Brevet FR2623298A1 — publié le 19890519

--1 -- SYSTEME OPTIQUE BIFOCAL INFRAROUGE". La présente invention concerne un système optique bifocal infrarouge remplissant les fonctions de changement de focale, de focalisation en température et de focalisation à distance finie. Un tel système est connu et décrit dans la publi- cation SPIE Vol.131 Practical Infrared Optics (1978) le titre de l'article étant 'Design and implementation of a continuous zoom FLIR optical system". Dans l'introduction de cet article (page 24) sont proposés une description et un schéma optique d'un système bifocal travaillant dans l'infrarouge. Dans ce système bifocal la longue focale pour laquelle le champ est donc le plus étroit est obtenue au moyen d'une lentille en germanium derrière laquelle se trouve un miroir oscillant per- mettant de réaliser un balayage. Pour commuter le système en focale courte afin d'explorer un champ plus large trois len- tilles additionnelles sont basculées entre les deux éléments précédents. Ainsi pour l'obtention d'un système o deux foca- les seulement sont nécessaires et o l'utilisation d'un objec- tif zoom serait à éliminer du fait de sa plus grande complexi- té et de son plus grand volume un tel système est avantageux car il permet d'éviter d'avoir recours à deux systèmes opti- ques indépendants. Cependant, force est de constater une profonde sollicitation pour faire tendre ces systèmes vers une plus grande compacité et une plus grande simplicité. Relativement à cette sollicitation, le système connu présente un inconvénient qui est de nécessiter un espace important entre les éléments optiques utilisés pour l'obtention de la longue focale ceci pour pouvoir insérer le groupe de lentilles additionnelles lors de la commutation pour la courte focale. De plus ce sys- tème impose une mécanique encombrante pour permettre - 2 - d'insérer ou d'escamoter ledit groupe de lentilles addition- nelles. L'invention a pour but de remédier à ce genre d'in- convénients et propose des moyens pour réduire encore plus le volume et la complexité du système connu. Pour cela le système optique bifocal du genre men- tionné dans le préambule est remarquable en ce qu'il est cons- titué de trois lentilles dont une seule est axialement trans- latée pour la réalisation de l'ensemble des fonctions dudit système. Ainsi trois lentilles sont utilisées pour obtenir la longue focale et seule la lentille médiane est translatée au moyen d'un simple moteur notamment pour la commutation en courte focale et pour le maintien de la focalisation en tempé- rature et de la focalisation à distance finie. La description suivante en regard des dessins an- nexés, donnés à titre d'exemple, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure la montre de manière schématique le sys- tème optique dans une première position correspondant à une longue focale alors que la figure lb montre de manière schématique le système optique dans une seconde position cor- respondant à une courte focale. La figure 2 représente un schéma optique d'une réa- lisation du système selon l'invention. Sur les figures 1A et b conformément à l'invention le système optique bifocal représenté comporte 3 lentilles L1, L2, L3. La première lentille L1 qui est convergente, est fixe, c'est en fait un objectif dont le foyer est Fl. La seconde lentille qui est divergente, est mobile, elle donne du foyer F1 une image située en F2 et conjugue le point F2 et le foyer Fl. La troisième lentille L3 qui est convergente, est fixe, elle conjugue le foyer F2 et le point F, F étant le foyer du système optique complet. La lentille L2 occupe les deux positions qui lui permettent de conjuguer les points F1 et F2. Dans la position occupée sur la figure la en longue focale LF, la lentille L2 présente un grandissement y alors que dans la position occupée -3 - sur la figure lb en courte focale SF elle offre un grandis- sement 1/h ce qui entraine la relation suivante: LF Y2 = - SF En fait les deux focales, longue focale LF et cour- te focale SF, correspondent aux deux positions extrêmes d'un objectif zoom mécanique de type + -+ (convergent, divergent, convergent} dont la lentille L2 serait le variateur et la len- tille L3 le compensateur et pour lequel il a été imposé à la lentille L3 d'occuper la même position aux focales extrêmes. Néanmoins, il faut souligner que si l'on examine plus en dé- tail le fonctionnement en objectif zoom dudit système optique, on se rend compte qu'il est impossible de couvrir de manière continue la gamme de focales de SF à LF. Seule une première plage