Brevet FR2806170A1 — publié le 20010914

La présente invention concerne un relais optique correcteur d'aberrations pour système optique. L'invention concerne plus particulièrement, mais non exclusivement, les télescopes à miroirs. Il est connu de corriger les diverses aberrations qui interviennent dans les systèmes optiques comportant des miroirs en utilisant des miroirs de forme complexe, de forme parabolique par exemple, et/ou en introduisant dans un système optique particulier des éléments correcteurs de pleine ouverture, telle qu'une lame de SCHMIDT ou un ménisque de MAKSUTOV dans le cas où le système optique est agencé en télescope à miroirs. Ces moyens de correction ont l'inconvénient d'être de réalisation complexe engendrent ainsi coûts de revient importants. La présente invention vise à corriger les aberrations de type géométrique et/ou chromatique d'un système optique d'une manière plus simple et plus économique. Dans le cas où le système optique est agencé en télescope comportant miroir primaire un miroir secondaire, l'invention permet également de réduire sensiblement le diamètre du miroir secondaire. Enfin l'invention permet de transférer l'image issue du système optique endroit difficilement accessible ou inaccessible vers un endroit accessible à l'observation. Elle parvient grâce à un relais optique correcteur d'aberrations comportant deux blocs optiques convergents et un ou deux ménisques correcteurs, les deux blocs optiques convergents étant placés sur un même axe et le ou les ménisques correcteurs étant placés sur axe et entre les deux blocs optiques convergents. Grâce à l'invention, la correction des aberrations peut être effectuée uniquement au niveau du relais optique correcteur d'aberrations. En particulier, le ou les ménisques correcteurs sont dimensionnés de façon à corriger les aberrations sphériques combinées du système optique et du relais optique. L'invention permet ainsi de supprimer l'utilisation de miroirs de forme complexe et d'éléments correcteurs de pleine ouverture dans le système optique. Avantageusement, le bloc optique convergent situé en amont du ou des ménisques correcteurs est placé de sorte que la distance entre l'image formée par la partie du système optique en amont du relais optique et le bloc optique convergent soit égale à la focale du bloc optique convergent. Ce bloc optique convergent transforme ainsi le faisceau lumineux divergent issu de l'image formée par la partie du système optique en amont du relais optique en un faisceau sensiblement parallèle. A la sortie du ou des ménisques correcteurs, ce faisceau devient légèrement divergent et rencontre le bloc optique convergent situé en aval du ou des ménisques correcteurs de façon à former une image à un endroit accessible à l'observation. Avantageusement, les blocs optiques convergents comportent chacun ou plusieurs lentilles. De préférence, le ou les ménisques correcteurs sont à faces principales concentriques. Ces ménisques à faces principales concentriques sont de petit diamètre et de réalisation aisée, et permettent des coûts de revient avantageux du relais optique correcteur d'aberrations. Le ou les ménisques correcteurs peuvent être placés en amont ou en aval du centre géométrique du relais optique, centre géométrique en lequel tous les faisceaux parallèles convergent. Dans une réalisation particulière, le système optique est agencé en télescope à miroirs comportant un miroir primaire et un miroir secondaire et comprenant relais optique correcteur d'aberrations tel que défini ci-dessus. Dans ce cas, le relais optique est avantageusement placé en aval de l'ensemble constitué par les miroirs primaire et secondaire de façon qu'un point image issu de l'ensemble constitué par les deux miroirs coïncide avec un point objet du relais optique. Ainsi, il est possible de corriger globalement les aberrations introduites par le miroir primaire et le miroir secondaire. Le télescope à miroirs selon l'invention peut, en particulier, être agencé en 'lescope de type NEWTON comportant un miroir primaire de forme sphérique et un miroir secondaire plan, c'est-à-dire des miroirs de formes simples, faciles à fabriquer, tout en permettant d'obtenir des images de bonne qualité. Dans une réalisation particulière d'un télescope de type NEWTON selon l'invention, le diamètre du miroir secondaire est notablement plus petit que le diamètre du miroir primaire. De préférence le diamètre du miroir secondaire est de l'ordre de % à 15% diamètre du miroir primaire. Le miroir secondaire étant placé dans le trajet du faisceau incident sur miroir primaire, il est avantageux d'avoir un miroir secondaire le plus petit possible, afin de collecter une plus grande quantité de lumière et de