Brevet FR2826735A1 — publié le 20030103

PERFECTIONNEMENTS POUR SYSTEMES OPTIQUES LEGERS A CHAMP LARGE. DOMAINE TECHNIQUE GENERAL. L'invention concerne les objectifs de systèmes optiques à champ large et à haute résolution. Plus particulièrement, elle concerne les objectifs de jumelles ou d'appareils photographiques intensificateurs de lumière avec un poids et un coût de production réduits. ETAT DE L'ART. Généralement, les systèmes optiques à champ large et à haute résolution comportent des dispositifs intensificateurs de lumière s'étendant à la suite d'une ou plusieurs lentille (s). Les objectifs atteignent des résolutions satisfaisantes grâce à une succession de lentilles de propriétés optiques différentes focalisant correctement la lumière, dont certaines peuvent présenter des propriétés de diffraction. Généralement, les lentilles et/ou les éléments diffractifs sont en verre, car ce matériau est peu dispersif. Cependant, les objectifs peuvent être allégés par le remplacement ponctuel de certaines lentilles de verre par des lentilles en matière plastique de qualité optique. Les lentilles en matière plastique ont de plus l'avantage de diminuer les coûts de production, puisque les lentilles sont alors moulées La présence de certains éléments et/ou lentilles en verre reste cependant obligatoire dans les systèmes actuels pour conserver les performances de chromatisme et d'astigmatisme. Le fait que les systèmes optiques comportent du verre présente des inconvénients. Notamment, ils ne sont pas aussi légers qu'on le souhaiterait. Du fait de la présence de verre dans les objectifs actuels de jumelles, ces derniers ont par exemple une masse d'environ 50 grammes pour une longueur selon l'axe optique d'environ 70 mm. PRESENTATION DE L'INVENTION. Le but de l'invention est d'alléger encore les objectifs de tels systèmes optiques et de diminuer les coûts de production tout en conservant les résolutions des systèmes actuels. A cet effet, l'invention propose un objectif de système optique comportant, suivant un axe optique, une pluralité de lentilles caractérisé en ce que toutes les lentilles sont en matière plastique de qualité optique, la matière plastique de chaque lentille étant choisie parmi : - Un polystyrène ; - Un acrylique ; - Un méthacrylate ; - Un polycarbonate. L'invention est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible : - lorsqu'il est destiné à travailler en lumière polychromatique, il comporte au moins un élément diffractif s'étendant parmi la pluralité de lentilles, la fonction de phase du ou des élément (s) diffractif (s) étant une somme de fonctions de phase élémentaires de termes comportant des puissances supérieures ou égales à deux, les fonctions de phase élémentaires étant évaluée en des valeurs discrètes de la distance du rayon lumineux au droit du ou des élément (s) diffractif (s) à l'axe optique ; - il comporte quatre lentilles avec deux surfaces asphériques et six surfaces sphériques ; - il comporte six lentilles avec une surfaces asphériques et onze surfaces sphériques ; - il comporte six lentilles dont deux d'entre elles sont des lentilles asphériques et une d'entre elles comporte un élément diffractif. - il comporte six lentilles dont une d'entre elles est une lentilles asphérique et une d'entre elles est un élément asphérodiffractif ; - les rapports des distances focales de convergence ou de divergence de chaque lentille sur la distance focale totale de l'objectif sont sensiblement égaux, depuis l'entrée de l'objectif jusqu'à sa sortie à : - 8. 7,8. 1,1, 7. 15, 5.2, 7. 5 ; la composante purement diffractive de la lentille comportant l'élément diffractive ayant quant à lui un rapport de 6.3, que l'on doit combiner à la composante convergente ayant un rapport de 7.15 ; - les rapports des distances focales de convergence ou de divergence de chaque lentille sur la distance de dispersion due à chaque lentille sont sensiblement égaux, depuis l'entrée de l'objectif jusqu'à sa sortie à : 0.45, 1,3. 94,0. 5,1. 34,0. 