Brevet FR2456960A1 — publié le 19801212

La présente invention concerne un objectif catadioptrique à champ plan et grande ouverture et l'application dudit objectif dans un projecteur d'image notamment en couleur. Un objectif catadioptrique pouvant fonctionner à grande ouverture est l'objectif de Schmidt comportant un miroir concave et une lame correctrice de l'aberration sphérique dudit miroir placée dans la pupille de l'objectif. La lame correctrice présente une surface asphérique compliquée. L'un des inconvénients majeurs d'un tel objectif réside dans la difficulté de réalisation de cette surface asphérique. Un autre inconvénient est que le champ d'un tel objectif est courbe. Cet objectif a déjà reçu un certain nombre de perfectionnements indiqués, par exemple, dans l'article intitulé "Les systèmes catadioptriques Reosc à deux et trois éléments correcteurs" par André BAYLE et Jean ESPIARD, paru dans Revue d'Optique Théorique et Instrumentale 1966, NO 3, page 97 et suivantes. Selon cet article, la lame correctrice est remplacée par un ensemble de deux ou trois lentilles à dioptres sphériques d'une construction plus facile. Par ailleurs, le miroir concave est immergé, si bien que la courbure de champ est réduite mais n'est cependant pas nulle du fait que le rayon de la sphère osculatrice à la surface image a une valeur finie. Le but de l'invention est de fournir un objectif catadioptrique à aberration sphérique compensée, pouvu d'un champ plan et ne présentant pas d'aberration de coma et d'astigmatisme. Elle utilise un miroir concave immergé et utilise également comme correcteur d'aberration sphérique, des lentilles sphériques sous forme d'un triplet symétrique de puissance optique nulle. De manière que ce triplet n'introduise pas de lui-même des aberrations de coma et d'astigmatisme dans ltobjectif, le centre du triplet coïncide avec l'image du centre de courbure du miroir concave dans le dioptre plan de la masse immergente dudit miroir concave. Il s'ensuit, en effet, qu'un rayon principal passant par le centre de la pupille, (confondu avec ladite image du centre de courbure du miroir concave). passe par le centre du triplet correcteur et aboutit perpendiculairement au miroir concave.L'annulation de la courbure moyenne sphérique du champ image est obtenue, d'une part, au moyen d'une lentille plan convexe et, d'autre part, d'un dioptre sphérique résultant d'une face creuse taillée dans la masse immergente du miroir concave, la courbure de Petzval de l'ensemble des puissances de ladite lentille plan convexe, de la lentille d'air ainsi créée et du miroir concave étant sensiblement nulle en comparaison de la puissance du système. L'introduction de la lentille d'air pour annuler la courbure de champ présente l'inconvénient d'introduire, par elle-m & e, de fortes aberrations, de sphéricité, de coma et d'as- tigmatisme. Selon l'invention ces fortes aberrations sont corrigées en agissant sur la puissance des différentes lentilles du triplet afocal. L'aberration de sphéricité est corrigée par modification des puissances des éléments du triplet tout en conservant la cambrure de chaque élément, celle de coma par translation du triplet selon son axe et celle d'astigmatisme en agissant sur la puissance de l'élément central du triplet ou la cambrure des éléments externes. Plus particulièrement pour corriger cet astigmatisme la lentille centrale est nécessairement divergente et les lentilles externes convergentes. Selon l'invention les corrections d'aberration et de courbure de champ sont obtenues alors que le champ de l'objectif est immergé dans différents milieux, par exemple dans l'air, mais aussi dans une masse comportant comme milieux successifs, un verre et un liquide ou un verre et de l'air. Dans les deux derniers cas, l'objectif sert par exemple à la constitution d'un projecteur d'image de télévision en couleur.L'objectif présente, suivant son axe, dans la partie triplet, un orifice où vient se loger un tube image de télévision à écran plat, formé d'une couche luminescente disposée sur une fenêtre en un matériau transparent à la lumière, la couche luminescente colncidant avec le champ plat de l'objectif, ladite fenêtre pouvant être refroidie par un liquide, compte tenu de la forte élévation de température de la entre consécutive à la forte luminance de la couche. Selon l'invention et pour l'application précédente, de manière à être utilisée pour les trois couleurs fondamentales de la télévision, les éléments correcteurs et immergents de ltobjectif, sont construits dans des matériaux à forte constringence. