Brevet FR2575839A1 — publié le 19860711

L'invention concerne un objectif à distance focale variable, et plus particulièrement un perfectionne- ment apporté à un objectif dont la distance focale peut être modifiée à grande vitesse en réponse à un signal électrique. La distance focale d'un système d'objectif optique classique à distance focale variable, appelé "zoom", est modifiée par déplacement de plusieurs groupes de lentilles constitués chacun de plusieurs lentilles simples, de façon à modifier les intervalles entre les groupes de lentilles. Cependant, dans un tel objectif, il faut un mécanisme pour déplacer les groupes de len- tilles. L'objectif classique ne donne pas suffisamment satisfaction en ce qui concerne la rapidité de variation de la distance focale, le faible encombrement et le faible coût demandés. Il est apparu une demande portant sur des objectifs nouveaux et perfectionnés,à haute performance. Des objectifs à distance focale variable, qui résolvent les problèmes cidessus et. éliminent sensiblement toutes pièces mobiles, sont proposés dans les demandes de brevet japonais N 157213/1982 et 118618/1983. Ces objectifs comportent des lentilles qui fonctionnent sous l'application d'un champ électrique à des lames de cristaux photo- électriques correspondantes, et on fait varier les champs électriques pour modifier les distances focales. Ces dernières peuvent être établies rapidement. Cependant, un objectif classique utilisant un tel cristal photo- électrique nécessite l'application d'un champ électrique puissant au cristal, et l'intervalle de variation de la distance focale est étroit. La demande de brevet japonais N 10224/1985 et le brevet des Etats-Unis d'Amérique N 3 520 592 décrivent des objectifs à distance focale variable comportant chacun une lentille à l'état solide présentant une anisotropie optique, et des moyens destinés à modifier la direction de polarisation de la lumière incidente à la lentille. Ces objectifs à distance focale variable offrent un large intervalle de distances focales. La figure 1 des dessins annexés et décrits ci-après est une vue schématique.-d'un objectif à distance focale variable proposé dans la demande N 10224/1985 précitée. En référence à la figure 1, l'objectif à distance focale variable comporte une lame polarisante 1, un élément 2 de rotation du plan de polarisation, une lentille biréfringente 3, une source d'énergie 4 et un interrupteur 5. L'élément 2 de rotation du plan de polarisation fait tourner le plan de polarisation de la lumière trans- mise à travers la lame polarisante 1 sous l'application d'un champ électrique. Par exemple, l'élément 2 est préparé par formation d'électrodes transparentes sur les deux surfaces principales d'une lame de KH2PO4 monocristallin à coupe Z. La lentille biréfringente 3 est formée de façon que l'axe optique (appelé ci-après axe Z) du cristal soit perpendiculaire à l'axe principal de la lentille, et que l'axe Z soit parallèle à la surface du dessin de la figure 1. L'indice de réfraction de la lentille biréfringente 3, suivant une direction de polarisation perpendiculaire à l'axe principal de la lentille et parallèle à la surface du dessin, est indiqué comme étant l'indice de réfraction normal nO des rayons, et son indice de réfraction, suivant une direction de polarisation perpendiculaire à l'axe principal de la lentille et à la surface du dessin, est indiqué comme étant l'indice de réfraction extraordinaire ne des rayons. En référence à la figure 1, de la lumière pola- risée linéairement par la lame polarisante 1 arrive sur la lentille biréfringente 3 sans changement de la direction de polarisation lorsque l'interrupteur 5 est ouvert. La lumière passant à travers la lentille biréfringente 3 est réfractée à l'indice de réfraction nO et possède donc une distance focale fl. Dans ce cas, la lumière transmise possède la même direction de polarisation que la lumière -incidente, c'est-à-dire une direction parallèle à la surface du dessin. Cependant, lorsque l'interrupteur 5 est fermé, l'élément 2 de rotation du plan de polarisation polarise la lumière circulairement sur 90 , c'est-à-dire dans une direction perpendiculaire à la surface du dessin. La lumière passant à travers la lentille biréfringente 3 possède donc une distance focale f2 déterminée par l'indice de réfraction ne. Dans l'objectif à distance focale variable classique, pour changer la direction de polarisation, le réglage de la distance focale ne peut pas être continu;- mais il s'effectue par pas. Bien qu'un tel objectif à distance focale variable présente des avantages par sa structure simple et sa grande vitesse de commutation, son