Brevet FR2643156A1 — publié le 19900817

La présente invention concerne un objectif à distance focale variable pour infrarouge perfectionné, ayant une grande plage continue de grossissements et qui procure des performances proches de la limite de dif- fraction dans toute la plage de grossissement et procure également une compensation efficace de température dans la plage requise de températures. Le système est de construction simple, compre- nant au total seulement sept lentilles qui sont agencées en cinq groupes de lentilles optiques coaxiales, trois de ces groupes étant mobiles, tandis que deux sont fixes et à une distance invariable l'un de l'autre. Les objectifs à distancefocale variable ou zooms",utilisables dans le domaine du rayonnement infra- rougesont demandés à la fois pour des applications civi- les et des applications militaires. La plage requise va- rie.mais elle est généralement dans la région de 3 gm à 12 Dm, certains zooms étant conçus pour une partie seule- ment de cette plage. Dans la plupart des objectifs à in- 2C frarouge existants, le changement de grossissement est effectué par insertion et retrait de certaines lentil- les ou groupes de lentillesou par leur déplacement axial séparé. Cela procure seulement une possibilité de chan- gement discret de grossissement. De tels dispositifs sont relativement simples et ils fonctionnent de façon satisfaisante à une température donnée. Les dispositifs,basés sur l'insertion et le retrait de lentilles,doivent répondre à deux critères: avoir une résolution adéquate près de la limite de dif- fraction pour tous les champs, et recourir à l'utilisa- tion d'un nombre minimal d'éléments optiques insérés et retirés, en raison des exigences sévères de coefficient de transmission optique. Les dispositifs résultants sont généralement basés sur un certain compromis, donnant les meilleurs résultats seulement pour un champ de vision étroit et comportant un petit nombre de lentilles pour des champs larges mais avec des exigences de qualité moins sévères. On a proposé récemment plusieurs télescopes à zoom à infrarouge utilisant deux groupes de lentilles à mouvement simultané. La compensation thermique est effectuée, dans certains de ces télescopes à zoom, par un mouvement additionnel d'au moins un des groupes. Dans d'autres télescopes, les effets de la température sont compensés seulement par mise au point manuelle. Tous les objectifs à focale variable à infra- rouge existants présentent l'inconvénient de performan- ces relativement basses pour une partie de la plage de grossissement. La raison en est simple. Il est impos- sible de changer le grossissement du zoom,tout en conser- vant la résolution et une focalisation, lorsqu'on déplace seulement deux groupes de lentilles. Cette situation s'aggrave lorsque la température varie. La variation rapide de l'indice de réfraction de Ge provoque une cas- sure brusque dans l'équilibre des aberrations, ce qui engendre à son tour une détérioration des performances du zoom. La présente invention procure un objectif à distance focale variable ou zoom, possédant des perfor- mances optiques élevées et une compensation automatique totale des changements de propriétés optiques lorsque la température varie. L'invention a pour objet un système de zoom utilisable en rayonnement infrarouge dans la plage de 3 gm environ à 12 vm environ. Des dispositifs similaires peu- vent être construits, conformément à l'invention, pour l'utilisation dans une plage plus étroite de longueurs d'onde. Le nouveau zoom convient pour l'utilisation dans les applications civiles et les applications militaires et il est caractérisé par une bonne performance MTF dans toute la plage de grossissements (qui peut avoir une valeur aussi élevée que 1:16), indépendamment des va- riations de température dans une plage prédéterminée de températures. Une bonne résolution dans une grande plage de grossissements et dans une grande plage de tempéra- tures est d'importance primord:a-le pour les applications militaires. Le nouvel objectif à focale variable relati- vement simple, comportant seulement sept lentilles grou- pées en cinq éléments optiques, permet d'obtenir une plage continue de grossissements (environ de 0,5 à