Brevet FR2477728A1 — publié le 19810911

- 1 - - La présente invention concerne des lunette afocales. L'arrivée de 'systèmes infra-rouges d'observation de l'a- vant (Forward Looking InfraRed Systems)" couramment désignés par l'acronyme FLIR' a conduit à une forte demande de lunettes afocales à hautes performances propres à être utilisées avec le système FLIR. Différentes formes ont été précédemment proposées mais la compacité exigée (faible longueur hors-tout) a obligé d'exiger que l'aberration pupillaire soit faible. Ce résultat s'est révélé difficile à obtenir dans un sytème réfracteur sans accepter une grande complexité optique et -mécanique. Des sys- tèmes de lunettes catadioptriques présentant la compacité voulue ont été conçus mais tendent à être complexes et de plus présen- tent versle centre du champ une diminution de luminosité qui constitue un inconvénient. Selon la présente invention la lunette afocale est formée par un système objectif achromatique à focale fixe et un système oculaire à focale fixe, alignés sur un axe optique commun, et disposés pour fournir une image intérieure réelle, ledit système objectif étant constitué par deux lentilles élémentaires et ledit système oculaire étant formé par deux lentilles élémentai- res, chacune des quatre lentilles élémentaires étant faite d'un matériau ayant, dans la plage des longueurs d'onde infrarouge, une bande spectrale de transmission utilisable, et possédant des surfaces réfringentes qui coupent ledit axe optique et sont sensiblement sphériques, celle des lentilles élémentaires du système objectif qui est proche du système oculaire assurant la correction de l'aberration chromatique grâce à un pouvoir dis- persif V (cette grandeur sera définie z plus loin) au moins égal à120, étant de vergence négative, et ayant un indice de réfrac- tion inférieur à celui de l'autre lentille élémentaire, de ver- gence positive, du système objectif. Comme la lunette de la présente invention est du type réfringent, il n'y a pas assombrissement central du champ de vision; le système n'ayant que quatre lentilles élémentaires, il est optiquement et mécaniquement simple; toutes les surfaces réfringentes étant sensiblement sphériques, les lentilles élé- mentaires sont aisées à réaliser, et comme le système objectif est corrigé de l'aberration chromatique, la lunette peut être rendue compacte tout en ayant, sur une plage étendue de grandis- 2 I sements, des performances voisines de la limite imposée par la diffraction., La lentille élémentaire assurant la correction chromatique du système objectif peut être faite d'un verre de chalcogènures tel que celui que vendent Barr & Stroud Limited sous leur déno- mination "verre de chalcogénures type 1", chacune des trois autres lentilles élémentaires étant faite de germanium (qui a un "V" de 1182 et un indice de réfraction de 4,003), tous ces matériaux ayant une bande passante utilisable dans la plage infrarouge allant de 3 à 13 pm. La lentille élémentaire corri- geant l'aberration chromatique peut également être faite d'un des matériaux énumérés au Tableau V. La lentille élém entaire corrigeant l'aberration chromatique peut être invariablement montée par rapport aux trois autres lentilles élémentaires, mais il est bon qu'elle soit déplaçable le long de l'axe optique, ce qui permet de compenser la lunette pour les modifications de température qui provoquent un décalage de la position de l'image réelle formée dans la lunette. Ce mouvement de la lentille élémentaire achromatisante peut être utilisé pour modifier la distance focale de la lunette (sans lui faire perdre son caractère dit "afocal")si l'on admet que l'ima- ge réelle formée à l'intérieur de la lunette n'est pas de grande qualité. Il convient d'arriver à ce résultat avec une lentille élémentaire achromatisante de faible vergence, le déplacement de cet élément ne modifiant que peu le grandissement. On décrira des modes de réalisation de la présente invention à titre d'exemples en se référant au dessin schématique annexé et aux tableaux donnés ci-dessous. On voit sur le dessin que la lunette 10 est constituée par un système objectif 11 et un système oculaire 12 alignés sur un axe optique commun 13. La lunette 10 est du type afocal et forme intérieurement une image I des rayonnements qui pénètrent dans la lunette à partir de l'espace-objet 0. Le système objectif 