Brevet FR2308942A1 — publié le 19761119

L'invention est relative à une structure optique correctrice destinée à être placée dans un ensemble optique comportant en amont et/ou en aval de la structure optique, suivant le sens de la lumière, un système optique. L'invention concerne plus particulièrement, mais non exclu- sivement, une structure optique correctrice pour un viseur d'appareil de prise de vues tel qu'une caméra, cette structure optique étant disposée entre un objectif disposé en amont de la structure, suivant le sens de la lumière, et un dispositif de transport d'image, tel qu'un oculaire, disposé en aval de la structure optique L'invention a pour but, surtout, de fournir une structure optique permettant de corriger la courbure de champ du système optique amont, ou du système optique aval, ou des deux systèmes optiques, tout en offrant une bonne précision de mise au pofrrt, compatible avec un bon rendement. Selon l'invention, la structure optique correctrice est caractérisée par le fait qu'elle comprend au moins une lentille et un faisceau de fibres optiques juxtaposées, parallèles à l'axe optique de la lentille, les fibres optiques étant accolées, à une extrémité, à une des faces de la lentille r les rayons de courbure des faces de cette lentille et ceux des faces d'extrémité du faisceau de fibres ainsi que les indices de réfraction de la lentille et des fibres étant déterminés, en fonction des caractéristiques du ou des systèmes optiques de l'ensemble de manière telle que les courbures de champ en amont et/ou en aval soient corrigées, et que l'image de la pupille amont donnée par la structure optique correctrice, soit confondue avec la pupille aval, dans des conditions telles qu'un rayon principal, qui passe par le centre des pupilles, traverse une fibre optique parallèle ment à l'axe de cette fibre. Généralement, une lentille est prévue à chaque extrémité du faisceau de fibres, et est accolée à ce faisceau. Lorsque les lentilles sont assimilables, pour le calcul, à des lentilles minces, les rayons de courbure des lentilles sont donnés en fonction de la courbure de champ C en amont et cr en aval, par les formules suivantes dans lesquelles rl = rayon de courbure de la face libre de la premièrelonHnt^ r2 =rayon de courbure de la face de la même lentille accolée au faisceau de fibres ;; r3 " rayon de courbure de la face de. la deuxième lentille accolée au faisceau de fibres r4 = rayon de courbure de la face libre de la deuxième lentille Po = distance de la pupille amont à la face amont du faisceau de fibres p'o = distance de la pupille aval à la face aval dw faisceau n1 = indice de réfraction de la première lentille , n2 = indice de réfraction des fibres de verre ;; n3 = indice de réfraction de la deuxième lentili ## = ############## 2 il ## = ####### ## = ############### oe r4 (n2 - n3 - 1) (n3-1) 1 n3 C' r3 1 Dans la plupart des cas pratiques, C et étant du mêm po signe, on peut réduire l'importance du terme 1 dans le calcul Po et même annuler ce terme si le demi-angle sous lequel an voit la face amont du faisceau de fibres depuis la pupille amont est in- férieur ou égal à un angle &alpha; caractéristique de la diffusion in- troduite par une fibre optique ; la définition de cet angle ractéristique a classique sera rappelée plus loin.L'ordre de grandeur de cet angle est 0,05 à 0,1 radian (+ 20 86 à + 50 73 > . 1 1 Il en est de même pour car C' et sont aussi géné p'o p'o ralement de même signe. L'ordre de grandeur du diamètre d'une fibre optique peut atteindre 7 microns; cette valeur numérique n'est absolument pas limitative et est à considérer comme un exemple. L'invention concerne également un ensemble optique, notamment un viseur de caméra ou d'appareil de prise de vues équipé d'une structure optique conforme à l'invention. L'invention consiste, mises à part les dispositions expo sées ci-dessus, en certaines autres dispositions dont il sera plus explicitement question ci-après à propos d'un mode de réalisation préféré décrit avec référence au dessin ci-annexé, mais qui n'est nullement limitatif. Les figures 1 à 4 sont des schémas destinés à illustrer des propriétés classiques des fibres optiques. La figure 5 montre une structure optique correctrice conforme à 1'invention disposée dans un ensemble optique constituant un viseur schématiquement représenté. La figure 6 illustre schématiquement un ensemble optique correspondant à un exemple numérique donné pour la structure