Brevet FR2198158A1 — publié le 19740329

La présente invention se rapporte à un dispositif optique capable de projeter une image nette sur une rétine. Jusqu'à présent, quand on regardait un objet en plaçant l'oeil intérieurement au point focal d'une lentille convexe, l'image présentait un flou considérable, pour les raisons exposées ci-après. Pour éviter ce flou, il est indispensable que les rayons lumineux traversant la lentille soient concentrés sur le point de vision et qu'un faisceau lumineux parallèle à l'axe optique qui frappe la lentille, continue de se propager en parallèle, même après avoir traversé celle-ci. En conséquence, l'un des buts de la présente invention est de fournir un dispositif optique satisfaisant à ces deux exigences et qui permet de former une image nette sur la rétine. A cette fin,l'invention apporte un dispositif optique comprenant une multitude de micro-lentilles disposées de manière que les rayons lumineux qui les traversent se concentrent sur un point de vision, tandis qu'un faisceau lumineux qui frappe ce dispositif, parallèlement à son axe optique, continue sa marche sans changement de direction, même après avoir traversé celui-ci. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple nullement limitatif, en référence au dessin annexé, dans lequel: - la figure 1 est un diagramme montrant le trajet des rayons lumineux dans une lentille convexe de la technique antérieure; - la figure 2 est une coupe centrale à travers un dispositif optique composé d'un groupe de micro-lentilles du type galiléen disposées en parallèle; - la figure 3 est un diagramme montrant le trajet des rayons dans le cas où les axes optiques des différents micro-lentilles de la figure 2 sont parallèles; - la figure 4 est un diagramme analogue illustrant le cas où l'axe optique des micro-lentilles de la figure 2 est orienté radialement; - la figure 5 est un autre diagramme illustrant la même situation que la figure 4;; - la figure 6 est un diagramme illustrant la marche des rayons dans le cas où le dispositif optique de la présente invention comporte une lentille négative et où le point focal secondaire d'une lentille positive est amené à coïncider avec le point focal primaire de cette lentille négative; - la figure 7 est un diagramme illustrant la marche des rayons dans le cas où le dispositif optique de la présente invention comporte une lentille d'objectif associée au système optique de la figure 6; - la figure 8 est un diagramme illustrant la marche des rayons dans le cas où l'axe optique est parallèle dans un dispositif optique composé d'un groupe de micro-lentilles du type képlérien; - la figure 9 est un diagramme illustrant le cas où l'axe optique des différentes micro-lentilles de la figure 8 est disposé radialement;; - la figure 10 est un diagramme illustrant la même situation que la figure 9; - la figure 11 est un diagramme illustrant la marche des rayons dans le cas où l'espacement entre les lentilles d'objectifs et les lentilles d'oculaires a été corrigé dans un dispositif optique conforme à l'invention; - la figure 12 est une vue schématique illustrant l'utilisation de deux éléments optiques dont chacun se compose d'un groupe de micro-lentilles ayant des surfaces cylindriques; - la figure 13 est une vue schématique analogue à la figure 12 illustrant l'utilisation de quatre éléments optiques; - la figure 14 représente une coupe centrale d'une variante du dispositif optique de la présente invention et montre un diagramme illustrant sa direction sagittale; et, - la figure 15 est une coupe centrale d'une autre variante du dispositif optique de la présente invention et qui présente aussi un diagramme montrant sa direction sagittale. Les tableaux 1 et 2 ont été annexés au dessin pour une meilleure compréhension des particularités de l'invention. On sait que le pouvoir de grandissement d'un système optique est donné par le rapport entre les dimensions d'un objet et de son image. Ceci va être expliqué maintenant en considérant le cas d'une lentille convexe Quand un point de vision 0' est situé intérieurement au point focal d'une lentille convexe G, comme représenté sur la figure 1, on voit une image agrandie yl de objet Y. Dans ces conditions, si le diamètre de la pupille de l'oeil était très petit, l'image Y' qui est l'homologue de l'objet Y, serait très nette. Par contre, du fait que la pupille présente certaines dimensions, un faisceau lumineux parallèle frappant celle-ci converge vers un autre point focal F situé en avant de la lentille convexe G. C'est pour cette raison qutun objet qui correspond à un point image formé sur la rétine n'est pas ponctuel, mais se présente comme un cercle flou 1. Ceci est la raison pour laquelle l'image y' n'est pas nette. Pour que