Brevet FR2459985A1 — publié le 19810116

La présente invention concerne un relais optique utilise pour transférer une image d'un point à un autre sur un axe optique. Les relais optiques connus actuellement ont des formes très diverses pouvant par exemple aller de la lentille simple servant de loupe aux systèmes redresseurs complexes entrant dans la constitution des lunettes terrestres ou des périscopes. Ces relais optiques sont parfois composés de systèmes optiques épais. Dans les cas les plus simples, il sont formés d'une loupe de Stanhope ou d'un système afocal épais et sont par exemple utilisés dans certains types d'endos- copes ou dans certains viseurs destinés à la surveillance. Mais en général, ils sont composés de plusieurs systèmes optiques épais disposés à la suite les uns des autres et comportent des éléments déviateurs à faces extrêmes parallèles, perpendiculaires ou faisant entre elles un angle quelconque, ces éléments dévia- teurs étant prévus pour briser l'axe optique général et lui permettre de s'éten- dre aussi bien dans un plan que dans l'espace. L'utilisation d'éléments déviateurs suppose toutefois qu'entre chaque système optique épais les faisceaux soient rejetés à l'infini (ou sensiblement) afin d'éviter la déformation des images. Or, lorsque cette condition est réalisée, la qualité de l'image transférée est affectée. La présente invention se propose de remédier à cet inconvénient et, pour ce faire, elle a pour objet un relais optique qui se caractérise en ce qu'il comprend au moins un système optique composé d'au moins deux éléments optiques épais dont l'un est convergent et l'autre divergent, l'indice, l'épaisseur et les rayons de courbure des éléments optiques étant choisis pour que les faces extrêmes du système optique formé par ceux-ci soient conjuguées. Ainsi, lorsque le relais comporte des systèmes optiques épais dont les faces extrêmes sont con- juguées, on n'a plus a rejeter les faisceaux à l'infini entre chaque système épais, ce qui permet à l'image transférée d'avoir une meilleure qualité. Selon différents modes de réalisation conformes à l'invention, les 6lé- ments optiques d'un même système optique peuvent être ou non collés. Plus préci- sément, lorsque ces éléments sont collés, leurs surfaces de collage ont le meme rayon de courbure. Par contre, lorsqu'ils sont séparés par de l'air, leurs sur- faces en regard ont des rayons de courbure voisins. Conformément à l'invention, il est par ailleurs avantageux que les in- dices de réfraction de deux éléments optiques successifs d'un même système aient des valeurs différant d'au moins 0,01. Il est en outre souhaitable que les cons- tringences des éléments optiques convergents aient des valeurs supérieures celles des éléments optiques divergents et en diffèrent d'au moins 1,1. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, le relais conforme à l'invention comprend deux systèmes optiques dont les faces extrêmes sont conjuguées, et qui sont collés au niveau de l'une de leurs faces extrêmes. Dans ce cas, le relais assure le redressement de l'image. A l'heure actuelle,les conduits d'image formés à l'aide de fibres optiques sont largement utilisées dans l'industrie ou en médecine. Leur emploi pose toutefois des problèmes, notamment à cause de leur fragilité qui est une conséquence de leur souplesse. La souplesse des conduits d'image n'a toutefois pas à être recherchée lorsque l'axe optique doit rester fixe. Aussi, pour bénéficier des avantages procurés par les conduits d'image, la présente invention a-telle également pour objet un relai optique qui se caractérise en ce qu'il comprend deux systèmes optiques dont les faces extrêmes sont conjuguées et qui sont reliés par un con- duit d'image en fibres optiques. Selon une variante de réalisation, le conduit d'image se présente sous la forme d'une plaque mince dans laquelle les fibres sont orientées perpendicu- lairement aux faces des deux systèmes contre lesquelles elles s'appuient. La plaque de fibres optiques constitue