optique. La figure 7 illustre schématiquement le cas d'une mise au point correcte avec le dispositif de l'invention. La figure 8 enfin, illustre schématiquement le cas où la mise au point n'est pas satisfaisante. il convient tout d'abord de rappeler quelques propriétés des fibres optiques. Sur la figure 1, on a représenté schématiquement, à grande échelle, une portion de fibre optique F. Cette fibre F se compose d'une enveloppe cylindrique e et d'une partie centrale c ayant des incides de réfraction différents. L'enveloppe e et la partie centrale c sont intimement liées l'une à l'autre, centrale nant un gradient d'indice dans cette zone de discontinuité, ce qui est la cause principale de la diffusion dont il seraquestKn ultérieurement. La partie centrale c a un indice de réfraction n2 supérieur à l'indice de réfraction de l'enveloppe e de telle sorte qu'un rayon lumineux entrant dans la fibre subit des réflexions totales sur la surface de séparation entre l'enveloppe e et la partie centrale c. Lorsque le faisceau incident V est parallèle à l'axe de la fibre optique, comme montré sur la figure 3, le faisceau V' qui sort de cette fibre optique est légèrement divergent, en raison dtune diffusion a introduite par la fibre optique. Toutefois, l'énergie lumineuse émergente reste concentrée dans un cercle g (figure 4) lorsque l'on coupe le faisceau émergent par un plan perpendiculaire à son axe. L'angle au sommet du faisceau divergent de sortie de la fibre est égal à 2a, l'angle a étant une caractéristique de la fibre optique. Cet angle a est de l'ordre de 0,05 à 0,1 radian, c'est-àdire de l'ordre de 20,86 à 5 ,730 Sur la figure 1, on a représenté un faisceau de rayons parallèles V tombant sur la face d'entrée de la fibre F en formant un angle G avec l'axe de la fibre0 Ce faisceau de rayons parallèles, après réflexions multiples dans la fibre optique, sort de cette fibre et est composé de rayons formant toujours un anglet avec l'axe de la fibre ; toutefois, le faisceau émergent V' n'est plus un faisceau parallèle mais un faisceau conique de demi-angle au sommet e . Ainsi, lorsque l'on coupe le faisceau émergent par un plan P perpendiculaire à l'axe de ce faisceau, l'énergie lumineuse dans le plan P est répartie suivant une courome circulaire d (fiv.2). L'énergie lumineuse est ainsi diffusée sur une plus grande surface et les systèmes optiques situés en aval de la fibre optique F recevront d'autant moins d'énergie lumineuse que l'angle O sera élevé. En se reportant à la figure 5, on peut voir une structure optique S correctrice conforme à l'invention. Cette structure optique S est destinée à corriger la courbure de champ soit en amont, soit en aval, soit des deux côtés de ladite structure optique, et , en outre, est destinée notamment dans les appareils tels que viseurs de caméras, d'appareils photographiques, endoscopes ou périscopes, à offrir une précision de mise au point supérieure à celle des dispositifs classiques tels que les dépolis, ou verre de champ à structure de microprismes. La structure optique S comprend au moins une lentille L (fig.5) et un faisceau b de fibres F juxtaposées, parallèles à l'axe optique de la lentille; les fibres optiques F sont acco lées, à une extrémité, à la face 2 de la lentille L. Les fibres F du faisceau b sont jointives, et la face d'extrémité 5 de ce faisceau F appliquée contre la face 2 de la lentille est limitée par une surface identique à celle de la face 2. Selon l'exemple représenté sur le dessin, la face 2 est convexe, tandis que la face 5 est concave. Suivant les cas, la face 2 pourrait être concave et la face 5 convexe. Généralement, une seconde lentille L' est prévue à l'autre extrémité du faisceau b et les fibres optiques F sont accolées à leur autre extrémité, contre la face 4 de la lentille L'. Dans l'exemple représenté, cette face 4 est egalement convexe et la face d'extrémité 6 du faisceau b, appliquée contre cette face 4 est concave. Cette structure optique S est destinée à être placée dans un ensemble optique tel qu'un viseur d'appareil de prises de vues. Généralement, cet ensemble optique comporte un systeme'op- tique O situé en amont de la structure S suivant le sens de la lumière et un système optique 0' situé en aval de la structure optique. Ces systemes optiques 0 et 0' ont été très schématiquement représentés ; le système O peut être constitué par un objectif, tandis que le système 0' est constitué par un appareil transport d'images