11 est formé par une lentille élémentaire primaire D, et une len- tille élémentaire secondaire C, cette dernière étant de vergence négative (c'est-à-dire divergente), et assurant la correction chromatique tandis que la première est de vergence positive (c'est-à-dire convergente). L'élément C a des surfaces réfrin- gentes 5,6 et l'élément D des surfaces réfringentes 7,8. Le -3 système oculaire 12 est formé par les lentilles élémentaires à vergence positive A, B dont les surfaces réfringentes sont respectivement 1, 2 et 3, 4. Les éléments A et B forment ensem- ble un système à focale fixe et les éléments C et D forment aussi un système à focale fixe de sorte que le système objectif 11 reçoit un faisceau de rayons parallèles d'une pupille d'entrée formée dans l'espace-objet 0 et que le système oculaire 12 re- cueille les rayonnements venant de l'image réelle renversée I formée par le système objectif 11 et produit un faisceau de rayons parallèles formant, dans l'espace-image E, une pupille de sortie 0. Les vergences des diverses lentilles élémentaires A, B, C et D et leurs espacements sont dimensionnés pour que l'image I se trou-ve entre les surfaces réfringentes 5 et 3. Les surfaces réfringentes 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 et 8 sont toutes sensiblement sphériques, c'est-à-dire que si elles ne sont pas exactement sériques elles sont dans les limites o l'homme de l'art entend ce mot. La lunette 10 est conçue pour être utilisée dans la région infrarouge du spectre (entre 3 et 13 pm) et par suite les indices des lentilles élémentaires sont relativement forts mais, pour que les performances optiques soient suffisantes, la lentille élémentaire C est achromatisante, son V étant égal ou supérieur à 120, elle a un indice de réfraction inférieur à celui de l'élément D, et une vergence négative. On arrive à ce résultat, sur la plage 8-13 wm, en faisant les lentilles élémentaires A, B et D en germanium, dont l'indice de réfraction est 4,0, et la lentille élémentaire C en verre de chalcogénures de Barr & Stroud, de type 1, dont l'indice de réfraction est 2,49 quand on le mesure à 20 C pour une longueur d'onde de 10 microns. Dans ce cas l'élément C a un pouvoir dispersif, ou V, voisin de 150, V étant calculé comme le quotient de l'indice de réfraction à pm, diminué de 1, par la différence entre l'indice de réfrac- tion à 8,5 pm et l'indice de réfraction à 11,5 -pm. Ces matériaux - qui sont propres à recevoir une couche anti-réfléchissantes - fournissent ainsi une lunette qui transmet au moins 60% du rayon- nement incident sur la plage allant de 8,5 à 11,5 -m quand ils ont reçu une couche-anti-réfléchissante. Il est préférable que la lentille élémentaire C puisse être dé- placée le long de l'axe optique 13 tandis que les autres lentilles -4- élémentaires A, B et D sont immobiles, ce qui permet de compen- ser la lunette contre les déplacements de l'image I provoqués par des modifications de température ambiante typiquement sur la page 0-400C par exemple. On peut également, la position de l'image I restant immobile, focaliser la lunette sur des objets éloignés, typiquement sur la plage allant de 100-m à l'infini. Le système objectif Il a la configuration d'un téléobjectif peu puissant, ce qui donne des ouvertures supérieures à f/2.00 dans l'air séparant les lentilles élémentaires C et D et dans l'air séparant les lentilles élémentaires B et C. Le Tableau I donne le détail d'un exemple de la lunette 10; le rayon de courbure de chaque surface réfringente y figure ainsi que le diamètre d'ouverture de chaque surface et de la pupille 0, dont la position sert de référence à partir de laque]le sont définis les espacements des surfaces réfringentes suivantes; la matière correspondant à chaque espacement est indiquée. C'est ainsi, par exemple, que la surface 5 a un rayon de courbure de 549,66 millimètres le signe négatif indiquant que le centre de courbure est à droite de la surface 5; elle est séparée par un intervalle d'air de 207,56 mm de la surface qui la précède (surface 4) du côté de la pupille 0, et son diamètre d'ouverture est de 128,30 mm; elle est séparée de lasurface suivante, 6, par un intervalle de 12,5 mm de verre de chalcogénures Barr & Stroud type 1. Ce type de lunette a un grandissement de 14, et ses ouvertures numériques internes sont respectivement f/1,18 et f/1,64 dans les