ainsi, entre les deux systèmes qu'elle relie, un "re- lais mince" dont le grandissement entre les faces extrêmes associées est toujours unitaire. Selon une autre variante de réalisation, le conduit d'image est coudé, les extrémités des fibres qui le constituent étant orientées perpendiculairement aux faces extrêmes des deux systèmes optiques contre lesquelles elles s'appuient. Il est possible ainsi de couder le trajet optique tout en évitant une déforma- tion de l'image et l'apparition d'aberrations. On notera ici que le grandissement du "relais" en fibres optiques est toujours unitaire et ce quel que soit soit l'angle formé entre les deux faces extrêmes associées des deux systèmes. Selon encore une autre variante de réalisation permettant de réaliser directement une variation angulaire du chemin optique, le conduit d'image est constitué par une plaque de fibres optiques taillée sous la forme d'un prisme, les fibres étant ou non orientées perpendiculairement aux faces extrêmes des deux systèmes contre lesquelles elles s'appuient. Grâce à cette plaque, il est possible de couder le chemin optique sans rencontrer les problèmes qui apparaîtraient avec un prisme classique. Les ris- ques de torsion des fibres sont en effet négligeables devant l'épaisseur de la plaque. Plusieurs modes d'exécution de la présente invention seront décrits ciaprès en référence aux dessins annexés dans lesquels: - les figures 1 à 7 montrent chacune schématiquement un système opti- que formant un relais optique conforme à l'invention; 4o - la figure 8 montre schématiquement un relais optique composé de deux systèmes optiques collés; - les figures 9 à 12 montrent chacune schématiquement un relais op- tique composé de deux systèmes optiques reliés par un co-u-t 'image en fires optiques, et; - la figure 13 représente schématiquement un relais optique disposé dans un système endoscopique auto-éclairant. Le relais optique représenté sur la figure 1 comprend un système opti- que compos d'une lentille épaisse divergente L1 et d'une lentille épaisse con- vergente L2. La lentille L1, qui a une épaisseur e1 et un indice ni, est réalisée avec une face plane A perpendiculaire à l'axe optique XX et une face de rayon R1 situe-à l'opposé de la face A. Quant à la lentille L2, qui a une épaisseur e2 et un indice n2, elle est réalisée à son tour avec une face plane B perpendiculaire à l'axe optique et une face de rayon R2 située à l'opposé de la face B. Dans l'exemple représenté, les rayons R1 et R2 sont égaux tandis que les lentilles L et L_ sont collées le long de leurs faces ayant le même rayon de courbure. Conformément à l'invention, l'épaisseur, l'indice et le rayon des len- tilles sont choisis pour que les faces A et B, qui constituent les faces extra- mes du relais optique, soient conjuguées. Ces différentes données satisfont en effet à la relation: n1 1 + ( 1 -) 1 = 1 n2 e1 n2 R1 e2 Le rayon de courbure P est alors donnné 1.r 1- n 1-.Jro R1 = e1e2(n2 -n1) n2e1 - ne2 Considérons maintenant le rayon lumineux représenté sur la figure 1. Il satisfait à la relation classique: Sinu = n1 Sin X Lorsque SH = TH_ R1 et que l'angle x prend sa valeur maximum, tg. x qui est égale à TH devient: OS + SH tg. x V R1 R1 + e Or, comme l'angle x est relativement faible par rapport à l'épaisseur e1, on peut admettre que sa valeur maximum est donnée par la relation: R X = 1 R1 + e Il s'ensuit que l'ouverture numérique u résultante qui est donnée par la formule: Sin u = n Sin R1 R1 + eI B +e est fonction de la valeur du rayon de courbure R1 de la surface de collage des lentilles L et L2. 