Brevet FR2721718A1 — publié le 19951229

OBJECTIF CATADIOPTRIQUE La présente invention concerne un objectif catadioptrique utilisable notamment dans le domaine des télescopes et instruments d'optique analogues. Une des difficultés majeures rencontrées dans le domaine des télescopes concerne l'élimination des aberrations géométriques dues au miroir principal. Parmi les solutions connues, on peut citer soit l'utilisation de miroirs à surfaces "retouchées" (voir par exemple, le télescope Cassegrain classique à miroirs parabolique et hyperbolique) soit l'utilisation d'un objectif catadioptrique constitué d'un miroir principal concave (en général sphérique) associé à un ensemble dioptrique correcteur destiné à corriger les aberrations du miroir principal (voir par exemple, le télescope de Schmidt à miroir sphérique et lentille correctrice asphérique, en particulier le télescope dit de Schmidt-Cassegrain). Toutefois ces agencements connus ont pour inconvénient leur coût élevé dû en particulier à la difficulté de tailler des surfaces non sphériques, qu'elles soient de forme à profil particulier (surfaces asphériques) ou de forme parabolique, elliptique ou hyperbolique. Une autre difficulté majeure rencontrée dans le domaine des télescopes concerne la réduction de contraste et de définition (notamment par rapport aux lunettes astronomiques) résultant de ltoccultation centrale due à la présence sur l'axe du miroir secondaire ou d'un détecteur (en cas d'observation infrarouge). Cette occultation peut atteindre couramment 25 à 33% du diamètre utile du faisceau incident. L'invention a pour but un objectif catadioptrique de structure simple sans occultation et susceptible d'apporter une correction convenable des aberrations géométriques. A cette fin, l'invention propose un objectif catadioptrique comportant un miroir principal concave et un dispositif correcte-r, l'objectif étant caractérisé en ce que le miroir prIncipal est incliné par rapport à l'axe optique de l'oo ectif et en ce que le dispositif dioptrique correcteur tDmporte une lentille prismatique. Ainsi l'objectif se on l'invention focalisant hors du faisceau incident se ressente comme un objectif hors axe. Avantageusement la lentille prismatique seule constitue le dispositif dioptrie correcteur. Selon un mode de réa station avantageux de l'invention, la lentille prismaticae est légèrement divergente et disposée dans le faisceau incident du miroir principal, la lentille présentant une épaisseur décroissante en s'éloignant radialement du foyer du miroir principal. Avantageusement, la lentille prismatique présente un contour elliptique et est montrée inclinée sur l'axe optique de l'objectif. Selon une autre caractéristique de ce mode de réalisation de l'invention, la lentille prismatique présente des surfaces dioptriques sphériques. Cette caractéristique est très intéressante en ce qu'elle diminue sensiblement le coût de fabrication de la lentille correctrice et permet une bonne correction de l'aberration chromatique. Lorsqu'une telle lentille prismatique à surface sphérique est associée à un miroir principal sphérique, l'axe géométrique de la lentille (joignant les centres des surfaces sphèriques de la lentille) est aligné sur le foyer FM du miroir sphérique, foyer lui-même disposé en dehors du faisceau incident de l'objectif. Selon encore une autre caractéristique de ce mode de réalisation de l'invention à miroir et lentille correctrice sphérique, l'indice n de la lentille, le facteur de forme Q et l'épaisseur axiale A de la lentille, la distance D entre la lentille et le miroir principal sont choisis de façon à corriger l'aberration sphérique, la coma et l'astigmatisme du miroir principal. L'invention concerne également les télescopes, téléobjectifs et sous-ensembles d'objectif, photo-visuels et/ou infrarouge, incorporant un objectif catadioptrique hors axe défini ci-avant. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description d'un mode de réalisation de l'invention qui va suivre en référence aux dessins ci-annexés dans lesquels: -La figure 1 représente une vue schématique en coupe axiale d'un objectif catadioptrique selon l'invention. -La figure 2 montre une vue partielle d'une section axiale d'un télescope incorporant l'objectif catadioptrique selon l'invention de la figure 1. -Les figures 3a et 3b montrent respectivement en position normale à l'axe optique 00' et en position inclinée sur l'axe 00' (telle que prévue pour l'objectif selon l'invention illustré aux figures 1 et 2) une vue de face et une section diamétrale selon le grand axe de l'ellipse de la lentille prismatique illustrée aux figures 1 et 2. Dans la description ci-après est présenté à titre d'exemple non limitatif un mode de réalisation de l'invention dans la versicn télescope photo-visuel astronomique. Pour illustrer cette description et faciliter la compréhension de l'exposé, les principales caractéristiques physiques de l'instrument seront données, toutefois sans aucun caractère limitatif. Ainsi donc, l'objectif catadioptrique selon l'invention du télescope illustré aux figures 1 et 2 a pour diamètre d'ouverture 125 mm, pour distance focale du miroir principal sphérique f=550 mm, soit une ouverture relative de f/4,3. Si l'on considère la figure 1, l'objectif catadioptrique selon invention est constitué essentiellement d'un miroir principal concave sphérique 12 et une lentille correctrice prismatique 14, c'est-à-dire d'épaisseur variable. Le miroir principal sphérique 12 (de rayon principal 1120 mm) se présente sous la forme d'une calotte sphérique concave 13 en verre épais argentée sur sa face interne concave réfléchissante 15 (voir figures 1 et 2) et d'un diamètre de l'ordre 150 mm. Le centre CM de la calotte sphérique 13 constituant le miroir 12 est placé sur l'axe optique 00' de l'objectif sur lequel se définit le faisceau incident parallèle 20 venant de l'infini externe à l'objectif. Le faisceau incident externe 20 est diaphragmé et corrigé par la lentille 14 pour donner le faisceau incident interne 22 lui-même réfléchi par le miroir principal 12 sous la forme du faisceau convergent 24 pour être focalisé virtuellement au voisinage immédiat du foyer FM du miroir sphérique 12. Pour éviter une occultation du miroir sphérique 12, ce dernier est légèrement incliné sur l'axe optique 00' de telle sorte que le foyer FM est placé en dehors du faisceau incident interne 22. Dans le cas présent l'angle d'inclinaison "i" entre la corde M1-M2 et la normale à l'axe 00' est compris entre 4 et 5 degrés. L'objectif selon l'invention se caractérise comme un objectif catadioptrique hors axe (par rapport à son axe optique 00'). Enfin pour permettre l'accès au foyer F de l'objectif, ce dernier comporte un petit miroir 26 (en l'occurrence une lame de verre à réflexion totale) placé également en dehors du faisceau 22 et incliné à 450. Le faisceau 24 est réfléchi sur le miroir 26 selon le faisceau 25 qui focalise au point F également situé dans le plan de la figure 1. Dans une variante non représentée de l'objectif catadioptrique hors axe selon l'invention, le miroir secondaire plan est remplacé par un miroir secondaire convexe asphérique miroir à profil d'ellipse aplatie) disposé au voisinage tu foyer FM du miroir principal hors du faisceau incident et centré sur l'axe géométrique GG' de l'objectif pour obtenir un parcours en Z pour le faisceau complet avec une focalisation hors axe (par rapport à l'axe optique 00') sans obstruction ou occultation du miroir sphérique principal.Il est ainsi possible de faire vocaliser le faisceau réfléchi sur l'axe GG' en particulIer en arrière du miroir principal sphérique (à droite ce la figure 1) pour une vision "axiale" (par comparaison au télescope des figures 1 et 2 à vision "transversale"). Un tel agencement est utisable notamment dans des téléscopes de plus faible ouverture (par exemple des télescopes d'observation planétaire avec une ouverture comprise entre f/10 à f/30). Si l'on considère les figures 1, 3a et 3b, la lentille 14 à surfaces dioptriques sphériques de rayons R1 et R2 présente une fois montée sur l'objectif (figures 1 et 3b) une vue de face crculaire de diamètre D1 (approx. 135 mm) pour obtenir le diamètre d'ouverture utile de 125 mm. La lentille 14 présente deux surfaces dioptriques 28 (face concave côté objet) et 30 (face convexe côté image) respectivement de rayon R1 (approx. 233 mm) et R2 (approx. 