B fois) don- nant des performances élevées près de la limite de dif- fraction, indépendamment des variations de température. Le nouvel objectif zoom à infrarouge est caractérisé en ce que trois éléments optiques ou groupes de lentilles (dont deux comprennent chacun deux lentil- les) sont déplacés d'une manière prédéterminée par rap- port à deux éléments-optiques fixes. Les éléments op- tiques sont déplacés conformément à un programme informatisé qui choisit la position de ces éléments en fonction du grossissement requis et de la température me- surée. D'autres objets et avantages de l'invention apparaîtront à la lumière de la description de ses modes préférés de réalisation, non limitatifs, avec référen- ce aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est une vue de côté schématique en coupe d'un zoom conforme à l'invention, les figures la, lb et lc illustrant l'agencement avec des grossissements de 7,5x 3,9x et 0, 5x; la figure 2 est une représentation spatiale de la position calculée de l'élément de lentille mobile B en fonction du grossissement et de la température; la figure 3 est une représentation spatiale similaire pour la lentille C; la figure 4 est une représentation similaire pour la lentille F (collimateur); les figures 5 à 10 sont des représentations graphiques comportant chacune quatre graphiques et dans lesquelles la figure 5/5a représente les résultats de fonc- tionnement d'un zoom suivant l'invention pour une longueur focale équivalente de 180 mm (grossissement 7,5x du té- lescope à zoom et lentille de détection de longueur fo- cale de. 24 mm); la courbe tracée en astérisques repré- sente les conditions habituelles pour les systèmes opti- ques à infrarouge existants; la figure 6/6a illustre ces résultats pour une distance focale équivalente de 127 mm (5,3x); la courbe tracée en astérisquesreprésente les conditions habituelles pour les systèmes optiques à infrarouge existants; la figure 7i7a illustre ces résultats pour une distance focale équivalente de 94 mm (3,9x); la figure 8/8a illustre ces résultats pourune dis- tance focale équivalente de 51,5 mm (2,2x); la figure 9/9a illustre ces résultats pour une dis- tance focale équivalente de 26,6 mm (1,lx) et, la figure 10/10a illustre ces résultats pour une distance focale équivalente de13 mm (0,54x) Un télescope à zoom à infrarouge conforme à l'invention comprend un objectif donnant des perfor- mances élevées dans une grande plage de grossissements (de 0,5 à 8 fois environ), avec une correction pour les variations de température dans la plage de -35oC à 55 C, comportant 5 groupes optiques pour un to- tal de sept lentilles (désignés par les repères A à D), qui sont agencés dans l'ordre de: A, qui est une lentille frontale unique de puissance positive, de diamètre plus grand que celui des autres lentilles et qui a une aberra- tion sphérique surcorrigée; B.qui est un élément opti- que négatif composé de lentilles B'et B", B' et B" étant à une distance fixe l'une de l'autre, E' étant une len- tille négative dont le facteur de dispersion est plus grand que celui des autres lentilles, ce qui rend le système chromatique, B't étant une lentille négative, et les deux lentilles négatives B' et B" ayant des aber- rations sphériques sous-corrigées qui compensent l'aberra- tion sphérique sur-corrigée de la lentille A dans toute la plage de grossissements; C, qui est une lentille positive modifiant, avec la lentille B, le grossisse- ment du système; D, qui est une lentille auxiliaire positive diminuant la longueur totale dusystème et qui est placée à une distance fixe de la lentille A; et E, qui est un collimateur mobile de puissance optique po- sitive, pour maintenir l'afocalité du système. Les len- tilles B, C et E sont mobiles par rapport aux lentilles fixes A à D, lesdites lentilles transmettant dans la plage de 3 Asn à 12 lim. Les lentilles A à B définissent un objectif et la lentille E définit un collimateur (viseur). Les mouvements des lentilles B, C et E sont conformes à un programme prédéterminé qui tient compte des variations de température du système. La figure 8a représente les performances du zoom pour une distance focale équivalente de 52 mm (gros- sissement 2,2x du télescope à