Brevet FR2547427A1 — publié le 19841214

COMBINAISON DE LENTILLES A FOCALE VARIABLE la présente invention concerne une combinaison de lentilles à focale variable ou "zoom". Les combinaisons de lentilles à focale variable sont dejà bien connues et comprennent au moins une lentille qui est montée de façon fixe sur un support portant au moins deux montures moins, chacune d'ellescomprenant une lentille, gracie à quoi le mouvement des montures mobiles produit un mouvement axial des lentilles correspondantes le long de l'axe optique de la combinaison Deux des montures mobiles sont habituellement accouples mécaniquement ensemble au moyen d'un mécanisme qui comporte une commande d'entrée permettant d'in- troduire un facteur de grossissement demande, le mécanisme est prédéterminé sur la base de l'hypothèse selon laquelle la distance focale et la température sont constantes, ce qui fait que les deux montures mobiles sont respectivement amenées à des positions axiales prédéterminées qui procurent le facteur de grossissement demandé, conformément à la valeur introduite. La native précise du mécanisme dépend des paramètres optiques des lentilles de la combinaison, c'est-à-dire des indices de refrastion des matières utilisées, de la courbure des surfaces réfringentes, des épaisseurs des lentilles et des limites pratiques du mouvement axial des lentilles mobiles. L'utilisation croissante de combinaisons de lentilles à focale variable dans diverses applications a récemment conduit à l'exigence de meilleures performances sur la totalité de la plage de grossissement. Cette exigence est apparue essentiellement du fait de l'utilisation de telles combinaisons dans des environnements dans lesquels la température n est ni constante ni pratiquement constante, ce qui fait que les paramètres optiques des lentilles varient. Diverses propositions ont déjà été faites pour compenser ces paramètres variables.A titre d'exemple, une proposition consiste à monter une troisième lentille sur une monture mobile et à permettre un réglage manuel par un opérateur de la position axiale de cette lentille, jusqu'à ce que la résolution de la structure dégradée par la variation de température soit rétablie à un niveau suffisant pour le but poursuivi par lzopéra- teur. Cette proposition est mécaniquement complexe dans la mesure où la combinaison comprend trois montures mobiles,et elle est optiquement peu performante dans la mesure où elle ne permet pas d'obteiiir la résolution optimale à tovs les réglages de distance focale et de facteur de grossissement pour toutes les températures. 11invention a pour but de procurer une forme nouvelle et perfectionnée de combinaison de lentilles à focale variable dont les performances sont pratiquement indépendantes des variations de température. L'invention procure donc une combinaison de lentilles àfoca2evariable ayant des paramètres optiques prédéterminés, qui comprend au moins une lentille qui est montée de façon fixe sur un support portant deux montures mobiles, chacune d'elles contenant une lentille, les lentilles de la combinaison étant alignées sur un axe optique commun, et le mouvement des montures mobiles produisant un mouvement axial des lentilles correspondantes le long de l'axe, dans laquelle les montures mobiles sont positionnées axialement indépendamment conformément à des signaux de position respectifs que produisent des moyens de calcul qui sont pré-programmés conformément aux paramètres optiques prédéterminés, avec des données liant la position des lentilles à la distance focale, au facteur de grossissement et à la température, et des moyens sont incorporés pour introduire dans les moyens de calcul la distance focale demandée, le facteur de grossissement demandé et la température mesurée automatiquement à pru- ximité de la combinaison de lentilles. On notera que la combinaison de lentilles peut fonctionner dans n'importe quelle bande d'ondes, comme la bande visible ou infrarouge, et que les paramètres optiques, bien que prédéterminés, peuvent prendre n'importe quelle forme. Chaque lentille peut ainsi comprendre un