Brevet FR2477727A1 — publié le 19810911

La présente invention se rapporte à des systèmes d'objectifs pour lunettes possédant, dans le domaine des lon- gueurs d'onde infrarouges, une bande de transmission utilisable. La détection et la reconnaissance, à de grandes distances, d'objets au moyen d'un équipement formant des images thermiques dépend en fin de compte de la qualité du système objectif de la lunette; ce système doit, pour des utilisations pratiques, être compact et peu coûteux à produire. Les systèmes objectifs antérieurement connus à cette fin utilisaient des lentilles élémentaires en germanium de qualité optique, qui a un indice de réfraction élevé et, comparativement aux matériaux utilisés pour le spectre visible, un faible coefficient de dispersion. On choisissait, de façon connue, la forme et la répartition des puissances ou vergences des lentilles élémen- taires de façon à compenser l'aberration monochromatique. La forme "téléobjectif" est particulièrement désirable pour le système objectif en raison de sa faible longueur hors tout, mais on constate qu'elle accentue l'aberration chromatique du systè- me, restreignant ainsi la bande de radiations infrarouges qui peuvent être transmises avec succès. L'aberration chromatique naît de la dispersion, faible mais significative, du germanium. La difficulté ne vient pas seulement de l'aberration chromatique; le coefficient de variation, en fonction de la température, de l'indice de réfraction du germanium est élevé, et il apparaît ui4roblème posé par le décalage de la surface-image. En d'autres termes, des variations significatives de la température ambiante font que l'image se décale par rapport à sa position pévue et il faut prévoir un mécanisme capable de compenser ce décalage s'il provoque une détérioration des performances imageantes dans les conditions de fonctionnement. La présente invention vise à fournir un système objec- tif amélioré pour lunettes, qui soit du type téléobjectif et achromatique dans la région des longueurs d'onde infrarouges. Selon la présente invention on prévoit un système objectif pour lunette formé par une lentille primaire à un seul élément, ayant un axe optique commun avec une lentille secon- daire à deux éléments, la forme et la distribution des vergences des lentilles élémentaires étant telles qu'elles compensent l'aberration chromatique du système, chaque lentille élémentsire étant faite d'un matériau ayant, dans la région de-s longueurs -2- d'onde infrarouges, une bande de transmission utilisable, et les éléments de la lentille secondaire ayant des surfaces réfringentes.sensiblement sphériques interceptant ledit axe optique, le système ayant une surface image plane et une lon- gueur focale effective supérieure à la distance axiale séparant la surface-image de la surface distale desdites surfaces réfrin- gentes, ladite surface réfringente distale étant formée par ladite lentille primaire élémentaire, de vergence positive, qui est faite de germanium, alors qu'un au moins des deux éléments de la lentille secondaire est faite d'un verre de chalcogénure tel que le système soit achromatique dans la région des lon- gueurs d'onde infrarouges. On notera que, la distance focale effective du sys- tème étant supérieure à la distance axiale séparant la surface- image de la surface réfringente sur laquelle le rayonnement tombe en premier, le système est de la forme téléobjectif; avec seulement trois lentilles élémentaires le système est simple, optiquement et mécaniquement et, la compensation étant faite à la fois pour les aberrations en lumière monochromatique et pour les aberrations chromatiques les performances peuvent, sur une bande de longueurs d'onde de largeur appréciable, approcher la limite fixée par la diffraction. Il convient que la lentille élémentaire du milieu soit de vergence négative et faite d'un verre de chalcogénures. La lentille élémentaire voisine de la surface-image peut être de vergence positive ou négative et être faite d'un verre de germanium ou de chalcogénures. Les deux éléments de la lentille secondaire peuvent être faits tous deux du même verre de chal- cogénures. Les deux éléments de la lentille secondaire peuvent également être faits de différents verres de chalcogénures, la lentille élémentaire du milieu ayant un coefficient de disper- sion plus faible que celui de la lentille élémentaire voisine de la surface-image. La lentille élémentaire assurant l'achromatisme peut être faite d'un