Brevet FR2535860A1 — publié le 19840511

LOUPE BIOCULAIRE. L'invention concerne une loupe bioculaire à grand champ pour les,systèmes de visualisation. On connait l'utilisation des loupes monoculaires et bioculaires dans de tels systèmes utilisant soit des tubes à intensification de lumière, soit des tubes cathodiques Ces lou- pes fournissent des images virtuelles agrandies des images for- mées sur les phosphores des tubes Les loupes bioculaires permet- tent une vision plus confortable que les monoculaires pour les systèmes qui ne comprennent qu'un seul tube. Le calcul d'une loupe bioculaire à grand champ n'est pas simple et les systèmes connus à ce jour dont le champ total-est de l'ordre de 40 degrés sont de qualité médiocre car les aberrations optiques sont imparfaitement corrigées Les brevets français N O 2 167 945 et 2 172 415 illustrent la comple- xité de tels systèmes. Le but de l'invention est d'atteindre une excellen- te correction desdites aberrations avec un très petit nombre de lentilles dans un très grand champ allant jusqu'à 80 à 90 degrés, grâce à l'utilisation des propriétés des dioptres aplanétiques et à leur association à des conducteurs d'image en fibres optiques. Conformément à l'invention, ladite loupe comporte: une lentille épaisse biconvexe réalisée dans un matériau d'indice N 1 et cons- tituée par deux dioptres sphériques concentriques, le second diop- tre situé en regard de l'objet observé ayant un rayon égal au quotient du rayon du premier dioptre par l'indice ni, un conduc- teur d'image en fibres optiques ayant l'une de ses extrémités collée sur la surface de l'objet et l'autre extrémité sphérique collée sur la surface dudit second dioptre, l'axe passant par le centre commun desdits dioptres et normal au plan de l'objet constituant l'axe optique du système, une image virtuelle agrandie dudit objet étant formée sur la surface sphérique con- centrique auxdits dioptres et de rayon égal au produit du rayon du premier dioptre par l'indice n,, ladite image virtuelle et l'image transportée sur la surface du second dioptre remplis- sant ainsi la condition d'aplanétisme. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la des- cription suivante de quelques modes de réalisation donnés à ti- tre d'exemple, ladite description étant accompagnée de dessins qui représentent: Figure 1: un schéma illustrant les propriétés du dioptre sphérique. Figure 2: un mode de réalisation de la loupe bioculaire se- lon l'invention. Figure 3: le même mode de réalisation de la loupe bioculaire avec un système optique additionnel pour obtenir une image plus éloignée. Figures 4 a et 4 b: deux réalisations de loupe achromatique. Figure 5: une réalisation de loupe à faible encombrement. Figure 6: une réalisation de loupe à oculaire coudé pour des systèmes de forme périscopique. Il est bien connu que le dioptre sphérique D de centre C et de rayon R représenté sur la figure 1 est aplanéti- que pour le couple de points A et A' tels que CA = R/n et CA' = n R, N étant l'indice de réfraction du verre. Par extension, en prenant C comme centre de symétrie, tous points tels que B et B' situés respectivement sur les systè- mes concentriques de rayons CA et CA' sont aplanétiques. Il en résulte donc qu'un seul dioptre sphérique est capable de donner d'un objet AB situé sur une sphère, une image virtuelle agrandie A'B' elle-même sphérique et parfaitement cor- rigée de toutes les aberrations géométriques. La figure 2 montre un mode de réalisation de la lou- pe bioculaire selon l'invention Elle comporte une lentille épais- se biconvexe L 1 associée à un conducteur d'image en fibres opti- ques À. La lentille réalisée dans un matériau d'indice n 1 est constituée par deux dioptres sphériques concentriques Dl et D 2 de centre C 1 et dont les rayons respectifs ont pour valeur R 1 et R /ni,le dioptre 02 étant situé en regard de l'objet plan observé-dont la trace est en O sur le plan de la figure Le con- ducteur d'image en fibres optiques 4 a son extrémité plane col- lée sur la surface de l'objet et son extrémité sphérique collée sur la surface du dioptre 02 On a ainsi réalisé une loupe mono- culaire ou bioculaire-dans sa forme la plus simple selon l'inven- tion. On doit noter que l'objet observé n'est pas néces- sairement plan Il pourrait-avoir un rayon de courbure quelcon- que pourvu que la fibre optique ait le même rayon. Le point A étant la projection orthogonale du cen- tre C 1 sur la trace O de l'objet observé, le système donne d'un segment de droite A Bo = y pris sur cette trace et transporté par le conducteur d'image + en A Bl sur le dioptre D 2 y une image virtuelle agrandie A 2 B 2 située sur une sphère de centre C 1 et de rayon égal à N 1 Ri 2 Le grandissement de la loupe est égal à N 1 et l'an- gle sous lequel on peut voir l'image à partir du sommet 51 de la loupe (trace dé l'axe optique A C sur le dioptre Dl) est égal à y N 1 ai'=R,(n, + 1) lorsque y est petit. Le grossissement de la loupe est C = a, a étant par définition l'angle sous lequel on voit l'objet à l'oeil nu lorsqu'il se trouve à la distance minimale