Brevet FR2481470A1 — publié le 19811030

- La présente invention concerne un système oculaire ou un système collimateur à lentilles destiné à servir dans une lunette ou un microscope. L'arrivée de "systèmes infrarouges d'observation de l'avant " (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. Pour parvenir à ce résultat il faut un système oculaire à lentilles, à hautes performances, et un système objectif à lentilles complémentaire, à hautes performances également. Diverses formes de tels systèmes oculaires à lentilles ont été antérieurement proposas, mais la compacité exigée en pratique (en d'autres termes une grande ouverture numérique) oblige à exiger que les aberrations de champ et les aberrations pupil- laires soient faibles. Selon la présente invention, on prévoit un système oculai- re, ou un système collimateur, constitué de lentilles et formé par trois lentilles élémentaires dotées de vergence, alignées sur un axe optique commun et disposées de façon à recevoir d'une image réelle des rayonnements appartenant à la plage des lon- gueurs d'onde infrarouges et à fournir un faisceau de rayons parallèles au niveau d'une pupille de sortie, chacune desdites lentilles élémentaires étant de vergence positive et faite d'un matériau ayant, sur la plage des longueurs d'onde infrarouges une bande spectrale de transmission (bande passante) utilisable, la surface réfringente de la lentille élémentaire voisine de ladite image réelle étant plate et les cinq autres surfaces réfringentes desdites lentilles élémentaires étant sensible- ment sphériques. Comme le système de lentilles de la présente invention ne comprend que trois lentilles élémentaires, il est optiquement et mécaniquement simple; comme cinq surfaces réfringentes sont sensiblement seriques et la sixième plate, les lentilles élé- mentaires sont aisées à réaliser et le système peut être agencé pour que l'image réelle se trouve sur la surface réfringente plate, ce qui peut être avantageux; comme le système oculaire peut être conçu pour avoir de faibles aberrations pupillaires et des performances qui, sur tout le champ, sont proches de la 248 1473 limite fixée par la diffraction, il peut être associé à un système objectif à lentilles convenablement choisi pour fournir une lunette afocale compacte, à hautes performances. La lentille élémentaire la plus proche de la surface- image réelle peut être faite de séléniure de zinc tandis que chacune des autres lentilles élémentaires peut être faite de germanium (qui a un "V" de 1182 et un indice de réfraction de 4,003), tous ces matériaux ayant une bande passante spectrale utile dans la plage des-longueurs d'onde infrarouges allant de 3 à 13 Pm. La lentille élémentaire la plus proche de l'image réelle peut aussi être faite d'un des autres matériaux mention- nés au Tableau III, qui ont tous des bandes passantes dans la plage 3 - 13 Pm. Cependant, si la lentille élémentaire susmen- tionnée a une de ses surfaces voisine de l'image réelle, ou sur l'image réelle, il importe que le matériau dont est faite la lentille possède une homogénéité suffisante pour garantir des performances optiques élevées. Les lentilles élémentaires peu- vent être toutes trois montées invariablement, le système oculaire étant insensible à des variations modérées de la tem- pérature ambiante. Cependant une combinaison quelconque d'une, de deux ou des trois lentilles élémentaires peut être suscep- tible d'être déplacée le long de l'axe optique, ce qui fait que le système peut alors être compensé pour de grandes variations de la température ambiante. Lorsque l'on désire inclure un réticule dans le système, celui-ci peut être porté par une lame à faces planes et parallèles (de vergence nulle) placée au niveau de l'image réelle du système, au contact de la lentille élémentaire comportant la surface réfringente plate, ou à son voisinage immédiat. Ceci,simplifie le centrage du réticule par rapport aux lentilles élémentaires du système. Un tel réticule pourrait aussi être porté par la surface plate de la lentille élémentaire la plus proche de l'image réelle. Un mode de réalisation de la présente invention va être décrit à titre d'exemple, en référence au dessin schématique et aux tableaux annexés. Comme on le voit sur le dessin une lunette 20 est formée par un système objectif 21 et un système oculaire 22 alignés sur un axe optique commun 23. La lunette 20 est du type afocal à lentilles et forme à son intérieur une image réelle I des -3 - radiations qui entrent dans la lunette en venant de l'espace- objet 0. Le système