Brevet FR2140473A1 — publié le 19730119

L'invention concerne un système optique catadioptrique ou; plus précisément, un système optique auquel est incorporé un objectif catadioptrique. Un objectif catadioptrique est un objectif comprenant une ou plusieurs surfaces réfléchissant la lumière, dites ciaprès "miroirs" destinées à participer à la formation d'une image dans un plan focal désiré. Un type bien connu d'objectifs de cette catégorie générale comprend un miroir primaire concave annulaire qui reçoit la lumière de l'objet et la réfléchit vers l'avant sur un miroir secondaire de plus petit diamètre disposé sur l'axe optique devant le miroir primaire, c'est-à-dire entre le miroir primaire et l'objet. Le miroir secondaire réfléchit le faisceau de formation de l'image vers l'arrière sur une zone réceptrice d'image située dans la région de l'ouverture centrale du miroir primaire ou derrière cette ouverture. Avec ce type connu d'objectif catadioptrique, on n'utilise pas la zone centrale du miroir secondaire, en raison du fait que le faisceau incident sur ce dernier après réflexion par le miroir primaire présente une section droite annulaire. Suivant l'invention, il est prévu un système optique comprenant un objectif catadioptrique qui comporte un miroir primaire concave annulaire et un miroir secondaire annulaire destiné à recevoir la lumière provenant du miroir primaire et à la réfléchir sur une zone réceptrice d'image disposée dans la région de l'ouverture centrale du miroir primaire, et un second moyen optique de formation d'image indépendant situé sur l'axe de l'objectif catadioptrique à l'intérieur de sa zone centrale définie par la périphérie interne du miroir secondaire et destiné à transmettre de la lumière à la même zone réceptrice d'image. En conséquence, suivant l'invention, la zone centrale inutilisée du miroir secondaire usuel est élimine et un second dispositif optique est incorporé à l'objectif catadioptrique sur le même axe optique. Les objectifs catadioptriques ont une large gamme d'applications possibles , ils sont utilisables d'une manière générale chaque fois qu'un champ angulaire relativement petit (ne dépassant pas 15 degrés environ) doit être couvert avec uné ouverture relativement grande, par exemple de l'ordre de F/1,O, surtout lorsqu'une courte longueur focale arrière est nécessaire. Ces applications comprennent les dispositifs de visée et de vision noc turne et peuvent comporter un fonctionnement avec des rayons infra-rouges. Les termes "lumière", "transparent à la lumière", "ré- fléchissant la lumière", etc.. tels qu'ils sont utilisés dans la présente description doivent être interprétés en conséquence. Lorsque l'objectif catadioptrique est utilisé dans un dispositif de visée, par exemple, le second moyen de formation d'image indépendant peut être constitué par un système d'injection de réticule. Dans ce cas, l'image de l'objet formée par l'objectif catadioptrique et l'image du réticule produite par le système d'injection de celui-ci peuvent être superposées dans la zone réceptrice d'image, qui peut être constituée, par exemple, par l'écran cathodique d'un tube d'intensification d'image. Dans d'autres applications de l'objectif catadioptrique le second moyen de formation d'image peut être constitué par un second objectif optique, et plus particulièrement par un téléobjectif inverse pour permettre l'observation de l'objet avec un grandissement différent de celui de l'objectif catadioptrique. Dans ce cas, l'ensemble du système peut comprende un diaphragme ou un moyen obturateur grâce auxquels, seul l'objectif catadioptrique et le téléobjectif inverse peut fonctionner à la fois. Le second moyen de formation d'image peut avoir au moins un composant lentille en commun avec l'objectif catadioptrique. Par exemple, l'objectif catadioptrique peut comprendre un composant lentille devant le miroir primaire, ce composant