration du même objectif, à savoir les courbes d'aberration sphérique pour les raies C, D et F du spectre (courbes 3A) et les courbes d'astismatisme sagittal et tangentiel (courbes 3B), - la Fig. 4 reproduit un ensemble de courbes relatives à l'objectif décrit à l'exemple 2 montrant la distribution de l'enérgie du rayonnement lumineux traversant le système pour des demi-angles de champ égaux à 0 , 5 58', 8 55', 11 06', 13 15' et 14 40', pour une ouverture utile de f/2,0 et un grandissement de 33,1 ; - les Fig. 5A et 5B reproduisent les courbes d'aberration de ce même objeccif, à à savoir les courbes d'aberration sphérique pour les raies Ci D et F (courbes SA) et les courbes d'astigmatisme sagittal et tangentiel (courbes 5B). Le système optique suivant l'invention, représenté à la Fig. 1, forme dans le plan image I une image agrandie d'un objet situé dans le plan objet O et comprend un collimateur C et un prisme de Wollaston P en combinaison avec un objectif formé de quatre groupes I-IV, comprenant sept lentilles L1 & L7 Le composant n est un simple ménisque convergent, concave vers l'objet, c'est-à-dire vers la petite distance conjuguée de l'objectif. Le composant XI est un doublet ménisque convergent, concave vers l'objet et formé d'une len tille antérieure biconvexe et d'une lentille postérieure biconcave. Le composant III est une lentille divergente biconcave.Le composant IV est un triplet comprenant deux verres biconvexes encadrant un verre biconcave séparé de la lentille biconvexe antérieure par un espace d'air. Le collimateur, ayant une distance focale de 1228,69 mi, pouvant former un élément du système optique suivant l'invention, présente les caractéristiques suivantes. Elément nD 9 Rayons en mi Epaisseur en mi RCl= 513,9 C 1,516 64,1 TC = 6,22 RC2= 2696,0 Ce collimateur peut être placé à une distance du plan image comprise entre 859,0 ma et 1246,83 mi. Cette variation de la distance sur l'axe du plan image au plan focal du collimateur modifie le grandissement et la mise au point, mais on peut déplacer un peu l'ensemble du système optique par rapport au plan de l'objet pour rétablir la mise au point de l'image. Le prisme de Wollaston disposé entre l'objectif et le collimateur C peut être monté de manière a pouvoir tourner autour de l'axe optique de l'objectif et a pennettre ainsi une rotation de l'image par rapport & à l'objet.La lumière traversant le prisme et provenant d'un point quelconque du plan O objet est très sensiblement parallèle, puisque le plan de l'objet est très sensiblement le plan focal de l'objectif.Cette lumière parallèle est réfractée par la première face du prisme, totalement réfléchie sur la seconde face (la base) et réfrac- tée de nouveau sur la troisième face.La lumière sort du prisme en formant encore un faisceau parallèle qui traverse le collimateur et celui-ci forme une image du dit point objet dans le plan image I. Si on le désire, le collimateur et/ou l'objectif peuvent être montés de manière à tourner avec le prisme,puisque l'axe de rotation du prisme cotncide avec les axes optiques de l'objectif et du collimateur. Suivant un mode de réalisation représenté à la Fig. 1, le verre du prisme a un indice de réfraction de 1,72 pour la raie D et une