tel qu'un oculaire derrière lequel un observateur vient placer son oeil E. Les systèmes 0 et 0' colportent de manière classique plusieurs lentilles. Le cas échéant, l'ensemble optique peut ne comporter qu'un systeme optique en amont ou en aval de la structure S. Les rayons de courbure rl, r2 des faces I et 2 de la lentille L, les rayons de courbure des faces 5 et 6 du faisceau de fibres b, et les rayons de courbure r3, r4 des faces 3 et 4 de la deuxieme lentille L', sont déterminés en fonction des caractéristiques des systèmes optiques 0, O' de manière telle que les courbures de champ C et C 'en amont et/ou en aval soient corrigées et que l'image de la pupille amont donnée par la structure optique correctrice soit confondue avec la pupille aval, dans des conditions tel les qu'un rayon principal,qui passe par le centre des pupilles, traverse une fibre optique parallèlement à l'axe de cette fibre. Les termes pupille amont et pupille aval doivent être coati pris de la manière suivante classique en optique - la pupille amont est la pupille de sortie du systèe optique amont O ; - la pupille aval est la pupille d'entrée du système optique aval 0' - Sur la fig.5, on a représenté schématiquement les pupilles 7 et 8 respectivement amont et aval. La distance algébrique de la pupille 7 à la face 5, suivant l'axe optique de l'ensemble optique, est égale à pO tandis que la distance de la pupille 8 à la face 6 est égale à p'O. On a schématiquement représenté un rayon principal passant par le centre de la pupille 7. Ce rayon forme un angle e avec l'axe optique et donc avec l'axe des fibres en tombant sur la face d'entrée 5 du faisceau b. En désignant par h la hauteur maximum des faces 5 et 6 du faisceau b, on peut noter que l'angle d'inclinaison maximum d'un faisceau lumineux incident tombant sur la face 5 et passant par la pupille 7 est égal à e avec tangente e = -h Po Lorsque les lentilles L, L' sont des lentilles minces, au sens optique (c'est-à-dire à épaisseur nulle), les rayons de courbure r1, r2, r3, r4, sont déterminés par les formules suivant tes dans lesquelles C et C' représentent les courbures de champ à corriger en amont et en aval, pO et p'O ayant été définis précédemment. n1 (n2-n1) C + I ## = ############### ## = ####### ## = ############### 1 1 = n3 C'+ p'o r n - n + 1 3 Ces formules sont obtenues en exprimant les deux conditions indiquées précédemment auxquelles doit satisfaire la structure optique de l'invention, à savoir - correction de la courbure de champ, - conjugaison des pupilles, cette conjugaison s'exprimant par le fait que l'image de la pupille amont 7 est confondue avec la pupille aval 8 dans des conditions telles qu'un rayon principal se trouve, au cours de la traversée des fibres optiques, paral lèle à l'axe de la fibre, comme représenté par le segment i sur la figure 5. Cette conjugaison des pupilles conduit au rendement lumi neux maximum puisque la diffusion produite par la fibre est alors minimum et qu'on évite ainsi l'effet de couronne, dont il a été question avec référence aux figures 1 et 2, lorsque l'objectif, dont la pupille de sortie est 7, se trouve diaphragmé. Lorsque l'angle ê d'inclinaison maximale du faisceau inci dent sur la face 5 est inférieur ou égal à l'angle a dont il a été question précédemment et qui est caractéristique de la diffu sion produite par la fibre optique, comme dans la plupart des cas pratiques C et 1 sont de même signe et de même pour C' et po 1 on peut réduire dans les formules précédentes l'importance p'o 1 1 des termes Po et p, et même annuler ces termes. On obtient ainsi des valeurs plus faibles pour les expres 1 1 sions , ..., ce qui correspond à des valeurs plus grandes r1 r2 pour r1, r2 .... Dans ces conditions, les flèches des lentilles a' réaliser sont plus faibles puisque les rayons de courbure sont plus grands, ce qui permet d'avoir un prix de revient plus avantageux. Les rayons de courbure des faces 5 et 6 du faisceau de fibres sont respectivement égaux aux rayons de courbure r2 et r4 des faces accolées des lentilles. Les fibres optiques F ont des sections transversales circulaires dont le diamètre est de l'ordre de 7 microns; cet exemple numérique n'est pas limitatif. La distance m (fig.5) entre les faces 5 et 6 du faisceau b, suivant l'axe optique, n'a pas d'influence pratique sur les qualités de la structure S au point de vue correction du système optique. Cette distance m peut donc être très variable et choisie en