Brevet FR2914436A1 — publié le 20081003

La présente invention concerne une téléoptique pour le domaine spectral infrarouge (notamment 3 à 5 m). De telles téléoptiques peuvent être utilisées par exemple pour la surveillance et la détection d'objectif. A cet effet, les téléoptiques doivent répondre à de nombreuses exigences, comme par exemple une très grande focale, une résolution élevée, un grand champ de vision et une luminosité très élevée. D'autre part, il est avantageux que les téléoptiques puissent être pliées dans un volume sphérique le plus petit possible. Par les deux brevets américains n 4 989 928 et 5 024 493, on connaît respectivement une téléoptique pour la plage infrarouge de 3-5 m, qui est repliée au moyen d'au moins trois miroirs en un petit volume sphérique avec un diamètre d'environ 150 mm. La focale est d'environ 240 mm sur ces téléoptiques connues. D'autres téléoptiques connues présentent un diaphragme central avec des pertes de surface d'ouverture et des effets de lumière diffusée appropriés et conviennent donc moins bien pour les applications mentionnées plus haut. Un objectif de la présente invention est donc de prévoir une téléoptique pour la plage spectrale infrarouge avec des propriétés optiques améliorées et en même temps une faible grandeur de construction. Cet objectif est atteint par une téléoptique pour la plage spectrale infrarouge, qui comprend dans le sens du côté objet vers le côté image une première optique et une seconde optique, la première optique présentant dans le sens du côté objet vers le côté image un premier groupe de lentilles et un second groupe de lentilles ; la seconde optique présentant dans le sens du côté objet vers le côté image un troisième groupe de lentilles et un quatrième groupe de 30 lentilles ; le premier groupe de lentilles de la première optique présentant au moins deux lentilles, qui contiennent au moins une lentille convergente et au moins une lentille divergente ; le second groupe de lentilles de la première optique présentant au 5 moins une lentille convergente ; le troisième groupe de lentilles de la seconde optique présentant au moins trois lentilles, qui contiennent au moins deux lentilles convergentes et au moins une lentille divergente et contiennent au moins une surface asphérique ; et 10 le quatrième groupe de lentilles de la seconde optique présentant au moins deux lentilles, qui contiennent au moins une lentille divergente et au moins une lentille convergente. La téléoptique conforme à l'invention pour la plage spectrale infrarouge comporte dans le sens du côté objet vers le côté image une 15 première optique et une seconde optique, la première optique présentant dans le sens du côté objet vers le côté image un premier groupe de lentilles et un second groupe de lentilles, la seconde optique présentant dans le sens du côté objet vers le côté image un troisième groupe de lentilles et un quatrième groupe de lentilles ; le premier 20 groupe de lentilles de la première optique présentant au moins deux lentilles qui contiennent au moins une lentille convergente et au moins une lentille divergente ; le second groupe de lentilles de la première optique présentant au moins une lentille convergente ; le troisième groupe de lentilles de la seconde optique présentant au moins trois 25 lentilles, qui contiennent au moins deux lentilles divergentes et au moins une lentille convergente et contiennent au moins une surface asphérique ; et le quatrième groupe de lentilles de la seconde optique présente au moins deux lentilles, qui contiennent au moins une lentille divergente et au moins une lentille convergente. Avec une téléoptique conçue de cette façon, on peut réaliser les propriétés avantageuses suivantes : une très grande focale (environ 200 à 1.000 mm) avec une résolution extrêmement élevée, un champ de vision suffisamment grand compris entre deux 2 et 3 de diamètre, une luminosité très élevée, c'est-à-dire un indice d'ouverture d'environ 1,75, des points d'image pratiquement limités en diffraction et homogènes sur tout le plan d'image, c'est-à-dire des aberrations de faisceau négligeables, pas de diaphragme central, des effets de lumière diffusée négligeables, 100 % d'efficacité du diaphragme froid, distorsion minimale, et un agencement compact dans un petit volume sphérique. Selon une conception de l'invention, un premier élément de renvoi (par exemple un miroir de déviation) est disposé entre la première optique et la seconde optique, de préférence dans le sens du côté objet vers le côté image avant une image intermédiaire de la première optique et un second élément de renvoi(par exemple un miroir de déviation) est disposé entre le troisième et le quatrième groupes de lentilles de la seconde optique. L'agencement du premier et du second élément de renvoi permet d'obtenir un repliage à peu près en U de la téléoptique dans un petit volume sphérique, afin