objectif 22 est formé par une lentille élémentaire primaire F de vergence positive, une lentille élé- mentaire secondaire E de vergence négative et une lentille élémentaire tertiaire D de vergence négative. La lentille élémentaire E assure la correction chromatique et, lorsqu-'elle est associée à la lentille élémentaire D, sert par déplacement le long de l'axe optique 23 à la mise au point et à la compen- sation thermique. Le système oculaire 22-est formé par les lentilles élémentaires A, B et C, de vergence positive, qui - comme le font les éléments D, E et F - forment un système à focale fixe de sorte que le système objectif 21 reçoit, d'une pupille d'entrée formée dans l'espaceobjet 0, un faisceau de rayons parallèles et que le système oculaire recueille le rayonnement de l'image réelle inversée I formée par le système objectif 21 et produit un faisceau de rayons parallèles qui rment une pupille de sortie 0 dans l'espace-image Eo Les vergences des différentes lentilles élémentaires A, B, C, D, E, F et les distances séparant leurs surfaces réfringentes 1 à 12 sont combinés de sorte que l'image réelle I soit proche de la surface 6 qui est plate alors que toutes les autres surfaces réfringentes sont sensiblement sphériques, c'est-à-dire que si elles ne sont pas exactement sphériques elles le sont dans les limites ou l'homme de l'art entend ce mot. La lunette 20 est destinée â être utilisée dans la région des longueurs d'onde infrarouges (c'est-à-dire de 8 à 13 pm) et par suite les indices de réfraction des lentilles élémen- taires sont relativement élevés. Pour que les performances optiques, au niveau de l'image réelle interne r, soient élevées, la lentille élémentaire C est de préférence faite d'un matériau optique n'yant que de faibles homogénéités de matière, tel que le séléniure de zinc (CVD dépôt chimique sous vide), qui a un indice de réfraction de 2,41, les lentilles élémentaires A, B, D et F sont faites d'un matériau qui, à 10 Vm, a un indice de réfraction d'au moins 4, par exemple de germanium dont l'indice de réfraction est de 4,003, et la lentille élémentaire E est fait de verre de chalcogénures Barr & Stroud type 1 dont l'in- dice de réfraction est de 2,49 (tous les indices sont mesurés à 20'C et pour une longueur d'onde de 10 pm). Ces matériaux -4- (qui sont propres à recevoir une couche antiréfléchissante) assurent ainsi la transmission de 60% au moins du rayonnement incident, sur la plage allant de 8,5 à 11,5 pm, lorsqu'ils ont reçu une couche antiréfléchissante. De la sorte toutes les surfaces réfringentes - à l'intérieur de la lunette, peuvent recevoir des couches antiréfléchissantes. Le système oculaire 22 est relativement insensible aux modifications de focale dues au système objectif 21 et à la dégradation des performances optiques dues à des modifications de la température ambiante s'étendant par exemple sur la plage -400C - +700C. Le tableau I donne les détails d'un exemple de la lunette qui comprend le système objectif à lentilles 21 et le sys- tème oculaire à lentilles 22; on y trouve le rayon de courbure de chaque surface réfringente, les diamètres d'ouverture de ces surfaces et de la pupille 0, dont la position sert de référence à partir de laquelle sont définis les espacements des surfaces réfringentes successives; la matière correspondant à chaque espacement est indiquée. C'est ainsi, par exemple, que la surface 2 a un rayon de courbure de - 117,35 millimètres, le signe négatif indiquant que le centre de courbure se trouve à droite de la surface 2; elle est séparée de la surface précé- dente (vers la pupille 0) par une épaisseur de 8,05 mm de germanium; son diamètre d'ouverture est de 57,74 mm, et elle est séparée de la surface suivante 3 par une distance de 30,30mm d'air. Cette lunette donne un grandissement de 7 et le système oculaire 22 a une distance focale voisine de 45,50 mm, l'ouver- ture numérique au niveau de l'image réelle I étant voisine de f/2,94. Le système oculaire dont le tableau I donne les détails appartient à une famille que l'on peut construire de façon à assurer, dans l'espace-image E, un champ total pouvant atteindre 800 et une pupille dont le diamètre dépasse 15,5 mm. Ennultipliant le système oculaire par un facteur d'échelle allant de 0,01 à 10 on peut diminuer ou augmenter la distance focale effective. Le système oculaire ainsi décrit assure des performances élevées sur la majeure partie du champ au niveau de l'image réelle I, come on le voit sur le tableau II et, comme ses aberrations pupillaires sont faibles, il accepte