Brevet FR2528188A1 — publié le 19831209

OBJECTIF A INFRAROUGE. La présente invention se rapporte à des objectifs à infrarouge destinés à délivrer un rayonnement infrarouge à un système de détection de rayonnements. L'avènement de détecteurs de rayonnements infra- rouges de haute performance s'est traduit par un besoin de disposer d'un objectif de haute performance et un certain nombre de formes de réalisation ont été mis au point, dans lesquels la résolution de l'objectif est limitée par la diffraction. L'une des exigences imposées au système consiste en ce qu'il doit être sensiblement exempt d'aberrations chromatiques Dans les systèmes connus, il est habituelle- ment satisfait à cette condition en fabriquant la lentille principale du système, voire même toutes ses lentilles en germanium, étant donné que le germanium présente par essence même un très faible coefficient de dispersion et que, par conséquent, il provoque par essence même de très faibles niveaux d'aberration chromatique. Une autre exigence imposée au système consiste en ce qu'il doit être sensiblement exempt d'aberrations thermiques, c'est-à-dire que sa résolution nominale est maintenue dans une large plage de températures auxquel- les le système pourrait être exposé en service Malheu- reusement, l'indice de réfraction du germanium est très fortement dépendant de la température par comparaison avec la plupart des autres matières utilisées en milieu infrarouge, si bien que, bien que le germanium soit inté- ressant pour éliminer des aberrations chromatiques, il soulève des difficultés considérables pour l'elimination des aberrations thermiques Dans le système connu, une com- pensation des aberrations thermiques est obtenue en utili- sant un ensemble composite pour supporter les lentilles d'une manière telle que le déplacement de ces lentilles provoqué par une dilatation thermique de l'ensemble de support soit complémentaire des variations survenant dans les propriétés optiques des lentilles d'un bout à l'autre de la plage de températures Un tel ensemble est mécaniquement complexe et il porte atteinte à la compacité et à la simplicité généra- les du système. La présente invention a par conséquent pour but de proposer une forme de réalisation perfectionnée d'objectif à infrarouge pour délivrer une radiation infrarouge à un système de détection de radiations, objectif dans lequel les inconvénients précités sont évités ou atténués. Conformément à la présente invention, il est pro- posé un objectif à infrarouge pour délivrer un rayonnement infrarouge à un système de détection de rayonnements, ledit ob.jectif comprenant un système de lentilles primaire et un système de lentilles secondaire montés à distance l'un de l'autre sur un ensemble commun de support et alignés sur un axe optique commun, ledit système primaire étant conçu pour recevoir un rayonnement infrarouge provenant d'une pu- pille et le système secondaire étant conçu pour recevoir un rayonnement provenant du système primaire et pour former une image réelle dudit rayonnement sur une surface externe d'image; le système primaire est sensiblement doté d'une compensation automatique des aberrations chromatiques, il est de puissance positive et est fabriqué en une matière dont l'indice de réfraction est relativement indépendant de la température, cependant que le système secondaire est de puis- sance positive, introduit des aberrations chrorsatiques mini- males et comprend une lentille de puissance positive fabri- quée en une matière dont l'"ndice de réfraction est relati- vement indépendant de la température, ainsi qu'une lentille de puissance négative réalisée en -une matière dont l'indice de réfraction est relativement dépendant de la température l'agencement est tel que les aberrations thermiques intro- duites par le système primaire et les déplacements relatifs des systèmes primaire et secondaire provoqués par la dilata- tion thermique de l'ensemble de support soient compensés par l'aberration