Brevet FR2586828A1 — publié le 19870306

La présente invention concerne les objectifs à infrarouge, à distance focale variable. De même que les objectifs normaux à focale variable, les objectifs à infrarouge compprtent, entre deux éléments extrémes une partie intermédiaire formant variateur et comprenant deux éléments mobiles assujettis à un dispositif de commande impartissant les déplacements voulus de ces éléments en fonction d'une loi déterminée. Les objectifs à infra-rouge à focale variable présentent un intérêt considérable dans les systèmes opto-électroniques modernes consacrés à l'imagerie thermique, la poursuite ou le guidage à infra-rouge, et la simulation. Cependant, le matériau optique généralement utilisé pour réaliser les composants de tels objectifs est le germanium. Or, ce matériau a l'inconvénient de présenter des variations de son indice de réfraction en fonction de la température. Ceci provoque donc une défocalisation importante de l'objectif, de sorte qu'il est nécessaire de compenser ce défaut en focalisant à nouveau le faisceau lumineux sur la partie détectrice de l'objectif. Comme décrit dans le brevet français 2.366.589, cette re-focalisation est habituellement réalisée en déplaçant, d'une quantité définie, l'élément avant ou l'élément arrière de l'objectif. Cependant, comme l'un et l'autre de ces éléments ne font pas partie du variateur intermédiaire, il est nécessaire de prévoir des guidages mécaniques supplémentaires. Or, ceci est préjudiciable en ce qui concerne le prix, l'encombrement et la fiabilité de l'ob- jectif. De plus, on retrouve ces mêmes difficultés lorsque l'objectif doit pouvoir assurer une mise au point rapprochée. En effet, là encore une translation de l'élé- ment avant ou arrière (fixes pendant la variation de focale) constitue la solution habituelle avec les mêmes inconvénients que dans le cas précédent. S'il est prévu que l'élément avant de l'objectif doit cumuler les fonctions de compensation en température et de mise au point rapprochée, il est alors nécessaire que le déplacement de celui-ci soit assuré en fonction de la focale et de la température. S'il est prévu un déplacement de l'élément arrière, ce déplacement doit dépendre de la focale, de la mise au point et de la température. Or, dans l'un et l'autre cas, ceci entraine un certain nombre d'inconvénients. C'est pourquoi la présente invention a pour but de réaliser un objectif infra-rouge, à focale variable, conçu de façon que la compensation des effets dus à la variation de température et/ou la réalisation d'une mise au point rapprochée, soit réalisée sans faire intervenir un déplacement particulier de l'élément avant ou de l'élément arrière de cet objectif. A cet effet, l'objectif selon l'invention est caractérisé en ce qu'un ou plusieurs éléments de son variateur intermédiaire sont assujettis à un dispositif de commande leur impartissant un déplacement de correction destiné à compenser des variations de position du plan image, dQes à des variations de température, ou à une mise au point rapprochée, ou encore à toute autre cause, ce dispositif comportant des organes détecteurs de température et/9u des organes de détection de mise au point, lesquels sont reliés, par l'intermédiaire d'un calculateur, au système de commande proprement dit, lui même associé à un système de recopie de la position des éléments commandés. Ainsi, en plus de leur fonction de variation de la focale, les éléments du variateur assurent la compensation des variations de température et la mise au point rapprochée. Cette solution a donc pour avantage d'éviter d'avoir à prévoir des moyens supplémentaires de guidage mécanique. De plus, il en résulte une réduction d'encombrement et une simplification notable de la construction mécanique. Dans une forme de réalisation particulière du présent objectif, les variations de grandissement sont assurées de la façon habituelle par un dispositif mécanique, par exemple un dispositif à came. Dans un tel cas un des éléments du variateur de l'objectif dispose d'une liberté supplémentaire en translation et est assujetti à un second dispositif de commande