Brevet FR2878625A1 — publié le 20060602

L'invention concerne une optique grand angle pour un détecteur dans le domaine spectral infrarouge. Les optiques destinées au domaine spectral infrarouge sont utilisées par exemple dans des dispositifs de surveillance - tels que des dispositifs de vigilance de nuit, des viseurs et des unités de détection de missiles - . Dans les équipements de ce type il est souvent nécessaire de pouvoir explorer un grand champ visuel. Ceci est possible grâce à une conception appropriée de l'optique. Ces optiques, qui permettent des angles de champ total côté objet supérieurs à 45 , sont désignées par io optiques grand angle. Pour obtenir des prises de vue de haute qualité d'un champ visuel sur un détecteur avec optique grand angle placée devant, un éclairage homogène et intense du champ de l'image est nécessaire, c'est-à-dire que la valeur de diaphragme doit être inférieure à un. Un objectif grand angle à grande ouverture pour le domaine spectral infrarouge proche (1,5 à 2,5 m) est connu par le document EP 0 195 747 A2. Avec un objectif grand angle décrit dans ce document, on peut obtenir un angle de champ total allant jusqu'à 60 dans ce domaine spectral et avec une valeur de diaphragme de 0,7. De manière désavantageuse, avec une optique grand angle très ouverte selon l'état de la technique, on ne peut atteindre un angle de champ total supérieur à 60 . Or pour des applications particulières, telles que par exemple la détection de cibles volantes sur la base de leurs émissions dans le domaine spectral infrarouge moyen, cet angle de champ total qui peut être atteint actuellement n'est souvent pas suffisant ou inapproprié, en raison de la limitation spectrale à l'infrarouge propre. Les cibles volantes et leurs émissions disparaissent souvent trop rapidement du champ visuel d'un détecteur avec une optique se trouvant devant, en raison de leur vitesse élevée, si, à travers l'optique, on ne peut voir qu'un angle de champ total réduit pour le détecteur. La présente invention a donc pour but d'indiquer une optique grand angle pour un détecteur dans le domaine spectral infrarouge, en particulier le domaine spectral infrarouge moyen, qui permette d'obtenir un angle de champ total plus grand par rapport à l'état de la technique. Ce but est atteint avec une optique grand angle pour un détecteur dans le domaine spectral infrarouge, en ce que l'optique grand angle comprend un système de lentilles qui comporte, dans la direction du côté objet vers le côté image, a. un télescope de Galilée inverse avec une lentille négative et o une lentille positive, et b. un agencement de trois autres lentilles, une lentille étant négative et deux lentilles positives. Dans une première phase, l'invention part de la découverte selon laquelle l'agrandissement d'un télescope de Galilée dépend du rapport entre la distance focale de l'objectif et la distance focale de l'oculaire, c'està-dire du rapport entre la distance focale de la lentille positive et la distance focale de la lentille négative. Avec un télescope de Galilée on agrandit ainsi l'angle de vision, c'est-à-dire l'angle que forment entre eux les rayons les plus extérieurs provenant d'un objet observé. Par simple modification des distances focales de la lentille négative et de la lentille positive du télescope de Galilée, on permet une variation dans le champ visuel de 0 à 180 . Dans une deuxième phase, l'invention part de la découverte selon laquelle par un agencement de trois lentilles, deux lentilles étant positives et une lentille négative, on peut réaliser des reproductions de bonne qualité, car au moyen de la lentille négative on peut corriger des défauts de reproduction, dus en particulier à une aberration chromatique, des deux lentilles positives. Dans une phase suivante, l'invention part de la découverte selon laquelle par un choix approprié des distances focales et des diamètres des trois autres lentilles de l'agencement, on peut réaliser une optique de grande ouverture, c'est-à-dire en d'autres termes une optique avec une valeur de diaphragme inférieure à 1,1. Dans une autre phase, l'invention part de la considération selon laquelle en plaçant un télescope de Galilée inverse devant un agencement décrit précédemment de trois autres lentilles, et en choisissant convenablement les diamètres et les distances focales des lentilles du télescope de Galilée, on parvient à une optique grand angle de grande ouverture dont l'angle de champ total peut être étendu, au-delà des distances focales des lentilles