thermique provoquée par ladite lentille de puis- sance négative, de telle sorte que l'objectif soit pour l'essentiel rendu passivement athermique. Le système primaire peut comporter plus d'une len- tille et, dans ce cas, une compensation des aberrations chro- matiques est obtenue en utilisant d'une manière connue en soi deux matières différentes pour former les lentilles de ce système Dans un tel agencement, les surfaces de réfraction des lentilles sont de préférence sphériques ou planes et les matières utilisées peuvent être choisies parmi celles portant les numéros 2 à 9 dans le tableau VII annexé au présent mémoire. En variante, le système primaire peut consister en une seule et unique lentille, auquel cas une compensation des aberrations chromatiques est obtenue par une sélection de la matière formant la lentille, mais, étant donné qu'il est nécessaire que l'indice de réfraction de cette matière ait une dépendance relativement faible de la température, ceitte condition peut seulement être réalisée avec des matiè- res courantes connues, en utilisant du diamant Dans ce cas, la lentille peut présenter une surface asphérique pour com- penser de notables aberrations monochromatiques provoquées par une fenêtre de puissance optique nulle ou très faible, à travers laquelle le rayonnement est transmis avant sa réfraction par la lentille primaire. Le système secondaire peut consister seulement en deux lentilles parmi lesquelles la lentille de puissance posi- tive est fabriquée en une matière provoquant des aberrations de couleur, mais, étant donné que de telles aberrations sont déterminées en partie par la puissance optique, en partie par l'ouverture et en partie par le coefficient de dispersion de la matière, elles peuvent être maintenues à un niveau mi- nimal auquel l'effet qu'elles exercent sur la performance globale du système est négligeable La matière constituant cette lentille peut être choisie parmi celles portant les numéros 2 a 9 dans le tableau VII annexé au présent mémoire. La lentille de puissance négative du système secondaire est constituée de préférence en germanium qui est par essence même exempt d'aberrations chromatiques, mais, à cause de sa puissance négative et à cause du fait que son indice de ré- fraction est relativement dépendant de la température, l'aber- ration thermique provoquée f qui est fonction de la puissance et du coefficient thermique de l'indice de réfraction l peut être propre à compenser les aberrations thermiques induites dans l'objectif par le système primaire et par l'autre ou les autres lentilles du système secondaire et par les dé- placements des lentilles résultant d'une dilatation thermi- que de l'ensemble de support. On fera observer que la sensibilité thermique de l'indice de réfraction agit efficacement sur la longueur focale d'une lentille. De préférence, l'ensemble de support des lentilles est fabriqué en premier lieu en une matière unique telle que de l'aluminium, de l'acier inoxydable ou de l'acier invar. On fera observer que l'aluminium possède un coefficient de dilatation thermique relativement grand, mais, par suite de la conception optique du système conformément à la présente invention, le déplacement des lentilles provoqué par l'alu- minium peut être compensé Cela est d 1 à la compensation très considérable résultant de la lentille de puissance néga- tive du système secondaire, en particulier lorsque cette lentille est fabriquée en germanium Par conséquent, l'ensem- ble de support des lentilles peut être aussi bien mécanique- ment simple que pratique. Grâce à la présente invention, la surface image externe de l'objectif conserve sensiblement une seule posi- tion dans l'espace d'un bout à l'autre d'une large plage de températures et, par conséquent, lorsqu'un système de détec- tion est placé sur cette surface image, la résolution de l'objectif est maintenue sensiblement constante Il convient toutefois de noter que, lorsque l'objectif de la présente invention doit