lentille servant à supporter le miroir secondaire sur sa face postérieure et faisant également partie du téléobjectif inverse. Un composant lentille antérieur faisant lui aussi partie du téléobjectif inverse peut également être prévu devant le composant lentille portant le miroir secondaire. En outre, l'objectif catadioptrique peut comprendre au moins un composant, pour faciliter la correction de l'astigmatisme et de la courbure de champ, entre le miroir secondaire et la zone réceptrice d'image, ce ou ces composants faisant également partie du second moyen de formation d'image. Dans le cadre de ces possibilités, on comprendra aisément que les termes "antérieur" et "postérieur" sont utilisés en considérant le sens de pénétration de la lumière dans l'objectif catadioptrique, c'est-à-dire en considérant que la lumière est incidente sur le miroir primaire à partir de l'avant. Des données numériques relatives à quatre exemples d'objectifs catadioptriques, représentés aux Fig. l à 7 des dessins annexés ainsi que des données numériques relatives à des exemples de téléobjectifs destinés à être utilisés en combinaison avec eux pour former un système optique catadioptrique suivant l'invention, sont reproduites dans les tableaux suivants où R1, R2 désignent les rayons de courbure des surfaces individuelles de l'objectif rangées suivant l'ordre dans lequel la lumière incidente vient les frapper, le signe plus indiquant que la surface est convexe vers l'avant et le signe moins qu'elle est concave vers l'avant ; D1 D2... désignent les épaisseurs axiales des composants lentille individuels ; et S1, S2 ... désignent les intervalles d'air axiaux entre les composants individuels.Les tableaux donnent également les numéros de référence des verres, ou les indices de réfraction moyens nd ainsi que les nombres d'Abbe V des matériaux utilisés pour les éléments lentille, les diamètre utiles des surfaces individuelles et, si cela convient dans le cas de l'objectif catadioptrique, les diamètres intérieurs des surfaces annulaires. Dans le cas de composants annulaires, l'épaisseur D11 D2 et les interva les d'air S1 et S2 indiqués dans les tableaux sont des valeurs nominales qui indiquent ce que les épaisseurs axiales et les intervalles d'air seraient si les surfaces concernées étaient complètes. Le tableau A de l'exemple 1 est relatif à un objectif catadioptrique comprenant un composant lentille antérieur unique (R1, R2) que la lumière vient tot d'abord frapper, un second composant lentille unique (R3, R4), un miroir primaire (R5) et un miroir secondaire (R6) qui reçoit la lumière réfléchie vers l'avant par le miroir primaire et qui la réfléchit à son tour vers l'ar rière en direction de la zone réceptrice d'image située dans le plan focal. EXEMPLE 1-TABLEAU A Objectif catadioptrique, Longueur focale 7,194 rayon épaisseur indice de Nombre Diamètre Diamètre in ou inter- réfraction d'Abbe utile terieur valle d'air V R1 + 12,207 8,00 3,60 D1 0,941 1,517 64,2 R2 # 8,00 3,60 S1 0,8137 R3 - 10,239 8,00 2,40 D2 0,345 1,517 64,2 R4 - 51,21 8,00 2,40 4,3504 R5 - 13,693 glace aluminisée 8,00 3,60 S3 3,5411 R6 # glace aluminisée 3,74 1,60 Le tableau B de l'exemple 1 concerne le cas où un té téléobjectif inverse est incorporé avec l'objectif catadioptrique du tableau A sur le même axe optique.Ce téléobjectif comprend six composants lentille simples (R1 à R12) EXEMPLE 1-TABLEAU B Téléobjectif inverse - longueur focale 2,00 Rayon Epaisseur ou Numéro de réfé- Diamètre utile intervalle d'air rence du verre R1 + 4,630 1,800 D1 0,2380 Schott SF4 R2 - 27,870 1,800 S 0,0490 R3 - 26,650 1,800 D2 0,1040 Schott BK7 R4 + 1,1620 1,800 S2 3,5440 R5 + 4,9360 2,100 D3 0,3820 Schott BK7 R6 - 2,1740 2,100 S3 0,0280 R7 - 6,8177 2,100 D4 0,1040 Schott SF4 R8 + 2,6602 2,100 S4 0,1721 Rg + 21,4100 2,100 D5 0,3350 Schott BK7 R10 - 2,3782 2,100 Su 0,0480 R11 + 1,9570 2,100 D6 0,3330 Schott BK7 R12 + 12,8890 