de vision distincte 250 N 2 soit 250 mm ota =y On a donc G= R (n 1 R étant ex- primé en millimètres On remarque qu'il est intéressant d'utili- ser un indice fort. Cette loupe peut fonctionner avec une très grande ouverture numérique puisque l'angle d'incidence sur le dioptre sphérique peut atteindre l'incidence rasante. La figure montre comment les deux yeux de l'obser- vateur peuvent voir l'image B 2 du point B Sous cette forme la plus simple ne comprenant qu'une seule lentille et une plaque de fibres optiques, cette loupe est rigoureusement aplanétique Son champ total 2 a pour un oeil situé au sommet 51 peut aller jusqu'h 180 degrés avec une qualité constante. Seul le chromatisme n'est pas corrigé - Cette loupe est un instrument parfait en monochromatique. Cette formule d'oculaire à une seule lentille L 1 a l'inconvénient de fournir une image virtuelle à distance re- lativement proche On pallie ce défaut en disposant un système optique additionnel entre la lentille L 1 et l'observateur de fa- çon à ce que ce système donne de l'image virtuelle A 2 B 2 jouant alors le rôle d'objet virtuel une autre image virtuelle à dis- tance convenable pour l'observateur. Ce système optique additionnel représenté sur la figure 3 peut avantageusement être constitué d'un ménisque apla- nétique convergent L 2 d'indicen 2 donnant de A 2 82 l'image vir- tuelle A 3 B 3 La face concave de ce ménisque a son rayon de cour- bure centré sur A 2 et la face convexe travaille aux points apla- nétiques pour les points A 2 et A 3 Afin de conserver un centre de symétrie, on s'arrange pour que cette face concave ait son centre C 2 confondu avec le centre C de la lentille L 1 Cette 2 1 condition est satisfaite lorsque son rayon de courbure a pour va- leur R 2 = R 1 N 1 N 2 L'image du point A 3 se forme alors à la dis- tance du sommet 52 de L 2 telle que l'on ait 52 A 3 = Rnn 2 (n 2 + 1). Si cette distance n'est pas jugée suffisante, on peut ajouter d'autres ménisques L 3, L 4 L réalisés respectivement dans des matériaux d'indices N 3, N 4 N et qui fonctionnent sur le même modèle, la face concave d'un ménisque de rang i quel- conque compris entre 2 et p ou égal à p étant centrée sur le point de rencontre de l'axe optique avec l'image virtuelle for- mée par le ménisque de rang i 1 et la face convexe dudit mé- nisque de rang i ayant son centre confondu avec celui de la len- tille L, et son rayon de courbure R R 1 N 1 N 2 ni On ob- tient ainsi un système aplanétique capable de donner une excel- lente qualité d'image dans un très grand champ, parce que le système a Cl pour centre de symétrie La qualité est constante en fonction de l'angle de champ Pour la plupart des applica- tions, deux à trois lentilles suffisent. Cette loupe est donc un instrument parfait fonc- tionnant en monochromatique ou dans un spectre étroit comme ce- lui de certains phosphores de tube image. Si la bande spectrale est large, l'achromatisation est possible Il suffit de dédoubler la lentille épaisse L 1 et d'utiliser deux verres d'indices voisins et de dispersions dif- férentes La loupe achromatique représentée sur la figure 4 a comprend alors deux lentilles collées: une convergente à faible dispersion V' et une divergente à forte dispersion v". Lorsque les indices sont égaux, la loupe est rigou- reusement aplanétique dans tout le champ Le chromatisme seul varie légèrement en fonction du champ car le système optique n'a plus de centre symétrie. Lorsque les indices sont voisins, l'aplanétisme n'est plus strictement réalisé, mais on s'écarte très peu' de la condition d'aplanétisme et la correction est pratiquement parfai- te. La figure 4 b représente une loupe achromatique constituée de trois lentilles d'indices très voisins et de dis- persions différentes La lentille L 1 comprend par exemple une divergente à forte dispersion VI collée entre deux convergentes à faibles dispersions v' et v"' Dans le système de loupe bioculaire comportant des éléments supplémentaires destinés à former l'imageà une distan- ce plus éloignée, la lentille L 2 peut être achromatisée en la dédoublant en deux lentilles collées fabriquées dans des verres d'indices voisins et de dispersions différentes. Lorsque les conditions ? 2 nn pour la lentille L 2 _ 112 sont satisfaites, le systè- R = nn, N pour la lentille L p 11 p p me constitué par les p lentilles a pour centre de symétrie le centre de courbure du dioptre D On a alors un système aplané- tique dont la qualité est constante en fonction de l'angle de champ. Si pour certaines applications, on accepte une lé- gère dégradation de la qualité en fonction de l'angle de champ, ce qui est en général consenti pour tous les systèmes optiques, cette condition peut ne pas être strictement satisfaite La len- tille L est toujours une lentille aplanétique dont le dioptre concave a son centre de courbure confondu avec A 2 et dont le dioptre convexe travaille aux points aplanétiques pour les points A 2 et A 3, mais on peut réduire l'intervalle d'air sépa- rant L 1 de L 2 de façon à réduire l'encombrement de l'oculaire. L'oculaire ainsi réalisé