impartissant un déplacement supplémentaire de correction de cet élément pour compenser des défocalisations. Dans une autre forme de réalisation, les variations de grandissement sont assurées par un dispositif électronique à microprocesseur impartissant les déplacements voulus à ces éléments par l'intermédiaire de moteurs distincts d'entrainement, et ce dispositif est alors équipé d'un programme supplémentaire impartissant une modification de l'ampleur du déplacement de l'un des éléments du variateur pour compenser des défocalisations. Cependant, d'autres particularités et avantages de l'objectif selon l'invention apparaitront au cours de la description suivante. Celle-ci est donnée en référence au dessin annexé à simple titre indicatif, ét sur lequel La figure 1 est une vue schématique en cqupe axiale d'un objectif selon l'invention dont les éléments sont représentés dans la position correspondant à une courte focale La figure 2 est une vue similaire sur laquelle ces mêmes éléments sont représentés dans leur position correspondant à une longue focale La figure 3 est une vue schématique du dispositif de commande des éléments mobiles du variateur dans une première forme de réalisation du présent objectif La figure 4 est un diagramme de ce dispositif de commande La figure 5 est une vue similaire à la figure 3, mais qui représente une autre forme de réalisation du dispositif de commande des éléments mobiles du variateur La figure 6 représente les déplacements impartis à l'un des éléments du variateur pour assurer les compensations de température et ce, pour un certain nombre de focales différentes La figure 7 représente les déplacements impartis à ce même élément du variateur pour assurer une re-focalisation lors d'une mise au point rapprochée et ce, pour un certain nombre de focales différentes. L'objectif représenté aux figures 1 et 2 comporte quatre éléments distincts I-II-III-IV pouvant eux-mêmes être constitués par une ou plusieurs lentilles. Les deux éléments intermédiaires II et III constituent le variateur de l'objectif. Quant à l'élément avant I, il est destiné à former une image d'un objet situé à une distance infinie ou rapprochée. Cette image est reprise par le variateur qui donne une seconde image intermédiaire fixe suivant un grandissement variable. Enfin, l'élément arrière IV est fixe et détermine la dimension de l'image finale. Pour obtenir la variation de focale, les deux éléments II et III du variateur doivent être déplacés suivant une loi très précise. Les figures 1 et 2 représentent leurs positions extrêmes, respectivement pour une courte focale et pour une longue focale. Dans l'exemple représenté, l'objectif comporte cinq lentilles en germanium et il présente trois surfaces asphériques, les références 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 et 10 désignant les surfaces avant et arrière de chaque lentille. L'élément avant I est constitué par une lentille simple (dioptre 2 asphérique) de focale 85.066 mm. L'élément II, de puissance négative (focale -24.569mm) est constitué d'une lentille simple (dioptre 4 asphérique). L'élément III est de puissance positive (focale 66mm) et ne comporte qu'une lentille (dioptre 6 asphérique). L'élément IV final est un télé-objectif de focale 1.464 ,9mu comportant une lentille convergente de focale 170.9 et une lentille divergente de focale -170.1. Les trois surfaces asphériques prévues dans le présent objectif sont définies par l'équation où y : distance du dioptre à son plan tangent au sommet. h : hauteur sur le dioptre c : courbure du dioptre de base e : excentricité de la conique associée a4 à a10 : termes d'asphéricité du 4ème au poème ordre. L'ensemble décrit précédemment constitue un objectif de focale variable possédant un coefficient de variation de 4 (focales variant de 100 à 400) dont l'ouverture est de f/4 à toute focale . Le tirage dans l'air de la combinaison est de 90 mm. La longueur totale de la combinaison est de 137.1 mm, le champ objet est variable de 1 10' (longue focale) à 4 40' (courte focale). Le tableau suivant donne une description plus précise de la combinaison Elé- Len- Diop- Sépara- Rayon