Brevet FR2141525A1 — publié le 19730126

La présente invention est relative à l'optique. Elle concerne plus particulièrement un objectif de prise de vue (ou de projection) utilisable dans le visible avec pupille d'entrée dans le plan focal objet. Les objectifs de prise de vue connus couramment, devant essentiellement répondre aux conditions de la suppression de la distorsion, ont leur pupille de sortie au voisinage du plan principal image, cette disposition facilitant la suppression de cette aberration; c'est-à-aire que cette pupille est à une distance du plan focal image pratiquement égale à la longueur focale du système. a conséquence, le rayon principal image a une direction dtinci- dence variable sur le plan image en fonction de l'angle de champ. Or, pour des raisons d'efficacité photoélectrique, il y a presque toujours avantage à éclairer les différents éléments d'un système de détection placé dans le plan image, sous incidence constante et, de préférence, normale, car la sensibilité est généralement très variable avec cette incidence ( à flux incident constant) et se trouve etre maximale lorsque cette incidence est normale. Une autre particularité assez gênante de presque tous les ob Jectifs de prise de vue est de fournir une image qui n'est de pleine lumière que pour une faible partie du champ. I1 y a ,selon le terme consacré, effet "d'oeil de chat". Dans certains objectifs, la surface image de pleine lumière n'atteint même pas le quart de la surface totale de l'image. n iaut d'autre part noter que pour la plupart des objectifs connus de distance focale supérieure à 100 mm ou de l'ordre de 100 mm avec diaphragme interne, le tirage image (distance séparant le dernier dioptre du plan focal image) est inférieur à la lon gtieur focale (de l'ordre de 0,7 à 0,8 fois cette dernière). Or,un tirage supérieur à la distance focale est souvent utile, notamment en dlectro-optique pour pouvoir interposer sur le trajet de la lu mièvre, entre objectif et son plan image, certains éléments ayant une action sur la lumière. De plus, dans des applications où lron travaille en lumière polarisée avec des sources lumineuses intenses, on peut craindre, lorsque les optiques utilisées comportent des éléments collés, la naissance de contraintes dans les matériaux optiques pouvant modifer l'état de polarisation de la lumière. Ce qui précède montre l'intérêt de disposer d'un objectif ayant les performances usuelles d'un objectif corrigé des aberrations d'ouverture et de champ, mais présentant de plus, simultanément, les caractéristiques suivantes - rayon principal image perpendiculaire au plan focal image quel que soit l'angle de champ. - absence totale de l'effet Hoeil de chat" - tirage supérieur à la distance focale, - grande distance focale, - image pouvant se former sur un récepteur photosensible plan, - objectif ne comportant pas d'éléments collés entre eux. La première caractéristique serait obtenue Si la pupille d'entrée était située dans le plan focal objet. On peut donc se demander si l'objectif désiré ne pourrait titre en fait, tout simplement, une optique relativement classique de type oculaire mais fonctionnant, bien entendu, avec un sens de traversée de la lumière inverse de celui utilisé lors du fonctionnement en oculaire et qu'on munirait d'une pupille-matérielle en son foyer objet. Un tel oculaire pourrait entre, par exemple, celui décrit dans le brevet américain NO 2 267 832. Les caractéristiques de cet oculaire sont données à un facteur près en fonction de sa distance focale. Le choix de l'unité de longueur semblerait permettre d'obtenir des optiques de n'importe quelle distance focale désirée, de 120 mm par exemple.Mais, dans le brevet cité il assagit avant tout d'un oculaire, donc d'une optique d'une faible distance focale, 10 mm par exemple. Fixer cette distance à 120 mm, conduirait à une optique très pesante, encombrante et difficilement réalisable et augmenterait par ailleurs les aberrations Jusqu'à les rendre