zoom). La figure 9/9a représente les performances du zoom pour une distance focale équivalente de 26,6 mm (grossissement 1,lx du télescope à zoom). La figure 10/10a représente les performances du zoom pour une distance focale équivalente de 13 mm (grossissement 0,54 x du télescope à zoom). Les paramètres optiques du dispositif sont indiqués dans le tableau I ciaprès, qui est valable à c. La matière préférée pour toutes les lentilles est le germanium, sauf pour la lentille B qui est en séléniure de zinc. On peut bien entendu utiliser d'au- tres matières optiquement convenables, ayant des carac- téristiques appropriées. Les lentilles A et D sont fixes, la distance entre ces lentilles étant invariable pendant l'utilisation. La distance entre les deux lentil- les B' et B" du système de lentilles mobile B est éga- lement fixe. Par conséquent, le télescope à zoom à in- frarouge suivant l'invention, qui a une compensation ther- mique automatique totale, comprend sept lentilles seu- lement au total, qui sont agencées en cinq groupes dis- tincts dont deux sont fixes et dont trois sont mobiles et sont déplacés conformément à un programme prédéter- miné qui prend en compte le grossissement requis et la température mesurée. La mise au point ou focalisation de l'objectif à focale variable complet peut être effectuée par un mou- vement additionnel d'un de ces trois groupes de lentil- les manuellement ou au moyen d'un dispositif de mise au point automatique. Dans le présent système, la mise au point est effectuée par un mouvement additionnel du grou- pe de lentilles du collimateur. Ainsi, le télescope à zoom à infrarouge, sui- vant l'invention, comme illustré sur les figures la à lc, comprend en combinaison les groupes de lentilles A à E, les lentilles A à D définissant l'objectif 11 et le groupe de lentilles E définissant un collimateur (viseur) 12. Les lentilles A et D sont montées de façon fixe sur le boîtier 13 du zoom tandis que la lentille B est montée sur un chariot 14 qui est axialement dépla- gable sur une vis 15 au moyen d'un moteur électrique 16. La lentille C est montée sur un chariot 17 qui est mon- té sur une vis 18 axialement déplaçable par un moteur électrique 19. La lentille E est montée sur un chariot qui est déplaçable sur une vis 21 par un moteur élec- trique 22. La manoeuvre et la position résultante des lentilles ou groupes de lentilles mobiles au moyen des moteurs 16,19 et 22 sont déterminées par des instructions de commande fournies conformément à des données précalculées pour chaque grossissement dans la plage de grossissement du système, la position exacte tenant compte de la distan- ce focale et de la température à l'instant de l'utilisa- tion effective. Le grossissement instantané requis est fourni par entrée manuelle à des moyens de calcul 23, par l'intermédiaire d'une commande 24; tandis que la lon- gueur focale requise est fournie comme entrée à l'ordina- teur 23 par l'intermédiaire d'une commande 25. La tempé- rature effective du système est mesurée par un capteur 26 qui fournit une entrée aux moyens de calcul 23. Le dispositif ci-dessus peutêtre utilisé ef- ficacement, dans une plage de coefficients de grossisse- ment aussi grande que de 0,5 x à 8 x environ, c'est-à- dire un facteur de 1:16 qui dépasse de beaucoup celui des dispositifs existants. Les grossissements sont obtenus avec une caractéristique de résolution presque maximale dans toute la plage, indépendamment des variations de tem- pérature dans la plage comprise au moins entre -35 C et +55 C. Si nécessaire, cette plage peut être augmentée. Le dispositif permet une permutation rapide dans cette grande plage de grossissements, du fait du mouvement si- multané des trois groupes de lentilles mobiles dans le système de zoom, les mouvements étant tels qu'ils compen- sent automatiquement les variations de température. Chacun des groupes de lentilles B, C et E (les groupes mobiles) comporte des moyens de commande précis qui engendrent les mouvements avec la précision voulue. Le mouvement simultanédes groupes de lentilles B,C et E est commandé par un microprocesseur qui affecte à chacun de ces éléments optiques la position requise exacte, avec la résolution optimale pour le degré de