ensemble d'éléments de lentille et elle peut comporter des surfaces réfringentes sphériques ou des surfaces réfringentes asphériques. Les matières constitutives des lentilles peuvent être les mêmes pour différentes lentilles ou bien elles peuvent différer dans des buts tels que la correction chromatique. Cependant, du fait que les paramètres optiques sont prédéterminés, la corrélation entre la position des lentilles et la distance focale et le facteur de grossissement peut eAtre calculée comme précédemment à n'importe quelle température. On peut donc calculer une corrêlation similaire pour toutes les températures dans une plage de température donnée afin d'établir les donnees avec lesquelles les moyens de calcul sont pré-programmés. On peut enregistrer ces données sous un format correspondant à des valeurs numériques discrètes ou sous un format algorithmique (analogique) et on notera que, comme pour établir précédemment la nature prédéterminée du mécanisme utilisé pour positionner simultanément deux montures de lentilles mobiles, l'invention est basée sur l'hypothèse selon laquelle les données pré-programmées ne définissent qu'une seule position pour chaque monture mobile pour un ensemble donné de conditions demandées qui sont appliquées à l'entrée.On parvient à ceci en choisissant les positions des montures mobiles qui procurent une résolution optimale de la combinaison de lentilles L'invention procure donc une résolution optimale pour chaque distance focale et chaque facteur de grossissement demandés, sur toute la plage de température, la température à proximité de la combinaison de lentilles étant mesurée automatiquement afin de maintenir automatiquement la résolution optique. Du fait que la combinaison de lentilles de l'invention utilise seulement deux montures mobiles, ses mécanismes sont extremement simples et du fait qu'il n'y a que deux lentilles mobiles, il est relativement simple de réaliser un alignement précis des axes optiques. les mécanismes sont commodément entranés par des moteurs électriques, chacun d'eux étant incorporés dans une boucle d'asservissement qui reçoit le signal de position correspondant produit par les moyens de calcul. A titre d'exemple, les moyens de calcul peuvent comprendre un microprocesseur dans la mémoire duquel les données précitées sont pré-programmées. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif. la suite de la description se réfère aux dessins annexés sur lesquels : La figure 1 représente schématiquement un système optique comprenant une combinaison de lentilles à focale va- riable conforme à l'invention5 cette combinaison étant réprésentée (partiellement) de façon séparée pour trois facteurs de grossissement différents, dans un but de clarté; ; la figure 2 est un graphique montrant la variation de position en fonction de la variation du facteur de gros sissement-et de la variation de la distance focale à température constante pour chacune des deux lentilles mobiles de la combinaison la figure 3 est un graphique montrant les variations de position en fonction de la variation du facteur de grossissement et de la variation de température pour une distance focale constante, pour chacune des deux lentilles mobiles de la combinaison la figure 4 estun graphique qui montre la variation de la résolution optique en fonction de la variation du facteur de grossissement et de la variation de la distance focale,à température constante pour le système ; et La figure 5 est un graphique qui montre la varia tion de la résolution optique en fonction de la variation du facteur de grossissement et de la variation de température,à distance focale constante pour le système. le système optique 10 qui est représenté sur la figure 1 se présente sous la forme d'un système grossissant à réfraction afocal du type à focale variable, comportant une combinaison de lentilles à focale variable il et une combinaison de lentilles auxiliaire 12, chacune d'elles étant ali gelées sur un axe optique commun 13 Par conséquent, le rayon nement qui entre dans le système 10 à partir d'un espace objet 14 forme une