Brevet FR2778470A1 — publié le 19991112

TELESCOPE AFOCAL La présente invention concerne des télescopes afocaux aptes à fonctionner dans la gamme des longueurs d'onde de l'infrarouge thermique. Les télescopes afocaux aptes à fonctionner dans la gamme des longueurs d'onde de l'infrarouge thermique sont déjà connus pour former l'interface entre un système de balayage et l'espace objet. De tels télescopes possèdent des grandissements supérieurs à l'unité ou inférieurs à l'unité en fonction d'applications particulières et, dans le cas o ils sont susceptibles d'être utilisés dans des conditions de température variables, il est souhaitable de rendre ces télescopes athermiques. En outre il est souhaitable que le télescope forme des images de bonne qualité pour tous les points situés dans le champ d'observation, de manière que sa performance optique se rapproche du maximum permis par la diffraction limitant à la fois les rayons axiaux et les rayons non axiaux. Un but de la présente invention est de fournir une nouvelle forme perfectionnée de télescope afocal apte à fonctionner dans la gamme des longueurs d'onde de l'infrarouge thermique. Conformément à la présente invention il est prévu un télescope afocal apte à fonctionner dans la gamme des longueurs d'onde de l'infrarouge thermique, ce télescope comprenant un oculaire formé de deux éléments et un objectif formé de trois éléments, l'oculaire et l'objectif étant alignés sur un axe optique commun et étant disposés de telle sorte qu'une image intermédiaire est formée entre l'objectif et l'oculaire, caractérisé en ce que l'objectif formé de trois éléments comprend un élément de lentille centrale convergente disposé entre des éléments de lentilles latérales convergente et divergente, l'élément de lentille latérale convergente étant situé à proximité de l'image intermédiaire et comprenant une surface hybride servant simultanément à corriger la couleur longitudinale et la couleur de champ, et en ce qu'un des éléments de lentilles convergentes de l'objectif est réalisé en un matériau possédant un coefficient température-indice de réfraction négatif et a une puissance optique choisie de manière à rendre le télescope athermique. De préférence, l'élément de lentille à coefficient température-indice de réfraction négatif est l'élément de lentille centrale de l'objectif, dont les surfaces réfringentes sont de préférence sphériques pour simplifier la fabrication. La surface hybride peut être formée sur l'une ou l'autre des surfaces de l'élément de lentille concerné et naturellement comprend un hologramme de relief de surface découpé au diamant dans la surface réfringente. De préférence, l'élément de lentille latérale convergente, qui comporte la surface hybride, est également réalisé avec l'un quelconque des matériaux: séléniure de zinc, germanium et chalcogénure. On comprendra que les matériaux possédant un coefficient température-indice de réfraction négatif ont un indice de réfraction dont la valeur diminue lorsque la température augmente. Un tel matériau préféré est le bromo-iodure de thallium qui est également connu sous le nom KRS5. Les matériaux des autres éléments de lentilles du télescope possèdent naturellement un coefficient température-indice de réfraction positif (comme cela est typique pour des matériaux transmettant le rayonnement infrarouge). Les éléments de lentilles de l'oculaire peuvent être réalisés en germanium ou en arséniure de gallium. La présente invention fournit un télescope afocal apte à fonctionner dans la gamme des longueurs d'onde de l'infrarouge thermique de 8- 12 micromètres, qui est athermique d'une manière passive (c'est-à-dire sans l'utilisation de composants mobiles) et qui possède une bonne qualité de formation d'images dans l'ensemble du champ d'observation. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description donnée ci-après d'une de ses, formes de réalisation, donnée à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 représente schématiquement un télescope afocal conformément à la présente invention; - la figure 2 représente des courbes caractéris- tiques de qualité d'image pour le télescope de la figure 1; et - la figure 3 représente des courbes caractéris- tiques comparatives de qualité d'image pour un télescope afocal de l'art antérieur. Comme cela est représenté sur la figure 1, un télescope afocal 20 comprend un oculaire 30 et un objectif alignés sur un axe optique commun 50 et agencés de manière à former une image intermédiaire D à partir du rayonnement provenant d'un espace objet H et fournissant un rayonnement image à une pupille de sortie A, au niveau de laquelle un système de balayage (non représenté) peut être placé. L'oculaire 30 possède deux éléments réfringents B, C, qui sont des lentilles en forme de ménisques minces (ayant des surfaces réfringentes 1, 2, 3 et 4) pour produire une faible réflexion et fournir une correction de la distorsion et de l'astigmatisme. L'objectif 40 possède trois éléments réfringents E, F et G, les éléments E et F étant des éléments convergents et l'élément G étant un élément divergent. L'élément E (possédant des surfaces réfringentes 5 et 6) est situé à proximité de l'image intermédiaire D et comporte une surface hybride asphérique, comme cela sera expliqué, dans le but de corriger des aberrations sphériques et chromatiques, c'est-à- dire la couleur longitudinale et la couleur de champ. Les aberrations chromatiques tant longitudinales que transversales sont corrigées en raison de la proximité de la lentille E par rapport à l'image intermédiaire D. Les éléments de lentilles E et G sont disposés latéralement par rapport à l'élément F. La lentille F, qui est la lentille centrale de l'objectif 40 formé de trois éléments, possède des surfaces réfringentes 7 et 8 et est réalisée en un matériau tel que le matériau KRS5, ayant un coefficient température-indice de réfraction négatif, tandis que les autres lentilles B, C, E et G sont réalisées chacune en un matériau à coefficient température- indice de réfraction positif de sorte qu'en choisissant la puissance de la lentille F, on rend athermique l'ensemble du télescope 20 d'une manière statique ou passive et sans utiliser de pièces mobiles. La lentille G possède des surfaces réfringentes 9 et 10 possédant un rayon de courbure relativement faible, qui corrigent la courbure de champ. De même l'image de la pupille de sortie A est conçue de manière à être située entre les lentilles F et G. Un exemple spécifique du télescope 20 est donné numériquement dans le tableau 1, dans lequel toutes les dimensions sont indiquées en millimètres, CC signifie concave, CX signifie convexe, SPH signifie sphérique, ASPH.A-1 signifie asphérique conformément à la formule A-l, HYB.X-1 désigne un hologramme de relief de surface formé sur une surface asphérique conformément à la formule X-l, "séparation" désigne une distance entre deux surfaces consécutives du tableau lorsqu'on regarde séquentiellement de gauche à droite sur la figure 1, et "ouverture" désigne une valeur de diamètre. La surface 6 de la lentille E est la surface hybride comprenant un hologramme de relief de surface conçu conformément à une fonction de phase ayant une longueur d'onde de construction de 9100,00 nm, le faisceau étant un faisceau diffracté du 1-er ordre. La fonction de phase met en corrélation la différence de trajet optique (OPD) avec la distance Y par rapport au sommet de la surface conformément à la relation: OPD = -0,612 x 10-3Y2 - 0,282 x 10-6 Y4 Le télescope 20 possédant les paramètres indiqués dans le tableau I indiqué plus loin a un grandissement égal à 0,65 et un champ d'observation au niveau de la pupille A d'environ 27 par rapport à l'horizontale et d'environ 20 par rapport à la verticale, et fournit une bonne qualité de formation d'image pour tous les points situés dans le champ d'observation de sorte que la performance du télescope se rapproche du maximum permis par la limitation de la diffraction des rayons axiaux et des rayons non axiaux, comme cela est représenté sur la figure 2, pour des fréquences spatiales atteignant jusqu'à 67 % de la fréquence limite. A titre de comparaison, la figure 3 représente les caractéristiques comparatives d'un télescope afocal à infrarouge typique de l'art antérieur. Les figures 2 et 3 sont des courbes représentant la fonction de transfert de modulation (MTF) pour la condition de défocalisation zéro et ce pour quatre angles d'observation basés sur des longueurs d'onde de pondération. En outre le télescope 20 est comparativement aisé à fabriquer. Il possède un faible gain