52, et 1.1 pour la composante purement diffractive de la lentille comportant l'élément diffractif ; - l'élément diffractif est un réseau photographié en surface d'une lentille ; - t'étément dtffractif est un réseau gravé en surface d'une lentille PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit qui est purement illustrative et non limitative et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une représentation longitudinale d'une succession de lentilles selon un mode de réalisation de l'invention en lumière polychromatique ; - la figure 2 est une représentation longitudinale d'une succession de lentilles selon un mode de réalisation de l'invention en lumière monochromatique. - la figure 3 est une représentation longitudinale d'une succession de lentilles selon un mode de réalisation en lumière monochromatique DESCRIPTION D'UN MODE DE REALISATION EN LUMIERE POLYCHROMATIQUE. La figure 1 représente un mode de réalisation d'un objectif 1 selon l'invention. L'objectif 1 comporte une pluralité de lentilles, référencées de 2 à 7 sur la figure 1. Il comporte également un tube intensificateur de lumière 8 connu en soi et qui ne fait pas partie du champ de l'invention. Des rayons lumineux 10 traversent la pluralité de lentilles de l'objectif 1 ainsi que le tube intensificateur de lumière 8 pour se focaliser sur le plan focal 9. La pluralité de lentilles 2 à 7 s'étend le long de l'axe focal 11 de l'objectif. Les six lentilles du mode de réalisation représenté sont toutes composées de matière plastique de qualité optique. Les matières plastiques de qualité optique sont choisies parmi le polystyrène, l'acrylique, le méthacrylate et le polycarbonate, qui sont les seules matières plastiques de qualité optique, faisant partie de l'état de la technique de la présente demande. Dans tous les développements qui suivent, le nombre de lentilles pourrait être différent si d'autres matières plastiques de qualité optique venaient compléter l'état de la technique. Ces matières plastiques auraient préférentiellement des qualités optiques proches du verre, c'est-à-dire un caractère moins dispersif que les matières plastiques actuelles, tout en ayant une masse réduite. Le premier mode de réalisation selon l'invention représenté à la figure 1 comporte six lentilles. On cherche à réduire le nombre de lentilles présentes dans l'objectif au minimum. En effet, plus le nombre de lentilles est important, plus l'objectif a une masse importante. Le nombre de lentilles s'étendant dans l'objectif est le nombre minimum de lentilles nécessaire pour satisfaire les spécifications techniques regroupées dans le tableau 1 suivant. Ce nombre de lentilles est bien entendu lié au choix des matériaux dans lesquels sont fabriquées les lentilles. Une solution est d'utiliser les quatre matières plastiques de l'état de la technique. Selon cette solution, on peut résoudre les problèmes de chromatisme et d'astigmatisme. Bien entendu, d'autres modes de réalisation avec un nombre de lentilles supérieur ou égal à quatre pourraient être envisagés. Caractéristiques Spécifications Ouverture distance focale (F)/1. 4 Champ 500 Distorsion en bord de champ Dimension image 12 mm Transmission > 85% à une longueur d'onde de 750 Transmission nm Taux de lumière parasite Longueur totale mm Tirage après la fenêtre de 1 mm 1 mm l'intensificateur de lumière Masse totale de l'objectif g Fonction de transfert de modulation (FTM) à 15 paires de lignes/mm au > 63% centre du champ Fonction de transfert de modulation (FTM) à 15 paires de lignes/mm aux > 54% 2/3 du champ Tableau 1. Le mode de réalisation de la figure 1 représente une solution compacte à six lentilles fabriquées en au moins quatre matériaux plastiques. Il comporte une surface asphérique et une surface asphérodiffractive référencée par 5. En d'autres termes, le mode de réalisation de la figure 1, comporte un élément divergent et cinq éléments convergents, l'élément diffractif faisant partie des éléments convergents. L'objectif 1 possède une distance focale F donnée. Chaque lentille possède également une distance focale. Les rapports des distances focales de convergence ou de divergence de chaque lentille - de 2 à 8 - sur F sont sensiblement égauxrespectivement-à : - 8. 7,8. 1,1, 7.15, 5. 2,7. 