image réelle interne 15 et est transmis vers un espace image 16 par un diaphragme 17. la combinaison de lentilles auxiliaire 12 est représentée à titre d'exemple sous une forme comprenant quatre éléments de lentille A, B, C et D montés de façon fixe, dont 1es matières, les dimensions et les écartements mutuels sont choisis de façon a assurer l'adaptation entre la combinaison à focale variable Il et le dispositif de détection de rayonnement qu'on prévoit d'utiliser dans l'espace image 16. On notera cependant qu'on peut utiliser Si on le désire diverses autres formes pour la combinaison 12. La combinaison de lentilles à focale variable 11 est représentée schématiquement sous une forme comprenant trois lentilles E, F, G parmi lesquelles les lentilles E et G sont des lentilles à un seul élément et la lentille F est un tripleut. Dans ce mode de réalisation, la lentille G est montee de façon fixe sur un support 209 la lentille F est montée sur une première monture mobile 21 qui est portée par le support 20, et la lentille E est montée sur une seconde monture mobile 22 qui est également portée par le support 20, et les montures 21, 22 peuvent etre déplacees indépendamment le long du support 20, dans les limites pratiques qui sont imposées par la présence des lentilles fixes D et G.La monture mobile 21 est déplacée axialement au moyen d'un moteur 23 qui fait partie d'un asservissement et auquel un premier signal de po sition est appliqué par la ligne 24. De façon similaire, la monture mobile 22 est déplacée axialement au moyen d'un moteur 25 qui fait partie d'un asservissement et auquel un second signal de position est appliqué par la ligne 26, et les lignes 24, 26 étant connectées à des moyens de calcul 28 qui sont pré-programmés avec des données comme on l'expliquera et qui reçoivent trois signaux d'entrée. Le premier signal d'entrée provient par une ligne 29 d'un dispositif de commanae 30 qui peut être actionné par un opérateur pour demander un réglage particulier de mise au point ou de distance focale le second signal d'entrée provient par une ligne 31 d'un dispositif de commande 32 qui peut être actionné par l'opérateur pour demander un facteur de grossissement particulier ; et le troisième signal d'entrée provient par une ligne 33 d'un capteur de température automatique 34 qui est conçu de façon à détecter et à mesurer automatiquement la température au voisinage de la combinaison de lentilles 11.Le signal présent sur la ligne 33 peut en fait être obtenu à partir de plusieurs capteurs 34 montés à différents emplacements dans le système 10 et il est destiné à indiquer la température à laquelle sont soumises les diverses lentilles de la combinaison de lentilles 11. Du fait que les lentilles E, F et G sont prédéter-- minées en ce qui concerne les matières et les dimensions, les paramètres optiques de la combinaison de lentilles il sont également prédéterminés pour une température et des positions données quelconques des lentilles mobiles E, F, comme on le sait déjà. Par conséquent les données pré-programmées dans les moyens de calcul 28 agissent de la manière représentée sur les graphiques des figures 2 et 3. la figure 2 montre qu'à une température sélectionnée (200C dans ce cas), la lentille E et la lentille P ont des positions prédéterminées pour un facteur de grossissement et une distance focale donnés quelconques.On observera en fait qu'une variation de la distance focale demandée conduit à une variation extrêmement faible de la position des lentilles, et le Tableau I est présenté pour faire apparaltre plus clairement cette variation. Sur la figure 2 (et la figure 3), la position des lentilles est considéréepar rapport à la lentille fixe adjacente sur la figure 1, ce qui fait que la position de la lentille E est rapportée à la lentille D, tandis que la position de la lentille F est rapportée à la lentille G. Dans chaque cas, l'écartement, mesuré en millimètres, est la distance le long de l'axe 13 entre les surfaces réfringentesles plus proches des deux lentilles A titre d'exemple, pour la lentille F la surface réfringente