être utilisé avec un système de détection qui est lui-même sujet à un déplacement provoqué par la dilata- tion thermique de son propre support, la compensation thermi- que disponible à l'intérieur dudit objectif est suffisante pour permettre un changement de position de la surface ima-. ge de façon à compenser le mouvement de la surface détectri- ce du système de détection Par ailleurs, la surface image peut être conçue plane ou curviligne, ce qui peut être avan- tageux pour la fixation de différents systèmes de détection. Une ré-solution limitée par la diffraction rapprochée peut être obtenue et, dans certaines formes de réalisation d'ob- jectifs, toutes les surfaces de réfraction peuvent être de configuration sphérique et d'un rayon de courbure suffisam- ment grand pour permettre une fabrication simultanée de masse de lentilles. L'invention va à présent être décrite plus en dé- tail à titre d'exemple nullement limitatif en regard des tableaux annexés et du dessin sur lequel la figure unique est une représentation schématique de l'objectif selon l'invention. Comme représenté sur la figure, un objectif 15 comprend un système delentilles primaire 13 et un système de lentilles secon- daire 14 alignés sur un axe optique commun 10 L'objectif est du type réfracteur à foyer, il reçoitdes faisceaux de rayonnements parallèles s'étendant sur le champ de vision àpartir d'une pupille d'entrée O formée dans un espace objet 11 et il produit dans le champ de vision des faisceaux de rayonnements convergents qui forment une image 9 dans un 252818 e E espace image 12. Le système primaire 13 comprend une lentille A de puissance positive (convergente) et une lentille B de puis- sance négative (divergente), ces deux lentilles formant con- jointement un doublet et provoquant de faibles aberrations chromatiques Le système secondaire 14 comprend une lentille C de puissance positive et une lentille D de puissance néga- tive qui, ensemble, et en particulier la lentille D, produi- sent de faibles aberrations chromatiques, ladite lentille D étant fabriquée en une matière dont l'indice de réfraction présente un coefficient thermique notablement plus grand que ceux des matières constituant les lentilles A, B et C. Les lentilles A, B, C et D présentent des surfaces respectives de réfraction 1, 2; 3, 4: 5, 6 et 7, 8 Chacune de ces surfaces de réfraction 1 à 8 est sensiblement sphéri- que, c'est-à-dire que, si ces surfaces ne sont pas "sphéri- ques" au sens propre du terme, elles le sont dans l'accep- tion du domaine technique concerné La puissance optique des différents éléments A, B, C et D ainsi que leur espacement sont choisis de telle façon que l'image réelle 9 soit proche de la surface de réfraction 8 et se trouve à l'extérieur de l'objectif 15. Les lentilles A, B, C et D sont maintenues en place par un ensemble de support 16 illus-tré schématiquement, mais consistant en premier lieu en une matière unique et exempte de composants complexes de compensation de température. Les quatre lentilles A à D, qui forment conjointe- ment l'objectif 15, sont constituées en au moins trois matiè- res différentes, la lentille C de puissance positive pouvant consister en la même matière que celle dans laquelle est réalisée la lentille de puissance positive A ou la lentille de puissance négative B du système primaire 13 La lentille de puissance négative-D est confectionnée en une matière qui, comparée aux matières constituant les trois autres len- tilles A, B et C présente une dispersion plus faible et un indice de réfraction de coefficient thermique élevé. Dans chacun des systèmes primaire 13 et secondaire 14, les positions relatives des deux lentilles sont inciden- tes, c'est-à-dire qu'elles peuvent être mutuellement modi- fiées si on le souhaite de telle façon que, par exemple, la lentille B du système primaire 13 se trouve à proximité de la pupille 0. Les deux lentilles positives A et C peuvent être cons- tituées en n'importe laquelle des matières