est toujours aplanétique pour le cen- tre de champ On peut ajouter une troisième lentille L 3 fonc- tionnant sur le même modèle. Un tel oculaire est représenté sur la figure 5 Il permet d'atteindre facilement 60 degrés de champ total en vi- sion bioculaire avec une excellente correction des aberrations. La lentille L 1 est ici achromatisée: L 1 est composée de trois lentilles collées. La fibre optique représentée est une fibre droite, mais cet oculaire peut être associé indifféremment à des fibres inverseuses ou à des fibres grossissantes, réductrices ou cou- dées. Pour des systèmes de forme périscopique, il peut être avantageux de couder l'oculaire. Cet oculaire peut aisément être coudé à l'intérieur de L 1 ainsi qu'il est représenté sur la figure 6 car cette len- tille est très épaisse Il peut l'être également entre L 1 et L 2 ou dans L 2 en faisant cette dernière très épaisse On peut en effet modifier l'épaisseur de L sans modifier le fonctionne-, ment du système; il suffit pour cela que son dioptre concave soit centré sur A 2. Ce type de loupe bioculaire peut évidemment être utilisé comme loupe monoculaire Il permet de réaliser des lou- pes de très grand diamètre parfaitement corrigées des aberra- tions. La même formule optique convient à des objectifs à grande ouverture'et à grand champ comme ceux utilisés avec des tubes à intensification de lumière Une fibre optique dont la face d'entrée est courbe du côté de l'objectif et plane du côté du tube permet le couplage avec un tube intensificateur à entrée sur fibre optique. REVENDICATIONS 1 Loupe bioculaire à grand champ pour les systèmes de visualisation caractérisée en ce qu'elle comporte: une len- tille épaisse biconvexe réalisée dans un matériau d'indice N 1 constituée par deux dioptres sphériques concentriques, le se- cond dioptre situé en regard de l'objet observé ayant un rayon égal au quotient du rayon du premier dioptre par l'indi- ce nl, un conducteur d'image en fibres optiques ayant l'une de ses extrémités collée sur la surface de l'objet et l'autre ex- trémité sphérique collée sur la surface dudit second dioptre, l'axe passant par le centre commun desdits dioptres et normal au plan de l'objet constituant l'axe optique du système, une image virtuelle agrandie dudit objet plan étant formée sur la surface sphérique concentrique auxdits dioptres et de rayon égal au produit du rayon du premier dioptre par l'indice N, ladite image virtuelle et l'image transportée sur la surface du second dioptre remplissant ainsi la condition d'aplanétisme. 2 Loupe bioculaire selon la revendication 1, carac- térisée en ce que ladite lentille épaisse est constituée de plusieurs lentilles accolées d'indices voisins de N et de dis- persions différentes afin de réaliser les corrections de chro- matisme. 3 Loupe bioculaire selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisée en ce qu'elle comporte entre ladite lentille épaisse constituant un élément de rang 1 et l'observateur, un élément supplémentaire de rang 2 constitué par un ménisque con- vergent ou p 1 éléments supplémentaires de rang 2, 3 et p (p supérieur à 2) constitués par des ménisques convergents dis- posés à la suite les uns des autres et réalisés respectivement dans des matériaux d'indices N 2, N 3 et N, la face concaue d'un ménisque de rang i quelconque compris entre 1 et p ou égal à p étant un dioptre sphérique centré sur le point de rencontre de l'axe optique avec l'image virtuelle formée par l'élément de rang i 1, la face convexe dudit ménisque étant un dioptre sphé- rique concentrique aux dioptres de la lentille épaisse et de rayon égal au produit du rayon dudit premier dioptre par les indices N 1, N 2 * et ni, l'image virtuelle agrandie formée par ledit ménisque de rang i sur une sphère concentrique à sa face convexe et de rayon égal au produit du rayon de cette fa- ce par l'indice n remplissant ainsi la condition d'aplanétisme. 4 Loupe bioculaire selon la revendication 3, carac- térisée en ce que chacun desdits ménisques est constitué de deux lentilles accolées d'indices voisins et de dispersions différentes afin de réaliser les corrections de chromatisme. 5 Loupe bioculaire selon l'une des revendications 3 à 4, caractérisée en ce que ladite lentille épaisse et lesdits éléments supplémentaires sont rapprochés les uns des autres afin de réaliser un oculaire à encombrement réduit. 6 Loupe bioculaire comportant un ou plusieurs élé- ments optiques associés à un conducteur d'image en fibres opti- ques droites selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que lesdits éléments optiques sont associés indifférem- ment à des fibres inverseuses, grossissantes, réductrices ou coudées. 7 Loupe bioculaire comportant un élément supplémen- taire selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisée en ce que pour réaliser des systèmes de forme périscopique, ladite loupe est avantageusement coudée soit à l'intérieur de ladite lentille épaisse, soit entre ladite lentille et le ménisque, soit à l'intérieur du ménisque à condition de donner à ce der- nier une plus grande épaisseur.