constringence de 29,5. Le prisme a des angles de base de 450; sa base la plus longue mesure 97,5 mi; sa hauteur est de 34,0 mi et sa plus longue base est parallèle a l'axe optique de l'objectif, et est située 7,0 mm plus bas que celui-ci. Un rayon paraxial provenant de l'objectif, pénétrant dans le prisme 7mm au-dessus de la base en sort en un point situé a 19,1 mi au-dessus de cette base et atteint le collima tetit en un point situé 12,1 mi au-dessus de l'axe de celui-ci. Le collimateur et l'objectif sont montés coaxialement pour éviter une translation de l'image lorsqu'on fait tourner cclle-ci. C'est pourquoi l'axe de l'objectif est écarté par le prisme par rapport à l'axe optique du collimateur.Ce déplacement permet de réduire notablement la dimension du prisme et, par conséquent, de réduire le diamètre du collimateur, ce qui forme un ensemble ramassé, peu coûteux, avec une perte de qualité négligeable, Les aberrations produites par ce déplacement sont sans conséquence parce que le collimateur n'a qu'une faible vergence. Le tableau ci-après indique les données numériques d'un objectif utilisé dans l'invention, pour une distance focale de 100 mm. A ce tableau, les verres et les éléments sont numérotés en partant de la grande distance conjuguée, n est l'indice de réfraction pour la raie D, 9 est la constringence, R, T et S désignent respectivement les rayons de courbure des dioptres et les épaisseurs des verres et des espaces d'air. Eléments nn # Rayons en mm Epaisseurs et espaces d'air en mm R1 = 51 à 58 1 1 730 à 50 à 52 T1 = 8 à 12 1,760 R2 = 230 à 255 S1 = 9 à 2,1 R3 = 73 à 76 2 1,690 à 55 à 57 T2 = 10 à 12 1,700 R4 = 179 à -202 3 1,616 à 36 à 37 T3 = 3 à 4 1,617 R5 = 96 à 102 S2 = 3 à 5 26 = - 197 à - 203 4 1,680 à 30 à 32 T4 = 5 à 7 1,690 R7 = 35 à 40 S3 = 6 à 9 R8 = 342 à 363 5 1,730 & 50 à 52 T5 = 11 à 13 1,760 R9 =-51 à -53 S4 = 2 à 3 R10=-37 à -41 6 1,570 & 41 & 42 T6 = 5 à 6 1,580 R11= 36 à 60 7 1,770 à 44 à 45 T7 = 2 & 22 1,790 R12=-73 à -76 On décrit ci-après quatre modes de réalisation d'objectifs ayant une longueur focale de 100 mm, utilisables dans un système optique de projection suivant l'invention. EXEMPLE I. Eléments nD 9 Rayons en mi Epaiss-rs et espaces 1 1,73388 51,3 R1 = 51,133 T1 = 8,34 R2 = 232,014 S1 = 2,09 R3 = 74,098 2 1,69669 55,6 T2 = 10,34 R4 =-196,281 3 1,61644 36,6 T3 = 3,53 R5 = 99,117 S2 = 3,72 R6=-196,281 4 1,68873 31,1 T" r 5,99 = 35,958 S3 = 8,11 = 342,044 5 1,73388 51,3 Tr = 12,47 R9 = -51,498 S4 = 2,58 R10= -37,789 6 1,57489 41,3 TG = 5,53 R11 = 56,527 7 1,78574 44,0 T7 = 21,25 R12= -73,141 L'objectif de l'exemple 1 convient particulièrement pour être associé en prisme et au collimateur décrits précédemment, si on donne à cet objectif une longueur focale réelle de 43,05 mm, l'ouverture utile maximale étant de f/3,2 Le grandissement du système optique complet peut alors varier de 20,3 à 28,5, la grande distance conjuguée variant de 890,0 mm à 1229,66 mm et la petite dis tance conjuguée étant réglable pour la mise as point de 23,09 h 22,45 mm. Les courbes de la Fig. 2 montrent, de manière particulièrement nette, les performances de cet objectif, parce qu'elles résultent du tracé de centaines de rayons à travers le système optique à partir de sources