Brevet FR2625572A1 — publié le 19890707

'SYSTEME OPTIQUE BIFOCAL COUDE A CHAMP ORIENTE". La présente invention concerne un système optique bifocal infrarouge coudé remplissant les fonctions de changement de focale, de focalisation en température et de focalisation à distance finie, comportant un miroir pour la déviation du faisceau incident. Un tel système est connu et décrit dans la publication 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 plus étroit est obtenue au moyen d'une lentille en germanium derrière laquelle se trouve un miroir oscillant permettant de réaliser un balayage en déviant le faisceau incident. Pour commuter le système en courte focale afin d'explorer un champ plus large trois lentilles additionnelles sont basculées entre les deux éléments précédents. Ainsi pour l'obtention d'un système où deux focales seulement sont nécessaires et où l'utilisation d'un objectif zoom serait à éliminer du fait de sa plus grande complexité et de son plus grand volume un tel système est avantageux car il permet d'éviter d'avoir recours à deux systèmes optiques 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. En outre, ce système impose une mécanique encombrante pour permettre d'insérer ou d'escamoter ledit groupe de lentilles additionnelles. L'invention a pour but de remédier à ce genre d'inconvénients et propose des moyens pour réduire encore plus le volume et la complexité du système connu. Pour cela le système optique bifocal du genre mentionné dans le préambule est remarquable en ce qu'il est principalement constitué de trois lentilles L1, L2, L3 dont la seconde L2 est déplacée par basculement autour d'un axe Al tangent au plan du miroir de déviation du faisceau et perpendiculaire à l'axe optique du système pour le changement de focale le sommet de la lentille L2 se déplaçant sur une portion de cercle dont le centre est le point d'intersection de l'axe Al avec l'axe optique alors que la lentille L3 est translatée pour la focalisation en température et la focalisation à distance finie. Ainsi trois lentilles sont utilisées pour obtenir la longue focale et seule la lentille médiane L2 est basculée autour du miroir de déviation du faisceau pour la commutation en courte focale.Le basculement de la lentille L2 est opéré au moyen d'un moteur appelé actionneur par exemple réalisé par la société ARTUS Précision Mécanique, qui autorise ledit basculement de la lentille et verrouille celle-ci en position une fois le basculement exécuté. Le maintien de la focalisation en température et de la focalisation à distance finie est assuré par de légères translations de la lentille L3 au moyen d'un petit moteur. Le miroir. de déviation du faisceau est utilisé pour couder le faisceau incident. Une telle déviation est avantageusement utilisée pour projeter le faisceau vers le sol lorsque le système est incorporé à une caméra pour la recherche de nuit de personnes perdues en montagne ou en mer équipant par exemple un hélicoptère. En outre, un tel système s'intègre aisément et est de faible encombrement. Selon une caractéristique du système selon l'inven tion, les deux surfaces de la lentille L2 sont symétriques l'une par rapport à l'autre, pour la conservation des caractéristiques de transmission du faisceau dans les deux sens de ladite lentille L2. En effet lors du basculement de la lentille L2 de sa position pour l'obtention de la longue focale à sa position pour l'obtention de la courte focale, ladite lentille est appelée à travailler dans les deux sens ce qui explique une telle symétrie. La description suivante en regard des dessins annexés, le tout donné à titre d'exemple, fera bien comprendre comment l'invention peut étre réalisée. La figure 1 représente un schéma optique d'une réalisation du système selon l'invention dans sa position longue focale. La figure 2 représente un schéma optique d'une réalisation du système selon l'invention dans sa position courte focale. La figure 3 représente un schéma optique d'une réalisation du système selon l'invention pour une orientation additionnelle du champ. Sur les figures 1 et 2 conformément à l'invention le système bifocal représenté comporte 3 lentilles