de focales aux environs de SF et une seconde aux envi- rons de LF peuvent être couvertes en déplaçant à la fois L2 et L3. Ainsi le choix de réalisation d'un système optique bifocal selon l'idée de l'invention entraîne de nombreux avan- tages. Le fait d'adopter une formule téléobjectif en longue focale conduit à réduire sensiblement l'encombrement. Un sim- ple déplacement en translation selon l'axe optique de la len- tille L2 permet de réaliser les fonctions de changement de fo- cale, de focalisation en température et de focalisation à dis- tance finie. Le déplacement de L2 est par exemple effectué au moyen d'un dispositif électro-mécanique commandé par un asser- vissement de position numérique programmé pour qu'une image nette se forme au foyer F pour les deux focales quelle que soit la température et quelle que soit la distance de l'objet. De plus, la pupille d'entrée se trouve proche de la lentille L1 en longue focale, ce qui permet de choisir cette lentille avec un diamètre minimum. Enfin, en courte focale la pupille d'entrée est rejetée au maximum en avant ce qui auto- rise, lorsque le système optique est appliqué par exemple à une caméra, à utiliser un hublot de dimensions réduites. - 4 - Pour finir un tel choix rend possible la réalisation de maniè- re aisée d'un système trifocal. Pour ceci en plus de la len- tille L2 il suffit de déplacer la lentille L3. Cependant, une telle réalisation ne peut se faire pour n'importe quelle va- leur de la focale intermédiaire comprise entre SF et LF mais seulement pour des valeurs proches de SF ou de LF puisque, comme il a été souligné précédemment, le fonctionnement en ob- jectif zoom dans toute la plage SF à LF n'est pas possible. Suivent à titre d'exemples deux réalisations de 0 systèmes optiques selon l'invention dont le schéma optique est proposé à la figure 2. - Premier exemple: Système bifocal de champ 5 en longue fo- cal.- -- -e champ 30 en courte focale. Il s'agit d'un objectif bifocal destiné à être utilisé dans un système modulaire ther- mique et dont les caractéristiques sont énoncées dans le ta- bleau qui suit: Courte focale Longue focale Domaine spectral 8-12pm 812pm Focale (mm) 67,17 412,27 Champ (pour un format d'image 30 x20 5'x3, 33 égal 24x36 mm) Ouvr.. numérique F/4,1 F/4,1 Vignettage 0 0 Longueur totale (mm) 240 240 Position de la pupille d'entrée -107,82 +64,87 par rapport au premier dioptre(mm) Position de la pupille de sortie -222 -222 par rapport au plan focal (mm) Mei!=u-re MTF (Modulation Transfer 0,72 0, 57 Function) sur l'axe à la fréquence spatiale de 5mm-1 Suivant une réalisation préférée du système optique selon l'invention qui est composé de trois lentilles, deux des - 5 - six surfaces desdites lentilles sont asphériques l'une est coe nique, la seconde est une surface asphérique générale. Les données de construction en longue focale sont les suivantes relativement au schéma de la figure 2, N'de la surface Rayon Epaisseur suivante Matière Diamètre 2 101,59 10,83 Ge 113,68 3 Conique 76,72 Air 107,36 4 -168,77 3,36 Ge 43,28 154,01 7,92 Air 43,18 6 Asphérique 5,04 Ge 55,60 7 -201,26 134,43 Air 56,14 o, 'rayon" signifie le rayon de courbure de la surface réfé- rencée, "épaisseur suivante' signifie l'intervalle à respecter depuis ladite surface référencée jusqu'à la surface référencée suivante, intervalle mesuré le long de l'axe opque, 'diamè- tre' signifie le diamètre extérieur de la surface référencée, rayon", 'épaisseur suivante" et diamètre* sont exprimés en mm. En prenant pour équation des méridiennes des surfa- ces asphériques n 3 et 6 par rapport à un système d'axe xoy dans lequel o est le sommet de la surface et ox l'axe optique la formule générale suivante, y2 X = + "2Y4+a3Y6+c4êY8+asYl0 1 +/1-(K+1)@2Y2 o X est la flèche et Y la hauteur sur la méridienne @ = est le rayon de courbure de la méridienne au sommet, R K est le coefficient de conicité les ai sont les coefficients d'asphérisation généraux, les données de construction des surfaces 3 et 6 sont les sui- vantes: - 6 - Surface n 3: R = 128,347 K = -0,90065x10-1 ai = O; i = 2,... ,5 Surface n06: R = 1324,277 K = -0,93814x104 a2= O,47838x10-6 "3= -0, 11655x10-8 a4= 0,14168xiO-11 "5= -0,63864x10-15 En courte focale, la lentille L2 doit être reculée de 55,17 mm. - Second exemple: Système bifocal de champ 6 en longue focale et de champ 20 en courte focale. Il s'agit tou- jours d'un objectif bifocal destiné à être utilisé dans un système modulaire thermique mais réservé à une application différente. Les caractéristiques propres à ce système sont énumérées dans le tableau suivant: Courte focale Longue focale Domaine spectral 8-12pm 8-12pm Focale (mm) 102 343 Champ (pour un format d'image 20 x13,33 6 x4" égal à 24x36 mm) Ouverture numérique F/4,1 F/4,1 Vignettage 0 O Longueur totale (mm) 240 240o Position de la pupille d'entrée 18,56 68,24 par rapport au premier dioptre(mm) Position de la pupille de sortie -222 -222 par rapport au plan focal (mm) Meilleure MTF sur l'axe à la fré- 0,71 0,64 quence spatiale de 5mm-1 Les données de construction en longue focale sont les suivantes relativement au schéma de la figure 2 et confor- mément à une réalisation préférée de l'invention. 