minimiser l'effet de diffraction induit les bords du miroir secondaire. On rappelle que le diamètre du miroir secondaire est de l'ordre de 25 % diamètre du miroir primaire dans le cas d'un télescope de type NEWTON classique. La présente invention fait ainsi disparaitre, au moins partiellement, ces inconvénients en utilisant un miroir secondaire de diamètre beaucoup plus petit que le diamètre du miroir primaire. Une telle réduction du diamètre du miroir secondaire est possible grâce à l'utilisation du relais optique qui permet la formation de l'image issue du miroir primaire au voisinage du miroir secondaire. Dans une autre réalisation particulière, le télescope à miroirs selon l'invention est agencé en télescope de type CASSEGRAIN et comporte un miroir primaire de forme sphérique et un miroir secondaire de forme sphérique. Dans une réalisation particulière du télescope de type CASSEGRAIN, le miroir secondaire est notablement plus petit que le diamètre du miroir primaire. De préférence le diamètre du miroir secondaire est de l'ordre de 20 % à 25 % du diamètre du miroir primaire. On rappelle que le diamètre du miroir secondaire est de l'ordre de 35 % du diamètre du miroir primaire dans le cas d'un télescope de type CASSEGRAIN classique. Les avantages mentionnés ci-dessus pour le télescope de type NEWTON sont également observés dans le cas du télescope de type CASSEGRAIN. Une telle réduction du diamètre du miroir secondaire est possible grâce à l'utilisation du relais optique qui permet de rapprocher fortement l'image issue du miroir primaire du miroir secondaire. Dans une autre réalisation particulière, le télescope à miroirs selon l'invention est agencé en télescope de type NEWTON comportant un miroir primaire de forme sphérique orienté de façon à diriger le faisceau lumineux convergent vers un point situé à proximité de la paroi latérale intérieure du télescope où est placé le miroir secondaire. Ainsi, par sa position décalée, à proximité de la paroi latérale intérieure du télescope, le miroir secondaire ne constitue qu'une obstruction minimale pour le faisceau incident sur le miroir primaire. Dans cette réalisation particulière, le miroir secondaire peut etre avantageusement fixé à la paroi latérale intérieure du télescope par un unique moyen de fixation. Ainsi, l'effet de diffraction induit par le système de fixation du miroir secondaire à la paroi latérale intérieure du télescope est réduit. Encore dans cette réalisation particulière, le relais optique est incliné par rapport à la paroi latérale du télescope. L'encombrement du télescope est ainsi réduit. Dans une réalisation particulière d'un télescope de type CASSEGRAIN selon l'invention le miroir primaire de forme sphérique est orienté de façon à diriger le faisceau lumineux convergent vers un point situé à proximité de la paroi latérale intérieure du télescope ' est placé le miroir secondaire. Ainsi, par sa position décalée, à proximité de la paroi latérale intérieure du télescope, miroir secondaire ne constitue qu'une obstruction minimale pour le faisceau incident le miroir primaire. Avantageusement, le miroir secondaire est fixé à la paroi latérale intérieure du télescope par un unique moyen de fixation, réduisant ainsi l'effet de diffraction induit par le systeme de fixation du miroir secondaire à la paroi latérale intérieure du télescope. L'invention permet ainsi de réaliser un système optique agencé en télescope binoculaire en associant deux télescopes de type CASSEGRAIN selon la réalisation particulière qui vient d'être décrite comportant chacun un oculaire et disposés parallèlement l'un à l'autre, les oculaires étant espacés l'un de l'autre d'une distance correspondant à l'espacement des yeux d'un utilisateur. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture la description détaillée qui va suivre, d'exemples de réalisation non limitatifs de l'invention, et au vu du dessin annexé sur lequel la figure 1 est une vue schématique d'un relais optique correcteur d'aberrations selon un premier mode de réalisation de l'invention, - les figures 2 et 3 illustrent schématiquement le relais optique correcteur d'aberrations selon un second mode de réalisation de l'invention, pour deux trajets lumineux différents, - la figure 4 est une vue en coupe d'un télescope de type NEWTON équipé d'un relais optique correcteur d'aberrations selon l'invention, suivant un plan de symétrie du télescope, - la figure 5 est une vue en coupe d'un télescope de type CASSEGRAIN équipé d'un relais optique correcteur d'aberrations selon l'invention, suivant un plan de symétrie du télescope, - la figure 6 est une vue en coupe d'un télescope de type NEWTON équipé d'un relais optique correcteur d'aberrations selon une variante