5 ; la composante purement diffractive de l'élément 5 ayant quant à elle un rapport de 6.3, que l'on doit combiner à la composante convergente ayant un rapport de 7.15. La dispersion d'un matériau dépend de la longueur d'onde du rayon qui le traverse. Les rapports des différentes distances focales des lentilles sur leur distance de dispersion sont égaux sensiblement à- 0.45, 1,3. 94,0. 5,1. 34,0. 52, et 1.1 pour la composante purement diffractive de la lentille référencée par 5 par exemple. Les valeurs qui précèdent sont données à titre d'exemple et des variations sensibles de celles-ci permettent d'obtenir des résultats satisfaisants également. Selon ce mode de réalisation, les lentilles peuvent être fabriquées en un quelconque des quatre matériaux plastiques, à condition qu'au moins quatre lentilles soient dans des matières plastiques différentes. En effet, dans le cas d'une lumière polychromatique, il faut résoudre le chromatisme et l'astigmatisme. L'ensemble des rayons lumineux 10 de longueurs d'onde différentes doit se focaliser dans le plan focal image 9. La focalisation dans le plan focal 9 de l'ensemble des rayons lumineux 10résolution du chromatisme-n'est pas possible à réaliser avec des lentilles non diffractives en matières plastiques. A tout le moins, cela est impossible avec des lentilles classiques en matières plastiques de l'état de la technique. Pour que le chromatisme soit complètement résolu, il faut résoudre à la fois le chromatisme primaire, c'est-à-dire la correspondance des foyers des longueurs d'onde extrêmes, et le chromatisme secondaire, c'est-à-dire la correspondance du foyer de longueurs d'onde moyen avec les foyers de longueur d'onde extrêmes. Le chromatisme secondaire est impossible à résoudre avec uniquement des lentilles en matières plastiques dispersives. Le chromatisme primaire est impossible à résoudre avec uniquement un élément diffractif. Une combinaison de quatre lentilles en matière plastique situées en amont de la lentille 5 permet de résoudre le plus précisément possible le chromatisme primaire. Le chromatisme secondaire et l'astigmatisme sont alors résolus par la lentille 5 diffractive. La résolution du chromatisme secondaire et de l'astigmatisme se complètent par une résolution des aberrations du champ, et notamment de la courbure de champ La courbure de champ peut être partiellement rectifiée par l'utilisation de surface asphériques dans l'objectif 1. Elle peut également l'être grâce à un profil adéquat de la surface de l'élément diffractif 5. Le profil de l'élément diffractif 5 comporte alors des marches ou gravures définissant un réseau optique. La hauteur de ces marches est préférentiellement une proportion déterminée de la longueur d'onde des faisceaux incidents à la surface de l'élément 5. On pourra bien entendu placer dans la pluralité de lentilles un élément diffractifs dont le profil ne comporte pas des marches mais un réseau optique obtenu par photographie par exemple, ou tout autre réseau de diffraction transparent. Les propriétés optiques d'un élément diffractif sont décrites par sa fonction de phase, qui exprime le déphasage introduit ente les rayons lumineux incidents lors de leur traversée du réseau. La fonction de phase est la somme de fonctions de phase élémentaires définies comme une somme de termes comportant des puissances de la distance du point d'incidence du rayon lumineux au droit de l'élément diffractif 5 à l'axe optique 11. On a ainsi : Avec - r, la distance du rayon lumineux au droit de l'élément diffractif à l'axe optique 11 (figure 1) ; - (P (r), la fonction élémentaires de phase de l'élément diffractif 5 pour une distance r du rayon lumineux incident à l'axe optique ; et - a, b, c, d,... et 0) des coefficients multiplicatifs décrivant le profil de l'élément diffractif 5. La fonction de phase totale de l'élément diffractif est la somme des fonctions de phase élémentaires. Pour prendre en compte l'ensemble des rayons lumineux traversant l'objectif 1, de r varie de 0 au demi-diamètre utile de l'élément diffractif, en incrémentant les différentes valeurs de r de 1/10 de la valeur finale. Généralement, une dizaine de valeurs de r sont suffisantes pour obtenir une fonction de phase totale assez précise pour définir le profil de l'élément