citées dans le ta- bleau VII, excluant le germanium, les matières préférées étant celles des numéros 2 à 9 inclus La lentille négative B peut également être réalisée en n'importe laquelle parmi ces matiè- res, excluant le germanium, les matières préférées portant les numéros 10 et 11 dans le tableau VII L'utilisation du germanium n'est pas appropriée pour fabriquer les lentilles A et B à cause de son indice de réfraction à coefficient ther- mique élevé, mais, à cause de cette propriété et de sa faible dispersion, ce germanium est idéal pour constituer la lentille D de puissance négative. Il convient de noter que les matières mentionnées jusqu'à présent peuvent être utilisées dans la gamme d'ondes de 8 à 13 microns, bien qu'on dispose également de ces matiè- res et d'autres matières pouvant présenter des propriétés analogues dans la gamme d'ondes de 3 à 5 microns. L'objectif 15 est à foyer fixe, mais n'importe laquel- le des lentilles ou n'importe quelle combinaison de lentilles peut être déplacée axialement pour accomoder des cibles dans l'espace objet à des distances différentes Cela n'affecte nullement la compensation thermique, mais nécessite l'intro- duction d'éléments mécaniques actifs dans l'ensemble de sup- port 16. A titre d'exemple spécifique, l'objectif 15 peut être fabriqué avec des lentilles A et C en triséléniure d'arsenic (BSA portant le numéro 4 dans le tableau VII), une lentille B en séléniure de zinc (portant le numéro 10 dans le tableau VII) et une lentille D en germanium (portant le numéro 1 dans le tableau VII) Dans ce cas, les paramè- tres du système sont exposés dans les tableaux I à VI annexés au présent mémoire, les tableaux I et II concernant en parti- culier une température de + 20 'C, les tableaux III et IV se rapportant en particulier à une température de + 80 Cet les tableaux V et VI étant en particulier relatifs à une tempé- rature de 400 C Toutes les lentilles-sont supportées par un ensemble 16 fabriqué en aluminium. Il ressort des tableaux I à VI que, pour la meilleurs focalisation, le système se trouve écarté du foyer à + 800 C et 400 C de seulement 15 microns et + 13 microns, respectivement, par rapport au foyer à + 200 C, les signes négatifs et positifs de défocalisation indiquant que l'objectif 15 en soi est doté d'une légère surcompensation des effets thermiques Une telle " défoca- lisation N de l'objectif 15 en soi est suffisante pour compenserle changement de position de la surface détectrice d'une forme de réalisation connue de système de détection, résultant d'une dilatation thermique de ce système de détec- tion proprement dit Une matière constituant l'ensemble de support et présentant un coefficient de dilatation ther- mique plus élevé que celui de l'aluminium pourrait corriger intégralement ces effets dans l'objectif 15 en soi, ou bien le système optique pourrait être légèrement réoptimalisé sans modifier les matières constituant les lentilles, dans le cas o l'on souhaiterait un objectif à compensation tota- le. L'objectif 15 décrit en détail présente une longueur focale effective de 51 mm, il accommode un champ diagonal total de 50 et produit des cônes de rayons convergents tra- vaillant à f/1,5, ce qui est hautement approprié pour de nombreux détecteurs. L'objectif des tableaux I à VI est l'un des systè- mes d'une famille de systèmes qui peut être échelonnée pour une longueur focale effective ( repérée par " EFL " sur la figure), une ouverture, un champ et un nombre focal Dans chaque cas, le système provoque une très faible distorsion et il ne se produit aucun effet de lucarne La pupille 0 de l'espace objet peut changer de position, soit à l'écart du système primaire 13, soit dans l'intervalle entre ce système primaire 13 et la système secondaire 14, en fonc- tion de la dégradation admissible de la résolution qui est considérée comme acceptable. Il va de soi que de nombreuses modifications peu- vent être apportées à l'objectif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. TABLEAU