ponctuelles, sous divers angles de champ. Les rayons tracés représentent les trois couleurs primaires. On mesure la qualité du système optique en comparant la fraction (por tés en centièmes, en ordonnées) du rayonnement lumineux provenant de chaque source ponctuelle formant une tache image dans le plan image avec la dimcnsion de cette tache (portée en abscisses, en microns) . Les courbes corres pondant à divers angles de champ permettent, de manière précise, de juger les qualités de l'objectif.On constate que la résolution est exceptionnellement bonne : par exemple, on voit sur la courbe que environ 85/100 des rayons lumineux dans un angle de champ de 140561 sont focalisés dans une tache ayant un diamètre de quinze microns, quand le grandissement est de 20,3. Plus précisément, au grandissement maximal, au centre de l'image, on sépare 112 lignes par millimètre, et on en sépare 62 vers les bords. Les courbes de la Fig. 3 montrent que le système optique de projection cc- prenant le collimateur et le prisme décrits ci-dessus avec l'objectif défini ci-dessus est bien corrigé de l'aberration de spéricité : pour la raie D, petite nberration est inférieure à 2/1000 de la longueur focale, et les champs sagittal ct tangentiel varient de moins de 4/1000 de la distance focale. La distorsion est inferieure à 3.10-4. D'une part, l'ensemble du système optique est très bien corrigé, comme le montrent les données ci-dessus et les courbes des Fig. 2 et 3, mais, d'autre part, l'objectif, considéré en lui-même, est aussi très bien corrigé.Le maximum de l'aberration sphérique de l'objectif seul est inférieur à 6.10-4 pour le raie D ; les champs sagittal et tangentiel varient de moins de 3/1000 de la distance focale de l'objectif et la distorsion est voisine de 1%. L'objectif suivant un deuxième mode de réalisation de l'invention correspond aux données numériques suivantes : EXEMPLE Il Eléments nD # Rayons en mm Epaisseurs et espaces en mm 1 1,73388 51,3 R1 = 55,893 T1 = 10,96 R2 = 248,344 = 2,04 R3 = 73,370 2 1,69669 55,6 T2 = 11,41 R4 = -179,767 3 1,61644 36,6 T3 = 3,89 R5 = 96,548 S2 = 4,00 R6 = -197,611 4 1,68873 31,1 T4 = 5,96 R7 = 38,304 S3 = 6,19 R8 = 353,611 5 1,73388 51,3 T5 = 11,96 R9 = -51,659 S4 = 2,33 R10 = -39,226 6 1,57489 41,3 T6 = 5,52 R11 = 57,789 7 1,78574 44,0 T7 = 2,09 R12 = -74,059 Avec cet objectif, construit de manière à avoir une distance focale réelle de 32,63 mi, le collimateur et le prisme déjà décrits, le grandissement du système optique complet peut varier de 26,9 à 37,6, la grande distance conjuguée variant de 861,0 'mn à 1229,66 mm, la petite distance conjugée variant, pour la mise au point, de 16,89 mm et 16,53 mm. Si on utilise le même collimateur et le même prisme avec un objectif calculé suivant la même formule, mais ayant une distance focale de 27,0 mm, le grandissement varie de 33,1 à 46,1 ; la grande distance conjuguée varie de 876,71 mm à 1246,83 mm, et la petite distance conjugée varie de 13,92 mm à 13,68 mm. Cet objectif convient puur obtenir une distance focale plus petite que les objectifs calculés suivant les données de l'exemple I. On modifie un peu la formule pour que l'ouverture relative maximale soit f/2,0. La Fig. 4 montre les courbes de distribution