de l'invention, suivant un plan de symétrie du télescope, - la figure 7 est une vue en coupe d'un télescope de type CASSEGRAIN équipé d'un relais optique correcteur d'aberrations selon une variante de l'invention, suivant un plan de symétrie du télescope, et la figure 8 est une vue schématique d'un relais optique correcteur d'aberrations selon un autre mode de réalisation de l'invention. a représenté sur la figure 1 un relais optique correcteur d'aberrations 1 conforme à premier mode de réalisation de l'invention. Le relais optique 1 comporte, dans l'exemple décrit, un bloc optique convergent avant 2, un bloc optique convergent arrière 3 et un ménisque correcteur à faces principales concentriques 4 placé sur l'axe de symétrie 5 du relais optique 1. Le bloc optique convergent avant 2 est placé de sorte que la distance entre l'image dans le plan P formée par la partie du système optique en amont du relais optique 1 (non représenté) et le bloc optique convergent 2 soit égale à la focale du bloc optique convergent de sorte qu'il transforme le faisceau incident en un faisceau sensiblement parallèle. Les faisceaux lumineux issus du plan P donnent une image qui se forme dans le plan d'observation P' où l'on place avantageusement un oculaire pour l'observation de l'image. Le point O constitue le centre géométrique du relais optique 1 en lequel tous les faisceaux parallèles convergent. Dans l'exemple décrit, le ménisque correcteur 4 est placé en aval du centre géométrique 0 et de façon que le centre du ménisque coïncide avec O. sens de parcours de la lumière est indiqué par la flèche Dans le mode de réalisation selon les figures 2 et 3, les blocs optiques avant 2 et arrière 3 sont constitués chacun d'une lentille convexe (5 ; 8) et d'un doublet de lentilles (6 ; 7). ménisque correcteur à faces principales concentriques est centré sur le centre géométrique O du relais optique et est placé en aval de O. Dans le mode de réalisation des figures 2 et 3, les deux verres (9, 10 ; 11, 12) constituant le ou les doublets (6 ; 7) sont avantageusement choisis de manière à avoir sensiblement même indice de réfraction et des nombres d'Abbe fortement différents. Ainsi, il est possible d'agir sur le chromatisme du système optique dans lequel est monté le relais optique 1 en modifiant la courbure de la face intermédiaire (13 ; 14) du ou des doublets (6 ; 7). Cette modification est avantageusement sans effet sur la convergence agit uniquement sur le chromatisme. Dans le cadre du mode de réalisation des figures 2 3, une procédure d'ajustement des différents éléments du relais optique 1 pour minimiser les aberrations est décrite dans la suite. Cette procédure d'ajustement rationnelle est réalisée en aidant d'un logiciel de simulation optique adapté. 1) La première étape consiste en la correction dans l'axe. Il s'agit, comme cela est représenté sur la figure 2, en monochromatique, à partir de l'image axiale formée par la partie du système optique en amont du relais optique 1, dimensionner le ménisque correcteur 4' en agissant son rayon de courbure et épaisseur pour obtenir la meilleure correction dans l'axe notamment en ce qui concerne l'aberration de sphéricité. Le ménisque correcteur 4' étant divergent, on retiendra, par exemple, un verre à forte dispersion (nombre d'Abbe faible) pour la fabrication de ce ménisque correcteur 4' afin de participer à la correction chromatique de l'ensemble. La seconde étape consiste en la correction hors axe, notamment en ce qui concerne coma et l'astigmatisme. On cherche, en monochromatique, à partir d'une image hors axe formée par la partie du système optique en amont du relais optique 1, comme cela est représenté sur la figure 3, la meilleure correction en déplaçant légèrement sur l'axe le ménisque correcteur 4' par rapport à sa position initiale centrée sur O. 3) La troisième et dernière étape consiste en la correction chromatique, durant laquelle on agit sur la courbure de la face intermédiaire (13 ; 14) du ou des doublets (6 ; 7) comme précisé plus haut. Ce dernier réglage a pour avantage de pas dérégler les résultats acquis lors des première et deuxième étapes, du fait du choix du couple de verres utilisé pour le ou les doublets. La figure 4 représente un télescope de type NEWTON équipé relais optique correcteur d'aberrations 1 conforme à l'invention. Le télescope est constitué d'un cylindre central 15. A l'une des deux extrémités circulaires du cylindre, une ouverture est pratiquée, formant ainsi la pupille 16 du télescope. Un miroir sphérique 17 constituant le miroir primaire du télescope placé à l'autre extrémité du cylindre 15. Le miroir secondaire plan 22 est placé sur l'axe de symétrie du cylindre XX' de manière inclinée par rapport