fonction de critères indépendants du problème de correction proprement dit; m peut être de l'ordre de quelques millimètres. Pour fixer les idées, on donne ci-après un exemple de réalisation de la structure S, avec des valeurs numériques n1 = 1,80 n2 = 1,82 n3 = 1,523 r1 = 36,336 mm r2 = -143,96 mm r3 = Il mm r4 = -61fi802 mm Ces rayons de courbure correspondent au cas de deux lentilles L, L' bi-convexes, comme représentées sur la figure 5. Les systèmes optiques 0, 0' associés à la structure optique dont les caractéristiques numériques ont été données précédemment, présentent eux-mêmes les caractéristiques suivantes C = zéro, c'est-à-dire que la courbure de champ du système optique O situé en amont de la structure optique S est nulle c'est là une caractéristique classique d'un bon objectif de prises de vues. p0 = -100 mm. C' = 1 mm-1 20 P'O = 78,21 mm. On a représenté schématiquement, sur la figure 6, les positions des pupilles associées respectivement aux faces 5 et 6 du faisceau de fibres b, dans le cas de cet exemple numérique. On a représenté en pointillé les sections, par un plan mé- ridien, des surfaces d'images intermédiaires, compte tenu des courbures de champ. C étant nuSe,limage donnée par l'objectif O est située dans un plan P1 représenté par une droite sur la figure 6 l'image du plan P1 à travers la lentille L doit se trouver sur la face d'entrée du faisceau de fibres b. En ce qui concerne l'oculaire 0', l'image intermédiaire observée à travers cet oculaire 0' se trouve généralement sur une surface sphérique P2 concave, dont la concavité est tournée dans le sens opposé à la lumière. L'image de cette surface P2 donnée par la lentille L' se trouve sur la face de sortie 6 du faisceau de fibres b. La position de la structure optique est fixée à la valeur appropriée de manière que la position de l'image donnée par l'objectif O et la lentille L soit exactement sur la face avant 5 du faisceau de fibres. La structure S et le faisceau de fibres b, fixes, servent de repère de position, comme le ferait un verre dépoli classique ; toutefois la structure optique de l'invention apporte une précision beaucoup plus grande avec une luminosité accrue. La conjugaison des pupilles 7 et 8 par rapport à la structure optique S est assurée dans les conditions expliquées ,pré- cédemment. Le réglage de la mise au point se fait par déplacement axial du système optique 0. Le réglage a une influence négligeable sur la conjugaison pupillaire. Sur la figure 7 on a représenté le cas d'une mise au point correcte pour laquelle l'image donnée par l'objectif amont et a lentille L est confondue avec la surface antérieure 5 du faisceau b de fibres optiques. Chaque fibre optique transporte une information de Sa en 6a. On retrouve limage nette avec tous ses détails sur la face postérieure 6 du faisceau b. Au contraire, dans le cas illustré sur la figure 8, où la mise au point n'est pas satisfaisante, l'image I donnée par l'objectif O et la lentille L se forme en avant de la face antérieure 5 du faisceau b. L'image que l'on retrouve sur la face postérieure 6 sera floue puisque l'énergie correspondant à un point de l'image se trouve répartie sur plusieurs fibres, sur la surface antérieure du faisceau. En déplaçant l'objectif 0 par rapport au faisceau b de fibres optiques fixe on trouvera une position de netteté maximum correspondant à la formation de l'image sur la surface 5 (cas de la figure 7). On peut indiquer que, dans la pratique, la précision avec laquelle la position de netteté maximum est obtenue, grâce au dispositif de l'invention, est de l'ordre de cinq fois supérieure à la précision obtenue avec un verre dépoli classique. Cette précision de mise au point se conserve, même dans le cas le plus défavorable où l'objectif est très diaphragmé, du fait qu'un rayon principal chemine dans une fibre optique parallèlement à l'axe de cette fibre. Il en résulte un avantage considérable pour la structure conforme à l'invention sur le dispositif connu de mise au point à l'aide de microprismes. La structure optique conforme à l'invention permet donc de corriger la courbure de champ, soit en amont, soit en aval, soit des deux côtés, et permet également d'obtenir une précision de mise au point excellente. REVENDICATIONS 1. Structure optique correctrice destinée à être placée dans un ensemble optique comportant en amont et/ou en aval de la structure optique, suivant le sens de la lumière, un système optique, caractérisée par