facilement un systèmeobjectif à lentilles 21 tel que celui qui a été décrit de façon à obtenir une lunette - 5 - afocale compacte, à hautes performances. On remarquera qu'en raison des rayons de courbure des surfaces 1 et 3 des lentilles de l'oculaire le système oculaire 22, muni d'un revêtement à fort coefficient de transmission et faible coefficient de réflexion tel que le Barr & Stroud ARG3 peut être associé à un système FLIR sans introduire un "effet Narcisse" appréciable. Aucun vignettage n'apparaît au niveau d'une surface réfringente quelle qu'elle soit. TABLEAU I A 20 C Lentille surface Espac ' l' Rayon de J Diamètre Lentille surface Espacement Courbure i Matériau d'ouverture !Pupille Pupille 1 0 O Plat Air 15,50 1 46,63 -254,02 Air 55,54 A 2 8,05 -117,35 Ge 57,74 3 30,30 54, 61 Air 56,12 B 4 22,91 38,10 Ge 38,23 12,92 113,54 Air 36,96 C 6 3,50 Plat ZnSe 36,56 (CVD) 7 113,02 -42,57 Air 48,85 D 8 5,09 -49,89 Ge 53,93 9 0,005 262,13 Air 57,93 E 10 7,39 201,68 As/Se/Ge 58,11 (Bs.).. 11 I 104, 36 228,09 Air 123,58 F.12 12,00 -169,06 Ge 128,56 _ _ j ____ _ _ _ _ _ - maximal au niveau de la pupille d'entrée = 46,3 . XAngle de champ 248 1 470 A 20 C - 6 - TABLEAU II Moyennes quadratiques des dimen- sions approchées des taches de diffraction au niveau de l'image réelle (I) rapportées à la pupille 0 (en microns) Moyennes quadratiques des dimen- sions approchées des taches de diffraction dans l'espace-objet 0 rapportées à la pupille 0 (en milliradians) En lumière En lumière Champ mnochramatique chrOaatique sur monochrcmatique chramatique sur à 9,6 pmn la plage 8,5 à 9,6 im la plage 8,5 à 11,5 p 11,5 pm Axial 36,8 39,5 0,073 0,105 1/2 39,6 41,6 0,084 0,127 3/4 46,0 48,3 0,122 0,159 Total 55,8 58,8 0,115 0,160 Donné sous forme d'une mesure cumulée sur trois longueurs d'onde également pondérées 8,5, 9,6 et 11,5 pm. TABLEAU III Matériau Indice de réfractionX Valeur "V" Ge 4,003 1182 BS2 2,856 248 BSA 2,779 209 TI 1173 2,600 142 AMTIR 2,497 169 BS1 2,492 152 TI20 2,492 144 ZnSe 2,407 77 KRS5 2,370 260 KRS6 2,177 95 AgCl 1,980 72 CsI 1,739 316 CsBr 1,663 176 KI 1,620 137 KBr 1,526 82 NaCl 1,495 25 KC1 1,457 40 L'indice de réfraction est donné e Sur la plage de longueur d'ondes pour 10 pm 8,5-11,5 lm. - 7 - REVENDICATIONS 1. Système oculaire, ou collimateur, (22), à lentilles, formé par trois lentilles élémentaires A, B, C dotées de ver- gence, alignées sur un axe optique commun (23) et disposées de façon a recevoir d'une image réelle (I) des rayonnements appar- tenant à la plage des longueurs d'onde infrarouges et à fournir un faisceau de rayons parallèles au niveau d'une pupille de sortie (0), caractérisé en ce que lesdites lentilles éléien- taires A, B, C sont toutes de vergence positive et faites d'un matériau ayant, sur la plage des longueurs d'onde infra- rouges, une bande spectrale passante utilisable, la surface réfringente (6) de la lentille élémentaire voisine de ladite image réelle (I) étant plate et les cinq autres surfaces ré- fringentes (1, 2, 3, 4, 5) desdites lentilles élémentaires étant sensiblement sphériqueso 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un réticule est monté sur ladite surfaces réfringente plate ou à son voisinage. 3. Système selon l'une ou l'autre des revendications pré- cédentes, caractérisé en ce que une ou plusieurs desdites surfaces réfingentes (1 2,. 3i- 4. 5) a reçu un revêtement antiréfléchissant. 4. Système selon l'une quelconque des revendications pré- cédentes, caractérisé en ce que les deux lentilles élémentaires (A, B) voisines de ladite pupille de sortie (0) ont des indices de réfraction au moins égaux à 4,0 à la température de 200C, et pour une longueur d'onde de 10 pm. 5. Système selon l'une quelconque des revendications pré- cédentes, caractérisé en ce que ladite lentille élémentaire (C) voisine de l'image réelle (I) est faite de séléniure de zinc et que les autres lentilles élémentaires (A, B) dudit système (22) sont faites de germanium. 6. Système selon l'une quelconque des revendications pré- cédentes, caractérisé en ce qu'une au moins desdites lentilles élémentaires (A, B, C) peut être déplacée le long de l'axe optique (23) par rapport à une au moins desdites lentilles élémentaires (A, B, C) ce qui permet de compenser le système (22) pour d'amples variations de la température ambiante. - 8 - 7. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il répond aux spécifications du tableau I annexé. 8. Système selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il est multiplié par un facteur d'échelle compris entre 0,01 et 10.