lobservateur voit une image nette il faut que les deux conditions suivantes soient remplies: (1) Les différents rayons lumineux dirigés vers un point O situé sur l'axe optique doivent converger au point de vision 0' après réfraction. (2) Un faisceau lumineux parallèle à l'axe optique qui frappe la lentille doit continuer à se propager dans cet état, même après avoir traversé celle-ci. En se référant à la figure 2, on voit, conformément à un premier mode de réalisation, qu'un grand nombre de minuscules lentilles positives (lentilles convexes) rl sont formées sur la face antérieure, tandis qu'un nombre correspondant de lentilles négatives (concaves) r2 sont formées sur la face arrière du dispositif optique. De plus, le point focal secondaire de chaque minuscule lentille positive rl est amené en coincidence avec le point focal primaire de la minuscule lentille négative correspondante r2 afin de former un groupe de minuscules lunettes de Galilée. Ainsi est réalise le corps du dispositif optique G1 de l'invention. Avec un dispositif optique G1 conforme à la présente invention, construit comme décrit ci-dessus, on suppose que le point d'un objet est 0, que le point de son image est 0', que l'angle suivant lequel un rayon lumineux incident coupe l'axe optique du dispositif de micro-lentilles est i, que son angle d'émergence est i' et que les distances entre le dispositif optique G1 d'une part3 le point objet 0 et le point image 0', d'autre part3 sont respectivement S et S', alors, en ce qui concerne les rayons paraxiaux, on a la relation suivante: S' = ## S En supposant que le facteur de grandissement du dispositif est i'/i = on peut écrire la relation suivante: S'- g (1) S'=# (1) Dans l'équation (1), lorssque S est donné, S' est déterminé.En conséquence, tous les rayons lumineux dirigés vers un point objet 0 sont focalisés sur le point image 0', remplissant ainsi la première condition précitée. Un faisceau lumineux de rayons parallèles qui frappe le dispositif optique G1 entre dans chaque micro-lentille suivant le même angle d'incidence, de sorte qu'il continue de cheminer sous la forme d'un faisceau lumineux parallèle après avoir traversé ces lentilles. Ainsi, la seconde condition énoncée plus haut est eatisfaite. L'équation (1) s'applique au cas où tous les axes optiques des microlentilles sont parallèles. Toutefois, dans ce cas, une partie de la lumière est interceptée par la partie circonférentielle du champ de vision, dans le cas d'un grand angle d'incidence, ce qui diminue la luminosité de l'image. C'est la raison pour laquelle l'axe optique respectif des micro-lentilles a été orienté, comme le montrent les figures 4 et 5 vers un point fixe c. Dans ces conditions, l'angle d'incidence i devient relativement petit et on évite la perte de luminosité due à la région circonférentielle. Ci-contre, on a supposé que le centre de l'jazz optique respectif des micro-lentilles est C, que le point d'objet est-P, que son point d'image est 0', que les distances entre le dispositif optique G1 d'une part, le point fixe C, le point objet 0 et le point image 0', d'autre part, sont respectivement R, S et S', que le point d'incidence est P, que l'angle d'incidence est i et que l'angle d'émergence est i'. La distance mesuree par rapport au dispositif optique G1 est considéree comme positive quand la direction d'un point donné, vu à partir du point de référence, est la même que la direction de marche des rayons lumineux.On mesure l'angle de manière à définir un angle aigu entre le rayon lumineux considéré et l'axe optique, et cet angle est considéré comme positif quand la direction de mesure tourne dans le sens des aiguilles d'une montre. Dans 8 CP0 et # CPO', on pose PO = q, PO' = q' et COCP = u. Alors la loi de Descartes donne #### = #### , ##### = #### sin i' (S' - R) q sin i (S - R) q' Avec des rayons paraxiaux : q = S, q' = S' on a ## = m = ####### S' - R rn(S - R) S' S m - 1 = m - 1 (m > 1) (2) S S' R D'autre part, l'équation de réfraction dans une surface sphérique simple s'écrit : n/s - n'/s' = #### S S' R On voit aisément que l'équation (2) est identique à l'équation de réfraction dans une surface sphérique simple dans le cas où n = m et où n' = 1. En conséquence, la longueur focale primaire f est f = ### (3) et la longueur focale secondaire f' est R (4) 1 - m Lorsque le dispositif optique G1 conforme à l'invention est réalisé de façon à être négatif et qu'on amène le point focal secondaire d'un dispositif positif G2 en coïncidence avec le point focal primaire de ce lui-ci3 les conditions précédentes sont satisfaites. Ceci va être expliqué en se référant à la figure 6. Sur cette figure, le pouvoir de grandissement, c'est-à-dire la puissance des micro-lentilles du dispositif G1, est représentée