de Matière Diamètre ment tille tre tion courbure I 1 1 9 141.27 Ger 111 2 variable 300.93 Air 109 II 2 3 2.56 -147.52 Ger 49 4 variable 149.54 Air 48 III 3 5 3.68 -467.73 Ger 51 6 variable -140.04 Air 52 IV 4 7 4.09 82.73 Ger 48 8 50 94.97 Air 46 5 9 1.79 48,43 Ger 31 10 - 41,72 Air 30 Les constantes d'excentricité carrée et d'asphéricité pour les dioptres 2, 4 et 6 sont indiquées dans le tableau suivant dioptre excentricité asphéricités carré e2 a4 a6 a8 alO 2 -1.2671 .8241.10 8 -.3024 10 11 .1138 10 14 -1752 10 4 30.5841- .2768 10-6 -.3562 10 9 -.7846 10 13 .2029 10 6 3.2993 -.1108 10 6 .6387 10 11-.6927 10-14 .7942 10 1 Les entre-verres entre éléments varient suivant la focale, la température et la mise au point.Pour une température de 20 C et une mise au point à l'infini, les valeurs suivantes sont à utiliser Focale Elément I Elément II Elément III /Elément II /Elément III /Elément IV 100 6.9782 44.0264 15.0000 160 26.8400 36.5011 2.6635 220 34.8467 28.7575 2.4004 280 39.1944 21.2506 5.5596 340 41.9369 14.0569 10.0108 400 43.8316 7.1730 15.0000 Cette combinaison est complémentement limitée par la diffraction à toute focale. La fonction de transfert est de 0,70 à 6 cycles/mm. Dans la forme de réalisation représentée à la figure 3, les variations de la focale sont assurées par un dispositif mécanique de commande impartissant, aux deux éléments II et III du variateur, les déplacements voulus en fonction de la loi de variation de focale. Les deux éléments II et III sont montés mobiles en translation sur des tiges de guidage 11. Leurs déplacements respectifs sont commandés par deux cames distinctes 12 et 13 entrainées en rotation par un moteur 14. Celui-ci assure donc la commande de variation de focale. Cependant, l'un des éléments du variateur, en l'occurrence l'élément 3, est assujetti à un second dispositif de commande destiné à lui impartir des déplacements supplémentaires susceptibles de corriger ou de compenser les effets d'une variation thermique ou de tenir compte d'une mise au point rapprochée. A cet effet, la came 13 commandant l'élément III est prévue sur un support 15 distinct du support 16 sur lequel est ménagée la came 12 commandant l'élément II. Ces deux supports sont accouplés en rotation l'un avec l'autre mais le support 15 présente une certaine liberté de translation par rapport au support 16.L'accouplement en rotation de ces deux supports est assuré par un ou plusieurs ergots 17 portés par l'un deux et engagés dans des rainures longitudinales correspondan tes 18 ménagées dans l'autre. Par ailleurs, le support 15 de la came 13 est accouplé avec un doigt 19 d'entrainement en translation, lequel est associé à un dispositif 20 de commande de la position de l'élément III. Ce dispositif est actionné par un moteur 21. De plus, il est prévu un système de recopie de la position de l'élément III, ce système pouvant consister en un codeur rotatif prévu sur l'axe du moteur 21, ou un potentiomètre linéaire, ou bien encore un codeur linéaire. La figure 4 représente le diagramme de conception de l'ensemble du second dispositif de commande ainsi prévu. Sur ce diagramme A désigne des sondes thermiques destinées à détecter une défocalisation sous l'effet d'une variation de tempé rature et/ou un potentiomètre indiquant-une mise au point rapprochée réalisée par l'utilisateur de l'objectif. B désigne un calculateur, numérique ou analogique, apte à exploiter les informations ainsi reçues pour calculer la correction de déplacement qui doit être impartie à l'élé- ment III du variateur pour assurer une re-focalisation -dan-s le-cas idé ré C désigne le dispositif proprement dit de commande. D désigne le système de recopie de position de l'élé ment III du variateur. E désigne un système d'asservissement entre cet organe de recopie de position et le dispositif de commande. En effet, le positionnement précis de l'élément de re focalisation exige un asservissement, et donc un système de recopie de position. Le fonctionnement du présent dispositif est le suivant: 1 En cas de variation de temperature Dans 1' exemple décrit, le domaine de température envisagé