de l'énergie dans un système optique de projection comprenant un objectif calculé suivant l'exemple II. La signification de ces courbes est analogue : conne pour l'exemple I, on obtient une résolution exceptionnelle. Par exemple, on voit que environ 78/100 de la totalité des rayons lumineux faisant un angle de moins de 14 40' avec l'axe optique passent dans une tache ayant un diamètre de, quinze microns. Les courbes de la Fig. 5 montrent que l'objectif de l'exemple II est corrigé à un degré tel que l'aberration de sphéricité et les champs sagittal et tangentiel sont tous inférieurs a 3/1000 de la distance focale. La distorsion est inférieure à 8/1000. Comme l'objectif de l'exemple I, celui de l'exemple II est bien corrigé de toutes les aberrations, soit qu'on le considère tout seul, soit qu'on le considère en association avec le prisme et le collimateur.Quand on considère cet objectif tout seul, l'aberration sphérique pour la raie D est environ de 1/1000 de la distance focale ; les champs sagittal et tangentiel varient moins que 5.10-4 4 fois la distance focale t la distorsion est voisine de 8.10-4 Les exemples III et IV sont résumés par les tableaux suivants. EXEMPLE III Elénents n Rayons en 'mn Epaisseurs et espaces en mm R1 = 57,395 1 1,75300 50,6 T1 = 11,22 R2 = 254,260 S1 = 0,95 R3 = 75,109 2 1,69680 56,2 T2 = 11,68 = = -184,174 3 1,61700 36,6 TQ a 4,01 R5 = 98,900 S2 = 4,11 R6 = -202,348 4 1,68900 30,9 T4 = 6,10 R7 = 99,280 S3 = 7,81 R8 = 362,856 5 1,75300 50,6 T5 = 12,26 R9 = - 52,881 5 4 6 1,57500 41,4 R1o= - 40,267 T6 - 5,67 R11 = 59,298 7 1,77670 44,7 T7 = 21,39 R12 = -75,936 EXEMPLE IV Eléments nD # Rayons en mm Epaisseurs et esapces en'mn R1 = 52,530 1 1,75300 50,6 1 R2 = 238,351 S1 = R3 = 76,121 2 1,69680 56,2 T2 = 10,62 R4 = -201,642 3 1,61700 36,6 T3 = 3,65 R5 = 101,823 S2 = 4,39 R6 = -201,642 4 1,68900 30,9 T4 = 6,16 R7 = 36,941 S3 = 8,34 R8 = 351,382 5 1,75300 50,6 T5 = 12,82 R9 = -52,904 S4 = 2,65 R10 = -38,820 6 1,57500 41,4 T6 = 5,67 R11 = 58,072 7 1,776670 44,7 T7 = 21,84 R12 = -75,138 Le système optique suivant l'invention peut avantageusement être monté dans un appareil de lecture et de reproduction tel que décrit à la demande de brevet français déposée ce jour, au nom de la demanderesse et intitulée: "Nouveau dispositif de projection d'images". Cet appareil permet de monter un quelconque des objectifs décrits ci-dessus en alignement optique avec le collimateur, placé de l'autre côté du prisme. Le prisme et: le collimateur sont disposés pour pouvoir tourner autour de l'axe optique de l'objectif; tout le système optique peut se déplacer longitudinalement pour faire la mise au point quand on fait varier la grande distance conjugée par un dispositif comprenant un miroir mobile. Cet appareil déplace automatiquement l'objectif de manière à obtenir la meilleure mise au point quand on fait varier la grande distance conjugée en modifiant le plan image. Un tel dispositif peut être muni d'un moyen de réglage automatique de lticlairage de l'objet en fonction de l'objectif choisi dans la série des objectifs interchangeables. REVENDICATIONS. 