par me, la longueur focale du dispositif G2 par f0 (f0 > 0), la longueur focale du dispositif C1 par fe (fe M = ####### ##### = -fo #### f = me o = ## Or, en supposant que le diamètre de la pupille d'entrés est D et que ce o lui de la pupille de sortie est De, on peut écrire: D M = me ## De plus, dans le cas où, comme représenté sur la figure 7, on utilise un dispositif optique G2' conforme à la présente invention pour former une partie de l'objectif, on a:: f M = -m0 me ## ou M = m0 me ## Etant donné d'autre part que le pouvoir de grandissement d'un télescope classique est: f D M = - ou M = o f D e e on voit que la puissance d'un télescope utilisant un dispositif optique conforme à la présente invention peut être considérablement augmentée, comparative ment à un télescope classique dont le tube a la même longueur. Alors que précédemment on a décrit plusieurs modes de réalisation de l'invention dans lesquels le dispositif optique G1 est formé d'un groupe de microlentilles du type galiléen, on va décrire maintenant un autre mode de réalisation utilisant un dispositif optique G3 formé d'un groupe de micro-lentilles du type képlérien, où le second point focal des micro-lentilles positives (lentilles convexes) est amené en coRncidence avec le point focal primaire de microlentilles positives correspondantes (lentilles convexes). Dans ce cas, les trajets optiques représentés sur les figures 3, 4 et 5 pour le premier mode de réalisation sont modifiés comme le montrent les figures 8, 9 et 10. Sur la figure 8, des rayons émanant d'un objet Y forment une image réelle Y' de mêmes dimensions grâce au dispositif optique G3. Sur les figures 9 et 10, on obtient, comme dans le cas d'une optique de Galilée l'équation suivante: m 1 m-l - - - # (m ( S S' R Dans ce qui précède, on a supposé pour la commodité de l'exposé que les points focaux d'objectifs et d'oculaires des micro-lentilles coincident, de sorte que les points focaux sont rejetés à l'infini. Toutefois, en toute rigueur, l'espacement entre les points focaux d'objectifs et d'oculaires doit être légèrement corrigé, dans la pratique en fonction des distances séparant le point objet et le point image. Sur la figure 11, les notations utilisées ont les significations suivantes: fl, f2 Longueurs focales des lentilles d'objectifs et d'oculaires. H1, H1, Principaux points des lentilles d'objectifs. H23 H2, Principaux points des lentilles d'oculaires. O , O' Points objet et point image. U , U' Angles que les rayons lumineux émanant du point objet O et passant par le point image O' forment avec l'axe optique. S1' S1' Distances du point objet et du point image par rapport à la lentille d'objectif. S2, S2' Distances séparant le point objet et le point image de la lentille d'oculaire, Ainsi, la hauteur d'incidence hl d'un rayon lumineux devient hl/m quand celui-ci émerge. On a donc: U mS2 U' S1 Entre le point d'intersection des rayons incidents et du prolongement des rayons émergents, on trace une perpendiculaire et on marque le point de celle-ci situé sur l'axe optique C', puis on trace C'O = 1 et C'O' = 1', comme représenté. On a alors: ## = ## = #### et puisque : l - l' = S1 - S2' ######## = #### l= ##### - ### H1C' = S1 - l = S1 - ######### (m - 1) 1) m S2' - S1 m - 1 ############# et en posant: H1C' = R, m - 1 = m - 1 (5) S1 S2 R Cette équation est équivalente à l'équation (2). Ainsi a été démontré qu'une micro-lentille a la même action de formation dtimage qu'une surface sphérique et que le centre optique C' et le centre sphérique C des micro-lentilles coïncident. La distance entre les principaux points # devient: # = H1'H2 = S1' - S2 1-1 (6) 1+1 1-1 S1+f1 S2'-f2 Le dispositif optique de la présente invention qui comporte un certain nombre de lentilles3 à moins d'aberrations que stil n'en avait qu'une seuleLe tableau 1 concerne un exemple d'un dispositif optique ne comportant qu'une seule lentille, tandis que le tableau 2 se rapporte à un dispositif analogue comportant deux lentilles. I1 ressort clairement de l'examen de ces tableaux que le mode de réalisation à deux lentilles présente moins d'aberration sphérique et de coma. Avec des matériaux ayant des facteurs de dispersion différents, l'aberration chromatique pourrait aussi être réduite.De plus, un diaphragme pourrait être interposé dans la lame d'air séparant les deux lentilles pour éviter les interférences entre les micro-lentilles voisines dans le cas de rayons lumineux obliques. Pour des dispositifs optiques utilisés dans la présente invention, on pourrait également adopter des lentilles ayant des surfaces cylindriques au lieu de lentilles sphériques. Plus précisément, étant donné que deux lentilles cylindriques orthogonales ont un pouvoir de réfraction dans le plan vertical