négatives et positives du télescope de Galilée inverse, jusqu'à 180 , avec en même temps une petite valeur de diaphragme. Si en effet un rayon parvient suivant un angle raide dans le télescope de Galilée, il sort de celui-ci suivant un angle plat. Grâce à l'invention on réalise donc une optique grand angle de grande ouverture dont l'angle de champ total peut être réglé entre 0 et 180 , de manière spécifique aux applications, par simple modification des distances focales de la lentille positive et de la lentille négative du télescope de Galilée inverse. Par choix approprié des diamètres des lentilles et de leur distance focale, on peut en outre agir sur la valeur de diaphragme. Par un choix judicieux de la forme de réalisation des lentilles positives et négatives du télescope de Galilée inverse et de la forme de réalisation de l'agencement des trois autres lentilles, on peut obtenir une compensation réciproque des défauts de reproduction, sans que pour cela d'autres lentilles soient nécessaires avec des surfaces extérieures non sphériques, difficilement réalisables sur le plan technologique. Ceci réduit les coûts et garantit une grande qualité de reproduction, sans défaut, de l'optique grand angle. De manière avantageuse, l'optique grand angle présente une valeur de diaphragme inférieure à 1,1. La valeur de diaphragme définit la luminosité ou la rapidité d'une optique. Plus une valeur de diaphragme est petite, plus une optique est lumineuse. Etant donné qu'avec une optique lumineuse, pour obtenir des prises de vue de grande qualité au moyen d'un détecteur, on peut sélectionner des temps d'exposition plus courts, on parle dans ce contexte d'une optique rapide. En particulier pour l'utilisation d'optiques grand angle pour un détecteur dans le domaine spectral infrarouge, dans des missiles, pour la détection de cibles se déplaçant rapidement, on a besoin d'optiques grand angle avec une valeur de diaphragme petite, afin de pouvoir détecter rapidement ces cibles au moyen du détecteur. Etant donné que pour une prise de vue de haute qualité d'un champ visuel au moyen du détecteur, seuls des temps d'exposition courts sont nécessaires, l'optique grand angle peut ètre orientée avec le détecteur par exemple rapidement sur un nouveau champ visuel. De manière avantageuse, les lentilles de l'optique grand angle présentent des surfaces extérieures de forme sphérique. En renonçant à des lentilles non sphériques, on peut d'une part réduire les coûts, car la fabrication des lentilles non sphériques est sensiblement plus complexe que celle des lentilles sphériques, et donc plus coûteuse. D'autre part, on peut encore abaisser par là le niveau de la lumière diffusée car les lentilles sphériques peuvent être fabriquées avec une précision sensiblement plus grande et en particulier avec une rugosité moindre que les lentilles non sphériques. Dans une autre forme de réalisation avantageuse de l'invention, un certain nombre d'éléments de déviation sont disposés entre la lentille négative et la lentille positive du télescope de Galilée inverse. Etant donné que la distance entre la lentille négative et la lentille positive du télescope de Galilée inverse peut être conçue variable, sur la base des distances focales des deux lentilles, on peut placer des éléments de déviation dans cet espace intermédiaire. Les éléments de déviation peuvent être par exemple des miroirs de déflexion, des grilles, des prismes ou similaires. Grâce aux éléments de déviation, il est possible, suivant l'application souhaitée, de modifier la direction du faisceau de rayons et, si nécessaire ou souhaité, de supprimer un domaine spectral déterminé. Il est avantageux que l'élément de déviation, entre la lentille négative et la lentille positive du télescope de Galilée inverse, soit un miroir de déflexion. La mise en place d'un miroir de déflexion permet de rendre plus compacte la construction de l'optique grand angle. Dans les missiles, où l'on ne dispose par exemple que d'un espace limité pour une optique grand angle, l'optique grand angle peut être réduite dans son étendue longitudinale par la mise en place d'un miroir de déflexion io entre la lentille négative et la lentille positive du télescope de Galilée inverse, le miroir de déflexion assurant une déflexion de 90 par exemple du faisceau de rayons. On peut ainsi exploiter de façon optimale, en ce qui concerne sa longueur et sa largeur, un espace disponible pour l'optique grand angle, sans gaspiller un espace de construction précieux pour d'autres