diffractif. L'élément diffractif 5 selon l'invention comporte dans ses fonctions de phase des puissance de r paires, ces puissances étant supérieures ou égales à deux. D'autres combinaisons de lentilles et d'éléments diffractifs sont possibles en lumière polychromatique. A partir de lentilles en matière plastique données, la forme de chacune d'elle ainsi que leur ordre de succession peuvent être choisis pour résoudre au mieux le chromatisme primaire. Le profil de l'élément diffractif est alors choisi en fonction du chromatisme secondaire et de l'astigmatisme à résoudre. Cette opération d'ajustage du profil de l'élément 5 revient à choisir correctement les coefficients multiplicatifs des termes en ri (i pair et supérieur ou égal à deux) des fonctions de phase élémentaires. La figure 1 représente cependant un mode préféré de réalisation, puisqu'il constitue un objectif comportant six lentilles. L'objectif ainsi réalisé est relativement petit et léger. Les six lentilles ont une masse totale d'environ 6 grammes et la longueur totale de l'objectif est égale à environ 40 mm. Le tableau 2 regroupe l'ensemble des performances obtenu par l'objectif selon l'invention. Caractéristiques Performances Ouverture (distance focale) F/1.4 Champ 500 Distorsion en bord de champ 8% Dimension image 12. 1 mm Transmission Non évaluée Taux de lumière parasite Non évaluée Longueur totale 39.6mm Tirage après la fenêtre de 1.08 mm l'intensificateur de lumière Masse des lentilles-6 g Fonction de transfert de modulation (FTM) à 15 paires de lignes/mm au 97% centre du champ Fonction de transfert de modulation (FTM) à 15 paires de lignes/mm aux 85% 2/3 du champ Fonction de transfert de modulation (FTM) à 15 paires de lignes/mm au 82% bord du champ Tableau 2. L'intensité de la lumière parasite dépend de la diffusion des plastiques, de l'efficacité de la diffraction et de l'efficacité des traitements de surface que l'on applique à la surface des lentilles. L'élément diffractif 5 peut être fabriqué dans n'importe quel matériau plastique de qualité optique. Le seul critère important est qu'il faut que sa fonction de phase contribue à résoudre correctement le chromatisme secondaire et les aberrations de champ. Le choix du profil de la surface diffractive dépend également de la faisabilité du moule qui permettra de fabriquer la lentille. Plusieurs combinaisons permettent avec plusieurs plastiques de passer des champs de 500 à travers l'objectif. On peut par exemple fabriquer la première lentille en verre pour augmenter le champ. Cette dernière solution se fait bien entendu au détriment de la légèreté de l'objectif. DESCRIPTION D'UN PREMIER MODE DE REALISATION MONOCHROMATIQUE. L'objectif est plus simple à réaliser puisque le chromatisme n'est pas considéré. La figure 2 représente un premier mode de réalisation possible d'un objectif 1 dans le cas monochromatique. La structure de l'objectif est la même que celle de l'objectif en lumière polychromatique, et la numérotation des éléments de la figure 2 reflète cette similitude. L'objectif 1 comporte une succession de six lentilles référencées de 2 à 7. Un tube intensificateur de lumière 8 est placé en sortie de la lentille 7. un plan focal 9 reçoit les faisceaux lumineux 10 ayant traversé l'objectif 1. Les lentilles sont toutes dans le même matériau plastique de qualité optique Celui-ci est choisi parmi un polystyrène, un acrylique, un méthacrylate ou un polycarbonate. Dans la succession des six lentilles, une surface asphérique vers l'avant et onze surfaces sphériques. Le tableau 3 reprend les performances d'un tel objectif 1. Caractéristiques Performances Ouverture F/1.4 Dimension image 12 mm Champ 50 Longueur totale 103 mm FTM au centre du champ à 15 paries > 0.95 de lignes/mm FTM aux 2/3 du champ à 15 paires > 0.95 de lignes/mm FTM au bord du champ à 15 paires > 0.95 de lignes/mm Tab ! eau 3. Le système est plus long que les systèmes actuels travaillant en lumière polychromatique mais permet un gain de masse non négligeable. DESCRIPTION D'UN DEUXIEME MODE DE REALISATION MONOCHROMATIQUE. La figure 3 représente un deuxième mode de réalisation possible d'un objectif 1 dans le cas monochromatique. L'objectif 1 comporte