7- N'de la surface -Rayon Epaisseur suivante Matière Diamètre 2 98,63 8, 34 Ge 84,64 3 Conique 65,05 Air 80,16 4 -193,50 2,98 Ge 40,70 5 190,65 6, 96 Air 40,76 6 Asphérique 5,38 Ge 45,10 7 -167,94 149,83 Air 46,08 o, 'rayon' signifie le rayon de courbure de la surface référencée, "épaisseur suivante" signifie l' intervalle à respecter depuis ladite surface référencée jusqu'à la surface référencée suivante, intervalle mesuré le long de l'axe optique, "diamètre" signifie le diamètre extérieur de la surface référencée, 'rayon", "épaisseur suivante" et "diamètre" sont exprimés en mm. Avec les données de constructions spécifiques aux surfaces asphériques n"3 et 6, Surface n"3-: R = 126,275 K = -0,19486 ai = 0, i = 2,...,5- Surface n*6: R = -2544,18 K = 0,16171x104 2= 0,14743x10-7 "3= -0,10147x109 c4= -0,79649x10-13 "5= 0,27033x10-15 En courte focale, la lentille L2 doit, dans ce cas, être reculée de 40,96 mm. - 8 - REVENDICATIONS: 1. Système optique bifocal infrarouge remplissant les fonctions de changement de focale de focalisation en tempéra- ture et de focalisation à distance finie caractérisé en ce qu'il est constitué de trois lentilles dont une seule est axialement translatée pour la réalisation de l'ensemble des fonctions dudit système. 2. Système optique bifocal selon la revendication 1 caractérisé en ce que.deux des six surfaces des trois lentil- -0 les sont des surfaces asphériques, l'une étant conique, la se- conde étant une surface asphérique générale. 3. Système optique bifocal selon la revendication 1 ou 2, z.,;actérisé en ce que les trois lentilles représentées sur la figure 2 sont réalisées et ajustées conformément au tableau de valeurs qui suit, dans lequel le mot 'rayon" indique le ra- yon de courbure de la surface référencée, les mots 'épaisseur suivante" indiquent l'intervalle à respecter depuis ladite surface référencée jusqu'à la surface référencée suivante, in- tervalle mesuré le long de l'axe optique, le mot "diamètre' indique le diamètre extérieur de la surface référencée, "rayon", *épaisseur suivante" et "diamètre" étant exprimés en mmn N'àQe '- surface Rayon Epaisseur suivante Matière Diamètre 2 101,59 10,83 Ge 113,68 3 Conique 76, 72 Air 107,36 4 -168,77 3,36 Ge 43,28 154,01 7,92 Air 43,18 6 Asphérique 5,04 Ge 55,60 7 -201,26 134,43 Air 56,14 alors que les surfaces n'3 et 6 sont ainsi définies: Surface n03: R = 128,347 K = -0,90065x10-1 3i= 0; i=2,...,5 -9 Surface n'6: R = 1324,277 K = -0,93814x104 aZ= O,47838x10-s a3= -0,11655x10-8 CL= 0,14168x10-11 a5= -0,63864x10-15 o R désigne l'inverse du rayon de courbure de la méridienne au sommet, K désigne le coefficient de conicité, les ì dési- gnent les coefficients d'asphérisation généraux. 4. Système optique bifocal selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que les trois lentilles représentées sur la figure 2 sont réalisées et ajustées conformément au tableau de valeurs qui suit, dans lequel le mot "rayon" indique le ra- yon de courbure de la surface référencée, les mots "épaisseur suivante' indiquent l'intervalle à respecter depuis ladite surface référencée jusqu'à la surface référencée suivante, in- tervalle mesuré le long de l'axe optique, le mot "diamètre" indique le diamètre extérieur de la surface référencée, "rayon", *épaisseur suivante", et "diamètre" étant exprimés en mm, N'de la surface Rayon Epaisseur suivante Matière Diamètre 2 98,63 8,34 Ge 84,64 3 Conique 65,05 Air 80,16 4 -193,50 2,98 Ge 40,70 5 190,65 6,96 Air 40,76 6 Asphérique 5, 38 Ge 45,10 7 -167,94 149,83 Air 46,08 alors que les surfaces n 3 et 6 sont ainsi définies: Surface n03: R = 126,275 K = -0,19486 ai = O, i = 2,...,5 Surface n"6: R = -2544,18 K = 0,16171x104 a2= 0, 14743x10-7 3= -0,10147x10-9 a4= -0,79649x10-13 a5= 0,27033x10-15 - 10- o R désigne l'inverse du rayon de courbure de la méridienne au sommet, K désigne le coefficient de conicité, les ai dési- gnent les coefficients d'asphérisation généraux.