est la surface 36 et pour la lentille G la surface réfringente est la surface 37s et la position indiquée sur les figures 2 et 3 est l'écartement entre les surfaces 36 et 37, mesuré le long de l'axe 13. La figure 3 montre la variation de position des lentilles E, F en fonction de la variation du facteur de grossissement pour une distance focale constante, et à trois températures distinctes. On notera qu'à la distance focale représentée (l'infini), la position des lentilles dépend fortement de la température dans-la plage de température de -200C à +60 C. les courbes des figures 2 et 3 sont calculées pour procurer une résolution optimale pour chaque réglage de position des lentilles E et P à chaque distance focale, chaque facteur de grossissement et chaque température et, à titre d'exemple, les figures 4 et 5 montrent des courbes de résolution (en termes de pourcentage de limite de diffraction), l'une à température constante et l'autre à distance focale constante, chacune d'elles couvrant la plage de grossissement concernée. Ces courbes de résolution sont calculées de manière polychromatique à trois longueurs d'onde (8,5, 10,0 et 11,5 micromètres) avec des pondérations respectives (0,63, 1,00 et 0,50) pour le faisceau de champ axial, la limite de diffraction étant choisie à une fréquence spatiale correspon- dant approximativement à la fraction 5/32 de la fréquence spatiale de coupure de diffraction. Dans le fonctionnement des moyens de calcul 28, l'opérateur introduit par l'intermédiaire des dispositifs de commande 30, 32 la distance focale et le facteur de grossissement demandés, et lp capteur 34 introduit automatiquement la température mesurée. Les moyens 28 calculent ensuite à partir de ces trois grandeurs d'entrée les deux positions sélectionnées que doivent avoir les lentilles E, F pour procurer la résolution optimale. Lorsque la température change et est détectée automatiquement par le capteur 54, le signal d'entrée de température variable modifie automatiquement les deux signaux de position de sortie pour les conformer aux données, par exemple celles représentées sur la figure 3. Lorsque les données sont enregistrées sous forme de valeurs numériques discrètes, les moyens 28 effectuent l'interpolation nécessaire, d'une manière connue en elle-même, en se basant sur le fait que le facteur de grossissement et la distance focale demeurent constants pendant l'interpolation. les positions des lentilles E et F sont donc commandées automatiquement pour procurer la résolution optimale lorsque la température varie, la distance focale demandée varie et le facteur de grossissement demandé varie. Le système 10 particulier qui est représenté sur la figure 1 et les graphiques des figures 2-4 concernent une combinaison de lentilles germanium/ZnSe qui est montée sur une structure de support en aluminium, et le système fonctionne donc dans la bande infrarouge (8-13 micromètres), dans laquelle la variation de température est particulièrement importante, à cause du coefficient thermique élevé de l'indice de réfraction que présente le germanium. les paramètres optiques du système sont présentés dans le Tableau II, qui est dressé pour la température de 200C, toutes les unités étant des millimètres. Dans ce tableau, les surfaces réfringentes de chaque lentille sont désignées par un indice affecté à l'identificateur de la lentille (c'est-à-dire A, B, C, etc) ordonné par rapport au diaphragme 17.Ainsi, à titre d' exemple, la surface A1 est la surface de la lentille A qui est la plus proche du diaphragme 17 et la surface A2 est la plus éloignée du diaphragme 17. les surfaces D1 et E1 sont asphériques et ont des profils définis par l'équation asphérique connue dans laquelle : Z = distance parallèlement à l'axe optique 13, C = inverse du rayon de courbure d'une surface sphé rique de référence, K = distance radiale perpendiculairement à l'axe optique 13, et dans le cas de la surface D1, H a une valeur maximale de 18954 mm pour le champ axial et C = 1/(-95,37 mm), D = -2,79 x 10-8.G = 0, et D = 0, tandis que dans le cas de la surface E1, H a une