intervalles d'air séparant les lentilles élémen- taires C et D d'une part, C et B d'autre part. La correction chromatique se maintient sur la plage allant de 8,5 à 11,5 pm et, si l'élément C est déplaçable, on peut focaliser et compenser thermiquement sur les plages allant de 80 à l'infini et de O à 400C, respectivement, avec une dégradation minimale des perfor- mances globales. Dans la pratique, si l'on admet une dégradation des performances, les plages de mise au point et de compensatJon thermique peuvent s'élargir: 5 m à l'infini d'une part, - 30 à + 70*C d'autre part. Le tableau II donne des valeurs définissant la qualité des images de cette lunette. La lunette dont le tableau I donne les détails appartient à une famille que l'on peut construire en utilisant un système oculaire commun, 12, à focale fixe. On peut ainsi construire des -.5- lunettes dont les grandissements varient sur la plage allant de ,6 à 31,5 à partir des données du tableau I (qui correspond à une lunette de grandissement 14). En choisissant, pour le grandis- sement, un facteur d'échelle allant de 0,40 à 2,25 facteur par lequel on multiplie 14 pour avoir le grandissement recherché, on peut construire la lunette en multipliant par le meme facteur d'échelle les rayons de courbure et les espacements des éléments du système objectif ainsi que la distance séparant la surface 5 de la position de l'image I. Pour cette famille de lunettes les ouvertures numériques internes mentionnées plus haut seront res- pectivement supérieures à f/1,24 et f/1,72 respectivement. Le tableau III donne un autre exemple de la lunette 10,qui a un grandissement de 16 et dont les performances figurent au tableau IV. Cette lunette a un diamètre de pupille 0 de 11,3 mm et des ouvertures numériques internes de f/1,34 et de f/1,86 respec- tivement, elle appartient elle aussi à une famille de lunettes que l'on peut construire avec un système oculaire commun, à foca- le fixe. Le facteur d'échelle de cette famille varie de 0,55 à 2,65, ce qui donne une plage de grandissement allant de 8,8 à 41,6; dans chaque cas les ouvertures numériques internes sont supérieures respectivement à f/1,34 et f/1,86. Les lunettes ainsi décrites fournissent des performances élevées sur deuxtiers au moins du champ total avec un objectif primaire dont le diamètre d'ouverture n'est augmenté que de 12% pour tenir compte des aberrations pupillaires, et la longueur hors tout de la lunette est relativement faible. Dans le premier exem- ple la distorsion, pour l'angle de champ maximal, est voisine de 0,8% et le surdimensionnement de l'ouverture de l'objectif est voisin de 7,3% tandis que pour le second exemple la distorsion correspondante est voisine de 1,3% et le surdimensionnement de l'ouverture de l'objectif voisin de 11,2%. Il n'y a pas non plus de vignettage au niveau d'une quelconque des surfaces réfringentes des lentilles élémentaires. Il n'est pas nécessaire quela lentille élémentaire assurant la correction chromatique soit faite de verre BS1 aux chalcogénures, elle peut être faite d'un des matériaux cités au tableau V et l'on remarquera que, en raison du rayon de courbure de la surface 3 les lunettes - si elles sont dotées de revêtements antiréflexion à haut coefficient de transmission et bas coefficient de réflexion (tels que l'ARG3 de Barr & Stroud), peuvent être associées à un système FLIR sans introduire un "effet Narcisse" appréciable. Les données des Tableaux I à IV se rapportent à. des lunettes focalisées à de grandes distances (.. l'infini) à 20 C. -6 - TABLEAU I Lentille Surface Espacement Rayon de Matériau Diamètre Courbure d 'ouverture Pu.pill1e Pupille 00O Plan Air 15,50 d entrée A 1 36,00 -169, 06 Air 46,31 2 5,74 - 77,22 Ge 47,77 B 3 7,60 44,96 Air 42,83 B 4 20,20 32,77 Ge 27,37 207,56 -549,66 Air 128,30 C 6 12,50 -1440,92 As/Se/Ge (BS!133,76 D 7 116,20 -452,37 Air 226,38 8 18,00 -303,95 Ge 232,22 Angle du champ maximal au niveau de la pupille d'entrée = 46,3 TABLEAU II Donné sous forme d'une mesure cumulée, la pondération étant la même pour trois longueurs d'onde (8,5, 9,6 et 11,5 pm). Valeurs moyennes quadratiques (en milliradians) des taches de diffraction dans l'espace-objet. Champ Lumière m onochrcoatique Lumière polychrOEmatique entre X Champ9,6 Pm. 8,.5 et 11.,5.m Sur l'axe 0,038 0,041 1/2 0,049 0,059 3/4 0,055 0,067 Total 0,085 0,088 - 7 - TABLEAU III Rayon de