2,100 L'objectif catadioptrique du tableau A a une longueur focale arrière, mesurée à partir du miroir secondaire, de 3,0625, tandis que le téléobjectif inverse du tableau B a une longueur focale arrière, mesurée à partir du sommet de la surface R12, de 3,7335. En conséquence, le téléobjectif inverse qui est habituellement constitué par un groupe antérieur divergent (R1 à R4) et par un groupe postérieur convergent (R5 à R12), largement espacé dudit groupe antérieur et disposé derrière celui-ci, est partiellement monté, à savoir par son groupe antérieur, à l'intérieur des ouvertures centrales du composant antérieur et du second composant de l'objectif catadioptrique. Toutefois, les deux objectifs n'ont aucun composant commun et ont été conçus de manière à assurer chacun une correction convenable des aberrations pour leurs champs angulaires et leurs ouvertures relatives respectifs. En conséquence, l'objectif catadioptrique est corrigé de manière à couvrir un champ semi-angulaire de + 4 degrés, avec une ouverture relative de F/0,89, tandis que le téléobjectif inverse est corrigé pour un champ semi-angulaire de t 15 degrés à une ouverture relative de F/2,0. Le système complet permet une observation alternée du même objet avec deux grandissements différents, et un diaphragme réglable est prévu, grâce à quoi un seul des objectifs peut fonctionner à la fois. Les matériaux utilisés permettent d'utiliser le systè o O me dans la région de la lumière visible, 5 000 A à 8 000 A, et l'objectif catadioptrique est remarquable par sa longueur totale extrêmement courte. En particulier, la zone réceptrice d'image, qui peut être constituée par l'écran cathodique d'un tube d'intensification d'image, est située dans un plan focal juste antérieur au sommet du miroir concave primaire. Le tableau C de l'exemple II concerne un objectif catadioptrique qui comprend un composant lentille antérieur simple (R1, R2) un second composant lentille simple (R3, R4), un miroir primaire (R5), un miroir secondaire (R6) formé sur la surface postérieure (R4) du second composant lentille, et trois composants lentille (R7 à R12) situés derrière le miroir secondaire en avant du plan image. EXEMPLE II-TABLEAU C Objectif catadioptrique - longueur focale 7,117 Rayon Epaisseur ou Numéro de ré- Diamètre Diamètre intervalle fértance du utile intérieur d'air verre R1 + 10,7100 8,200 D1 0,750 Schott BK7 R2 + 39,9100 8,200 S1 6,712 R3 - 7,4690 6,200 D2 0,250 Schott BK7 R4 - 72,0000 6,200 S2 3,049 R5 - 11,6200 glace alumi- 6,200 3,00 S3 3,049 nisée R6 - 72,0000 verre alumi- 2,960 1,48 S4 1,582 nisé R7 + 2,6300 2,200 D3 0,400 Schott SF4 R8 - 10,4400 2,200 S5 0,060 Rg - 8,1511 2,200 D4 0,100 Schott SP6 R10 + 2,6600 2,200 56 0,748 R11 + 2,2210 1,100 D5 0,125 Schott SF6 R12 + 46,5200 1,100 Le tableau D de l'exemple II concerne un téléobjectif inverse qui est disposé sur l'axe de l'objectif catadioptrique du tableau C et qui comprend neuf composants, à savoir huit composants simples (R1 à R16) et un composant doublet postérieur (R17 à R19) EXEMPLE II-TABLEAU D Téléobjectif inverse - longueur focale 2,00 Rayon Epaisseur ou Indice de Nombre Diamètre intervalle réfraction d'Abbe utile d'air V R1 + 10,7100 (8,20) D1 0,750 Schott BK7 R2 + 39,9100 (8,20) S1 0,505 R3 + 4,695 1,60 D2 0,280 1,755 27,6 R4 - 5,6077 1,60 S, 0,004 R5 - 5,176 1,60 D3 0,122 1,518 64,1 R6 + 1,065 1,60 S3 2,761 R7 # D4 0,500 1,519 60,4 R8 # 1,85 S4 0,125 Rg + 137,7 1,85 D5 0,389 1,518 64,1 R10 - 2,025 1,85 S5 0,082 R11 - 7,625 1,85 D6 0,100 1,755 27,6 R12 + 2,594 1,85 S6 0,118 R13 + 10,825 1,85 D7 0,473 1,518 64,1 R14 - 2,850 1,85 57 0,044 R15 + 2,0453 1,85 D8 0,539 1,518 64,1 R16 + 602,41 2,00 S8 0,471 R17 - 72,000 2,00 EXEMPLE II-TABLEAU D (suite) Téléobjectif inverse - longu ur focale 2,00 Rayon Epaisseur ou Indice de Nombre Diamètre intervalle réfraction d'Abbe utile d'air V Dg 0,200 1,518 64,1 R18 - 7,469 (6,20) D10 0,250 