domaine d'applications pratiques est limité. En pratique, cet objectif classique à distance focale variable manque de souplesse. L'invention a été conçue en tenant compte des problèmes classiques indiqués ci-dessus et elle a pour objet de proposer un objectif à distance focale variable dans lequel la distance focale peut être modifiée en continu pendant qu'une commutation à grande vitesse est réalisée. Pour réaliser l'objet ci-dessus de la présente invention, il estproposé un objectif à distance focale variable comprenant des premiers moyens optiques comportant au moins une paire d'un élément optique et de moyens de réglage des caractéristiques de polarisation, l'élément optique étant conçu de façon à avoir des caractéristiques de réfraction sensiblement différentes suivant les carac- 2S75839 téristiques de polarisation d'un faisceau lumineux incident, les moyens de réglage des caractéristiques de polarisation étant conçus pour établir les caractéristiques de polari- sation du faisceau arrivant sur l'élément optique;. et des seconds moyens optiques destines à modifier en continu la distance focale sur un intervalle égal ou supérieur à la distance focale modifiée par les premiers moyens optiques. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexes à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels: - la figure 1 est une vue schématique d'un objectif classique à distance focale variable; la figure 2 est une vue schématique d'une forme de réalisation de l'objectif à distance-focale variable selon l'invention; - les figures 3 et 4 sont des voesschématiques, respectivement en perspective et en coupe, de l'objectif à distance focale variable en continu; et - la figure 5 est une vue schématique d'une autre forme de réalisation de l'objectif à distance focale variable selon l'invention. La figure 2 représente schématiquement une première forme de réalisation de l'objectif à distance focale variable selon l'invention. Les éléments désignés par les références numériques 1 à 5 sont les mêmes que ceux de l'objectif classique montré sur la figure 1. Cette forme de réalisa- tion de l'objectif à distance focale variable est sensi- blement identique à l'objectif classique, sauf qu'il est ajouté, en tant que seconds moyens optiques, un objectif 6 à distance focale variable. L'indice de réfraction de l'objectif 6 à distance focale variable est modifié par l'application d'un champ électrique provenant d'une source 7 de tension variable, afin que la distance focale de l'objectif 6 soit modifiée en continu. Il convient de noter que la variation de la distance focale, normalement, n'est pas grande. Un exemple de matière convenant à l'objectif ou lentille 6 à distance focale variable est un cristal présentant un effet photo- électrique principal (c'est-à-dire un effet Pockels) ou un cristal présentant un effet photo-électrique secondaire (c'est-à-dire un effet de Kerr). Le cristal mentionné ci- dessus ne doit pas nécessairement être utilisé. L'aniso- tropie optique d'une matière telle qu'un cristal liquide est utilisée pour modifier l'orientation des molécules du cristal liquide afin de déterminer arbitrairement leur indice de réfraction. En variante, une surface incurvée es4- formée par une matière élastique transparente'défor- mable, et son rayon de courbure est réglé par un actionneur afin qu'on obtienne une variation continue de la distance focale. Dans une lentille à distance focale variable consti- tuée de l'élément ci-dessus, on ne peut pas s'attendre à un accroissement important de la variation de la distance focale du fait des limitations des propriétés de la matière et d'un dispositif de réglage d'une tension de commande ou analogue, de la même manière que dans un cristal présentant l'effet photo-électrique mentionné ci-dessus. Les figures 3 et 4 représentent en détail la structure de la lentille ou objectif 6 à distance focale variable. La lentille 6 comporte des éléments 8 et 9 en cristal KH2PO4 produisant un effet de Pockels, et des électrodes transparentes 10. Un faisceau polarisé 11 arrive sur la lentille 6 à distance focale variable. Les éléments 8 et 9 en cristal sont liés de façon que les directions x' et y' des cristaux soient perpendiculaires entre elles par rapport à un axe d'image inversé, tourné quatre fois (désigné axe Z'). La figure 4 est une coupe de la lentille 6 à distance focale variable. La surface limite entre les éléments cristallins 8 et 9 est symétrique par rapport à l'axe Z'. Lorsqu'une tension V est appliquée par la source 7 2575B39 de tension variable aux électrodes transparentes 10, une différence d'indice de réfraction apparaît entre les éléments