I Objet Rayon de Diamètre concerné Surface Intervalle courbuare tère d'uverture courbure d ' ouver ture Pupille * O O Plat Air 35,00 1 O 57,24 Air 35,24 A 2 3,250 209, 89 As 2 Se 3 (BSA) 34,79 3 O; 750 589,38 Air 34, 57 B 4 1,250 99,97 Zn Se 33,73 50,000 27,46 Air 16,38 C 6 2,500 342,17 As 2 Se 3 (BSA) 15168 7 0,500 531,15 Air 14,86 D 8 1,250 59,23 Ge 14,28 Diamètre Plan d'iag image 9 14,015 Plat Air 4,4 4 _ 4 * Angle maximal de champ à la pupille d'entrée: 5 . ** A la meilleure fmcalisation calculéeen moyenne sur le champ maximal. Structure de support entièrement en aluminium, dans laquelle chaque lentille et plan image sont reliés en série au diamètre maximal d'ouverture. Toutes les indications sont données à 20 C. TABLEAU II Dimensions quadratiques moyennes approximatives des taches dans le plan image * (en microns) Champ Mohoohromatiques à Polyohromatiques (mainmum = 5 ) (maxinmi5 ) 10,0 microns 8,0-12,0 miérons ** Axial 1,8 3,1 % 3,2 6,8 %W 6,4 10,5 Total 11,4 15,6 * A la meilleurs focalisatioh calculée en moyenne sur le champ. ** En tant que mesure cumulée à trois longueurs d'ondes de pondérations égales, ces longueurs d'ondes étant de 8,0, 10,0 et 12,0 microns. Toutes les indications sont données à 20 C. Surface Interval TABLEAU III Rayon de le courbure M Iatière Diamètre d'ouverture Pupille * O O O Plat Air 35,00 1 0,008 57,32 Air 35,24 A 2 3,254 210,17 As 2 Se 3 (BSA) 34,79 3 0,7 '53 589 > 66 Air 34,57 B 4 1,251 100,02 Zn Se 33,73 50,074 27,49 Air 16,34 C 6 2,503 342,63 As 2 Se 3 (BSA) 15,63 7 0,504 531,35 Air 14,81 D 8 1,250 59,25 Ge 14,23 Plan ** 1 Diamètre image 9 14,000 Plat Air d'iae 4, * Angle maximal de champ à la pupille d'entrée = 5 . ** A la meilleure focalisation calculée en moyenne sur le champ maximal. Structure de support entièrement en aluminium, dans la- quelle chaque lentille et plan image sont reliés en série au diamètre maximal d'ouverture. Toutes les indications sont données à 80 C. Objet concerné. TABLEAU IV Dimensions quadratiques moyennes approximatives des taches dans le plan image * (en microns) à- Champ Monochromatiques b oyhomtqe (maximum = 50) 10,0 microns 8,0-12,0 microns ** Axial 1,5 3,1 %e 2,9 6,7 %* 6,2 10,4 Total 11,1 15,5 , * A la meilleure focalisation calculée en moyenne sur le champ. ** En tant que mesure cumulée à trois longueurs d'ondes de pondérations égales, ces longueurs d'ondes étant de 8,0, 10,0 et 12,0 microns. Toutes les indications sont données à 80 C. TABLEAU V Objet Rayon de Diamètre concerné Intervalle courbure d'ouverture Surface Matière Pupille * O o Plat Air 35,00 1 -0,008 57,17 Air 35,24 A 2 3,246 209,61 As 2 Se 3 (BSA) 34,79 3 O 0747 589,10 Air 34,58 B 4 1,249 99,93 Zn Se 33,74 49,925 27,42 Air 16,42 C 6 2,497 341,72 As 2 Se 3 (BSA) 15,72 7 0,496 530,96 Air 14,92 D 8 1,250 59,21 Ge 14,33 Diamètre Plan ** d'image image 9 14,028 Plat Air d 4,4 * Angle maximal de champ à la pupille d'entrée: 5 . ** A la meilleure focalisation calculée en moyenne sur le champ maximal. Structure de support entièrement en aluminium, dans laquelle chaque lentille et plan image sont reliés en série au diamètre maximal d'ouverture. Toutes les indications sont données à -40 C. TABLEAU VI Dimensions quadratiques moyennes approximatives des taches dans le plan image * (en microns) Champ Monochromatiques à Polchromnatiques (maximum = 5 ) 10,0 microns 8,0-12,0 microns ** Axial 2,5 3,4 %b 3,7 7,0 %b 6,8 10, 7 Total 11,8 15, 9 * A la meilleure focalisation calculée en moyenne sur le champ. ** En tant que mesure cumulée à trois longueurs d'ondes de pondérations égales, ces longueurs d'ondes étant de 8,0, 10,0 et 12,0 microns. Toutes les indications sont données à -40 C. TABLEAU VII Indice de Coefficient Coefficient Coefficient Matières réfraction primaire de de dilatation thermique de à 10,0 g dispersion * thermique l'indice de x 107/o O réfraction X 107/a O 1 Ge 4,00320 0,00187 61 3960 2 Ga As 3,27789 0,01067 57 - 3 B 52 2,85632 0,00503 4 BSA 2,77880 0,00568 