composants. On peut imaginer de concevoir tournante la lentille négative côté objet du télescope de Galilée inverse ainsi que le miroir de déflexion. On réalise par là la possibilité de surveiller tout l'horizon au moyen de l'optique grand angle ou, dans le cas d'un angle de champ total de 180 de l'optique grand angle, toute la sphère. Dans une autre forme de réalisation avantageuse de l'invention, un certain nombre d'éléments de déviation sont disposés entre la dernière lentille, tournée vers le côté image, du télescope de Galilée inverse et l'agencement des trois autres lentilles. Il est ainsi possible, comme déjà mentionné précédemment, d'adapter l'étendue longitudinale et transversale de l'optique grand angle à l'espace disponible. Par ailleurs, on peut influencer par là la perméabilité spectrale au domaine spectral concerné. De manière pratique, l'un des éléments de déviation entre la dernière lentille tournée vers le côté image du télescope de Galilée inverse et l'agencement des trois autres lentilles, est un miroir de déflexion ou un prisme. Un miroir de déflexion donne la possibilité d'orienter l'agencement des trois autres lentilles par rapport à l'axe optique du télescope de Galilée inverse, comme le permettent les conditions d'espace actuelles. Si le miroir de déflexion est un miroir qui dévie une partie du faisceau de rayons suivant un certain angle et laisse passer librement l'autre partie du faisceau de rayons, on peut prévoir après le télescope de Galilée inverse deux agencements, conçus différemment en ce qui concerne leur distance focale, de trois autres lentilles. On peut ainsi explorer alors deux champs visuels différents, par exemple un champ qui couvre une grande région avec une faible résolution, et un autre champ qui couvre une région plus petite, mais avec une plus grande résolution. A la place du miroir de déflexion, on peut utiliser aussi un prisme. L'utilisation d'un miroir de déflexion avec revêtement approprié ou d'un prisme offre en outre la possibilité d'une scission en deux faisceaux de rayons avec des domaines spectraux différents. Ici aussi on peut disposer à nouveau des agencements différents de trois autres lentilles (suivant l'information souhaitée qui doit être obtenue par un détecteur placé derrière). De manière avantageuse, l'optique grand angle comporte une pupille de sortie se trouvant derrière sa dernière lentille, tournée vers le côté image. Une pupille de sortie librement accessible permet de faire coïncider celle-ci avec un diaphragme concret et de réaliser par là des conditions radiométriques définies. On peut obtenir ainsi un comportement sensiblement amélioré de la lumière parasite, qui assure des reproductions de haute qualité sur un détecteur se trouvant derrière. De manière pratique, la pupille de sortie librement accessible coïncide ici avec un diaphragme froid se trouvant devant le détecteur. Ces diaphragmes froids sont maintenus (comme le laisse entendre déjà leur nom) à une basse température afin d'empêcher des fractions de lumière diffusée, d'origine thermique, qui entraînent une altération des reproductions sur un détecteur se trouvant derrière. Il est ainsi possible de réaliser une efficacité géométrique de un du diaphragme froid, qui assure des conditions radiométriques définies et donc un comportement nettement amélioré de la lumière diffusée, et par conséquent des reproductions de haute qualité sur le détecteur. De manière judicieuse, la lentille négative et la lentille positive du télescope de Galilée inverse et les deux lentilles positives de l'agencement des trois autres lentilles sont fabriquées en silicium, et la lentille négative de l'agencement des trois autres lentilles, en germanium. L'agencement permet de fabriquer, à l'exception de la lentille en germanium nécessaire à la correction de la couleur, toutes les autres lentilles en silicium. En renonçant largement aux lentilles coûteuses en germanium et en utilisant, à leur place, des lentilles de silicium nettement moins coûteuses, on peut réduire les coûts de l'optique grand angle. Il est particulièrement intéressant de concevoir la forme géométrique de la lentille négative en germanium, nécessaire à la correction de la couleur, de manière que son volume soit aussi petit que possible, pour réduire encore les coûts. Des exemples de réalisation de l'invention sont décrits plus en détail à l'aide des dessins. Ceux-ci montrent Figure 1 une optique grand angle avec un agencement de trois 20 lentilles devant un détecteur et un télescope de Galilée