le fait qu'elle comprend au moins une lentille et un faisceau de fibres optiques juxtaposées parallèles à l'axe optique de la lentille, les fibres optiques étant accolées, à une extrémité, à une des faces de la lentille, les rayons de courbure des faces de cette lentille et ceux des faces d'extrémité du faisceau de fibres ainsi que les indices de réfraction de la lentille et des fibres étant déterminés, en fonction des caractéristiques du ou des systèmes optiques de l'ensemble, de manière telle que les courbures de champ en amont et/ou en aval soient corrigées, et que l'image de la pupille amont donnée par la structure optique correctrice soit confondue avec la pupille aval dans des conditions telles qu'un rayon principal, passant par le centre des pupilles, traverse le faisceau de fibres optiques parallèlement à l'axe des fibres. 2. Structure optique selon la revendication 1, caractérisée par le fait qu'unie lentille est prévue à chaque extrémité du faisceau de fibres et est accolée à ce faisceau. 3. Structure optique selon la revendication 2, dans laquelle les lentilles accolées à chaque extrémité du faisceau de fibres sont assimilables, pour le calcul, à des lentilles minces, caractérisée par le fait que les rayons de courbure rl, r2 des faces de la lentille amont, r3, r4 des faces de la lentille aval vérifient les relations suivantes dans lesquelles C représente la courbure de champ en amont de la structure optique et C' la courbure de champ en aval, nl l'indice de réfraction de la lentille amont, n2 l'indice de réfraction des fibres et n3 l'indice de réfraction de la lentille aval, pO étant la distance de la pupille amont à la face amont du faisceau de fibres, tandis que p'O est la distance de la pupille aval à la face aval du faisceau de fi bres n1 (n2-n1) C + 1 1 po rl = (n2-n1-1) (n1-1) 1 = r2 n1 - n2 + 1 C'+ 1 1 n3 (n2 - n3) r4 (n2 - n3 - 1) (n3 - 1) ## = ######## 4.Structure optique selon la revendication 3 dans laquelle la courbure de champ C et le terme pO sont de même signe, et po dans laquelle le demi-angle sous lequel on voit la face amont du faisceau de fibres depuis la pupille amont est inférieur ou égal à un angle &alpha; caraçtéristiqoe de la diffusion introduite par une fibre optique, caractérisée par le fait que le terme en 1 a été diminué ou annulé dans la formule servant au calcul des rayons de courbure. 5. Structure optique selon l'une quelconque des revendica tions 3 et 4, dans laquelle la courbure de champ C' et le terme en p'1 sont de même signe, et dans laquelle le demi-angle sous o lequel on voit la face aval du faisceau de fibres depuis la pupille aval est inférieur ou égal à un angle o( caractéristi que de la diffusion introduite par une fibre optique, caractéri sée par le fait que l'importance du terme en l est réduite p'o ou annulée dans le calcul des rayons de courbure r3, r4. 6. Structure optique selon l'une quelconque des revendica tions précédentes, caractérisée par le fait que chaque fibre optique a un diamètre de l'ordre de sept microns. 7. Structure optique selon l'une quelconque des revendica tions précédentes, placée dans un ensemble optique comprenant en amont, suivant le sens de la lumière, un système optique constitué par un objectif dont la courbure de champ C est nulle et poùr lequel la distance pO est égale à -100 mm et comprenant, en aval de la structure optique, un dispositif de transport d'images tel qu'un oculaire, pour lequel la courbure de champ est 1 -1 C' = mm et la distance p'o est égale à 78,21 mm, carac 20 térisee par le fait que la structure optique est formée par deux lentilles bi-convexes accolées respectivement à chaque extrémité du faisceau de fibres juxtaposées, les faces de la lentille amont ayant respectivement pour rayon de courbure r1 = 36,336 mm, r2 2 -143,96 mm, tandis que les rayons de courbure des faces de la lentille aval ont les valeurs suivantes : r3 = Il mati, r4 = -61,802 mm, l'indice de réfraction de la lentille amont étant nl I 1,80, l'indice de réfraction des fibres étant n2 3 1,82, tandis que l'indice de réfraction de la lentille aval est n3 = 1,523. 8. Viseur d'appareil de prise de vues, notamment viseur de caméra, caractérisé par le fait qu'il comprend une structure optique conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 7. 9. Appareil optique tel que périscope, endoscope, caractérisé par le fait qu'il comporte une structure optique conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 7.