de créer un système compact, à poids léger et robuste. Selon une autre conception de l'invention, le quatrième groupe de lentilles de la seconde optique est réalisé de façon coulissante le long de l'axe optique. Par la réalisation coulissante (par moteur) du quatrième groupe de lentilles de la seconde optique, la téléoptique peut être focalisée et défocalisée. D'autre part, on peut obtenir de cette façon une compensation de température de la téléoptique dans un très grand intervalle (par exemple -50 à +90 C), de sorte que la téléoptique convient également pour les températures de travail dans les avions ou dans l'espace. Pour obtenir l'efficacité à 100 % du diaphragme froid de la téléoptique, une pupille de sortie derrière le quatrième groupe de lentilles et de la seconde optique coïncide de préférence avec un obturateur froid devant un détecteur. Selon une autre conception de l'invention, les lentilles convergentes de la téléoptique sont fabriquées chacune à base de silicium pour la plage spectrale de 3 à 5 gm, et les lentilles divergentes Io de la téléoptique sont fabriquées chacune à base de germanium pour la plage spectrale de 3 à 5 gm. Les caractéristiques et avantages susmentionnés et autres de l'invention sont plus compréhensibles d'après la description ci-dessous d'un exemple de réalisation préféré et non limitatif avec référence aux 15 dessins ci-joints. Sur ce dessin, l'unique figure montre une représentation schématique de la structure d'une téléoptique d'un exemple de réalisation préféré. La téléoptique représentée sur la figure pour la plage spectrale infrarouge de 3 à 5 gm sert par exemple à la surveillance et la détection 20 d'objectif avec une portée extrêmement grande (focale entre 200 et 1.000 mm), sachant qu'également des cibles ponctuelles infrarouges très faibles et pauvres en contraste peuvent être détectées à une grande distance. La téléoptique conforme à l'invention est une optique à lentille à 25 deux niveaux sans diaphragme central, qui comprend dans le sens d'un côté objet vers le côté image une première optique (objectif primaire) 10 et une seconde optique (objectif secondaire) 12 et qui forme une image de la pupille d'entrée à proximité de la lentille la plus avancée de la première optique 10 dans l'ouverture d'obturateur froid d'un détecteur 30 comme pupille de sortie. La première lentille 10 comprend un premier groupe de lentilles 14 et un second groupe de lentilles 20 avec au total au moins trois lentilles sphériques. Ici, le premier groupe de lentilles 14 comprend au moins une lentille convergente 16 à base d'un matériau à faible dispersion (par exemple silicium pour la plage spectrale 3-5 m) et une lentille divergente 18 à base d'un matériau à dispersion élevée (par exemple germanium pour la plage spectrale de 3-5 m). De cette façon, on obtient une très bonne correction chromatique de l'optique. La seconde groupe de lentilles 20 est disposée à une grande distance derrière le premier groupe de lentilles 14 et à proximité de l'image intermédiaire 42 de la première optique 10 et présente au moins une lentille convergente 21 de réfringence positive à base d'un matériau à faible dispersion (par exemple silicium pour la plage spectrale de 3-5 m). Par ce second groupe de lentilles 20, on optimise la somme de Petzval de la première optique 10. Au total, on obtient avec les caractéristiques susmentionnées une première optique 10 d'une longueur de construction comparativement faible et avec de bons points d'image dans l'image intermédiaire 42. La seconde lentille 12 contient au total au moins cinq lentilles 20 dans les deux groupes. Le troisième groupe de lentilles 22 est disposé juste derrière l'image intermédiaire 42 de la première optique 10 et comprend au moins trois lentilles, une lentille convergente 24, une lentille divergente 26 et une lentille convergente 28, qui sont à nouveau à base d'un 25 matériau à faible dispersion ou à dispersion élevée (par exemple silicium ou germanium pour la plage spectrale de 3-5 m). Au moins une surface de ce troisième groupe de lentilles 22 doit être asphérique, alors que toutes les autres surfaces peuvent être sphériques. Le quatrième groupe de lentilles 30 de la seconde optique 12 30 présente au moins deux lentilles, qui contiennent une lentille divergente 32 et une lentille collectrice 34 (par exemple en germanium ou en silicium pour la plage spectrale de 3-5 gin), de sorte qu'un doublet achromatique est formé. La pupille d'entrée circulaire juste devant la téléoptique, c'est-à- dire devant le premier groupe de lentilles 14 de la première optique 10, est reproduite dans une pupille de sortie circulaire juste derrière la téléoptique, c'est-à-dire derrière le quatrième groupe de lentilles 30 de la seconde optique 12, à l'emplacement de l'obturateur froid 36. D'autre part, la pupille de sortie de la téléoptique coïncide avec l'obturateur to froid devant un plan d'image 38, qui est enregistré par un détecteur (non représenté), de sorte que l'efficacité de l'obturateur froid est de 100 %. En conséquence, les éléments détecteurs infrarouges n'enregistrent pas des parties de monture chaudes de la téléoptique, ce qui provoquerait un bruit. 