à celui-ci. Le relais optique correcteur d'aberrations 1 est monté dans un second cylindre 18 pouvant également accueillir l'oculaire (non représenté) du télescope. a également représenté le trajet de deux faisceaux lumineux différents. Le faisceau incident R1 est centré sur l'axe du cylindre XX', le faisceau incident est légèrement décentré par rapport à cet axe XX. L'image se forme dans le plan d'observation P" où il est avantageux de placer un oculaire une plaque photographique (non représentés) pour l'observation de l'image. Ainsi, la correction des aberrations s'effectue uniquement dans le cylindre 18. figure 5 représente un télescope de type CASSEGRAIN équipé d'un relais optique correcteur d'aberrations 1 conforme à l'invention. télescope est constitué d'un cylindre central 15'. Il comporte à une de ses extrémités ouverture constituant la pupille du télescope 16'. A l'autre extrémité, sur le côté intérieur, se trouve le miroir primaire de forme sphérique 17' centre duquel une ouverture 20 est pratiquée. Cette ouverture permet d'accueillir un cylindre 21 de diamètre réduit par rapport au diamètre du cylindre 15'. cylindre 21 comporte avantageusement un relais optique correcteur d'aberrations 1, derrière lequel on peut placer, par exemple, un oculaire ou une plaque photographique pour l'observation de l'image. Le miroir secondaire de forme sphérique 22' est placé perpendiculairement à l'axe du télescope YY'. Dans l'exemple décrit, les rayons lumineux centrés sur l'axe YY' convergent sensiblement vers F, point image de l'ensemble constitué pour les miroirs primaire et secondaire, situé en amont du relais optique 1, permettant ainsi d'avoir un miroir secondaire de dimension sensiblement réduite. Une lentille convergente complémentaire peut être avantageusement placée au voisinage de F pour rabattre le faisceau vers le cylindre 21 de façon ' réduire encore diamètre. La figure 6 représente un télescope de type NEWTON dont le miroir secondaire plan 22" est placé à proximité de la paroi latérale intérieure du cylindre du télescope. Le cylindre 15" du télescope comporte à une extrémité ouverture constituant la pupille 16" et à l'autre extrémité, un miroir sphérique 17", constituant le miroir' primaire du télescope orienté de façon à diriger le faisceau lumineux vers le miroir secondaire 22". Le miroir 17" est une portion d'un grand miroir sphérique centré sur le relais optique 1. Le miroir secondaire 22" est fixé à la paroi latérale intérieure 19" du télescope par un unique moyen de fixation 23, le miroir secondaire 22" étant incliné par rapport à la paroi 19". Par sa position décalée, à proximité de la paroi latérale intérieure 19", le miroir secondaire 22" ne constitue qu'une obstruction réduite pour le faisceau incident sur le miroir primaire 17". Le cylindre 24 comportant le relais optique correcteur d'aberrations 1 et un oculaire (non représenté) est incliné d'un angle a de 15 par rapport à la paroi latérale 19" du télescope dans le mode de réalisation de la figure 6. La figure 7 représente un télescope de type CASSEGRAIN comportant un miroir primaire de forme sphérique 17"' orienté de façon à diriger le faisceau lumineux convergent vers un point situé à proximité de la paroi latérale intérieure 19"' du cylindre 15"' du télescope où est placé le miroir secondaire de forme sphérique 22"'. Le miroir 17"' est une portion d'un grand miroir sphérique centré sur le relais optique Le miroir secondaire 22"' est fixé à la paroi latérale intérieure 19"' un unique moyen de fixation (non représenté). Dans ce mode de réalisation de l'invention, le cylindre 25 dans lequel est monté relais optique correcteur d'aberrations 1 et un oculaire (non représenté) sont placés contre la paroi latérale intérieure 19"' du télescope. On comprend que l'association de deux télescopes du type illustré à la figure 7 permet la réalisation d'un télescope binoculaire, les deux télescopes étant à cet effet disposés parallèlement l'un à l'autre, les cylindres 25 respectivement étant disposés en étant espacés l'un de l'autre d'une distance correspondant à l'espacement des yeux d'un utilisateur (60 à 65 mm). Cette association est notamment possible du fait que le relais optique 1 redresse les images. Dans le mode de réalisation du relais optique selon la figure 8, on ajoute au relais optique 1 une lentille divergente 26 devant ou derrière le bloc optique convergent 3. Cette lentille divergente permet d'atténuer ou d'annuler une autre aberration de type géométrique, appelée courbure de champ. Dans le cadre de ce mode de réalisation, la procédure d'ajustement décrite précédemment est complétée comme suit. Les deux premières étapes 1) et 2) sont inchangées. Entre les étapes 2) et 3), on