Brevet FR2913778A1 — publié le 20080919

DISPOSITIF AFOCAL CATADIOPTRIQUE A ENCOMBREMENT REDUIT. Le domaine de l'invention est celui des dispositifs optiques afocaux à encombrement réduit. Le dispositif selon l'invention a un grossissement important, de l'ordre de 4 à 8 et peut être notamment utilisé devant un objectif optique ou un corps de jumelle pour multiplier son grossissement. II est parfaitement bien adapté pour être utilisé avec des jumelles de vision de nuit. On sait que les jumelles de vision de nuit comportent généralement au moins un objectif, un dispositif à intensificateur de lumière et un oculaire. L'objectif forme une image du paysage extérieur sur la fenêtre d'entrée du dispositif à intensificateur. Celui-ci comporte trois parties principales : une première surface photosensible qui convertit l'image optique en image électronique, un dispositif à amplification d'électrons qui amplifie l'image électronique, une seconde surface qui reconvertit l'image électronique en image lumineuse amplifiée. Ainsi, l'image du paysage extérieur est amplifiée puis collimatée à l'infini par l'oculaire pour être finalement observée par l'utilisateur. Cés jumelles ont généralement un grossissement unitaire afin de présenter à l'utilisateur une image de même dimension que l'image avant intensification. Pour assurer un certain confort, le champ de vision est généralement important, de l'ordre de 40 à 50 degrés. Bien entendu, pour améliorer la compacité et le design de ces jumelles, celles-ci peuvent comporter des prismes et des miroirs de renvoi. Lorsque l'on désire voir des détails sur une cible éloignée, un grossissement supérieur est nécessaire. Pour obtenir ce grossissement, plusieurs solutions sont possibles. On peut rendre l'objectif interchangeable et le remplacer par un objectif de focale plus grande afin d'augmenter le grossissement. La société Newcon Optik propose ainsi un objectif catadioptrique réalisant cette fonction sous la référence Newcon NVS7. L'inconvénient de cette solution est que le changement d'objectifs doit être réalisé de nuit, en conditions opérationnelles et par tous temps, ce qui rend l'opération délicate à mettre en oeuvre dans la mesure où il ne faut ni perdre l'étanchéité de la jumelle ni polluer l'intensificateur. Une seconde solution consiste à ajouter une optique complémentaire afocale devant l'objectif de la jumelle. Cette solution pose moins de problèmes opérationnels. Elle doit cependant répondre à un certain nombre de conditions détaillées ci-dessous : 1. Présenter à l'observateur une image grossie de même orientation que l'objet observé ; 2. Utiliser au maximum le 'champ de l'objectif, celui-ci étant 10 déjà réduit par le grossissement de l'afocal ; 3. Etre le plus léger et le plus compact possible. En effet, les jumelles sont nécessairement portées par la tête de l'observateur et se trouvent en porte à faux. 15 La seconde condition implique que, si l'on souhaite conserver des dimensions raisonnables aux optiques, il est nécessaire de réaliser ce que les opticiens appellent une conjugaison de pupille , c'est-à-dire que l'image du diamètre extérieur de l'optique d'entrée à travers l'optique afocale doit être située au voisinage de la pupille de l'objectif de la jumelle. 20 Classiquement, pour réaliser un afocal de dimensions réduites donnant une image droite, on utilise une architecture optique dite galiléïque comme illustrée en figure 1. Il est à noter que sur cette figure ainsi que sur les figures numérotées de 2 à 6, les conventions suivantes ont été adoptées : 25 • Les lentilles optiques convergentes sont représentées par des flèches doubles, pointes vers l'extérieur ; • Les lentilles optiques divergentes sont représentées par des flèches doubles, pointes vers l'intérieur ; • Les miroirs sont représentées par un trait droit terminé par 30 deux segments inclinés ; • Les images lumineuses sont représentées par des flèches simples ; • Les pupilles sont représentées par deux demi-segments terminés par une pointe en forme de losange définissant 35 l'ouverture pupillaire ; • Les rayons lumineux sont représentés en traits