inverse placé devant, Figure 2 une optique grand angle selon la fig. 1, mais avec un miroir de déflexion entre deux lentilles du télescope de Galilée inverse. Les éléments de fonction identiques sont pourvus ici des mêmes 25 références. Le tableau 1 montre les valeurs d'étude de l'optique grand angle selon la fig. 1. Le tableau 2 montre les valeurs d'étude de l'optique grand angle selon la fig. 2. Sur la fig. 1 est représentée une optique grand angle 10 qui comprend un agencement 12 de trois lentilles 14, 16 et 18 et, placé devant, un télescope de Galilée inverse 20 qui comporte deux lentilles 22 et 24. Les cinq lentilles 14, 16, 18, 22, 24 présentent des surfaces extérieures sphériques. Les deux lentilles positives 14 et 18 de l'agencement 12 sont convexes par rapport à leur surface extérieure côté objet et concaves par rapport à leur surface extérieure côté image, et sont fabriquées en silicium. La lentille négative 16, placée entre les lentilles 14 et 18, est fabriquée en germanium et est biconcave. La lentille 16 sert à corriger les défauts de couleur des lentilles positives 14 et 18. Les lentilles 22, 24 du télescope de Galilée inverse 20 sont fabriquées en silicium. La lentille 22 est une lentille négative avec une surface extérieure concave côté objet et une surface extérieure convexe côté image. En revanche, la lentille 24 est une lentille positive avec une surface extérieure concave côté objet et une surface extérieure convexe côté image. Les rayons des surfaces extérieures des lentilles 14, 16, 18, 22 et 24, leur épaisseur, leur écartement, leur rayon d'ouverture et le matériau dans lequel elles sont fabriquées, figurent de manière détaillée dans le tableau 1. Derrière la dernière lentille 18 de l'agencement 12 se trouve un détecteur 32 sensible au domaine spectral infrarouge, derrière une fenêtre 26, un filtre froid 28 et un diaphragme froid 30. La fenêtre 26 constitue ici la fenêtre d'un récipient Dewar dans lequel se trouve le détecteur 32. La fenêtre 26 et le diaphragme froid 30 sont fabriqués tous deux en germanium. Le filtre froid 28 est fabriqué en silicium. Ces composants satisfont - exactement comme les lentilles 14, 16, 18, 22, 24 les exigences concernant la perméabilité dans le domaine spectral infrarouge. Le détecteur 32 peut être un détecteur à base de tellurure de cadmium. Les dimensions géométriques de la fenêtre 26, du filtre froid 28, du diaphragme froid 30 et du détecteur 32 et leurs écartements figurent à nouveau dans le tableau 1. La conception de l'optique grand angle 10 est choisie de manière que sa pupille de sortie coïncide avec la position du diaphragme froid 30. L'optique grand angle 10 représentée présente une distance focale f de 21, 63 mm et une ouverture numérique NA de 0,5682. L'optique grand angle 10 de grande ouverture et lumineuse selon la présente conception présente une valeur de diaphragme de 0,86 et un angle de champ total de 60 . En modifiant les distances focales des lentilles 22 et 24 du télescope de Galilée inverse 20, un homme de l'art peut réduire ou agrandir l'angle de champ total. La fig. 2 montre une optique grand angle 11 qui comporte les éléments de fonction identique à l'optique grand angle 10 de la fig. 1, mais dans laquelle un miroir de déflexion 34 est disposé dans l'espace intermédiaire se trouvant entre la lentille négative 22 et la lentille positive 24 du télescope de Galilée inverse 20. Le miroir de déflexion 34 dévie de 90 le faisceau de rayons incident, côté objet, derrière la lentille 22, par le miroir de déflexion 34, sur la lentille 24 suivante et l'agencement 12 des trois autres lentilles 14, 16 et 18. L'optique grand angle 11 de grande ouverture et lumineuse selon la conception, qui ressort du tableau 2, présente un angle de champ total de 90 et une valeur de diaphragme de 1. La distance focale f de l'optique grand angle 11 est de 9,2 mm. Le détecteur 32 est disposé ici dans un récipient Dewar 36. On ne voit pas sur la figure 2 que la lentille 22 et le miroir de déflexion 34 sont conçus de manière à pouvoir tourner autour d'un axe commun. Ceci permet par exemple dans un dispositif de surveillance, de surveiller tout l'horizon avec un angle de champ total de 90 . Tableau 1: Données d'étude de l'optique grand angle selon la figure 1 Rayon (mm) Epaisseur (mm) ou Rayon d'ouverture (mm) Matériau Commentaire Distance (mm) Plan objet Air 1 Air 2 86,849163 7,990233 40 Silicium Lentille 22 3 -160,17772 146,550497 45 Air Distance par rapport à la lentille suivante 4 551,959594 10 50 Silicium