pour l'une des lentilles et dans le plan horizontal pour l'autre, on voit qu'elles réalisent la mème fonction qu'une lentille sphérique. Les figures 12 et 13 montrent des exemples de dispositifs optiques composés respectivement de deux et de quatre ensembles de lentilles cylindriques. Ils sont analogues à ceux utilisant des lentilles sphériques, en ce qu'il est possible de disposer en parallèle tous les axes optiques des différentes micro-lentilles et de les disposer radialement en les orientant vers un centre situé sur une droite de base.De -plus, si on enlève 1ensemble de lentilles cylindriques disposées horizontalement et verticalement, l'ensemble réalise la fonction d'une lentille cylindrique. Lorsque les longueurs focales des deux ensembles sont choisies différentes, on obtient la même fonction que celle d'une lentille torique. De plus, lorsqu'on fait varier en continu les longueurs focales de la partie centrale et de la partie circonférentielle, on obtient une lentille multifocale. Les dispositifs qui, malgré qu'ils sont formés de micro-lentilles du type de Galilée ou de Képler dans leur partie centrale, mais qui ont la forme d'anneaux circulaires comme sur la figure 14 ou bien celle d'anneaux sphériques, comme sur la figure 15, constituent aussi des variantes possibles du dispositif optique de la présente invention. Le premier dispositif peut constituer une lentille de condensation qui rassemble les rayons émanant d'une source lumineuse, tandis que le second peut servir de lentilles pour l'éclairage ou pour des lampes de signalisation qui diffusent des rayons lumineux sur toute la périphérie, en ne les condensant que dans le plan central. Etant donné que, comme il a été expliqué ci-dessus, la présente invention produit un dispositif optique comprenant un groupe de micro-lentilles du type galiléen ou képlérien, des images nettes peuvent être projetées sur la rétine. Avec un tube de longueur réduite, on peut réaliser des télescopes ayant un agrandissement remarquable. Un télescope, ne nécessitant pas de prisme de redressement peut aussi être réalisé. Enfin, il est possible de construire toutes sortes de systèmes optiques en combinant plusieurs dispositifs et aussi de fabriquer des dispositifs optiques ou des lentilles de grande surface. REVENDICATIONS 1.- Dispositif optique dans lequel des rayons lumineux dirigés vers un point situé sur l'axe optique de celui-ci sont concentrés sur un point de vision après réfraction et où un faisceau lumineux parallèle à l'axe optique du dispositif, qui frappe ce dispositif, continue de cheminer en parallèle vers l'axe optique, même après avoir traversé ledit dispositif, caractérisé en ce qu'il se compose d'un groupe de micro-lentilles. 2.- Dispositif optique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il se compose d'un groupe de micro-lentilles du type de Galilée comprenant un certain nombre de minuscules surfaces positives ou convexes formées sur la face antérieure, tandis que de minuscules surfaces négatives ou concaves correspondant à ces minuscules surfaces positives sont formées sur la face arrière, le second point focal de chacune desdites minuscules surfaces positives est amené en coincidence avec le point focal primaire de la minuscule surface néga tive correspondante. 3.- Dispositif optique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il se compose d'un groupe de micro-lentilles du type de Képler comprenant un certain nombre de minuscules surfaces positives ou convexes formées sur sa face antérieure et un nombre correspondant de minuscules surfaces positives ou convexes formées sur sa face arrière, le point focal secondaire de chacune desdites minuscules surfaces positivea de la face antérieure étant amené en coinci- dence avec le point focal primaire de la minuscule surface positive correspondante de la face arrière, 4.- Dispositif optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'espacement entre les points focaux des lentilles d'objectifs et d'oculaires est corrigé en fonction des distances séparant les points objet et les points image. 5.- Dispositif optique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un certain nombre d'éléments optiques comportant chacun un certain nombre de minuscules surfaces cylindriques qui se coupent à angle droit. 6.- Dispositif optique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il se compose de micro-lentilles du type galiléen ou képlérien qui, dans leur partie centrale, ont la forme de bandes annulaires dans la direction sagittale. 7.- Dispositif optique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il se compose de micro-lentilles du type galiléen ou képlérien qui, en coupe, ont la forme d'anneaux circulaires ou sphériques dans la direction sagitalle.