s'étend de -40 C à +6OC. Pour chaque focale et à chaque température, le second dispositif de commande prévu assure une refocalisation par un déplacement de l'élément III par rapport à sa position à cette focale et à la température de 20 C. La figure 6 représente les déplacements réalisés pour quelques focales. On peut donner une approximation satisfaisante de ce réseau de courbes par l'équation 6= (1.212 10 4 f2 + 1.555.10 2 f + 10.7)(20-9) où & : déplacement de l'élément III en microns, dû à la température. A : température moyenne de l'optique en C f : focale de l'optique en mm. La simplicité de l'équation permet un positionnement rapide par une électronique analogique ou digitale. 2 En cas de mise au Point rapprochée Dans l'exemple décrit le domaine de mise au point s'étend de l'infini à 5 mètres. Pour chaque focale et à chaque mise au point, le second dispositif de commande prévu assure une refocalisation par un déplacement de l'élément III par rapport à sa position à cette focale et à la mise au point infinie. La figure 7 représente les déplacements réalisés pour quelques focales. Une bonne approximation de ces déplacement est donnée par l'équation # = (1.143 10- f + 3.178 10-1 f - 25.25).x où & : déplacement de l'élément III dû à la mise au point en microns. x : proximité de l'objet visé. Si d est la distance de mise au point 100 x d f : focale de optique en mm Lorsque la température et la distance de mise au point sont deux paramètres du système, le déplacement de l'élé- ment III, pour une température O et une proximité visée x, par rapport à sa position de 20 C pour une mise au point infinie, demeure en première approximation caractérisée par une formule du type & Pl(f). x + P2(f) . (9 - 20) où C : déplacement de l'élément III e : température moyenne x : proximité de l'objet visé f : focale de l'optique P1 P2 : polynomes du second degré. La figure 5 représente une autre forme de réalisation de l'objectif selon l'invention. Dans celle-ci les variations de focale sont assurées, non plus par un dispositif mécanique, mais par un dispositif électronique à microprocesseur. Celui-ci impartit, aux deux éléments II et III du variateur, les déplacements voulus par l'intermédiaire de deux moteurs distincts d'entrainement, respectivement 23 et 24. Comme précédemment, les deux éléments II et III sont montés coulissants sur des tiges de guidage 11. Leurs déplacements sont alors commandés par des vis rotatives 25 et 26 entrainées par les moteurs 23 et 24. Dans un tel cas, le dispositif électronique de commande est équipé d'un programme supplémentaire impartissant une correction du déplacement de l'un des éléments du variateur pour compenser des défocalisations, soit en cas de variation de température, soit en cas de mise au point rapprochée. Cependant, il est alors nécessaire de prévoir deux asservissements dont un piloté par la commande de focale. A cet effet, chacun des deux éléments II et III du variateur est associé à un système de recopie de position. Les systèmes prévus peuvent être du même type que précédemment. Ainsi il est possible d'utiliser des codeurs rotatifs liés rigidement aux axes de commande en translation des éléments II et III. I1 est également possible d'employer des potentiomètres linéaires 27 et 28, comme prévu dans l'exemple représenté à la figure 5. Cependant, on peut aussi utiliser des codeurs linéaires à franges de Moiré comprenant un réseau fixe par rapport à l'objectif et un réseau mobile lié à l'élément mobile II ou III correspondant. La superposition de ces deux réseaux crée un système de franges dont le comptage fournit la position de l'élément considéré par rapport à une position de référence. Dans l'un et l'autre des deux exemples de réalisation décrits ci-dessus, l'objectif selon l'invention présente un certain nombre d'avantages par rapport aux autres objectifs infra-rouge à focale variable dans lesquels la refocalisation voulue est assurée par un déplacement de l'élément avant ou de l'élément arrière. Ces avantages résultent du fait que dans le cas présent cette refocalisation est assurée par l'un au moins des éléments du variateur