verre de chalcogénures tel que ceux que vendent Barr and Stroud Limited sous leurs dénominations BSA, BS1 ou BS2, ou Texas Instruments Inc. des Etats-Unis sous leurs déno- minations TI20 ou TI1173, ou par Amorphous Materials Inc., de Garland, Texas, Etats-Unis, sous leur dénomination AMTIR-1. Lorsque la lentille secondaire comprend un élément -3- de vergence positive, il convient que celui-ci soit fait d'un halogénure cristallin, qui a un coefficient thermique positif de façon à rendre le système athermal. Les matériaux KRS5 et KRS6, tous deux vendus par Harshaw Chemical Co., 6801 Cochran Road, Selon, Ohio, Etats-Unis sont des halogénures cristallins commodes, ayant une bande passante dans la région des longueurs d'onde infrarouges. Avec un tel agencement il est préférable que les lentilles élémentaires soient montées à poste fixe les unes par rapport aux autres, les bagues d'espacement de la monture ayant des coefficients de dilatation thermique app=o- priés (monture en dural par exemple) servant à empêcher le déplacement de l'image de façon que celle-ci ne se dégrade pas quand les températures varient surJa plage _30' +500C. A titre d'exemple des modes de réalisatln de la présente invention vont être décrits en se référant au dessin annexé, dans lequel: La Fig. 1 montre un système o la lentille élémen- taire du milieu est relativement plate; La Fig. 2 est un système o la lentille élémentaire voisine de lasirface-image est relativement plate; et La Fig. 3 représente un système o les deux lentilles élémentaires voisines de la surface-image sont chacune relati- vement plates. Sur chaque dessin, le système objectif 10 comprend trois lentilles élémentaires A, B, C séparées par de l'air et alignées sur un axe optique commun 11. Une surface-image plane se forme en 12. L'élément A constitue la lentille primaire et les éléments B et C, pris ensemble, la lentille secondaire du système. Chaque lentille secondaire B, C possède des surfaces réfringentes sphériques coupant l'axe 11, ces surfaces sont repérées par 13, 14, 15, 16 à partir de la surface-image 12. Les surfaces réfringentes 17, 18 de la lentille élémentaire primaire A peuvent êre sphériques ou asphériques. Le rayonnement venant de l'espaceobjet O tombe sur la surface 18 et est réfracté par les lentilles élémentaires A, B et C de façon à former une image au niveau de la surface 12. Selon la présente invention, les lentilles élémen- taires A, B et C sont toutes faites d'un matériau ayant une bande passante utilisable dans-la région des longueurs d'onde infrarouges, en particulier sur la plage allant de 8 à 13 - 4 - microns (jm) et la longueur focale effective du système 10 est supérieure à la distance axiale séparant la surface réfringente 18 de la surface-image 12, c'est-à- dire que le système 10 a la forme d'un téléobjectif. Dans chaque mode de réalisation la lentille élémen- taire A est de vergence positive (c'est-à-dire convergente) et elle est faite de germanium de qualité optique. Sur la Fig. 1 la lentille élémentaire C est elle aussi en germaniummais est de vergence négative (c'est-à-dire divergente) et l'élément B est fait d'un verre de chalcogénures, et de vergence négative. Sur la Fig. 2 la lentille élémentaire B est faite de germanium, et de vergence négative, la lentille élémentaire C étant faite d'un verre de chalcogénures et de vergence négative. Sur la Fig. 3 la lentille élémentaire B est faite d'un verre de chal- cogénures et de vergence négative, l'élément C étant de vergence positive et fait soit d'un verre de chalcogénures soit d'un halogénure cristallin. Dans le cas des modes de réalisation des Fig. 1 et 2 l'achromatisation du sytème 10 est obtenue grâce à la lentille élémentaire Qite de verre de chalcogénures,ces verres étant plus dispersifs que le germanium. Dans le cas du mode de réalisa- tion de la Fig. 3, o l'on utilise deux éléments en verre de chalcogénures,l'efficacité de ces éléments est la meilleure lorsque les dispersions des deux verres sont appariées de façon à donner au système 10 la longueur hors tout minimale tout en réalisant une achromatisation totale. On remarquera également que dans chaque mode de réalisation la lentille élémentaire faite de verre de chalcogénures est relativement petite et re- lativement plate (c'est-à-dire que les surfaces réfringentes ont un grand rayon de courbure). C'est un avantage du fait que pour les verres de chalcogénures actuellement connus, l'homogé- néité optique de l'indice