fins. L'architecture optique de la figure 1 comprend essentiellement un objectif convergent OB de grande focale et une optique divergente Oc dite oculaire de courte focale, disposées de façon que leurs foyers coïncident. Le grossissement du galiléïque est égal au rapport des focales. L'encombrement E est relativement réduit. Cependant, comme on le voit sur la figure 1, dès que le grossissement est un peu important et typiquement au-delà de 3, les rayons lumineux sortant de l'oculaire sont en grande partie occultés par la pupille P de l'objectif de la jumelle. En effet, la conjugaison de pupille ne peut être réalisée par un galiléque, l'image du diamètre extérieur de l'optique d'entrée à travers l'optique afàcale est toujours virtuelle et située à l'intérieur même du galiléïque, entre l'objectif et l'oculaire. On ne satisfait donc pas la deuxième condition. II est possible de remplacer le galiléïque par un afocal à prismes de façon à retrouver une image pupillaire réelle. Une telle solution est représentée en figure 2. Elle compôrte essentiellement un objectif convergent OB de grande focale et une optique convergente oculaire Oc de courte focale, disposées de façon que leurs foyers coïncident. Un système redresseur à prismes Rp, par exemple de type Porro, non détaillé sur la figure 2, permet de redresser l'image. Malheureusement, ce système est lourd et encombrant et ne satisfait pas la troisième condition. Il est possible de remplacer le système redresseur à prismes par une optique relais qui assure la fonction de redresser l'image. Cette solution est essentiellement mise en oeuvre pour les lunettes de tir. Cette optique est plus légère mais également encore plus encombrante que le système redresseur à prismes. On ne remplit toujours pas la troisième condition. Le dispositif optique afocal selon l'invention permet de remplir au mieux les trois conditions. Plus précisément, l'invention a pour objet un dispositif afocal à symétrie axiale comprenant au moins un premier ensemble optique fonctionnant par réflexion et optiquement équivalent à un premier miroir concave, un second ensemble optique fonctionnant par réflexion optiquement équivalent à un second miroir concave et un troisième ensemble optique fonctionnant en transmission, caractérisé en ce que le premier ensemble optique forme, à son foyer, d'un objet lumineux à l'infini une première image réelle, le second ensemble optique forme de cette première image réelle une seconde image réelle inversée par rapport à la première image, le troisième ensemble optique forme de cette seconde image réelle une troisième image à l'infini, cette troisième image étant de même sens que l'objet lumineux, la pupille de sortie du système, image de la pupille d'entrée du dispositif, étant réelle. Avantageusement, le dispositif comporte un quatrième ensemble optique fonctionnant en transmission et disposé à l'entrée dudit dispositif 10 afocal. Avantageusement, le premier • ensemble optique est un miroir concave asphérique et le quatrième ensemble optique est une lame à faces planes et parallèles ; ou le premier ensemble optique est un miroir concave sphérique et le quatrième ensemble optique est une lame dont au moins une 15 des faces est asphérisée, ladite lame étant du type lame de Schmidt ; ou le premier ensemble optique est un premier miroir de Mangin, c'est-à-dire un ménisque dont la partie convexe est réfléchissante et le quatrième ensemble optique est une lentille convergente. Avantageusement, le second ensemble optique comprend au 20 moins un second miroir de Mangin ; ou comprend au moins un doublet optique épais à deux lentilles, c'est-à-dire un doublet dans lequel l'épaisseur d'au moins une des deux lentilles est du même ordre de grandeur qu'au moins un des rayons de courbure desdites lentilles. Avantageusement, le second ensemble optique est maintenu par 25 collage sur le quatrième ensemble optique, le quatrième ensemble optique pouvant comporter un logement central dans lequel se loge le second ensemble optique. Avantageusement, le premier ensemble optique comporte un logement central dans lequel se loge le troisième ensemble optique. 