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante de quelques modes de réalisation donnés à titre d'exemples, ladite description étant accompagnée de dessins qui représentent - Figure l : un mode de réalisation de l'objectif selon l'invention. - Figure 2 : une application de l'invention à un projecteur d'images de télévision. Sur la figure l est représenté, sous le repère numérique 11, l'axe de l'objectif catadioptrique selon l'invention. Son foyer est F. Le miroir catadioptrique est affecté du repère d8 son centre est 22. Il est immergé dans la masse de verre 13. Le champ image de l'objectif est plan. La trace de ce champ sur la figure est la portion de droite 14 de centre F. En l'absence d'élément correcteur, le champ du miroir concave et de sa masse immergente est courbe. La correction de la courbure de champ est obtenue au moyen de la lentille plan convexe 15 de face sphérique d10 et d'un dioptre sphérique résultant de la face creuse d9 taillée dans la masse immergente 13 du miroir concave d8.La puissance de la lentille 15, de la lentille d'air comprise entre les faces d10 et dg et du miroir concave immergé est telle que la courbure de Petzval de l'ensemble soit sensiblement nulle en comparaison de la puissance globale de ltobjectif. Ce système de correction de courbure de champ provoque, lui-mSme, dans l'objectif, une forte aberration sphérique, une forte coma et un astigmatisme important. Par ailleurs, le miroir concave présente une forte aberration sphérique. Selon l'invention, toutes ces aberrations sont corrigées à l'aide du triplet symétrique constitué des lentilles 18, 19, 20. Tout d'abord ce triplet est conçu de manière à corriger l'aberration sphérique du miroir immergé. Il est conçu également pour ne pas introduire par lui-même des aberrations de coma et d'astigmatisme dans l'objectif. Pour cela, il est afocal et, dans un premier stade de sa conception, son centre 21 coïncide avec I'image du centre 22 du miroir 'concave dans le dioptre plan d7 de la masse immergente dudit miroir, de telle sorte que tout rayon principal, tel que 23 issu de 21 qui est également le centre de la pupille de l'objectif, aboutisse après réfraction sur le dioptre d7 perpendiculairement au miroir concave. Par ailleurs, pour corriger l'aberration de sphéricité introduite dans l'objectif par la lentille 15 et la lentille d'air de faces d9 et d10, on joue sur la puissance des éléments du triplet en laissant la cambrure de chaque élément constante. La correction de l'aberration de coma introduite par ces mêmes lentilles est obtenue par translation du triplet selon son axe, tandis que l'aberration d'astigmatisme, également introduite par ces mêmes lentilles, est corrigée en agissant sur la puissance d'un des éléments du triplet (l'élément central par exemple) et la cambrure des éléments externes tout en laissant le triplet afocal. Pour que cette correction d'astigmatisme soit possible, il faut nécessairement que la lentille centrale du triplet soit divergente et les lentilles extrêmes convergentes. Sur la figure 2, l'objectif est utilisé à la constitution d'un projecteur d'images de télévision. Les lentilles 18, 19 et 20 du triplet présentent un orifice d'axe Il dans lequel est introduit un tube image de télévision de corps 24 et de fenotre d'écran image 25. L'écran 26 est déposé sur la face interne au tube de ladite fen8tre (dioptre 131. Pour la clarté du dessin l'écran est représenté séparé de la entre 25. Cet écran se trouve corncideravec le champ 14 de l'objectif, compte tenu de l'immersion de ce champ dans le milieu réfringent constitutif de la entre 25. Le faisceau optique 28 issu du foyer F de l'objectif montre le mécanisme de projection, de limage produite sur l'écran du tube, sur un écran situé à grande distance.Dans le cas ou l'écran du tube est à forte luminance, la fenêtre est refroidie par un liquide circulant entre la entre 25 et la lentille 15. La présence de ce liquide et son indice de réfraction sont pris en compte pour le calcul des différents éléments correcteurs de courbure de champ et d'aberrations. Les tableaux I et II indiquent les données de deux exemples de construction de l'objectif de l'invention utilisé dans l'application à un projecteur d'images décrite précédemment. Dans ces tableaux, les différents dioptres sont répertoriés successivement de d1 à d13, l'ordre adopté étant celui de la figure 2 et correspondant au sens dit positif de propagation de lumières inverse de celui indiqué pour le faisceau 28. Les valeurs numériques du tableau sont données pour une distance focale d'objectif f = 100 mm et un nombre d'ouverture f/0,75- Les rayons de courbure des dioptres figurant dans la deuxième colonne des tableaux sont positifs lorsque les dioptres sont convexes, eu égard au sens positif adopté pour la propagation de la lumière, et négatif dans le cas contraire. A partir du dioptre 8, le sens positif de propagation est inversé pour tenir compte de la réflexion sur le miroir. Dans les quatrième et cinquième colonnes sont donnés respectivement, d'une part1 l'épaisseur sur l'axe de l'objectif entre deux dioptres successifs et, d'autre part, les indices nd de réfraction