de réfraction ne peut être obtenue sur des surfaces étendues. Quatre exemples-types de systèmes objectifs vont main- tenant être donnés; ils se rapportent aux trois modes de réali- sation décrits, les lentilles élémentaires y sont faites soit de germanium soit de verre de chalcogénures, et toutes les surfaces réfringentes sont sphériques. L'exemple 1 se rapporte au mode de réalisation de la Fig. 1; les lentilles élémentaires A et C sont toutes deux en - 5 - germanium et la lentille élémentaire B en un verre de chalco- génures fait par Barr and Stroud Limited et dénommé BS1. La longueur focale effective est de 375 mm, la longueur focale arrière de 157,4 mm, les rayons de courbure des surfaces réfrin- gentes et les distances qu'les séparent sont données dans le tableau, qui se lit à partir image 12 (dimensions données de la surface 18 vers la surface- en mam): Il sera entendu que lorsque le rayon de courbure est positif le centre de courbure se trouve, par rapport à la sur- face réfringente, du côté de la surface-image. Des signes "moins" indiqueraient le contraire. L'exemple 2 se rapporte au mode de réalisatbn de la Fig. 2; les lentilles élémentaires A et B sont en germanium, la lentille élémentaire C en verre de chalcogénures BS1. Les dimensions sont normalisées pour amener la distance focale ef- fective à 1,00. La distance focale arrière est de 0,393, les séparations et rayons de courbure des surfaces réfringentes sont donnés dans le tableau, qui se lit à partir de la surface 18 vers la surface-image 12. Séparation Rayon - 208,2 14,1 - 283-,-7 108,5 1262,3 8,0 482,8 0,5 59,9 ,6 -.. 53,1- Séparation Rayon _0,5011 0,0400 0,6291 0,2538 0,1549 0,,0150 0 1382 0,1000 - 0,4366 0,0200: 0r,5156 - 6 - L'exemple: 3 se rapporte au mode de réalisation de la Fig. 3; la lentille élémentaire A est en germanium et les lentilles élémentaires B et C sont toutes deux en verre de chalcogénures BS1. La longueur focale effective est normalisée à 1,00, la longueur focale arrière est-de 0,3994, les sépara- tions et les rayons de courbure des surfaces réfrigérentes sont donnés dans le tableau, qui se lit à partir de la surface 18 vers la surface-image 12.(dimensions normalisées). Séparation Rayon -. _ 0,5926 0,0427 0,-7692 0,3948 - 3,2968 -:0,01-60 0,3'825: 0,0267 0,6204 0,0267 - 1,5895 L'exemple 4 se rapporte au mode de réalisation de la Fig. 3; la lentille élémentaire A est en germanium, la lentille élémentaire B en verre de chalcogénures BSA et la lentille élé- mentaire C en verre de chalcogénures BS1. La longueur focale effective est de 375 mm, la longueur focale arrière de 138,178 mm, les séparations et rayons de sont donnés dans le tableau, 18 vers la surface-image 12 courbure des surfaces réfringentes qui se lit à partir de la surface (dimensions en millimètres). Les exemples décrits ci-dessus, de même que tous les objectifs connus 'tout germaniumi ne peuvent être maintenus correctement focalisés sur une plage de températures que si l'on imprime un déplacement axial appréciable à la première ou Séparation Rayon - 195,33 15.65...... 268,99 113,37 825,5 - 6,05 - 109,22 ,98 199,06 ,00.- 25583,9 -7- Z477727 à la seconde lentille. On peut cependant, sur le mode de réa- lisation de la Fig. 3, obtenir une amélioration substantielle de la stabilité thermique de la surface-image 12 en faisant la lentille élémentaire C en-halogénure cristallin (qui est un matériau transmettant l'infrarouge et se trouve dans le commer- ce). Ceci permet de monter et d'espacer invariablement les lentilles élémentaires avec un matériau de dilatation thermique normale. C'est ainsi que dans les exemples 3 et 4 le KRS 5 remplace le BS1; comme le KRS5 est moins dispersif que le BS1, la lentille élémentaire B doit aussi avoir une dispersion réduite et il est commode de la faire en verre de chalcogénure BS2. Voici un exemple spécifique, l'exemple 5, compensé pour des bagues d'espacement en dural, la longueur focale effective étant normalisée à 1,00, la distance focale arrière est de 0,4934 et les séparations et rayons de courbure des surfaces réfringentes sont donnés dans le tableau qui se lit à partir de la surface 18 vers la surface focale 12 (dimensions normalisées): Dans chacun des cinq exemples donnés ci-dessus les dimensions peuvent être changées d'échelle dans des limites déterminées par la limite de diffraction pour la longueur d'onde de 10 pm et par l'homogénéité des matériaux optiques. Les exemples-donnés ont été optimisés pour des ouvertures