245 mm). Les surfaces dioptriques 28 et 30 ont leurs centres (non vtstbles sur les figures 1 et 2 mais à gauche de celles-ci) alignés sur l'axe géométrique GG' de l'objectif passant par le foyer FM et parallèle à l'axe optique 00'. Dans ces conditions la lentille 14 se présente sous la forme d'un ménisque légèrement divergent à contour elliptique (voir figure 3a, D1 = 135 mm, D2 = 145 mm), les sections illustrées sur les figures 1, 3a et 3b correspondant à une coupe diamétrale selon le grand axe de l'ellipse.La lentille est prismatique en ce qu'elle présente une épaisseur variable décroissante en s'éloignant radialement du foyer FM du miroir principal (perpendiculairement à l'axe géométrique GG' passant par ce foyer FM), plus particulièrement, si l'on considère les figures 1 et 3b, en s'éloignant du bord 16 le plus proche radialement de l'axe géométrique GG' (épaisseur Ax légèrement inférieure à 21 mm) au bord 18 le plus éloigné radialement de l'axe GG' (épaisseur Ay de l'ordre de 19,5 mm).Telle que montée dans l'objectif la lentille 14 présente une inclinaison "i'" illustrée sur la figure 3b par la corde E1-E2 et de l'ordre 20 degrés par rapport à la perpendiculaire à l'axe optique 00'. Pour terminer la caractérisation de l'objectif selon l'invention ici décrit, il faut noter l'indice de réfraction du verre de la lentille nE = 1,5187 (pour la couleur normalisée "E" de longueur d'onde 546,1 nm), son facteur de forme Q de l'ordre de 39 et son épaisseur axiale A=21 mm (sur l'axe géométrique GG'), A étant légèrement supérieure à Ax, enfin la distance D (approx. 720 mm) entre le miroir 12 et la surface 30 de la lentille sur l'axe géométrique GG', distance qui présente de l'importance au niveau de la correction de la coma et de l'astigmatisme. Comme indiqué ci-avant, la lentille correctrice prismatique est carac=érisée physiquement de façon à éliminer pratiquement les aberrations géométriques du miroir principal 12 tout en présentant un achromatisme négligeable. Les aberrations géométriques élémentaires, à savoir l'aberration sphérique, la coma et l'astigmatisme, peuvent être obtenues numériquement à partir du développement en serie de l'aberration géométrique tranversale et sont représentées par les coefficients dits du 3e ordre (les coefficients du ler ordre étant nuls pour satisfaire l'approximation de Gauss). En ce qui concerne un miroir sphérique, les coefficients du 3e ordre sont respectivement de "1" pour l'aberration sphérique (sur l'axe), de "2" pour la coma (en cas d'objet hors de l'axe? et de "4" pour l'astigmatisme (déformation de l'image dans un plan perpendiculaire au chemin optique).Dans ces conditions, on choisit les paramètres de la lentille correctrice 14 pour obtenir des coefficients théoriques d'aberration opposés c'est-à-dire "-1" pour l'aberration sphérique, "-2" pour la coma et 4" pour l'astigmatisme de sorte que le système lentillemiroir ne présente que des aberrations négligeables. Dans la pratique compte tenu de la nature même des équations mises en jeu (développements en série) il n'est pas possible d'obtenir une élimination parfaite et totale des trois aberrations élémentaires.Toutefois les calculs réalisés et les modélisations comparatives montrent que l'objectif selon l'invention donne des résultats très satisfaisants surtout pour les faisceaux "hors axe" par rapport à d'autres instruments optiques connus notamment le télescope de Newton, la lunette classique, la lunette aprochromatique, le télescope de Cassegrain et le télescope catadioptrique de Schmidt-Cassegrain. Sans rentrer dans les détails des calculs, l'homme de métier familier de la technique comprendra qu'il est possible d'exprimer les coefficients d'aberration de la lentille correctrice du miroir sphérique en fonction des paramètres suivants: n = Indice de réfraction pour la longueur d'onde d'utilisation (nE). h = Le rapport distance focale du miroir sur l'épaisseur axiale de la lentille. Q = Le facteur de forme de la lentille avec Q = (R2+R1)/(R2-R1;. D = La distance entre la lentille et le miroir principal. Y = Le rapport des diamètres des faisceaux entrant et sortant de la lentille avec Y = 1 + 2n/(n+l)(Q-l). Soit les trois fonctions F1, F2 et F3 suivantes: A-S = F1 (n, h, Q, Y) = -1 Coma = F2 (n, h, Ç, Y, D) = -2 Astig. = F3 (n, h, Q, Y, D) = -4 La résolution des trois équations des coefficients se fait par approximations successives. Dans la pratique on commence par résoudre l'équation de l'aberration sphérique A-S qui est indépendante de D, puis l'équation de la coma enfin celle de l'astigmatisme. Dans le cas particulier de l'objectif catadioptrique présenté, seul le coefficient d'astigmatisme de l'ordre de -3,9 est légèrement différent de la valeur théorique désirée, l'épaisseur, la distance D et le facteur de forme étant calculés respectivement égaux à A = 21 mm, D = 723 mm et Q = 39,12 avec nE = 1,5187. Une fois ces résultats obtenus il importe de choisir des rayons R1 et R2 de façon à satisfaire l'équation d'achromatisme