de l'objectif, donc par un élément déjà monté mobile. Les avantages ainsi obtenus sont essentiellement les suivants a - réduction d'encombrement, les éléments avant et arrière étant rigoureusement fixes par rapport à la monture de l'objectif. b - simplification très notable de la construction mécanique, avec deux éléments mobiles seulement. c - possibilité d'étanchéité complète de l'objectif, ce qui est très difficile, sinon impossible, à réaliser lorsque l'élément avant ou l'élément arrière est mobile. d - réduction du prix de revient, associée à une plus grande fiabilité du fait du nombre plus faible des pièces mécaniques, fixes ou mobiles. REVENDICATIONS 1 - Objectif à infra-rouge, à distance focale variable, comportant entre deux éléments extrêmes, l'un avant mobile et l'autre arrière fixe, une partie intermédiaire formant variateur et comprenant deux éléments mobiles assujettis à un dispositif de commande impartissant les déplacements voulus de ces éléments en fonction d'une loi déterminée, caractérisé en ce qu un ou plusieurs des éléments (II, III) de ce variateur sont assujettis à un dispositif de commande (C) leur impartissant un déplacement de correction destiné à compenser des variations de position du plan image, dûes à des variations de temperature, ou à une mise au point rapprochée, ou encore à toute autre cause, ce dispositif comportant des organes détecteurs de température et/ou des organes de détection de mise au point, lesquels sont reliés, par l'intermédiaire d'un calculateur (B), au système de commande (C) proprement dit, lui même associé à un système (D) de recopie de la position du ou des éléments dont la position doit être corrigée. 2 - Objectif selon la revendication 1, dans lequel les variations de grandissment, sont assurées par un dispositif mécanique, par exemple un dispositif à came, caractérisé en ce qu'un élément (III) de ce variateur dispose d'une liberté supplémentaire en translation et est assujetti à un second dispositif de commande (20-21) impartissant un déplacement supplémentaire de correction à cet élément pour compenser des défocalisations. 3 - Objectif selon la revendication 1, dans lequel les variations de grandissement sont assurées par un dispositif électronique à microprocesseur impartissant les déplacements voulus à ces éléments par 1' intermédiaire de moteurs distincts d'entrainement, caractérisé en ce que ce dispositif électronique est équipé d'un programme supplémentaire impartissant une modification de l'ampleur du déplacement de l'un des éléments du variateur pour compenser des défocalisations. 4 - Objectif selon l'une des revendications, caractérisé en ce que le variateur comprend deux éléments mobiles (11-111), chacun de ceux-ci étant associé à un organe de recopie de position associé au dispositif de commande déterminant la correction de position de l'élément de ce variateur, pour lequel il est prévu une telle correction. 5 - Objectif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les deux organes de recopie de position sont des codeurs rotatifs accouplés avec l'un et l'autre des axes de commande en translation des deux éléments mobiles du variateur. 6 - Objectif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le ou les organes de recopie de position sont des potentiomètres linéaires. 7 - Objectif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les organes de recopie de position sont des codeurs linéaires à franges de Moiré. 8 - Objectif selon l'une des revendications précéden tes,* caractérisé en ce que le déplacement de l'élément utilisé pour la compensation des défocalisations, par rapport à sa position théorique sans défocalisation, dépend de la focale du dispositif, de la température moyenne et de la mise au point, selon la formule = = P1 (foc) .x + P2 (foc) . (e-Q0) où : déplacement de l'élément considéré x : proximité de l'objet visé O : température moyenne du dispositif O : température origine de réglage et d'utilisation du dispositif foc : focale du dispositif P1P2: polynomes de degré 2 ou 3 et permettant la compensation thermique des défocalisations en temps réel de manière électronique.