L1, L2 et L3 au germanium associées à un miroir M. La première lentille L1 qui est convergente est fixe. La seconde lentille L2 qui est divergente est mobile, elle est basculée autour de l'axe A1 tangent au miroir M et perpendiculaire à l'axe optique XX' pour la commutation du système de la longue focale (figure 1) à la courte focale (figure 2). La troisième lentille L3 qui est convergente est mobile en translation pour la focalisation en température et la focalisation à distance finie. La lentille L2 occupe en fait les deux positions (positions dites de Bessel) qui lui permettent de conjuguer le foyer F1 de la lentille L1 et l'image F2 que ladite lentille L2 donne du foyer Fl. La lentille L3 conjugue l'image F2 avec le foyer F du système optique complet. Les surfaces optiques de la lentille L1 sont référencées 2 et 3. Les surfaces optiques de la lentille L2 sont référencées 4 et 5 et sont, conformément à une caractéristique de l'invention, symétriques l'une par rapport à l'autre pourque les caractéristiques de transmission du faisceau soient identiques, le faisceau étant incident à la surface 4 en longue focale (figure 1) ou étant incident à la surface 5 en courte focale (figure 2). Les surfaces optiques de la lentille L3 sont référencées 6 et 7. Selon une autre caractéristique du système selon l'invention et pour obtenir une bonne qualité d'image la surface 6 de la lentille L3 est une surface asphérique générale. Cette surface 6 est faiblement déformée ( 1pm) et est ainsi facilement réalisable. Pour couder le faisceau le miroir M de déviation est par exemple, tourné de 45" + a par rapport à l'axe optique dans le plan du dessin (a = O sur le dessin) de manière à renvoyer le faisceau incident à 90" + 2 a. Lors de la commutation en courte focale la lentille L2 est tournée de 90" + 2 a. Dans cet exemple de réalisation, le système optique bifocal décrit est centré, en longue focale son champ est de 6 , en courte focale son champ est de 24 . Ces caractéristiques sont énoncées dans le tableau qui suit Courte Longue focale focale Domaine spectral 8-12pm 8-12pm Focale (mm) 84,68 343 Champ (pour un format d'image 24x36) 24"x16",13 60x40 Ouverture numérique F/4,1 F/4,1 Vignettage (%) O O Position de la pupille d'entrée par 119,7 212,3 rapport au premier dioptre (mm) Position de la pupille de sortie par -222 -222 rapport au plan focal (mm) Meilleure MTF (Modulation Transfer 0,67 0,67 Function): :sur l'axe à la fréquence spatiale 5mu~1 Les données de construction en longue focale sont les suivantes relativement au schéma de la figure 1. Nde la Surface Rayon 1-/2 Diamètre Matériau Epaisseur utile suivant suivante 2 198,348 54,537 Ge 5,094 3 268,086 54,537 Air 139,115 4 -388,634 21,986 Ge 3,057 5 388,667 21,986 Air 17,828 6 Asphérique 25,999 Ge 4,173 7 -372,345 25,999 Air -72,012 où, "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, "rayon", "épaisseur suivante" et 1/2 diamètre utile sont exprimés en mm. En prenant pour équation de la méridienne de la surface asphérique n 6 par rapport à un système d'axe xOy dans lequel 0 est le sommet de la surface et Ox l'axe optique la formule générale suivante py X = ------- + ASC2Y" + ASC3Y6 + ASC4YB + ASC5Y10 1 t (1-(K+1)Q2Y2) où X est la flèche et Y la hauteur sur la méridienne, Q = 1/R est la courbure de la méridienne au sonnet, inverse du rayon de courbure R, K est le coefficient de conicité, les ASCi sont les coefficients d'asphérisation généraux, les données de construction de la surface n 6 étant les suivantes R = 918,126 K = 8,30667 ASC2 = -O,i901xiO7 ASC3 = -0,1680x10-10 ASC4 = 0,16261x10-13 ASCs = 0,14717x10-18 De plus, pour passer en courte focale, la lentille L2 pivote autour de l'axe Al, la distance de l'axe Al au de la lentille L2 est dans cet exemple de réalisation égare à 47,36 mm. Une telle formule optique est avantageuse pour des systèmes optiques bifocaux de focale intermédiaire par exemple pour des gammes de 70 à 500 mm. Elle possède de plus l'avantage de présenter des pupilles d'entrée assez peu éloignées ce qui permet d'une part de choisir un diamètre de lentille L1 minimum et d'autre part lorsque le système optique est appliqué par exemple à une caméra d'utiliser un hublot de dimensions réduites. Ce système optique coudé ainsi calculé a une pupille intermédiaire proche du miroir ce qui permet'de couder facilement le faisceau. Cependant selon une variante d'utilisation du système conforme à l'invention afin de permettre une orientation ou une correction additionnelle du champ de +ss, la lentille L2 est basculée d'un angle +y,y = f(ss) étant une fonction non linéaire-de ss calculée point par point, selon une approximation polynomiale de la forme a1ss + azss2 + a3B3 +...