cristallins 8 et 9 du fait de l'effet de Pockels. La surface limite des éléments cristallins 8 et 9 est incurvée, donnant ainsi une lentille ayant une distance focale f. Lorsque l'on fait varier en continu la tension V de la source 7, la distance focale f varie en continu. Une telle lentille à distance focale variable est décrite en détail dans la demande N 118618/1983 précitée. On peut utiliser les objectifs ou lentilles à distance focale variable, reposant sur les principes mentionnés ci-dessus, ou bien un objectif ou une lentille à distance focale variable décrit dans la demande N 157213/1982 précitée. La distance focale de l'objectif de cette forme de réalisation est déterminée par une combinaison de la lentille biréfringente 3 et de la lentille 6 à distance focale variable. L'interrupteur 5 commande l'établissement de foyers nettement distincts l'un de l'autre. Dans l'inter- valle compris entre les foyers F1 et F2, les distances focales fl et f2 sont modifiées en continu par réglage de la tension de la source 7 à tension variable. Dans ce cas, l'intervalle de variation de la distance focale est égal ou supérieur à la distance comprise entre les foyers F1 et F2. Il n'est pas nécessaire que la lentille 6 à distance focale variable soit placée du côté d'émergence (figure 2) de la lentille biréfringente 3 servant de premiers moyens optiques. Par exemple, lorsque la lentille 6 à dis- tance focale variable possède sensiblement le même axe optique que les premiers moyens optiques, elle peut être placée en toutes positions, même dans un système optique dans lequel le trajet optique est modifié par un miroir ou autre'. L'objectif à distance focale variable selon l'invention et les éléments respectifs constituant les lentilles, y compris la lentille 6 à distance focale varia- ble, peuvent être agencés dans des positions souhaitées dans des systèmes optiques donnés, en association avec d'autres éléments optiques et en fonction des caracté- ristiques des appareils. La figure 5 est une vue schématique d'une autre forme de réalisation de l'objectif à distance focale variable selon l'invention. En référence à la figure 5, l'objectif à distance focale variable comporte une-lame polarisante 1, des éléments 21, 22,... 2n de rotation du plan de polarisation, des lentilles biréfringentes 31, 32.. 3n ayant des rayons de courbure différents, des sources d'énergie 41, 42, - 4., et des interrupteurs 51, 52,. 5n. Dans cette forme de réalisation, n groupes d'éléments de rotation du plan de polarisation, de sources d'énergie et d'interrupteurs sont agencés en avant de la lentille 6 à distance focale variable. Les interrupteurs 51' 52... 5n sont commandés sélectivement pour établir des foyers physiquement distincts F1, F2,...FN {o N = 2n). De la même manière que dans la première forme de réalisation, la source 7 de tension variable est ajustée pour faire varier en continu les distances focales fl, f2,... fN proches des foyers correspondants F1, F2,... FN s'élevant à 2. Lorsque la variation de distance focale est établie comme étant égale ou supérieure à la distance focale distincte obtenue par la manoeuvre de l'interrupteur, les foyers physiquement distincts peuvent être interpolés en continu par les variations se produisant dans la lentille 6 à distance focale variable. Les interrupteurs 51' 52' 5n et la source 7 de tension variable sont commandés pour faire varier en continu les distances focales entre les foyers Fl, F2,... FN. Dans une application pratique de la forme de réalisation ci-dessus, une combinaison des manoeuvres de fermeture/ouverture des interrupteurs 51 5. 2'.. 5 et de 2- n la source 7 de tension variable est commandée par un dispo- sitif (non représenté) comprenant un micro-ordinateur, de façon qu'on obtienne une distance focale souhaitée. Dans la première forme de réalisation, une distance focale continue souhaitée peut être obtenue par la même technique que celle décrite cidessus. Les interrupteurs sont commandés de façon à être couplés entre eux sous la commande d'un programme chargé dans un micro-ordinateur ou analogue. Les distances focales peuvent être modifiées en fonction des applications prévues pour les divers appareils équipés chacun de l'objectif à distance focale variable selon l'invention. Un exemple d'appareil utilisant l'objectif à distance focale variable selon l'invention est constitué par un dispositif remplaçant un actionneur de capteur optique actuellement utilisé avec un disque optique ou analogue, un appareil de détection de position destiné à détecter une position sur une surface en utilisant le principe de la mise au point automatique, et un dispositif