valeur maximale de 29,03 mm pour le champ axial et C =1/(-34722,22 mm), B = =7S54 x 10 89 G = O, et D = 0. Il va de soi que de nombreuses modifications peu vent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. ANNEXE : TABLEAU I Distance Température G R O S S 1 S S (mm) de mise (00) au(tnt X 6,0 X 7,0 XîO,O Xi 2,5 X15,O X17,5 X20,O entille Ecarfement Cmm) Rés ol-i on 82 5 84 5 88 7 90 9 2 5 9 6 94 5 g R F R h R h R A 56,9 65,6 W E o . ~ . ~ ~ ~ Q 21,1 r B 56,7 65,5 73,5 r C R Moe N n ç n 84 8 88 n s4 1 r C\l 92 7 93 9 94 n 15,8 21,9 oN 47,6 c- o 65,7 73,6 E E mi E; 26,6 U r UE y 58,3 66,6 m r t + ç 3 60 79 6 82 4 vo 8 4 89 8 k 91 5 92 7 936 r 6,4 v IS O 34,6 F iN v 55,8 Ln (X) cru \O Ln E UA ~ F F -20 85 N 86 OqO 92q0 934 94 5 95 h h Qo 88,7 m C a C3t Is 96,8 Ln 89,2 87,8 90,8 CD' 20 88,7 90,6 98,1 97,3 91,6 91,7 84,9 n 0H" fc O C- t- fc 2- - 0 C Lc cU \D P- P- Ln C ev o F v to r eo o cn IfE C\l ÇD 1 > F k 20 88,7 90,9 98,2 96,8 89,2 87,8 90,8 X 87,7 90,8 98,4 95,5 83,8 79,0 91,6 O b F 87,1 155 Ch 97,8 97,8 0 N r 93,5 83,0 C!2 C) t \ ts) co is tE tZ 1 > d- r t 1 n tQ tA n n OD n an Oz O G O Ch O O R; F ut m F r (n ts vo m rv rt + v v v wi v + v d tD N tD D O Ò O O O O (5 x CU OJ C\l 1 Cal 05 o O 1 o (o W n vo a) co m tn vo + er ev F F F 1A N tf C\l * N Ifw N ( \0 1D 15 t~ F bq v > ) r v N Cv CD 00 B ed ^ S V O O O O O O O O ) O C\J tM W N (U N C\l E4 sm ç 8 2 8 8 o c 8 H h n h h TABLEAU II lentille Surface Ecartement Grossissement Rayon de Matière courbure Diaphra- Surface gme 17 0 Quelconque plane Air A A1 22,29 Quelconque -44,32 Air A2 4,50 Quelconque -36,37 Ge B B1 0,50 Quelconque 193,01 Air B2 4,25 Quelconque -1724,73 Ge C C1 0,50 Quelconque 35,33 Air a2 16,83 Quelconque 21,85 Ge D D1 69,21 Quelconque -95,37* Air D2 5,00 Quelconque -77,52 Ge 15975 x 6 -34722,22* E1 49,59 x 13 Air 73,62 x 20 E E2 5,50 Quelconque -243,31 Ge 78,45 x 6 F1' 35,83 x 13 -331,31 Air 8,59 x 20 F' ----------------------------------------- F2 2,75 Quelconque 556,48 Ge F1 @,@@ Quelconque @@@@@@@ All F" F2" 2,75 Quelconque 585,41 Ge 1 9s75 Quelconque -112,81 Air F"' F2'" 3,00 Quelconque -157,93 ZnSe 82,47 x 6 G1 91,25 x 13 -263,19 Air 94,46 x 20 G G2 22,50 Quelconque -182,97 Ge * les surfaces D1 et E1 ont des profils asphériques. REVENDICATIONS 1. Combinaison de lentilles à focalevariable (11) ayant des paramètres optiques prédéterminés, comprenant au moins une lentille (G) qui est montée de façon fixe sur un support (20) qui porte deux montures mobiles (21, 22), chacune d'elles comprenant une lentille (F, E), les lentilles ( F, G) de la combinaison (11) étant alignées sur un axe optique commun (13) et le mouvement des montures mobiles (21, 22) ayant pour effet de produire un mouvement axial des lentilles correspondantes (F, E) le long de l'axe (13), caractérisée en ce que les montures mobiles (21, 22) sont positionnées axialement de façon indépendante conformément à des signal:: de position respectifs produits par des moyens de calcul (28) qui sont pré-programmés conformément aux paramètres optiques rrédéterminés, avec des données qui lient la position des lentilles à la distance focale, au facteur de grossissement et à la température, et des moyens (30, 32, 34) sont prévus pour introduire dans les moyens de calcul (28) une distance focale demandée, un facteur de grossissement demandé et une température mesurée automatiquement à proximité de a combinaison (11). 2. Combinaison de lentilles selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de calcul (28) comprennent un microprocesseur ayant une mémoire, et les données précitées sont pré-programmées dans cette mémoire. 3. Combinaison de lentilles selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que chaque monture mobile (21, 22) est entralnée par un moteur électrique (23, 25) incorporé dans une boucle dgasservissement à laquelle est appliqué le signal de position de lentille correspondant que produisent les moyens de calcul (28) 4. Combinaison de lentilles selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chaque lentille (E, F, G) transmet le rayonnement dans la bande infrarouge.