grossissement désiré et la température. On a comparé le télescope à zoom à infrarouge de l'invention avec des dispositifs à zoom connus, no- tamment ceux qui sont décrits dans les brevets britan- niques 2 126 370 et 1 141 260. Alors que le zoom suivant la présente invention a donné des résultats très satis- faisants, les études sur ordinateur des dispositifs sui- vant lesdits brevets britanniques ont montré que ces dis- positifs sont loin de donner la qualité de résultats dé- sirée. Il est entendu que des modifications de dé- tail peuvent être apportées dans la forme et la construc- tion du dispositif suivant l'invention, sans sortir du cadre de celle-ci. ( '0X) LL'S (T'IX) 6L'bZ (Z'zx) L6'6Z (6'EX) 6T'6b (C'SX) EE'6g HIV S'LX) 86'bL 9'L81ZD a.OO'SL'SE D D (S'O) EZú'6o01 (I'IX) bT'bL (z'zx).S'L5 (6'EX) PI'bE (E'5X) L8'OZ aIv (g'Lx)TO'V ú'6L ú 00a OO' IL9900'0- 6's98=-l " Hv SPISb'5 T'OIT za esuz 6' 'E6,, (S'OX) bS'8b (T'Tx) b9'6S (Z#'Zx) ZVI'TL (6'EX) IZ'SL (E'Sx) ú8'8L: HUIV (9'LX) 55'6L C'8B TV, ag 00'T11I E'ZI IV V [SIXVW NOIJeEVasS lnÈINOD TINVLSNODNOXE aDVaUnS ZINHS T flYt rr1tNt o E XIV t'0 0ú'EZ- 'S 6'OZ-, (S'0X) 80'T9 (I'TX) 9T'09 (Z'ZX) b9'6 (6'EX) EL'89 (Eg'x) ú8'LS Ié (g'LX) SO'LS O'LúI 00'L 90LVE0'0- L8'SEú,, uaILVW NOLLVUdS afiNOD 'jNVJSNOD NOààE aDYafls aTIANmi ({ fS I:X rn!\u veTu 11 ' REVENDICATIONS 1. Objectif zoom à distance focale variable à infrarouge fournissant des performances élevées dans une grande plage de grossissements (de 0,5 environ à 8 fois environ), avec une correction pour les variations de température dans la plage de -35 C à 55"C, caracté- risé en ce qu'il comprend cinq groupes optiques pour un total de sept lentilles (désignés par A à D), qui sont agencés dans l'ordre de: A, qui est une lentille frontale unique de puissance positive, de diamètre plus grand que celui des autres lentilles et qui a une aber- ration sphérique sur-corrigée; B, qui est un élément optique négatif composé de lentilles B' et B", B' et B" étant à une distance fixe l'une de l'autre, B' étant une lentille négative dont le facteur de dispersion est plus grand que celui des autres lentilles, ce qui rend le système chromatique, B" étant une lentille négative, et les deux lentilles négatives B' et B'" ayant des aber- rations sphériques sous-corrigées; C, qui est une len- tille positive modifiant, avec la lentille B, le gros- sissement du système; D, qui est une lentille auxiliaire positive diminuant la longueur totale du système et qui est placée à une distance fixe de la lentille A; et E, qui est un collimateur mobile de puissance optique po- sitive,pour maintenir l'afocalité du système; les len- tilles B, C et E étant mobiles par rapport aux lentilles fixes A et D, lesdites lentilles transmettant dans la plage de 3 Wm à 12 Hum; les lentilles A à D définissant un objectif et E définissant un collimateur (viseur); et les mouvements des lentilles B, C etE étant conformes à un programme prédéterminé qui prend en compte les varia- tions de température du dispositif. 2. Objectif zoom suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les lentilles négatives B' sont en ZnSe et les autres lentilles sont en germanium. 3. Objectif suivant la revendication 1 ou 2, ca- ractérisé en ce que les rayons relatifs des lentilles sont: 112,3 à 148,3 pour A, 193,5 à 110,1 pour B', -865,9 à 79,3 pour B", 1354,7 à -187,6 pour C, 35,87 à 37,40 pour D', -20,59 à -23,30 pour E' et 1512,3 à -193,4 pour E". 4. Objectif suivant l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé en ce qu'il possède les composants et paramètres indiqués dans le tableau ci- apres: i / / / /' / I ? I J, o LA O Cj (S'0X) LL'S (T'TX) 6L'Z (Z'ZX) L6'6Z (6'úX) 6T'6 (ú'çX) ú8'65 Hiv 'LX) 86'>L 9'L8T- zD agD.00'S L'SEI 1o D (S'O) úEZ'601 (i'tx) v-' L (z"zx) W'Lg (6'úX) bt'Pú (C'X) L8'OZ OD 0 0 'b IL900'0- 6'S98- a, a " XIt 8t'5D, T'Oit.6I eSUZ 68'b, 5'6T,1 (S'0X) vs'úb (I'TX) b9'6S (z Zx) Zl'IL (6'úX) IZ'5L (ú'WX) Pt'8L XIY (S'LX) 55'6L cbT 1Y BD 00.'TT 'IT V T' RHHILVH NOIJVIVdHS iSCINOD RLNV1SNOD NOUVE 9DVAflS Ha]INNaHq T fiVaiJ8L sD 60'5 6s'0-,o o ' oI (s'OX) 80'19 ( (6'úX) ZL'89 (c' x) ú8'LS HIv (S'LX) 0'LS o0'Lú z O) 00 'L 90LtEO'O- L8'SEú,la 3UHIXWf NOI.LVHaHS f5lINOD HLNVLSNOG NOhôe H3V.HnS 3IN2q