Schott BK7 R19 - 72,000 (6,20) L'objectif catadioptrique du tableau C a une longueur focale arrière de 0,061, le plan focal étant situé juste derrière le sommet de la surface R5 du miroir primaire. Cet objectif couvre un champ semi-angulaire de + 4 degrés avec une ouverture relative de F/0,89. Les composants de petit diamètre situés juste à l'avant du plan focal sont d'un intérêt particulier. Le doublet de lentilles (R 7d R10) a essentiellement pour fonction de corriger l'aberration sphérique primaire et l'astigmastique introduits par le miroir primaire et les composants de grand diamètre disposés devant lui. Le dernier composant (Rll, R12) est essentiellement une lentille aplatisseuse de champ.Grâce à la présence des surfaces R7 à R12, on dispose d'un degré de liberte-suffisant pour permettre une correction des aberrations poussée tout en permettant de donner à la surface postérieure (R4) du second composant une courbure qui lui permet de porter le miroir secondaire (R6). Le téléobjectif inverse du tableau D comprend le composant antérieur et le second composant (R1, R2 et R3, R4) de l'objectif catadioptrique, respectivement en tant que composant antérieur (R1, R2) et en tant qu'élément postérieur (R18, R19) du composant doublet postérieur dudit téléobjectif inverse. Les autres composants du téléobjectif inverse sont logés entre les deux composants en question de l'objectif catadioptrique. Toutefois, on peut également considérer que les composants de petit diamètre précités de l'objectif catadioptrique font également partie du téléobjectif inverse.En fait, la proximité relativement immédiate entre ces composants et le plan image, qui est la même pour le téléobjectif inverse et pour l'objectif catadioptrique a pour conséquence que ces composants n'ont que peu d'effet sur la focalisation des rayons pénétrant dans le téléobjectif inverse. Toutefois, la conception des composants effectifs-de ce dernier objectif, afin d'assurer une bonne correction des aberrations, tient bien entendu compte de la présence desdits composants de petit diamètre de l'objectif catadioptrique. I1 serait donc possible, avec un objectif comportant des composants disposés derrière le miroir secondaire et davantage espacés du plan image, d'utiliser ces composants comme partie essentielle effective du second moyen optique de formation d'image qui agit à travers la zone centrale de l'ob objectif catadioptrique. Le téléobjectif inverse du tableau D couvre un champ semi-angulaire de t 15 degrés avec une ouverture relative de F/1,0. Le système complet est prévu pour être utilisé dans la gamme de la lumière visible et, comme dans l'exemple I, un diaphragme est prévu de manière à permettre l'utilisation sélective des deux objectifs à raison d'un seul à la fois, afin de pouvoir observer le même objet avec des grandissements différents. En outre un mécanisme peut être prévu pour déplacer le miroir primaire et effectuer la mise au point de l'objectif catadioptrique. Grâce au'Les serrement" appréciable à l'arrière du composant antérieur, le mécanisme de mise au point peut être logé derrière le composant antérieur à l'intérieur de sa périphérie nominale extérieure. Le tableau E de exemple III concerne un objectif catadioptrique analogue dans ses grandes lignes à celui du tableau C, si ce ntest que le doublet de lentilles et la lentille aplatisseuse de champ situées derrière le miroir secondaire (R6) sont remplacés par un composant simple épais (R7, R8). EXEMPLE III-TABLEAU E Objectif catadioptrique - longueur focale 7,15 Rayon Epaisseur ou Indice de Nombre Diamètre Diamètre intervalle réfraction d'Abbe utile inté d'air V rieur R1 + 13,85 8,198 2,86 D1 1,07 1,569 56,13 R2 - 39,89 8,198 2,86 S1 5,298 R3 - 9,012 5,66 D2 0,232 1,699 30,07 R4 - 52,90 5,66 2,923 R5 - 12,65 glace aluminisée 5,64 2,73 S3 2,923 R6 - 52,90 verre aluminisé 2,84 1,28 s4 1,129 R7 + 3,005 1,88 D3 1,439 1,567 