pour la raie d'émission de l'hélium de longueru d'onde #= 5 876 et le coefficient de constringence (nombre d'Abbe) (nF indice pour > = 4 861 et nc indice pour ss = 6 563 ) du matériau constitutif de l'épaisseur. Le milieu en aval du dioptre d1 est l'air. Le tableau I et le tableau Il correspondent chacun à une fenêtre de sortie de tube respectivement non refroidie et refroidie par un liquide. Cette fenêtre est en matériau transparent dtin- dice 1,8. Il va sans dire que, selon l'invention, la correction d'aberration sphérique du miroir concave peut être obtenue par tout autre système que le triplet décrit précédemment et, qu'en particulier, ce système peut être une lame asphérique, dite de Schmidt, placée dans le plan du conjugué du centre du miroir par le dioptre plan de la masse immergente. - TABLEAU I DIOPTRE RAYON DE COURBURE EPAISSEUR MATERIAU (mm) (mm) nd 9 d1 + 953,0 --------------------------------- 15,4 1,516 64 d2 - 206,1 ------------------------------- --------------------------------- 8,3 AIR d3 - i65,o 6,9 1,516 64 d4 + 165,0 8,3 AIR d5 + 206,1 15,4 1,516 64 d6 - 953,0 d7 # 145,1 1,697 55 d8 - 339,4 (MIROIR) 142,1 1,697 55 d9 + 1-33,3 --------------------------------- 10,2 AIR d10 + 56,7 5,0 1,603 65 d11 # 3,2 AIR 1,2 1,8 AIR - TABLEAU II DIOPTRE RAYON DE COURBURE EPAISSEUR MATERIAU (mm) (mm) | nd d1 + 996,8 16,1 1,516 64 d2 - 215,6 8,6 AIR d3 - 172,6 7,2 1,516 64 d4 + 172,6 8,6 AIR d5 + 215,6 16,1 1,516 64 d6 - 996,8 d7 # 145,1 1,697 55 d8 - 339,4 (MIROIR) 142,1 1,697 55 d9 + 133,3 10,2 AIR d10 + 56,7 5,0 1,603 65 @,@ 1,@@3 @@ d11 # 4,9 liquide d'indice 1,55 d12 # 1,2 1,8 d13 # AIR REVENDICATIONS 1. Objectif optique catadioptrique du genre comportant un miroir concave immergé dans un matériau réfringent et un système dioptrique d'axe optique confondu avec celui du miroir concave et corrigeant l'aberration sphérique de ce dernier, caractérisé en ce qu'il comporte de plus un système correcteur de la courbure de champ du miroir concave d'axe optique confondu avec celui du miroir, constitué successivement, du champ de l'objectif vers le dioptre plan de la masse immergente du miroir, d'une lentille plan convexe en verre et d'une lentille d'air comprise entre le dioptre convexe de ladite lentille plan convexe et une face creuse taillée dans le dioptre plan de la masse immergente. 2. Objectif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système correcteur de l'aberration sphérique du miroir concave est une lame asphérique, dite de Schmidt, placée dans le plan du conjugué du centre du miroir par le dioptre plan de la masse immergente. 3. Objectif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système correcteur de l'aberration sphérique du miroir concave est un triplet afocal de lentilles sphériques dont le centre est sensiblement confondu avec l'image du centre de courbure du miroir concave dans le dioptre plan de la masse immergente, la lentille centrale étant divergente et les lentilles extrêmes convergentes. 4. Objectif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les aberrations de sphéricité, de coma et d'astigmatisme introduites par le système correcteur de la courbure de champ du miroir sont corrigées en agissant sur les éléments du triplet correcteur, à savoir, pour l'aberration de sphéricité, sur la puissance des éléments du triplet à cambrure constante, pour la coma, par translation du triplet suivant l'axe et pour l'astigmatisme en agissant sur la puissance de l'élément central et la cambrure des éléments externes. 5. Objectif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le champ est immergé dans un matériau réfringent d'indice supérieur à 1. 6. Objectif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la face dudit matériau réfringent opposée au champ est à son tour immergée dans un liquide. 7. Objectif selon les revendications 4 et 5, caractérisé en ce que ses caractéristiques répondent à celles du tableau I où d1 d13 à désignent la suite des dioptres des éléments rencontrés successivement par de la lumière se propageant du triplet vers le miroir concave, nd est l'indice de réfraction et la constringence des matériaux constitutifs des différentes épaisseurs rencontrées. 8. Objectif selon les revendications 4 et 6, caractérisé en ce que ses caractéristiques répondent à celles du tableau II où d1 ........... d13 désignent la suite des dioptres des éléments rencontrés sucessivement par de la lumière se propageant du triplet vers le miroir concave, nd est l'indice de~réfraction et 8 la constringence des matériaux constitutifs des différentes épaisseurs rencontrées. 9. Objectif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le système correcteur de l'aberration sphérique du miroir concave est percé d'un orifice centré sur l'axe optique de l'objectif, lequel est traversé par un tube image dont l'écran image coincide avec le champ de l'objectif.