optique au niveau de toutes les surfaces, et l'image intermédiaire D est bien séparée des éléments optiques adjacents, ce qui est en général souhaitable étant donné que ceci facilite l'utilisation d'un dispositif de référence de température pour le scanner. Lorsque le télescope est utilisé avec un dispositif de balayage, il est également possible de corriger des erreurs résiduelles de réglage athermique du scanner moyennant de faibles modifications des puissances des lentilles. TABLEAU I N de MATERIAU DESCRIPTION DE LA SEPARA- OUVER- 1' élé- SURFACE TION TURE ment N RAYON FORME A AIR INF PLAN 00,00 13,4 B Ge 1 -30,046CC SPH 24,00 29,5 2 -32,429CX SPH 3.00 32 C Ge 3 43,310CX ASPH.A-1 0,50 38 4 80,723CC SPH 4,10 37 E ZnSe 5 -155,669CC SPH 51,77 29,5 16 -36,130CX HYB.X-1 5,00 30,5 I F KRS5 7 16,534CX SPH 19,49 18,5 8 20,410CC SPH 4,50 15,5 G ZnSe 9 -9,594CC SPH 16,61 15 __ 1__ 10-16,534CX SPH 4,82 21 FORMULE POUR LA FORME ASPHERIQUE (CURV) y2 z = ------------------------- x CY4 + By6 + yY8 1 - V(l- (l+ K) (CURV) 2.Y2) avec Z = déviation de la surface; CURV = rayon-1; Y est la distance à partir du sommet de la surface; et K, a, 1 et y sont des paramètres fournis par: Curv K a y Y A-1 À0,02308937 0,0000 -0,9x104-6 -0,49x10-9 0,0000 X-1 -0, 02767783 0,0000 0,193x10-5 0,0000 0,34x10'1 REVENDICATIONS 1. Télescope afocal apte à fonctionner dans la gamme des longueurs d'onde de l'infrarouge thermique, ce télescope comprenant un oculaire (30) formé de deux éléments et un objectif (40) formé de trois éléments, l'oculaire et l'objectif étant alignés sur un axe optique commun et étant disposés de telle sorte qu'une image intermédiaire (D) est formée entre l'objectif et l'oculaire, caractérisé en ce que l'objectif (40) formé de trois éléments comprend un élément de lentille centrale convergente (F) disposé entre des éléments de lentilles latérales convergente (E) et divergente (G), l'élément de lentille latérale convergente (E) étant situé à proximité de l'image intermédiaire et comprenant une surface hybride (5) servant simultanément à corriger la couleur longitudinale et la couleur de champ, et en ce qu'un (F) des éléments de lentilles convergentes de l'objectif est réalisé en un matériau possédant un coefficient température-indice de réfraction négatif et a une puissance optique choisie de manière à rendre le télescope athermique. 2. Télescope afocal selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de lentille (F) à coefficient température-indice de réfraction négatif est l'élément de lentille centrale de l'objectif, dont les surfaces réfringentes sont de préférence sphériques pour simplifier la fabrication. 3. Télescope afocal selon l'une ou l'autre des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'élément de lentille latérale convergente (E) comportant la surface hybride (5) est réalisé en l'un quelconque des matériaux suivants: séléniure de zinc, germanium et chalcogénure. 4. Télescope afocal selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le matériau à coefficient température-indice de réfraction négatif est du bromo-iodure de thallium, également connu sous le nom de KRS5. 5. Télescope afocal selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les éléments (B, C) de lentilles de l'oculaire (30) sont réalisés en l'un quelconque des matériaux: germanium et arséniure de gallium. 6. Télescope afocal selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des paramètres tels qu'indiqués dans le tableau suivant: No de MATERIAU DESCRIPTION DE LA SEPARATION OUVERTURE 1'élé- SURFACE (mm) (mm) ment N IRAYON (mm) FORME A AIR INF PLAN 00,00 13,4 B Ge 1 -30,046CC SPH 24,00 29,5 2 -32,429CX SPH 3.00 32 C Ge 3 43,310CX ASPH.A-1 0,50 38 4 80,723CC SPH 4,10 37 E ZnSe 5 -155,669CC SPH 51,77 29,5 6 -36,130CX HYB.X-1 5,00 30,5 F KRS5 7 16,534CX SPH 19,49 18,5 8 20,410CC SPH 4,50 15,5 G ZnSe 9 -9,594CC SPH 16,61 15 l_______10 -16,534CX SPH 4,82 21 CC signifiant concave, CX signifiant convexe, SPH signifiant sphérique, ASPH.A-1 signifiant asphérique conformément à la formule A-1, HYB.X-1 désignant un hologramme de relief de surface formé sur une surface asphérique conformément à la formule X-l, "séparation" désignant une distance entre deux surfaces consécutives du tableau, et "ouverture" désignant une valeur de diamètre.