intolérables pour un objectif. De plus, le tirage de cet oculaire serait toujours inférieur à la distance focale. I1 est à remarquer de plus que cet oculaire comporte un élément convergent constitué d'un triplet de lentilles collées,particularité qui peut etre gênante lorsque la lumière est polarisée et que les énergies des faisceaux sont assez importantes pour échauffer le verre et créer des contraintes mécaniques. L'objectif, selon la présente invention, permet d'éviter ces inconvénients. I1 est constitué de telle sorte que la pupille d'entrée soit extérieure à l'ensemble des lentilles constituant l'ob jectif et soit placée au foyer objet, les rayons principaux image sortant de ce fait normalement au plan image. Il comprend deux groupes de lentilles. Le premier groupe fournit la quasi totalité de la puissance de l'objectif et fixe l'ordre de grandeur de la distance focale supérieur à 50 mm . Il est constitué de lentilles d'épaisseur très faible par rapport à leur diamètre.Le deuxième groupe assure la suppression des aberrations introduites par le premier groupe, en particulier courbure de champ, chromatisme, astigmatisme. n est de plus dimensionné de manière à donner un grand tirage image à l'objectif, le portant jusqu'à 1, 2 fois la distance focale. De manière à alléger le poids des lentilles en réduisant le plus possible leur épaisseur, sans toutefois, réduire le tirage ,les deux groupes de lentilles sont séparés de manière que des épaisseurs d'air, remplacent partiellement les épais Beurs de verre relativement grandes par rapport à la distance focale dane les combinaisons du type oculaire.Les rayons de courbure des différents dioptres sont dimensionnés de telle sorte que l'incidence des rayons qui traversent l'objectif soit toujours infé rivure à 20 , l'état de polarisation ne risquant pas alors d'être modifié en fonction de l'inclinaison des rayons lumineux, perfornance obtenue tout en conservant un champ admissible de 306 et une ouverture utile de f/4 sans effet "d'oeil de chat".Par construction, l'objectif ne présente aucun élément collé ce qui évite l'apparition de contraintes dans le verre et de phénomènes de biré fringence par dissipation thermique Selon la présente invention, il est réalisé un objectif avec pupille d'entrée externe de longueur focale supérieure ou égale à 50 mm, comprenant dans l'ordre en se déplaçant, de l'espace image vers l'espace objet, une optique de convergence et une optique corectrice, caractérisé - en ce que optique de convergence est composé de deux élé ment s convergents taillés dans des matériaux ayant un nombre dlAbbe supérieur à 50 de puissances égales à 20 % près, la somme des puissances de ces deux éléments convergents étant égale à la puissance totale de l'objectif à 10 % près. - et en ce que l'optique correctrice comprend deux systèmes vers énumérés ci-après dans l'ordre en se déplaçant de l'espace image/ l'espace objet, à savoir - un premier système compose' de deux éléments, l'un divergent, l'autre convergent, réalisés avec des matériaux de coefficients dispersif s très différents, ayant des puissances voisines en valeur absolue, la somme de ces puissances étant de tordre du quart de la puissance totale de l'objectif. - un deuxième constitué d'une lentille limitée par deux surfaces sphériques concentriques, centrées sur le diaphragme d'entrée et présentant une épaisseur sur 11 axe, comprise entre 15 et 25 % de la distance focale de l'objectif, la distance de ladite lentille à l'optique de convergence étant de l'ordre de 0,5 fois la distance focale. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description du mode de réalisation suivant, donné à titre d'exemple et illustré par - la figure unique qui représente une section principale de l'objectif. - le tableau unique qui récapitule les caractéristiques et dimensions des éléments de cet objectif Sur la figure unique, F1 F2 représente l'axe optique de llob- jectif qui est de révolution autour de cet axe. P1 et P2 sont respectivement les foyers objet et image de cet objectif e P est un diaphragme qui constitue la pupille d'entrée de l'ob- jectif. Il est circulaire, centré sur h et situé dans le plan focal objet. L'objectif comprend une suite de lentilles en verre 11, 12 2 s 3 L4 , 15 séparées les unes des autres par des espaces d'air. Les différentes lentilles sont limitées par des dioptres sphériques numérotés de 1 à 10. Les caractéristiques des éléments constituant objectif sont indiquées dans le tableau, la distance focale de l'objectif étant prise comme unité de longueur - les rayons de courbure des différents dioptres sont désignés par la lettre R affectée d'un indice numérique de 1 à 10, l'ordre de numérotation étant celui indiqué de gauche à droite sur la fig.l. - les épaisseurs axiales des lentilles de verre sont désignées par la lettre e affectée du même indice que la lettre L désignant la lentille correspondante, - les épaisseurs d'air entre les lentilles de verre sont désignées par la lettre t affectée d'un indice croissant à partir de 1 quand on se déplace sur la fig.l de la gauche vers la droite. -t0 et t5 indiquent respectivement les tirages objet et image (distance du foyer au premier dioptre respectivement dans l'espace objet et dans l'espace image). D'autre part, dans ce tableau, n et # sont respectivement l'indice de réfraction par rapport à l'air pour la raie d et le "nombre d'Abbe" relatif à la dispersion, de chaque lentille. Dans ce mode de réalisation, la plus grande partie de la puissance totale de l'objectif est concentrée dans les lentilles B4 et L5 qui sont elles-memes de puissance presque égale. La lentille D4 est plan convexe tandis que l'autre est biconvexe. Les épaisseurs sur l'axe de ces lentilles sont de tordre de 6 à 7% de la distance focale de l'objectif tandis que l'épaisseur de la lentille d'air qui les sépare est de l'ordre de 1,5 % de cette distance focale. Les lentilles L4 et B5 ainsi constituées ne peuvent assurer à elles seules un tirage supérieur à la distance focale de l'objet tif; elles introduisent d'autre part des aberrations (en particulier de courbure de champ et de chromatisme). Pour remédier à ces deux inconvénients, l'objectif comporte une optique de correction dont le but est précisément d'augmenter le tirage et de réduire la courbure de champ et en mtme temps le chromatisme. L'augmentation du tirage et la réduction de la courbure de champ sont obtenus à l'aide de la lentille Il divergente à faces 1 et 2 concentriques, leur centre commun étant confondu avec le centre de la pumille d'entrée.La correction du chromatisme est obtenue essentiellement b l'aide du système des deux lentilles L2 et 13 géométriquement complOmentaires l'une de l'autre de manière à former grossièrement une lame à faces parallèles. La lentille T2 est du type ménisque convergent, maie sa courbure la rend très proche du type plan convexe. 'Lie est limite par les dioptres 3 et 4. La lentille 3 est plan concave. Le dioptre 5 de cette lentille a meme rayon de courbure que le dioptre 4 de la lentille 2. Les deux lentilles L2 et L3 sont constituées de verres ayant des coefficients de dispersion très différents, à savoir respectivement 44 et 30. De manière à éviter l'effet "d'oeil de chat" les lentilles ont des diamètres très importants de l'ordre de 0,6 fois la distance focale. D'autre part, les épaisseurs ont été choisies aussi minces que possible. Pour assurer le tirage souhaité les deux groupes de lentilles sont éloignés l'un de l'autre d'une distance de l'ordre de la moitié de la distance focale. Les caractéristiques exactes d'un objectif selon la présente invention sont résumées ci-après .Y sont joints des résultats de mesure du pouvoir de résolution de cet objectif. Caractéristiques: - longueur focale : 120,0 mm - tirage image : 132 mm - ouverture relative : f/4,5 au maximum -champ utile maximal -espace objet : + 110 -espace image : format 24 x 36 mm -tirage objet : 68 mm -encombrement total - distance pupille d'entrée au plan focal image : 260 mm -pouvoir de résolution - au voisinage de l'axe : 200 - à 80 de l'axe : 150 à 170 mm"l ( mires orientées dans n'importe quelle direction). - facteur de transmission des contrastes (objet à l'infini sur l'axe; source : lampe à filament de tungstène; détecteur : cellule solaire sensible entre 0,4 et 1 micron); - 45 % à 38 mm-1 de fréquence spatiale - 85 % à 19 mm-1 " Il " " (environ 1400 points de télé- vision) - 96 % à 9,5 mm-1 " " " Il (environ 700 points de télé- vision). - REVENDICATIONS 1.