connue dans le domaine technique: A = K(R2-Rl).n2/(n2-l) où le coefficient K est un facteur correcteur proche de l'unité. Dans le cas présent K = 0,975 est déterminé par approximations successives. Dans ces conditions, connaissant Q et n il est possible de calculer successivement R1 = 232,53 mm et R2 = 244,73 mm. L'objectif catadioptrique hors axe selon l'invention est remarquable en ce que: a) Il permet d'éliminer l'occultation centrale du miroir principal et d'obtenir un meilleur contraste et une meilleure définition que ceux obtenus avec des télescopes axiaux équivalents. b) Il permet d'obtenir à l'aide d'une seule lentille (de surcroît relativement aisée à fabriquer du fait de ses surfaces dioptriques sphériques) une correction des aberrations géométriques au moins égale sinon supérieure à celle obtenue pour le télescope de Schmidt-Cassegrain et la lunette apochromatique équivalents, instruments de coût élevé. c) Il permet par l'utilisation d'une seule lentille d'obtenir une meilleure correction du chromatisme que celle obtenue pour la lentille apochromatique (correction par un jeu de deux lentilles additionnelles ou doublet). A titre de comparaison, une modélisation d'un diagramme de points ("spot diagram") a donné pour l'objectif catadioptrique selon l'invention présenté ci-dessus une image sur l'axe de l'ordre de 5 microns et une image hors axe (à 14 mm de l'axe) de l'ordre de 6 microns , pour le télescope de Schmidt-Cassegrain équivalent des images correspondantes de 7 # et 14 ss et pour la lunette aprochromatique équivalente des images correspondantes de 6 y et 9 y. Les résultats obtenus par l'objectif catadioptrique hors axe selon l'invention permettent en autres son utilisation dans des télescopes et/ou téléobjectifs de détection infrarouge à capteur CCD (la taille d'un pixel de CCD étant en général supérieure à 6 4). Parmi d'autres utilisations de l'objectif catadioptrique hors axe selon l'invention, on peut citer celle de téléobjectif ou de microscope à distance, notamment dans un environnement difficile (domaine nucléaire ou de la recherche sous-marine) . En version asphérique avec une lentille achromatique pour aplatir le champ, l'objectif hors axe selon l'invention est utilisable comme objectif de satellite d'observation. Pour terminer la présentation de l'objectif catadioptrique hors axe selon l'invention, la figure 2 illustre une vue partielle (après élimination une portion du tube porteur entre les deux miroirs) d'une section axiale d'un télescope astronomique visuel utilisant l'objectif hors axe défini ci-avant en référence à la figure 1. Si l'on considère la figure 2, le télescope est bâti à l'intérieur d'un boîtier constitué principalement d'un tube porteur cylindrique 50, d'une plaque de fond 52 fixée à une extrémité 53 du tube et destinée à supporter le miroir principal 12 et d'un manchon 54 à axe parallèle à celui du tube et destiné à supporter la lentille prismatique 14. Le tube 50 présente un diamètre supérieur de quelques centimètres à celui du manchon 54 pour accueillir le miroir secondaire plan 26 et son ensemble de coin support 56, le manchon 54 de diamètre réduit étant monté sur le tube 50 à son autre extrémité 55 à l'aide d'une bague-raccord excentrée 58, l'axe optique du télescope 00' étant défini par l'axe du manchon 54. Le miroir principal 12 constitué d'une calotte sphérique concave argentée 13 en verre de l'ordre 2 cm d'épaisseur est incliné sur l'axe 00' comme indiqué ci-avant. Pour ce faire, la calotte 13 est portée par une couronne en coin 60 montée sur la plaque de fond 52 par l'intermédiaire de vis réglables 62 emprisonnant des bague-ressorts d'espacement 64. Un couvercle de protection 65 recouvre la plaque 52 et l'extrémité 53 du tube 50. Dans le plan de la figure 2, représentant le plan méridien du miroir comprenant l'axe optique 00' de l'objectif, est centré au voisinage du foyer du miroir l'objectif, est centré au voisinage du foyer du miroir principal 12 le miroir secondaire plan (constitué par une lame de verre 26 à réflexion totale de contour elliptique). Un oculaire 66 de vision (composé d'un triplet 69 et d'une lentille convergente 71) à déplacement radial par rapport à l'axe 00' est monté sur un support 67 à crémaillère commandée par une mclette 68. Le support 67 est monté sur le tube C dans une ouverture disposée en regard du miroir 26, lu-meme monté à l'intérieur du tube 50 par un dispositif à coin 56 muni de vis réglables équipées de