42,84 R8 - 128,8 1,88 S5 0,4347 R9 # 1,38 D4 0,080 17569 56,13 R10 # 1,38 Le tableau F de l'exemple III concerne un téléobjectif inverse incorporé sur l'axe optique de l'objectif catadioptrique du tableau E. Ce téléobjectif inverse comprend huit composants, à savoir sept composants simples (R1 à R14) et un composant doublet postérieur (R15 à R17) EXEMPLE III-TABLEAU F Téléobjectif inverse - longueur focale 2,000 Rayon Epaisseur ou Indice de Nombre Diamètre intervalle réfraction d'Abbe utile d'air V R1 + 4,265 1,40 D1 0,186 1,755 27,6 R2 - 7,0713 1,40 S1 0,201 R3 - 4,445 1,40 D2 0,100 1,517 64,2 R4 + 1,075 1,40 S2 2,517 R5 # 1,85 D3 0,500 1,519 60,4 R6 # 1,85 S3 0,125 R7 -25,75 1,85 D4 0,325 1,517 64,2 R8 - 1,992 1,85 S4 0,010 R9- 49,613 1,85 D5 0,100 1,755 27,6 R10 + 2,8055 1,85 S5 0,113 R11 + 8,28 1,85 D6 0,321 1,517 64,2 R12 - 2,9236 1,85 S6 0,010 R13 + 1,8107 1,85 D7 0,369 1,517 64,2 R14 + 7,053 1,85 S7 0,946 R15 - 5,6077 1,85 D8 0,200 1,699 30,1 R16 - 9,012 (5,66) D9 0,232 1,699 30,1 R17 - 52,90 (5,66) L'objectif catadioptrique du tableau E a une longueur focale arrière de 0,0312, le plan focal étant situé juste derrière le sommet de la surface (R5) du miroir primaire. L'objectif couvre un champ semi-angulaire de + 4 degrés avec une ouverture relative de F/0,89. Le doublet de lentilles correcteur d'astigmatisme de l'objectif du tableau C est remplacé par le composant simple épais (R7, R8) servant au même objet et contribuant en même temps à l'aplatissement du champ, de sorte que l'utilisation d'un composant séparé pour cette dernière fonction devient inutile.On prévoit à sa place une plaque transparente à la lumière disposée très près du plan focal. Le composant antérieur de l'objectif catadioptrique est annulaire de sorte que le téléobjectif inverse (Tableau F) peut le traverser, mais ce dernier objectif contient le second composant (R3, R4) de l'objectif catadioptrique en tant qu'élément postérieur (R16, R17) du composant doublet postérieur de ce téléobjectif inverse. L'ensemble du système est, comme précédemment, destiné à être utilisé dans la région de la lumière visible et comporte un diaphragme convenable et éventuellement aussi un mécanisme de mise au point. Ce dernier peut agir simultanément sur l'ensemble comprenant le miroir primaire, le second composant portant le miroir secondaire, et le composant épais situé derrière le miroir secondaire, de manière à permette la mise au point de l'objectif qui se trouve en service. Le téléobjectif inverse couvre un champ semi-angulaire de + 15 degrés avec une ouverture relative de F/2,0. Il est destiné à former une image dans la même zone de formation d'image que celle qui est associée à l'objectif catadioptrique. Ces deux objectifs ont une haute performance en ce qui concerne la correction des aberrations. Le tableau G de l'exemple IV concerne un objectif catadioptrique comprenant un miroir primaire concave annulaire (R1), un miroir secondaire annulaire (R2), et trois composants lentille (R3 à R8) entre le miroir secondaire et le plan focal. EXEMPLE IV-TABLEAU G Objectif catadioptrique - longueur focale 5,72 Rayon Epaisseur ou Référence nu- Diamètre Diamètre intervalle mérique du utile intérieur d'air verre R1 - 19,5100 glace alumi- 3,80 1,80 S1 3,9643 nisée R2 + 32,5863 glace alumi- 2,25 0,376 2,211 nisée R3 - 4,4028 1,081 D1 0,126 14RS-5 R4 + 8,2800 1,081 S3 0,002 R5 + 4,7536 1,081 D2 0,309 14RS-5 R6 - 9,0472 1,081 S4 0,526 R7 + 5,6900 1,081 D3 0,183 14RS-5 R8 + 538,1125 1,081 L'objectif catadioptrique du tableau G couvre un champ semi-angulaire de + 5 degrés avec une ouverture relative de F/1,43. I1 est destiné à des applications faisant usage de "lumière" infra-rouge, et présente une distance focale arrière de 1,0954, de sorte que le plan d'image est situé à environ 0,2 derrière le sommet du miroir primaire. La zone centrale inutilisée de l'objectif est de section droite plus petite