relatives comprises entre f/2 et f/3 et un champ de vision de 60 environ, il convient de les utiliser avec des diamètres d'ouverture ne dépassant pas 250 mm.lorsque les performances se rapprochent de celles données par la limite de diffraction. Comme d'habitude lorsqu'on établit un projet de lentille on peut améliorer l'ouverture numérique en utilisant une surface Séparation Rayon - _ 0,5117 0,0427 0,6424 0,3028 7,6224 0,016 - 0,3796 0,0267 0,5813 0,0267 - - 1,2106- -8 - asphérique sur la lentille élémentaire primaire A, ce qui permet d'avoir une ouverture numérique dépassant f/l,5 et des diamètres d'ouverture atteignant 500 mm sans dégradatbon des performances. Le tableau 1 donne les caractéristiques du germanium et des halogénures cristallins auxquels on se réfère dans les présentes. Le tableau 2 donne les caractéristiques correspon- dantes de divers verres de chalcogénures que l'on trouve dans le commerce. Tableau 1 - Caractéristiques de matériaux optiques à 10 Pm Matériau Indice de réfraction Coefficient de Coefficient thermique .......per. n Germanimx KRS5 KRS6 4,0032 2,3704 2,1768 0,00085 0,00385 0,01054 - 0,00474 + 0,00621 +0,00489 Tableau 2 - Caractéristiques de verres de chalcogé- nures à 10 vm Matériau Indice de réfraction Coefficient de Coefficient thermique dispersion TI 1173 2,6001 0,00705 - 0,00171 TI 20 2,4919 0,00696 - 0,00174 AMTIR-1 2,4975 0,00592 - 0,00170 BSA 2,7792 0,00479 - 0,00128 BS1 2,4916 0,00660 - 0,00171 BS2 2,8563 0,00404 - 0,00171 valeurs estimées. - 9 - R e v e n d i c a t i o n s 1.- Système pour objectifs de lunettes (10) formé par une lentille primaire comportant une seule lentille élémen- taire (A) alignée, sur un axe optique commun (11) avec une len- tille secondaire comportant deux lentilles élémentaires (B, C), la forme et la.distribution des vergences des lentilles élémen- taires (A, B, C) étant telles qu'elles compensent l'aberration du système en lumière monochromatique, caractérisé par la combi- naison des caractères suivants: chaque lentille élémentaire (A, B, C) est faite d'un matériau ayant une bande passante spectrale utilisable dans la région des longueurs d'onde infra- rouges; les lentilles élémentaires (B, C) de la lentille secon- daire ont des surfaces réfringentes (13, 14, 15, 16) substantiel- lement sphériques qui coupent ledit axe optique (11); le système (10) a une surface-image plane (12) et une longueur focale effective supérieure à la distance axiale séparant la surface- image (12) de la surface réfringente distale (18), ladite surface réfringente distale (18) étant formée par ladite lentille élémen- taire primaire (A), qui est de vergence positive et faite de germanium; une au moins des deux lentilles élémentaires (B, C) de la lentille secondaire est faite d'un verre de chalcogénures tel que le système soit achromatique dans la région des longueurs d'onde infrarouges. 2.- Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que a lentille du milieu (B), desdites trois lentilles élémentaires, est de vergence négative et faite d'un verre de chalcogénures. 3.- Système selon la revendication 1 ou 2, caracté- risé en ce que la lentille élémentaire (C) proche de ladite surface-image (12) est de vergence négative et faite de germanium. 4.- Système selon la revendication 1 ou 2, caracté- risé en ce que la lentille élémentaire (C) proche de ladite surface-image (12) est de vergence positive et faite d'un verre de chalcogénures. 5.- Système selon la revendicatbn 4 lorsqu'elle se rattache à la revendication 2, caractérisé en ce que les deux lentilles élémentaires (B, C). en verre de chalcogénures sont faites de matériaux répondant à la même spécification. 6.- Système selon la revendication 4 lorsqu'elle se rattache à la revendication 2, caractérisé en ce que les deux - 10 - lentilles élémentaires (B, C)- en verre de chalcogénures sont faites de matériaux répondant à des spécifications différentes, la lentille élémentaire du milieu (B) ayant un coefficient de dispersion inférieur à celui du matériau de la lentille élémen- taire (C) proche de ladite surface-image (12). 7.- Système selon la revendication 1 ou 2, caracté- risé en ce que la lentille élmentare (C) proche de ladite surface-image (12). est de vergence positive et faite d'un halo- génure cristallin tel que la surface-image (12) est -maintenue stationnaire quand la température varie. 8.- Système selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'halogénure cristallin est du XKRS5,