30 L'invention concerne également un dispositif afocal possédant au moins une des caractéristiques ci-dessus, ledit dispositif étant achromatisé dans le visible et le proche infrarouge, correspondant à la bande d'amplification de jumelles de vision de nuit et le dispositif comportant des 35 moyens de fixation sur au moins un dcs objectifs desdites jumelles, le diamètre de la pupille d'entrée et le grossissement du dispositif afocal étant choisis de façon que la pupille de sortie du dispositif afocal soit de diamètre sensiblement égal à celui de la pupille d'entrée de l'objectif des jumelles et confondue avec celle-ci. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles : • La figure 1 représente le schéma de principe d'un dispositif 10 afocal de type galiléïque ; • La figure 2 représente le schéma de principe d'un dispositif afocal à prismes redresseurs ; • La figure 3 représente le schéma de principe d'un afocal selon l'invention ; 15 • La figure 4 représente le schéma de principe d'un afocal selon l'invention monté sur un corps de jumelles ; • La figure 5 représente le schéma de principe d'un afocal selon l'invention comportant une optique de fermeture ; • Les figures 6 et 7 représentent un premier mode de 20 réalisation d'un afocal selon l'invention représenté seul puis disposé devant un objectif ; • Les figures 8 et 9 représentent un second mode de réalisation d'un afocal selon l'invention représenté seul puis disposé devant un objectif ; 25 • Les figures 10 et 11 représentent un troisième mode de réalisation d'un afocal selon l'invention représenté seul puis disposé devant un objectif. La figure 3 représente le schéma de principe d'un afocal selon 30 l'invention. II comprend essentiellement : • un premier ensemble optique M1 fonctionnant par réflexion et optiquement équivalent à un premier miroir concave ; • un second ensemble optique M2 fonctionnant par réflexion optiquement équivalent à un second miroir concave ; • un troisième ensemble optique E3 fonctionnant en transmission. Le premier ensemble optique forme, à son foyer, d'un objet lumineux à l'infini une première image réelle 11, le second ensemble optique forme de cette première image réelle une seconde image réelle 12 inversée par rapport à la première image, le troisième ensemble optique forme de cette seconde image réelle une troisième image à l'infini, cette troisième image étant de mërne sens que l'objet lumineux, la pupille de sortie du système Ps, image de la pupille d'entrée du dispositif, étant réelle et située à l'extérieur du troisième ensemble optique. L'ensemble est monté dans une structure non détaillée sur la figure 3 et représentée schématiquement par des traits continus épais. Cette architecture remplit les trois conditions énoncées précédemment. En effet, elle possède les avantages suivants : • le second ensemble optique agit comme un redresseur d'images. Ainsi, on présente à l'observateur une image grossie de même orientation que l'objet observé ; • La pupille de sortie se trouve à l'extérieur du troisième ensemble optique. On peut ainsi réaliser une conjugaison 20 pupillaire avec un autre objectif ; • Comme on le voit sur la figure 3, les faisceaux optiques sont repliés trois fois et l'encombrement E du dispositif est réduit au maximum. 25 La figure 4 représente le dispositif afocal selon l'invention disposé devant un corps de jumelle comprenant, comme précédemment décrit, un objectif Oj, un dispositif à intensificateur de lumière Dj et un oculaire Ocj. Comme on le voit sur cette figure, la pupille de sortie de l'afocal et la pupille d'entrée de l'objectif de la jumelle sont confondues. 