1. Système optique d'agrandissement comprenant un objectif caractérisé en ce que l'objectif est formé à partir de la grande distance conjuguée, par un ménisque convergent, un doublet ménisque convergent, une lentille divergen te biconcave et un triplet convergent contenant un espace d'air, ayant la formule suivante, rapportée à une distance focale de 100 mm, dans laquelle nD est l'indice de réfraction pour la raie D et # est la constringence, R, T et S désignant les rayons, les épaisseurs et les espaces d'air en mm rencontrés dans le sens indiqué. Eléments nD # Rayons en mi Epaisseurs et espaces d'air en mm R1=51 à 58 1 1,730 à 50 à 52 T1=8 à 12 1,760 R2=230 à 255 S1=0,9 à 2,1 R3=73 à 76 2 1,690 à 55 à 57 T2=10 à 12 1,700 R4=-179 à -202 3 1,616 & 36 & 37 T3=3 à 4 1,617 R5 = 96 à 102 S2=3 à 5 R6=-197 à -203 4 1,680 à 30 à 32 T4=5 à 7 1,690 R7=35 à 40 S3=6 à 9 R8 = 342 à 363 5 1,730 à 50 à 52 T5 = 11 à 13 1,760 R9 = -51 à -53 S4 = 2 à 3 S4=2 à 3 R10=-37 à -41 6 1,570 à 41 ê 42 T6 Z 5 à 6 1,580 R11= 56 & 60 7 1,770 & 44 & 45 T7 = 2 à 22 1,790 R12=-73 à -76 2.Système optique conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que l'ob jectif, rapporté à une longueur focale de 100 mm, présente les valeurs numériques suivantes. Eléments nD 9 Rayons en mm Epaisseurs et espaces d'air en mm R1=51 1 1,734 51,3 T1 T1= 8,34 R2 = 232,0 S1=2 R3=74,10 2 1,697 55,6 T2 = 10,34 R4= - 196,3 3 1,616 36,6 T3 = 3,53 R5=99,12 S2=3 R6=-196,3 4 1,689 31,1 T4=5 R7=35,96 S3=8 R8=342,0 5 1,734 51,3 T5=12 R9=-51,50 S4=2 R10=-37,79 6 1,575 41,3 T6=5 R11=56,53 7 1,786 44,0 T7=21 R12= -73,14 3. Système optique conforme a la revendication 1, caractérisé en ce que l'ob- jectif, rapporté à une longueur focale de 100 mi, présente les valeurs numé- riques suivantes. Eléments nD # Rayons en mm Epaisseurs et espaces d'air en mm R1= 55,89 1 1,734 51,3 T1=10,96 R2=248,3 S1=2,04 R3=73,37 2 1,697 55,6 T2 11,41 R4=-179,8 3 1,616 36,6 T3=3,89 R5=96,55 S2=4,00 R6=-197,6 4 1,689 31,1 T4=5,96 R7=38,30 S3=6,19 R8=353,6 5 1,734 51,3 T5=11,96 R9=-51,66 S4=2,33 R10=-39,23 6 1,575 41,3 62 5,52 R11=57,79 7 1,786 44,0 T7=2,09 R12=-74,06 4. Système optique conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que l'objectif, rapporté à une longueur focale de 100 mi, présente les valeurs numériques suivantes. Eléments nD # Rayons en mm Epaisseurs et espaces d'air en mm R1=57,40 1 1,753 50,6 T1= 11,22 R2 254,3 0,95 R3 75,11 2 1,697 56,2 T2= 11,68 R4=-184,2 3 1,617 96,6 T3= 4,01 R5=98,90 S2=4,11 R6=-202,3 4 1,689 30,9 T4= 6,10 R7= 39,28 53= 7,81 R8n 362,9 5 1,753 50,6 T5= 12,26 R9=-52,88 S4=2,42 R10=-40,27 6 1,575 41,4 Tp 5,67 59,30 7 1,777 44,7 T7= 21,39 R12=-75,94 5. Système optique conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que I 'objectif, rapporté & une longueur focale de 100 mm, présente les valeurs numériques suivantes. Eléments n Rayons en mm Epaisseurs et espaces d'air en mm R1= 52,53 1 1,753 50,6 T1= 8,57 R2=238,4 81= 0,98 R3= 76,12 2 1,697 56,2 T2= 10,62 R4=-201,6 3 1,617 36,6 T3= 3,65 R5 101,8 S2=4,39 R6=-201,6 4 1,689 3O,9 T4= 6,16 R7= 36,94 53= 8,34 R8=351,4 5 1,753 50,6 T5 12,82 R9=-52,90 S4= 2,65 R10=-38,82 4 6 1,575 41,4 T6=5,67 R11= 58,07 7 1,777 44,7 T7=21,84 R12 =-75,14 6. Système optique conforme aux revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend, associés à l'objectif, un collimateur et un prisme de Wollaston rotatif.