ressorts d'espacement.L'axe optique de loculaire est disposé dans le plan de la figure 2 perpendiculairement à l'axe optique 00'. Finalement, la lentille 14 est montée inclinée dans le manchon 54 entre deux bagues 70 et 72 à section transversales inclinées sur l'axe 00' et de diamètres intérieurs différents (pour tenir compte de la légère divergence de la lentille 14). Les bagues 70 et 72 sont enserrées dans une douille 74 montée coulissante axialement dans le manchon 54, de façon à permettre le réglage de la distance D entre la lentille 14 et le miroir principal 12. Une fois réglée la distance D, la douille 74 est immobilisée axialement par rapport au manchon 54 par des vis 75. Comme indiqué ci-avant le miroir secondaire plan 26 peut être remplacé, dans une variante non représentée de l'objectif catadioptrique selon l'invention, par un miroir secondaire convexe disposé dans le tube de plus grand diamètre sensiblement à la place du miroir 26, l'oculaire de vision étant alors disposé parallèlement à l'axe 00' dans une ouverture réalisée dans la plaque de fond 52. Bien entendu sans sortir du cadre de l'invention l'oculaire peut être remplacé, dans les deux cas, par un dispositif photographique et obtenir ainsi un télescope photo-visuel. REVENDICATIONS: 1. Objectif catadioptrique comportant un miroir principal concave (12) et un dispositif dioptrique correcteur (14), caractérisé en ce que ledit miroir principal (12) est incliné sur l'axe optique 00' de l'objectif pour focaliser en dehors du faisceau incident (20-22) et en ce que le dispositif dioptrique correcteur comporte une lentille prismatique (i4). 2. Objectif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite lentille prismatique (14) est légèrement divergente et disposée dans le faisceau incident (20-22) dudit miroir principal (12) , ladite lentille (14) présentant une épaisseur décroissante en s'éloignant radialement du foyer FM dudit miroir principal (12). 3. Objectif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la lentille prismatique présente un contour elliptique et est montée inclinée sur l'axe optique de l'objectif. 4. Objectif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite lentille prismatique (14) constitue ledit dispositif dioptrique correcteur. 5. Objectif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le miroir principal (12) est de type sphérique. 6. Objectif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite lentille prismatique (14) présente des surfaces dioptriques sphériques (28, 30). 7. Objectif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit miroir principal (12) et ladite lentille prismatique (14) sont de type sphérique, et en ce que l'indice n du verre de la lentille, le facteur de forme Q et l'épaisseur axiale A de la lentille, la distance D séparant la lentille (14) du miroir principal (12) sont choisis de façon à corriger l'aberration sphérique, la coma et l'astigmatisme du miroir principal. 8. Objectif selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'épaisseur axiale A et les rayons de courbure R1 et R2 des surfaces dioptriques sphériques (28, 30) de la entille (14) sont choisis pour réduire au minimum l'achromatisme. 9. Objectif selon l'une des revendications précédentes comportant un miroir secondaire plan (26) disposé au voisinage du foyer FM du miroir principal (12) pour rendre accessible le foyer F de l'objectif. 10. Objectif selon l'une des revendications 1 à 8 comportant un miroir secondaire convexe disposé au voisinage du foyer FM du miroir principal pour focaliser hors axe de préférence en arrière du miroir principal. 11. Objectif selon l'une des revendications 9 et 10, caractérisé en ce que le miroir principal (12) et le miroir secondaire (25) sont montés dans un tube cylindrique (50) et en ce que la lentille prismatique (14) est montée à une extrémité du tube dans un manchon cylindrique (54) de diamètre réduit et d'axe parallèle au tube, le tube (50) et le manchon (54) étant solidarisés par une bague-raccord excentrée (58). 12. Télescope photo-visuel ou infrarouge utilisant un objectif catadioptrique selon l'une des revendications 1 à 11. 13. Téléobjectif photo-visuel ou infrarouge utilisant un objectif catadioptrique selon l'une des revendications 1 à 11. 14. Objectif de satellite d'observation comportant un objectif selon l'une tes revendications 1 à 3 dont la lentille prismatique de type asphérique est associée à une lentille achromatique pour aplatir le champ.