une succession de quatre lentilles référencées de 2 à 5. Un tube intensificateur de lumière 8 est placé en sortie de la lentille 5. un plan focal 9 reçoit les faisceaux lumineux 10 ayant traversé l'objectif 1. Les lentilles sont toutes dans le même matériau plastique de qualité optique. Celui-ci est choisi parmi un polystyrène, un acrylique, un méthacrylate ou un polycarbonate Dans la succession des quatre lentilles, avec deux surfaces asphériques et six surfaces sphériques. Le tableau 4 reprend les performances d'un tel objectif 1. Caractéristiques Performances Ouverture F/1.4 Dimension image 12 mm Champ 50 Longueur totale 111 mm FTM au centre du champ à 15 paires > 0.95 de lignes/mm FTM aux 2/3 du champ à 15 paires > 0.95 de lignes/mm FTM au bord du champ à 15 paires > 0.95 de lignes/mm Tableau 4. Le système est plus long que les systèmes actuels et encore plus long que le premier mode de réalisation pour objectif monochromatique mais permet un gain de masse non négligeable puisque seules quatre lentilles sont nécessaires pour sa réalisation. Les objectifs décrits dans les développements précédents trouvent avantageusement application dans les objectifs de jumelles ou les appareils photographiques, avec des dispositifs d'intensification de la lumière ou non REVENDICATIONS. 1. Objectif de système optique comportant, suivant un axe optique (11), une pluralité de lentilles (2-8) caractérisé en ce que toutes les lentilles sont en matière plastique de qualité optique, la matière plastique de chaque lentille étant choisie parmi : - Un polystyrène ; - Un acrylique ; - Un méthacrylate ; - Un polycarbonate. 2. Objectif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est destiné à travailler en lumière polychromatique et comporte au moins un élément diffractif (5) s'étendant parmi la pluralité de lentilles (2-8), la fonction de phase de cet élément diffractif étant une somme de fonctions de phase élémentaires de termes comportant des puissances supérieures ou égales à deux, les fonctions de phase élémentaires étant évaluées en des valeurs discrètes de la distance du rayon lumineux au droit du ou des élément (s) diffractif (s) (5) à l'axe optique (11). 3 Objectif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte quatre lentilles avec deux surfaces asphériques et six surfaces sphériques 4. Objectif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte six lentilles avec une surfaces asphériques et onze surfaces sphériques. 5. Objectif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte six lentilles dont deux d'entre elles sont des lentilles asphériques et une d'entre elles comporte un élément diffractif (5). 6. Objectif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte six lentilles dont une d'entre elles est une lentille asphérique et une d'entre elles est un élément asphérodiffractif. 7 Objectif selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que les rapports des distances focales de convergence ou de divergence de chaque lentille sur la distance focale totale de l'objectif sont sensiblement égaux, depuis l'entrée de l'objectif jusqu'à sa sortie à : - 8. 7,8. 1,1, 7.15, 5.2, 7.5 ; la composante purement diffractive de la lentille comportant l'élément diffractif (5) ayant quant à elle un rapport de 6.3, qui se combine à la composante convergente, laquelle correspond à un rapport de 7.15. 8. Objectif selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que les rapports des distances focales de convergence ou de divergence de chaque lentille sur la distance de dispersion due à chaque lentille sont sensiblement égaux, depuis l'entrée de l'objectif jusqu'à sa sortie à : 0.45, 1,3. 94, 0 5, 1.34, 0.52 ; la composante purement diffractive de la lentille comportant l'élément diffractif ayant quant à elle un rapport de 1.1, qui se combine à la composante convergente, laquelle correspond à un rapport de 0.5. 9 Objectif selon l'une des revendications 2 à 8, caractérisé en ce que l'élément diffractif (5) est un réseau photographié en surface d'une lentille. 10. Objectif selon l'une des revendications 2 à 8, caractérisé en ce que l'élément diffractif (5) est un réseau gravé en surface d'une lentille.