+ anssn où l'ordre n du polynôme est déterminé par le degré de précision désiré. Ainsi pour obtenir une orientation ou une correction additionnelle du champ de + ss, sans agir sur le système centré L1, M, L3, seule la lentille L2 subit un bascLlement d'un angle +y. La valeur de l'angle y, cependant, ne dcit pas etre trop élevée pour éviter dé dégrader la qualité de l'image, en particulier la valeur de la MTF (Modulation Transfer Function) du système qui n'est plus centré peut être sensiblement diminuée. La figure 3, sur laquelle les éléments communs aux figures 1 et 2 sont identiquement référencés, représente le système en position courte focale. La lentille L2 est tournée d'un angle +1 par rapport à l'axe optique du système ce qui autorise une orientation additionnelle du champ et plus particulièrement dans le cas représenté sur le dessin une correction additionnelle du champ de -ss par renvoi de l'axe optique d'un angle -ss. REVENDICATIONS 1. Système optique bifocal infrarouge coudé remplissant les fonctions de changement de focale, de focalisation en température et de focalisation à distance finie, comportant un miroir pour la déviation du faisceau incident caractérisé en ce qu'il est principalement constitué de trois lentilles Li, L2, L3 dont la seconde L2 est déplacée par basculement autour d'un axe A1 tangent au plan du miroir de déviation du faisceau et perpendiculaire à l'axe optique du système pour le changement de focale le sommet de la lentille L2 se déplaçant sur une portion de cercle dont le centre est le point d'intersection de l'axe Al avec l'axe optique alors que la lentille L3 est translatée pour la focalisation en température et la focalisation à distance finie. 2. Système optique bifocal selon la revendication 1 caractérisé en ce que les deux surfaces de la lentille L2 sont symétriques l'une par rapport à l'autre pour la conservation des caractéristiques de transmission du faisceau dans les deux sens de ladite lentille L2. 3. Système optique bifocal selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que l'une des surfaces de la lentille L3 est une surface asphérique générale. 4. Système optique bifocal selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que les trois lentilles L1, L2, L3 sont réalisées et ajustées conformément au tableau de valeur qui suit, dans lequel le mot "rayon" indique le rayon 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, intervalle mesuré le long de l'axe optique pour l'obtention de la longue focale, "rayon", "épaisseur suivante" et 1/2 diamètre utile étant exprimés en mm, N'due la Surface Rayon 1/2 Diamètre Matériau Epaisseur utile suivant suivante 2 198,348 54,537 Ge 5,094 3 268,086 54,537 Air 139,115 4 -388,634 21,986 Ge 3,057 5 388,667 21,986 Air 17,828 6 Asphérique 25,999 Ge 4,173 7 -372,345 25,999 Air -72,012 alors que la surface n 3 est ainsi définie R = 918,126 R = 8,30667 ASC2 = -0,1901x10-7 ASC3 = -0,1680x10-1 ASC4 = 0,16261x10-13 ASCs = 0,14717x10-18 où R désigne le rayon de courbure de la méridienne au sommet, K désigne le coefficient de conicité et les ASCi désignent les coefficients d'asphérisation généraux, alors que la distance de l'axe A1 au sommet de la lentille L2 est de 47,36 mm. 5. Système optique bifocal selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce qu'une orientation additionnelle de champ de + B est obtenue en basculant la lentille L2 d'un angle # &gamma;, &gamma; = f(ss) étant une fonction non linéaire de B calculée point par point selon une approximation polynômiale de la forme a1B + azB2 + aB +...+ anssn où l'ordre n du polynôme est déterminé par le degré de précision désiré.