- Objectif avec pupille d'entrée externe de longueur focale supérieure ou égale à 50 mm, comprenant dans l'ordre en se dépla çant, de l'espace image vers l'espace objet, une optique de convergence et une optique correctrice, caractérisé - en ce que l'optique de convergence est composée de deux éléments convergents taillés dans des matériaux ayant un nombre d'Abbe supérieur à 50 de puissances égales à 20 % près ,la somme des puissances de ces deux éléments convergents étant égale à la puissance totale de l'objectif d 10 % près. - et en ce que optique correctrice comprend deux systèmes énuiérés ci-après dans l'ordre en se déplaçant de l'espace image à l'espace objet, à savoir - un premier système composé de deux éléments, l'un divergent, l'autre convergent, réalisés avec des matériaux de coefficients dispersifs très différents, ayant des puissances voisines en valeur absolue, la somme de ces puissances étant de l'ordre du quart de la puissance totale de l'objectif. - un deuxième constitué d'une lentille limitée par deux surfaces sphériques concentriques, centrées sur le diaphragme d'entrée et présentant une épaisseur sur l'axe, comprise entre 15 et 25 % de la distance focale de l'objectif, la distance de ladite lentille à l'optique de convergence étant de l'ordre de 0,5 fois la distance focale. 2.- Objectif selon la revendication 1, caractérisé - an ce que les éléments de convergence ont des épaisseurs, suivant leur axe, voisines de 6 % de la distance focale de l'objec- tif. 3.- Objectif selon la revendication 2, caractérisé - en ce que chaque élément de convergence comprend une seule lentille : la première lentille comptée dans le sens espace image espace objet est pratiquement équiconvexe et ses rayons de courbure sont compris entre 1,5 et trois fois la distance focale de ltobjectif, 1v seconde lentille est plan convexe, la face plane étant du côté espace objet et le rayon de courbure de l'autre face étant, 20 % près, égale à la distance focale de l'objectif - et en ce que les deux éléments de convergence sont constitués du mOrne matériau. 4,- Objectif selon la revendication 1, caractérise, - en ce que les deux éléments dudit premier système de correction sont réalisés avec des matériaux différents dont le rapport des coefficients de dispersion est voisin de 1,5 - et en ce que les deux éléments ont meme rayon de courbure en vis-à-vis au signe près et peuvent titre collés ou séparés par un intervalle d'air au plus égal au centième de la distance focale de l'objectif. 5.- Objectif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le coefficient de dispersion du deuxième système correcteur est supérieur ou égal à 60. 6.- Objectif selon la revendication 1, caractérisé - en ce que les rayons de courbure des surfaces sphériques de la lentille dudit deuxième système correcteur sont compris entre 0,3 et 0,7 fois la distance focale. 7.- Objectif selon la revendication 1, caractérisé - en ce que 11 espace d'air compris entre les sommets en visà-vis de l'optique de convergence et de l'optique correctrice est égal au dixième environ de la distance focale de l'objectif0 T A B L E A U DES VALEURS DE CONSTRUCTION POUR f = 1 000 e t R n # t0 = 0,5721 R1 = 0,5721 e1 = 0,0953 1,619 60 R2=-0,6675 t1 = 0,0263 R3=-9,54 e2 = 0,0906 1,605 44 R4 =-0,4014 t2 = 0,0048 R5 = -0,4014 e3 = 0,0477 1,721 30 R6 = # t3 = 0,0843 R7 = # e4 = 0,0668 1,617 55 R8 = -0,8858 t4 = 0,0143 R9 = +1,687 = 0,0572 1,617 55 R10=-2,703 t5 = 1,10