1 2 Le tableau ci-dessous donne à titre d'exemple quelques valeurs qu'il convient de donner au rayon R1 pour que les faces A et B soient conjuguées, les épaisseurs e et e2 étant respectivement égales à 50 et 70 tandis que les in- dices n et n2 ont chacun quatre valeurs différentes. el = 50 ni = 1,49 1,51680 1,56883 1,62004 e2 = 70 n2 = 1j92 1,62004 1, 57444 1,51680 R1 7j514 1,9304 0t1041 - 1,9094 Il ressort de ce tableau qu'il y aura en général intérêt à utiliser des couples de lentilles L1 et L2 dont les indices différent d'au moins 0, 01. Il est clair qu'une telle différence d'indices demandera, pour assurer la con-' jugaison, un rayon de courbure très faible. Plus cette différence s'accroitra, plus le rayon de courbure deviendra grand et par la même, plus l'ouverture nu- mérique sera élevée. sr e Pour être complet, on notera ici que le grandissement sous lequel tra- vail le relais optique représenté à la figure 1 est défini par l'expression: 3 e n2 g = 2 '-2 e n1 Le relais optique représenté sur la figure 2 comprend un système opti- que épais composé de deux lentilles L1 et L2 qui ne sont pas collées et dont les rayons R1 et R2 sont voisins. La condition pour que ses faces extrêmes A et B soient conjuguées est encore satisfaite lorsque: 4o R1 = e1 e2 (n2 - n1) n2e1 - n e Les relais optiques représentés sur les figures 3 à 6 comprennent chacun un système optique épais composé de trois lentilles L1, L2 3 qui peuvent être collées (figures 3 et 5) ou légèrement espacées (figures 4 et 6). A titre d'exemplesnullement limitatifs, on trouvera dans le Tableau ci-dessous quatre séries de valeurs qui, quand elles sont prises par e1, e2, e3, n1, n2, n3, R1 et R, permettent d'assurer la conjugaison des faces extrêmes A et B d'un système optique composé de trois lentilles collées. optique composé de trois lentilles co1lles. e1 e2 |e3' i n2 n3 R1 2 o40 1 0 50 1,5178 1,62004 1,56883 2,723 -1,581 5 40 1,4921 1,69004 1,9200 10,613 5,443 10 45 1,69o004 1,4921 1;5168 i,-4,099 og0,74h5 30 5 50 1,5168 1 - 1 69004 -10,22 2015 Le relais optique représenté sur la figure 7 comprend un système opti- que épais composé de cinq lentilles, le nombre de ces lentilles pourrait toute- fois être bien supérieur pour autant que la conjugaison des faces A et B soit assuree. Le relais optique représenté sur la figure 8 comprend deux systèmes optiques épais collés l'un à l'autre. Leurs faces extrêmes (A,B) respectivement (A', B') sont conjuguées, de sorte qu'entre chacun d'eux, le transfert de l'image est assuré autrement que par un transfert à l'infini. On notera ici que le relais selon la figure 8 transfère une image redressée. Le relais optique représenté sur la figure 9 comprend deux systèmes optiques épais dont les faces extremes (A,B; A',B') sont conjuguées, et une plaque de fibres optiques interposée entre les faces B et A'. La plaque de fibres optique, qui constitue un "relais mince" dont le grandissement est unitaire entre les faces B et A', assure, entre les deux faces conjuguées de chaque système, une liaison évitant un transfert à l'infini des faisceaux. Le relais représenté sur la figure 10 comprend deux systèmes optiques épais dont les faces extrêmes (A,B; A', B') sont conjuguées, et un conduit d'image en fibres optiques interposé entre les faces B et A'. Le conduit est coudé tandis que les extrémités de ses fibres sont respectivement orientées per- pendiculairement aux faces B et A' contre lesquelles elles s'appuient. Consti- tuant un relais dont le grandissement entre les faces B et A' est toujours uni- taire, et ce quel que soit l'angle formé entre ces deux faces, le conduit permet de couder l'axe optique sans qu'apparaissent les problèmes que l'on rencontre habituellement en utilisant un prisme classique. Les relais représentés sur les figures 11 et 12 comprennent deux systèmes optiques épais dont les faces extrêmes (A,B; A', B') sont conjuguées, et une plaque de fibres optiques taillée sous la forme d'un prisme, cette plaque étant interposée entre les faces B et A'. On notera que les fibres peuvent ou non être orientées perpendiculairement aux faces B et A'. Grâce à la plaque taillée sous le forme d'un prisme, il est encore possible de couder directement l'axe optique sans rencontrer les problèmes apparaissant avec un prisme classique. En effet, les risques de torsion des fi- bres sont négligeables devant l'épaisseur à employer. L'image de la face A, qui se forme sur la face B, est