que dans les exemples précédents, et elle sert à loger un second moyen de formation d'image comprenant un système d'injection de réticule, qui peut également fonctionner avec de la "lumière" infra-rouge. Le système d'injection de réticule est de conception classique et par conséquent, il ne sera pas décrit ici de façon détaillée. I1 est disposé de manière à projeter l'image d'un réticule sur la zone réceptrice d'image sensible aux infra-rouges de l'objectif catadioptrique, en tenant compte de la présence des lentilles R3 à R8 qui font partie de celui-ci.Dans ce quatrième exemple, le second moyen de formation d'image fonctionne généralement simultanément à l'objectif catadioptrique, de sor te qu'aucun diaphragme n'est nécessaire, mais un mécanisme de mise au point peut être prévu comme précédemment. I1 y a lieu de mentionner que les systèmes optiques des exemples I à III peuvent également comporter des moyens d'injection de réticule au lieu de téléobjectifs inverses, selon l'utilisation prévue des systèmes. Diverses variantes des exemples mentionnés ci-dessus sont possibles dans le cadre de l'invention et, en particulier, les mêmes constructions spécifiques peuvent être conservées dans leurs grandes lignes mais avec des modifications des valeurs paramétriques particulières pouvant atteindre + 20%. On peut obtenir de légères variantes en utilisant des verres différents ou d'autres matériaux transparents à la lumière à condition que les puissances des surfaces individuelles ne soient pas modifiées de plus de + 0,5/F et que les épaisseurs axiales des lentilles et les intervalles d'air axiaux ne soient pas modifiés de plus de 0,05F. Certaines surfaces asphériques peuvent être incluses si cela est désirable. REVENDICATIONS 1. Système optique comprenant un objectif catadioptrique qui comporte un miroir primaire concave annulaire et un miroir secondaire destiné à recevoir de la lumière du miroir primaire et à la réfléchir vers une zone réceptrice d'image disposée dans la région de l'ouverture centrale dudit miroir primaire, ledit système optique étant caractérisé en ce que le miroir secondaire est également de forme annulaire et en ce qu'un second moyen optique de formation d'image indépendant est disposé sur l'axe dudit objectif catadioptrique à l'intérieur de la zone centrale de celui-ci définie par la périphérie interne du miroir secondaire, pour transmettre de la lumière à la même zone réceptrice d'image. 2. Système optique suivant la revendication 1, carac térisé en ce que le second moyen de formation d'image a au moins une lentille en commun avec l'objectif catadioptrique. 3. Système optique suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le second moyen de formation d'image est un téléobjectif inverse. 4. Système optique suivant la revendication 3, carac térisé en ce qu'il comprend un dispositif du type obturateur ou diaphragme grâce auquel seul l'objectif catadioptrique ou le téléobjectif inverse peut être utilisé à la fois. 5. Système optique suivant l'une quelconque des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que l'objectif catadioptrique comprend une lentille disposée devant le miroir primaire et qui sert à supporter sur sa face arrière le miroir secondaire tout en faisant également partie du téléobjectif inverse. 6. Système optique suivant la revendication 5, carac térisé en ce que l'objectif catadioptrique comprend une lentille antérieure qui fait également partie du téléobjectif inverse et qui est disposée devant la lentille portant le miroir secondaire. 7. Système optique suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'objectif catadioptrique comprend au moins un composant destiné à participer à la correction de l'astigmatisme et de la courbure de champ et disposé entre le miroir secondaire et la zone réceptrice d'image, ce ou ces composants faisant également partie du second moyen de formation d'image.