destiné à modifier un état de mise au point (position de mise au point) du faisceau sur une surface de rayonnement de faisceau. En outre, l'objectif à distance focale variable-peut être appliqué à un appareil destiné à modifier le diamètre d'un faisceau à diverses fins, ou à divers autres appareils pour faire varier la distance focale d'un système optique. La présente invention n'est pas limitée aux formes de réalisation particulières décrites ci-dessus. Diverses modifications peuvent lui être apportées sans sortir de son cadre. Par exemple, lorsqu'une source de lumière produit un faisceau polarisé linéairement, tel qu'un faisceau laser, la lame polarisantepeut être supprimée; L'élément de rotation du plan de polarisation est constitué par un élément destiné à faire tourner le plan de polarisation sous l'effet de l'application d'un champ électrique à cet élément. Cependant, un exemple de l'élément de rotation du plan peut être constitué par un élément destiné à faire tourner la direction de pola- risation par biréfringence en utilisant une charge mécanique avec un effet élastique optique, ou bien un élément tel qu'un isolateur à effet Faraday, destiné à faire tourner le plan de polarisation en utilisant l'effet magnétique de Faraday. L'axe optique de la lentille biréfringente, sa forme et l'ordre dans lequel sont disposées la lentille biréfringente et la lentille 6 à distance focale variable ne sont pas limités aux formes de réalisation décrites ci-dessus. Conformément à l'objectif à distance focale variable selon l'invention tel que décrit ci-dessus, l'intervalle de variation de la distance focale peut être élargi et la distance focale peut être modifiée en continu. En outre, les premiers moyens optiques cons- titués de la lentille à distance focale variable pour l'obtention de distances focales distinctes possèdent, en principe, un intervalle infini de variation de la distance focale. En ajoutant les seconds moyens optiques pour interpoler les foyers distincts afin d'obtenir une distance focale à variation continue, on peut obtenir un intervalle de variation continue infinie de la distance focale. En utilisant à la fois les caractéris- tiques d'un objectif classique à distance focale variable qui n'établit qu'une distance focale distincte, et les caractéristiques d'un objectif à distance focale variable qui n'établit une distance focale continue que dans un intervalle étroit, et en compensant les inconvénients de ces lentilles à distance focale variable, on peut obtenir un objectif idéal à distance focale variable. En outre, étant donné que l'objectif à distance focale variable peut être commandé électriquement, il peut être commuté à grande vitesse et sa réalisation est simple. REVENDICATIONS 1. Objectif à distance focale variable, caracté- risé en ce qu'il comporte des premiers moyens optiques (2) destinés à faire varier de façon discontinue une distance focale, ces premiers moyens optiques comprenant un élément optique qui présente des caractéristiques de réfraction sensiblement différentes suivant les caractéristiques de polarisation d'un faisceau lumineux incident, et des moyens (4, 5) destinés à déterminer les caractéristiques de pola- risation du faisceau incident sur l'élément optique, l'objectif comportant également des seconds moyens optiques (6) destinés à faire varier en continu la distance focale et conçus pour faire varier leur distance focale dans une plage égale ou supérieure à celle des premiers moyens optiques. 2. Objectif selon la revendication 1, carac- térisé en ce que les premiers moyens optiques comprennent plusieurs éléments optiques qui sont commandés en étant couples les uns aux autres. 3. Objectif selon la revendication 1, carac- térisé en ce que l'élément optique comprend une lentille biréfringente (3). 4. Objectif selon la revendication 1, carac- térisé en ce que les moyens déterminant les caractéristiques de polarisation comprennent un cristal photo-électrique (8, 9) possédant un axe optique orienté dans une direction prédéterminée par rapport à un axe optique de l'objectif à distance focale variable, deux électrodes (10) formées sur deux surfaces opposées de ce cristal photo-électrique, et des moyens (7) d'application d'une tension aux deux électrodes. 5. Objectif selon la revendication 1, carac- térisé en ce que les moyens déterminant les caractéristiques de polarisation provoquent une commutation du faisceau incident entre deux surfaces à polarisation linéaire, per- pendiculaires entre elles. 6. Objectif selon la revendication 1, carac- térisé en ce que les seconds moyens optiques comprennent principalement un cristal photo-électrique.