30 La figure 5 représente une variante du dispositif selon l'invention. Dans cette variante, le dispositif comporte, en outre, un quatrième ensemble optique E4 fonctionnant en transmission et disposé à l'entrée dudit dispositif afocal. La mise en place de ce quatrième ensemble présente plusieurs 35 avantages. D'une part, il permet de protéger l'ensemble des composants optiques de l'afocal de l'environnement extérieur, évitant ainsi tous risques de pollution ou de détérioration des optiques. D'autre part, cet élément n'est pas nécessairement une lame à faces planes et parallèles. II peut avoir une certaine puissance optique. Cette solution présente le double avantage de diminuer l'encombrement des autres éléments du dispositif afocal et de réduire la puissance optique nécessaire du premier ensemble optique. Il peut également être utilisé comme lame de Schmidt , c'est-à-dire comme élément correcteur des aberrations optiques de l'ensemble optique MI. Enfin, ce quatrième ensemble optique peut être utilisé comme support mécanique du second ensemble optique M2. Dans ce cas, ce second ensemble peut être collé sur ce quatrième ensemble. Le quatrième ensemble optique peut également comporter un logement central dans lequel se loge le second ensemble optique. Les figures suivantes numérotées de 6 à 11 représentent trois variantes de réalisation de dispositifs afocaux A selon l'invention. Les afocaux représentés sont corrigés des aberrations géométriques et chromatiques. Sur ces figures, seuls les éléments optiques sont représentés. Les figures 6, 8 et 10 représentent les afocaux A représentés seuls. Sur ces figures, seuls les rayons lumineux représentant les rayons extrêmes du champ central sont représentés, permettant de mieux visualiser les différentes focalisations. Les figures 7, 9 et 11 représentent les mêmes afocaux A disposés devant un objectif Oj. Sur ces figures, les rayons lumineux représentant les rayons extrêmes du champ central, de champs moyens et du champ maximal sont représentés. L'objectif choisi est celui de la jumelle de nuit cornmercialisée par la société Thales Angénieux et connue sous la dénomination Lucie . Les dispositifs représentés sont achromatisés dans le visible et le proche infrarouge, correspondant à la bande d'amplification des jumelles de vision de nuit Lucie. Les dispositifs comportent également des moyens de fixation sur un des objectifs desdites jumelles, le diamètre de la pupille d'entrée et le grossissement du dispositif afocal étant choisis de façon que la pupille de sortie du dispositif afocal soit de diamètre inférieur' à celui de la pupille d'entrée de l'objectif des jumelles et confondue avec celle-ci. L'encombrement global des afocaux représentés est d'environ 50 millimètres, leur diamètre maximal de 70 millimètres, leur grossissement de 5 et leur champ d'environ 10 degrés. Bien entendu, de nombreuses variantes à la portée des connaissances ordinaires de l'homme du métier, sont possibles autour de 5 ces combinaisons optiques de base. Les figures 6 et 7 représentent un premier mode de réalisation d'un afocal selon l'invention. Dans cette combinaison, le premier ensemble optique M1 est un miroir concave asphérique, le second ensemble optique 10 M2 comprend un doublet optique épais .et un second miroir concave. Le troisième ensemble optique E3 est un ; oculaire comprenant un second doublet et une lentille simple, le quatrième ensemble optique est une lame à faces planes et parallèles. Le second miroir concave est collé sur la face arrière de cette 15 lame. Le miroir concave asphérique comporte un logement central dans lequel se loge le troisième ensemble optique. Les figures 8 et 9 représentent un second mode de réalisation d'un afocal selon l'invention. Dans cette combinaison, le premier ensemble 20 optique M1 est un miroir concave sphérique, le second ensemble optique M2 comprend un doublet optique épais, la face externe d'une des lentilles étant traitée réfléchissante. Le troisième ensemble optique E3 est un oculaire comprenant un second doublet et un troisième doublet, le quatrième ensemble optique est une lame dont au moins une des faces est asphérisée, 25 ladite lame étant du type lame de Schmidt. Le second ensemble optique est maintenu au moyens de trois ou de quatre bras dans la structure mécanique qui supporte le premier miroir concave et la lame de Schmidt. Le premier miroir concave sphérique comporte un logement central dans lequel se loge le troisième ensemble 30 optique. Les figures 10 et Il représentent un troisième mode de réalisation d'un afocal selon l'invention. Dans cette combinaison, le premier