J Lentille 24 -255, 951429 0,1 50 1 Air I Distance par rapport à la lentille suivante 6 99, 320892 12 48 Silicium Lentille 14 7 286,548419 7 48 Air Distance par rapport à la lentille suivante 8 507,299039 8 48 Germanium Lentille 16 9 357,988211 28,781476 48 Air 1 Distance par rapport à la lentille suivante 106,225498 16 30 Silicium Lentille 18 11 377,539283 5 30 Air Distance par rapport à la fenêtre 12 3 I 20 Germanium I Fenêtre 26 13 1 20 Air Distance par rapport au filtre froid 14 3 20 Silicium Filtre froid 28 0,5 20 Air Distance Ouverture diaphragme 14,030031 16,92 Air par rapport au diaphragme froid 17 1,1 13,082117 Germanium Diaphragme froid 30 18 10 13, 066494 Air Distance par rapport au détecteur 19 0,4 7,68 Tellurure de cadmium Détecteur 32 Air 1 Plan image Tableau 2: Données d'étude de l'optique grand angle selon la figure 2 Rayon (mm) Epaisseur (mm) ou Rayon d'ouverture (mm) Matériau Commentaire distance (mm) Planobjet 1 _ Air 2 -37,049853 3,408633 18 Silicium Lentille 22 3 68,331815 32,656442 19,197 Air Distance par rapport au miroir de déflexion 1 Couche réflexe Miroir de déflexion 34 4 -29,862 28 Air Distance parrapport à la lentille suivante 235,465963 4,266 21,33 Silicium Lentille 24 6 122,425277 0,04266 21,33 Air Distance par rapport à la lentille suivante 7 -42,370293 5,1192 20,4768 Silicium Lentillel4 8 -122,241555 2,9862 T 20,4768 1 Air Distance par rapport à la lentille suivante 9 216,41377 3,4128 20,4768 Germanium 1 Lentille 16 - 152,717771 -12,278178 20,4768 Air Distance par rapport à la lentille suivante 11 -45,315798 6,8256 12,798 I Silicium Lentille 18 12 161,058258 -2,133 12,798 Air Distance par rapport à la fenêtre 13 -1,2798 8,532 Germanium Fenêtre 26 2 _. 14 -0,4266 8,532 Air Distance par rapport au filtre froid _ -1, 2798 8, 532 Silicium Filtre froid 28 16 -0,2133 8,532 Air Distance Ouverture diaphragme -5,985211 5 21339,5 Air par rapport au diaphragme froid L 18 0,46926 8,532 Germanium Diaphragme froid 30 _ -4,266 8,532 Air Distance par rapport au détecteur -0,17064 3,276288 Tellurure de cadmium Détecteur 32 21 1 Air Plan image REVENDICATIONS 1. Optique grand angle (10, 11) pour un détecteur (32) dans le domaine spectral infrarouge, caractérisée par le fait qu'elle comprend un système de lentilles qui comporte, dans la direction du côté objet vers le côté image, a. un télescope de Galilée inverse (20) avec une lentille négative (22) et une lentille positive (24), et b. un agencement (12) de trois autres lentilles (14, 16, 18), une lentille (16) étant négative et deux lentilles (14, 18) positives. 2. Optique grand angle (10, 11) selon la revendication 1 caractérisée par une valeur de diaphragme inférieure à 1,1. 3. Optique grand angle (10, 11) selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisée par le fait que les lentilles (14, 16, 18, 22, 24) présentent des surfaces extérieures de forme sphérique. 4. Optique grand angle (10, 11) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée par le fait que des éléments de déviation sont disposés entre la lentille négative (22) et la lentille positive (24) du télescope de Galilée inverse (20). 5. Optique grand angle (10, 11) selon la revendication 4, caractérisée par le fait qu'un élément de déviation est un miroir de déflexion (34). 6. Optique grand angle (10, 11) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle des éléments de déviation sont disposés entre la dernière lentille (24) tournée vers le côté image du télescope de Galilée inverse (20) et l'agencement (12) des trois autres lentilles (14, 16, 18). 7. Optique grand angle (10, 11) selon la revendication 6, dans laquelle un élément de déviation est un miroir de déflexion ou un 30 prisme. 8. Optique grand angle (10, 11) selon l'une quelconque des revendications précédentes avec une pupille de sortie se trouvant derrière la dernière lentille (18), tournée vers le côté image, de l'optique grand angle (10, Il). 9. Optique grand angle (10, 11) selon la revendication 8, dans laquelle la pupille de sortie coïncide avec un diaphragme froid (30) se 5 trouvant devant le détecteur (32). 10. Optique grand angle (10, 11) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans laquelle la lentille négative (22) et la lentille positive (24) du télescope de Galilée inverse (20) et les deux lentilles positives (14, 18) de l'agencement (12) des trois autres lentilles (14, 16, 18) sont fabriquées en silicium, et la lentille négative (16) de l'agencement (12) des trois autres lentilles (14, 16, 18) est fabriquée en germanium.