ajoute une étape 2') qui consiste en la correction de la courbure de champ. A cet effet, on agit, en lumière monochromatique, sur les caractéristiques de la lentille divergente 26 et sur la position axiale du bloc optique 3 pour obtenir la meilleure correction de la courbure de champ. Le réglage de l'étape 2') affecte les résultats obtenus lors des étapes 1) et On répète alors les réglages des étapes 1) et 2) avant d'effectuer un nouveau réglage l'étape 2'). On réitère ces réglages successivement jusqu'à s'approcher de la meilleure correction globale. Ensuite, le réglage de l'étape 4) est effectué sans modifier la correction déjà obtenue lors des étapes 1), 2) et 2'). L'utilisation de la lentille divergente 26 et de cette procédure d'ajustement permet de supprimer, au moins partiellement, la courbure de champ, ce qui permet d'obtenir des images de qualité, notamment des plaques photographiques. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui viennent d'être décrits. On peut, en particulier, utiliser éléments du relais optique 1, notamment un ménisque correcteur (4 ; 4') et/ou lentille divergente 26, pour former un ou plusieurs doublets chromatiques participant à la correction chromatique de l'ensemble. Pour cela, on réalise le ménisque correcteur (4 ; 4') et/ou la lentille divergente 26 en associant deux verres d'indices de réfraction très proches et de nombres d'Abbe fortement différents. Le relais optique correcteur d'aberrations peut être notamment utilisé dans d'autres systèmes optiques, tel un périscope, un système optique laser, ou un système de projection par exemple. Le relais optique correcteur d'aberration peut être évidemment utilisé pour tout système optique faisant intervenir un ou plusieurs relais optiques. REVENDICATIONS 1. Relais optique correcteur d'aberrations (1) pour système optique, caractérisé par le fait qu'il comporte deux blocs optiques convergents (2 ; 3) et un deux ménisques correcteurs (4 ; 4'), et par le fait que les deux blocs optiques convergents (2 ; 3) sont placés sur un même axe et que le ou les ménisques correcteurs (4 ; sont placés sur cet axe et entre les deux blocs optiques convergents (2 ; 3). 2. Relais optique selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le bloc optique convergent (2) situé en amont du ou des ménisques correcteurs (4 ; 4) est placé de sorte que la distance entre l'image formée par la partie du système optique en amont du relais optique et le bloc optique convergent (2) soit égale à la focale du bloc optique convergent (2). 3. Relais optique selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que le ou les ménisques correcteurs (4 ; 4) ont des faces principales concentriques. 4. Relais optique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comporte une lentille divergente (26) placée devant ou derrière le bloc optique convergent (3) situé en aval du ou des ménisques correcteurs (4 ; Système optique caractérisé par le fait qu'il est agencé en 'lescope comportant miroir primaire (17 ; 17; 17" ; 17") et un miroir secondaire (22 ; 22'; 22" ; 22") et qu'il comprend un relais optique correcteur d'aberrations (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, placé en aval de l'ensemble constitué par les miroirs primaire (17 ; 1T; 17"') et secondaire (22 ; 22' ; 22", 22"'). 6. Système optique selon la revendication 5, caractérisé par le fait qu'il est agencé en télescope de type NEWTON comportant un miroir primaire de forme sphérique (17) et un miroir secondaire plan (22). 7. Système optique selon la revendication 5, caractérisé par le fait qu'il est agencé en télescope de type CASSEGRAIN comportant un miroir primaire de forme sphérique (17) et un miroir secondaire de forme sphérique (22'). 8. Système optique selon la revendication 5, caractérisé par le fait qu'il est agencé en télescope de type NEWTON comportant un miroir primaire de forme sphérique (17") orienté de façon à diriger le faisceau lumineux convergent vers un point situé à proximité de la paroi latérale intérieure (19") du télescope où est placé le miroir secondaire (22"). 9. Système optique selon la revendication 5, caractérisé par le fait qu'il est agencé en télescope de type CASSEGRAIN comportant un miroir primaire forme sphérique (17"') orienté de façon à diriger le faisceau lumineux convergent vers point situé à proximite de la paroi latérale intérieure (19"') du télescope où est placé le miroir secondaire (22" 10. Télescope binoculaire caractérisé par le fait qu'il comprend deux systèmes optiques selon la revendication 9 comportant chacun un oculaire et disposés parallèle ment l'un à l'autre, les oculaires étant espacés l'un de l'autre d'une distance correspondant à l'espacement des yeux d'un utilisateur.