ensemble optique M1 est un miroir de Mangin, c'est-à-dire un ménisque dont la partie 35 convexe est réfléchissante, les deux faces du miroir de Mangin étant sphériques. Le second ensemble optique M2 comprend un doublet optique épais et un second miroir concave. Le troisième ensemble optique E3 est un oculaire comprenant un second doublet et une lentille simple, le quatrième ensemble optique est une lentille convergente. Le quatrième ensemble optique comporte un logement central dans lequel se loge le second ensemble optique. Le premier miroir de Mangin comporte un logement central dans lequel se loge le troisième ensemble optique. REVENDICATIONS 1. Dispositif afocal à symétrie axiale comprenant au moins un premier ensemble optique (M1) fonctionnant par réflexion et optiquement équivalent à un premier miroir concave, un second ensemble optique (M2) fonctionnant par réflexion optiquement équivalent à un second miroir concave et un troisième ensemble optique'(E3) fonctionnant en transmission, caractérisé en ce que le premier ensemble optique forme, à son foyer, d'un objet lumineux à l'infini une première image réelle (11), le second ensemble optique forme de cette première image réelle une seconde image réelle (12), inversée par rapport à la première image, le troisième ensemble optique forme de cette seconde image réelle une troisième image à l'infini, cette troisième image étant de même sens que l'objet lumineux, la pupille de sortie (PS), du système, image de la pupille d'entrée du dispositif, étant réelle. 2. Dispositif afocal selon la revendication 1, caractérisé en ce que 15 le dispositif comporte, en outre, un quatrième ensemble optique (E4) fonctionnant en transmission et disposé à l'entrée dudit dispositif afocal. 3. Dispositif afocal selon la revendication 2, caractérisé en ce que le premier ensemble optique est un miroir concave asphérique et que le 20 quatrième ensemble optique est une lame à faces planes et parallèles. 4. Dispositif afocal selon la revèndication 2, caractérisé en ce que le premier ensemble optique est un miroir concave sphérique et que le quatrième ensemble optique est une lame dont au moins une des faces est 25 asphérisée, ladite lame étant du type lame de Schmidt. 5. Dispositif afocal selon la revendication 2, caractérisé en ce que le premier ensemble optique est un premièr miroir de Mangin, c'est-à-dire un ménisque dont la partie convexe est réfléchissante et que le quatrième 30 ensemble optique est une lentille convergente. 6. Dispositif afocal selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le second ensemble optique comprend au moins un second miroir de Mangin. 7. Dispositif afocal selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le second ensemble optique comprend au moins un doublet optique épais à deux lentilles, c'est-à-dire un doublet dans lequel l'épaisseur d'au moins une des deux lentilles est du même ordre de grandeur qu'au moins un des rayons de courbure desdites lentilles. 8. Dispositif afocal selon l'une des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que le second ensemble optique est maintenu par collage sur le quatrième ensemble optique. 9. Dispositif afocal selon l'une des revendications 2 à 8, caractérisé en ce que le quatrième ensemble optique comporte un logement central dans lequel se loge le second ensemble optique. 10. Dispositif afocal selon l'une des revendications précédentes, 20 caractérisé en ce que le premier ensemble optique comporte un logement central dans lequel se loge le troisième ensemble optique. 11. Dispositif afocal selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif est achromatisé dans le visible étendu au 25 proche infrarouge, correspondant à la bande d'amplification de jumelles de vision de nuit et que le dispositif comporte des moyens de fixation sur au moins un des objectifs desdites jumelles, le diamètre de la pupille d'entrée et le grossissement du dispositif afocal étant choisis de façon que la pupille de sortie du dispositif afocal soit de diamètre sensiblement égal à celui de la 30 pupille d'entrée de l'objectif des jumelles et confondue avec celle-ci.