Diamètre Lentille Surface Espacement courbure matériau d'ouverture Pupille d'1entrée 0 O Plan Air 11,30 1 23,66 - 76,99 Air 43, 79 A 2 9,85 - 51,00 Ge 49,06 B 3 1,05 49,89 Air 47,91 4 19,86 42,57 Ge 33, 75 C 5 167,03 -549,66 Air 98,12 6 16,00 -2921,41 As/Se/Ge(BSl) 103,86 D 7 125,11 -369,82 Air 193,92 8 19,65 -261,56 Ge 201,40 Angle du champ maximal au niveau de la pupille d'entrée = 72 TABLEAU IV Valeurs moyennes quadratiques (en milliradians) des taches de dIfraction dans l'espace-objet.. Champ Lumière monochrOmatique Lumière polychroatique entre 9,6 pm 8,5 et 11,5.a.n Sur l'axe 0,049 0,058 1/2 0,074 0,088 3/4 0,080 0,103 Total 0,178 0,195 Donné sous forme d'une mesure cumulée, la pondération étant la même pour trois longueurs d'onde (8,5, 9,6 et 11,5 pm) Z4777 28 -8 - TABLEAU V Matériau Valeur "V" Indice de réfractionN BS2 248 2,856 BSA 209 2,779 TI 1173 142 2,600 AMTIR 169 2,497 BS1 152 2,491 TI 20 144 2,492 KRS 5 260 2,370 CSI 316 1,739 CS Br 176 1,663 KI 137 1,620 Indice valable pour 10 pm, à 20 C. REVENDICATIONS 1. Lunette afocale (10) formée par -un système objectif achromatique (11) à focale fixe et un système oculaire (12) à focale fixe, alignés sur un axe optique commun (13) et agencé de façon à former une image intérieure réelle I, caractérisée en ce que ledit système objectif (11) est formé par deux lentil- les élementaires (C,D) et ledit système oculaire (12) par deux lentilles élémentaires (A,B), chacune des quatre lentilles élé- mentaires (A,B,C,D) étant faite d'un matériau ayant, dans la plage des longueurs d'onde infrarouges, une bande spectrale de transmission utilisable, et possédant des surfaces réfringentes qui coupent ledit axe optique et softsensiblement sphériques, celle (C) des lentilles élémentaires du système objectif qui est proche du système oculaire assurant la correction de l'aberra- tion chromatique grâce à un pouvoir dispersif V au moins égal à 120, étant de vergence négative, et ayant un indice de réfrac- tion inférieur à celui de l'autre lentille élémentaire, de vergence positive, du système objectif (V est le quotient de l'indice de réfraction à 10 vm moins 1 par la différence entre l'indice de réfraction à 8,5 Bm et l'indice de réfraction à 11,5 pm). 2. Lunette selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite autre lentille élémentaire (D) présente à une tempé- rature de 20 C, un indice de réfraction au moins égal à 4,o. 3. Lunette suivant l'une ou l'autre des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'une des lentilles élémentaires (C) du système objectif est de vergence faible et est montée de façon à pouvoir être déplacée le long de l'axe optique (13), cha- cune des autre lentilles élémentaires (A,B, D) étant-montée fixe, des moyens étant prévus pour déplacer ladite lentille élé- mentaire (C) du système objectif, grâce à quoi la lunette (10) peut être compensée des variations de température, ou focalisée. 4. Lunette afocale selon l'une ou l'autre des revendications précédentes, caractérisée en ce que ladite lentille élémentaire (C) du système objectif présente, à la température de 200C, et pour une longueur d'onde de 10 -pm, un indice de réfraction d'au moins 2,45, chacune des autres lentilles élémentaires (A,B,D) ayant à la température de 200C. un indice de réfraction d'au moins 4,0. - 5. Lunette selon.l'une ou.l'autre des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'une au-moins desdites surfaces réfringentes (1,2,3,4,5,6,7,8) possède un revêtement anti-réfléchissant. 6. Lunette selon la revendication 5, caractérisée en ce que ladite lentille élémentaire (C) du système objectif est fSite de verre de chalcogénure, que chacune des autres lentilles élémenterg (A,B,D) est faite de germanium et que, pour une longueure 10 -pm, la lunette (10) transmet au moins 60% du rayonnement incident. 7. Lunette selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle répond aux données spécifiées au Tableau I ci-joint. 8. Lunette selon la revendication 7, caractérisée en ce que le système objectif (11) est multiplié par un facteur d'é- chelle compris entre 0,40 et 2,25. 9. Lunette selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle répond aux données spécifiées au Tableau III ci-joint. 10. Lunette selon la revendication 9, caractérisée en ce que le système objectif (11) est multiplié par un facteur d'é- chelle compris entre 0,55 et 2,65.