transférée par la plaque sur la face A' avec, il est vrai, une anamorphose due à la valeur v 221 2n Sin u En effet, Sin u est toujours tel que d0 est largement supérieure au diamètre des fibres optiques utilisées. Etant donné que les fibres utilisées ont en pratique un diamètre de l'ordre de 6 jAm et que Sin u n'excède guère 0,2, d0 = 0, 000 0,015= m o,4 cette valeur étant largement supérieure à une anamorphose due à une déviation de 300 par exemple. La figure 13 montre un relais optique conforme à l'invention utilisé dans le réalisation d'un endoscope auto-éclairant. Ce relais comprend un système optique épais R composé de trois éléments et dont les faces extrêmes A et B sont conjuguées, un guide G qui n'est autre qu'une loupe de Stanhope, et un prisme P taillé dans une plaque de fibres optiques orientées perpendiculairement à la face B du système optique R et à la face A' de la loupe de Stanhope. L'image de A, se formant en B est reprise par la face A', puis rejetée à l'infini à la sortie de la loupe. L'endoscope comprend par ailleurs une seconde loupe de Stanhope C dont la face plane D est dépolie. Cette face est conjuguée de la face de collage A' et par l'intermédiaire du miroir semi-transparent M, la conjugaison (D, AI) assure par le relais R l'éclairement de la face A. On notera que les relais optiques conformes à l'invention pourraient également être utilisés comme véhicules de faisceaux laser. REVENDICATIONS 1. Relais optique utilisé pour transférer une image d'un point à un autre sur un axe optique, caractériséen ce qu'il comprend au moins un système optique composé d'au moins deux éléments optiques épais dont l'un est convergent et l'autre divergent, l'indice, l'épaisseur et les rayons de courbure des éléments optiques étant choisi pour que les faces extrêmes du système optique formé par ceux-ci soient conjuguées. 2. Relais optique sleon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments optiques d'un même système optique sont collés tandis que leurs surfaces de collage ont le même rayon de courbure. 3. Relais optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments optiquesd'un même système optique sont espacés tandis que leurs surfaces en regard ont des rayons de courbure voisins. 4. Relais optique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les indices de réfraction de deux éléments optiques suc- cessifs d'un méme système ont des valeurs différant d'au moins 0,01. 5. Relais optique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les constringences des éléments optiques convergents ont des valeurs supérieures à celles des éléments optiques divergents et en diffèrent d'au moins 1,1. 6.- Relais optique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend deux systèmesoptiquesdont les faces extrêmes sont conjuguées, et qui sont collés au niveau de l'une de leurs faces extremes. 7. Relais optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend deux systèmes optiques dont les faces extr!nmes sont conjuguées et qui sontreliés par un conduit d'image en fibres optiques. 8. Relais optique selon la revendication 7, caractérisé en ce que le conduit d'image se présente sous la forme d'une plaque mince dans laquelle les fibres sont orientées perpendiculairement aux faces des deux systèmes contre les- quelles elles s'appuient. 9. Relais optique selon la revendication 7, caractérisé en ce que le conduit d'image est coudé, les extrémités des fibres qui le constituent étant orientées perpendiculairement aux faces extrêmes des deux systèmes optiques contre lesquelles elles s'appuient. 10. Relaisoptique selon la revendication 7, caractérisé en ce que le conduit d'image est constitué par une plaque de fibres optiques taillée sous la forme d'un prisme, les fibres étant ou non orientées perpendiculairement aux faces extrêmes des deux systèmes contre lesquelles elles s'appuient. 11. Système endoscopique auto-éclairant ou véhicule de faisceaux laser comportant un relais optique selon l'une quelconque des revendications précédentes.