220 740 Cd Te 2,67517 0,00544 50 951 6 TI 1173 2,60037 0,00772 158 790 7 AMTIR 1 2,49748 0,00589 130 850 8 B 51 2,49143 0,00670 128 700 9 TI 20 2,49166 0,00679 133 719 Zn Se 2,40652 0,01216 78 520 11 Zn S 2,20030 0,02651 68 463 * Sur la plage de longueurs d'ondes comprise entre 8,0 microns et 12,0 microns. Toutes les indications sont approximatives et données à environ 20 OC. 1.7 REVENDICATIONS 1 Objectif ( 15) à infrarouge pour délivrer un rayon- nement infrarouge à un système de détection de rayonnements, ledit objectif comprenant un système de lentilles primaire ( 13) et un système de lentilles secondaire ( 14) montés à dis- tance l'un de l'autre sur un ensemble commun de support ( 16) et alignés sur un axe optique commun ( 10), caractérisé par le fait que le système primaire ( 13) est conçu pour recevoir un rayonnement infrarouge provenant d'une pupille ( 0) et le système secondaire ( 14) est conçu pour recevoir un rayonne- ment provenant du système primaire ( 13) et pour former une image réelle ( 9) dudit rayonnement sur une surface image externe: par le fait que le système primaire ( 13 l est sen- siblement doté d'une compensation automatique des aberrations chromatiques, est de puissance positive et est fabriqué en une matière dont l'indice de réfraction est relativement in- dépendant de la température, cependant que le système secon- daire ( 14) est de puissance positive, introduit des aberra- tions chromatiques minimales et comprend une lentille (Cl de puissance positive fabriquée en une matière dont l'indice de réfraction est relativement indépendant de la température, ainsi qu'une lentille ( 0) de puissance négative réalisée en une matière dont l'indice de réfraction est relativement dépendant de la température; et par le fait que l'agencement est tel que les aberrations thermiques introduites par le système primaire ( 13) et les déplacements relatifs des sys- tèmes primaire ( 13) et secondaire ( 14) provoqués par la dila- tation thermique de l'ensemble de support ( 18) soient compen- sés par l'aberration thermique provoquée par ladite lentille ( 0) de puissance négative, de telle sorte que l'objectif ( 15) soit pour l'essentiel rendu passivement athermique. 2 Objectif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le système primaire ( 13) est formé de deux lentilles (A, B) accolées formant un doublet. 3 Objectif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le doublet est formé d'une lentille (A) en triséléniure d'arsenic (BSAl et par une lentille (B) en sélé- niure de zinc. 4 Objectif selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractérisé par le fait que la lentille (Cl de puissance positive consiste en un seul et unique élment, et que la lentille (D) de puissance négative consiste en un seul et unique élément. Objectif selon la revendication 4, caractérisé par le fait que la lentille (C) de puissance positive est constituée en triséléniure d'arsenic (BSA), la lentille lD) de puissance négative étant constituée en germanium. 6 Objectif selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 5, caractérisé par le fait que l'ensemble commun de support ( 16) est réalisé en aluminium. 7 Objectif selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il correspond en outre aux données figurant dans les tableaux annexés I à VI. 8 Objectif selon la revendication 1, combiné à un système de détection de rayonnements présentant une-surfa- ce détectrice située dans la zone de l'image réelle, carac térisé par le fait que ladite combinaison est rendue pour l'essentiel passivement athermique en choisissant le degré d'aberration thermique provoquée par la lentille (D) de puissance négative de manière à compenser les aberrations thermiques provoquées par le système primaire ( 13), les déplacements relatifs des systèmes primaire ( 13) et secon- daire ( 14) résultant de la dilatation thermique de l'ensemble commun de support ( 16), ainsi que de la dilatation tiermique du système de détection.