15 Le quatrième groupe de lentilles 30 de la seconde optique 12 peut se déplacer à l'aide d'un moteur le long de l'axe optique, c'est-à-dire avancer et reculer. De ce fait, la téléoptique peut être focalisée ou défocalisée. Cet ensemble 30 peut d'autre part être utilisé pour la compensation de température de la téléoptique dans un grand intervalle 20 (par exemple de -50 C à +90 C). A cet effet, par exemple le quatrième groupe de lentilles doit être déplacé de par exemple 0,020 mm dans le cas d'un changement de température de 1 C. La température peut être mesurée par des capteurs sur la téléoptique, et le déplacement nécessaire peut être calculé et commandé automatiquement en fonction 25 des changements de température enregistrés. Comme représenté sur la figure, la téléoptique présente également un premier élément de renvoi 40 et second élément de renvoi 44 sous la forme d'un miroir de déviation (comme alternative, on peut imaginer par exemple également des prismes). Le premier élément de renvoi 40 est 30 disposé dans le sens du côté objet vers le côté image derrière le second groupe de lentilles 20 de la première optique 10 et devant l'image intermédiaire 42, alors que le second élément de renvoi 44 est disposé entre le troisième groupe de lentilles et le quatrième groupe de lentilles 22, 30 de la seconde optique 12. Grâce aux deux éléments de renvois 40, 44, un repliage de la téléoptique dans un petit volume sphérique est possible, de sorte qu'un système optique compact, à poids léger et robuste est créé. Le miroir de déviation utilisé comme premier élément de renvoi 40 est incliné par exemple d'environ 45 par rapport à l'axe optique, et le miroir de déviation utilisé comme second élément de renvoi 44 est incliné par exemple d'environ 52 par rapport à l'axe optique. La réduction au minimum souhaitée de lumière à diffuser, qui peut être provoquée par un diffuseur parasite infrarouge puissant tel que le soleil, est obtenue avec la téléoptique par les mesures suivantes si ce diffuseur se trouve dans ou à proximité du champ de vision de la téléoptique : - pas de diaphragme central ; - image intermédiaire 42 avec diaphragme de champ ; - deux pliages de miroir de l'axe optique d'environ 90 chacun ; - haute qualité de surface des lentilles 16, 18 du premier groupe 20 de lentilles 14 de la première optique 10 ; et - échelonnement et noircissement des parois intérieures de la téléoptique. Les données de design selon un exemple de réalisation préféré d'une téléoptique avec la construction décrite plus haut sont 25 représentées dans les tableaux suivants. Tableau 1 : Données de design de la téléoptique selon la figure Plan Rayon (mm) Epaisseur Rayon Matériau Commentaire d'objet ou distance d'ouverture (mm) (mm) --- o0 0o Air Objet 1 312,004694 19,000000 100,000000 Si Lentille 16 2 1,6009.103 9,000000 100,000000 Air 3 2,8288.103 8,000000 94,000000 Ge Lentille 18 4 618,882929 195,000000 93,000000 Air 100,729910 9,000000 36,000000 Si Lentille 21 6 101,046707 43,000000 33,000000 Air 7 --- -34,300000 33,000000 Miroir Elément de renvoi 40 8 --- -10,700000 50,000000 Air Image intermédiaire 42 9 16,829374 -7,000000 11,5000000 Si Lentille 24 20,591382 -0,500000 15,000000 Air 11 48,047370 -7,000000 16,000000 Ge Lentille 26 12 84, 931467 -0,500000 18,000000 Air 13 157,308584 -7,000000 19,000000 Si Lentille 28 14 55,000000 -27,000000 20,000000 Air --- 30,000000 39,000000 Miroir Elément de renvoi 44 16 51,867516 5,000000 21,000000 Ge Lentille 32 17 45,979246 2,000000 20,000000 Air 18 76,925059 7,000000 20,000000 Si Lentille 34 19 -9,3116.103 13,000000 19,000000 Air --- 35,000000 11, 500000 Air 21 -----9,200000 Air Obturateur froid 36 - --- 9,200000 Plan d'image Plan d'objet Angle d'inclinaison par rapport à l'axe optique (degré) 7 -45,000000 15 -52,000000 Plan d'objet cc ad ae af ag 13 --- 1,6445.10-6 --- --- ---19 -8,3769.105 3,5147.10-7 --- --- --- Tableau 2 : Données asphériques (coniques et polyniomiales) Tableau 3 : Basculements des miroirs de déviation 5 Tableau 4 : Constantes paraxiales Focale effective : -350,000093 Ouverture numérique : 0,285714 Indice d'ouverture : 1, 750000 Invariante de Helmholtz-Lagrange : -2,618593 Amplification latérale : 1,6647.10-18 Hauteur d'image gaussienne : -9,165075 Rayon de Petzval : -450,399760 Pour terminer, les propriétés et avantages de la téléoptique avec la structure décrite ci-dessus avec référence à la figure sont résumés une nouvelle fois : to - très grande focale (200 à 1.000 mm) -résolution extrêmement élevée - grand champ de vision (2 à 3 de diamètre) Io - très grande luminosité (indice d'ouverture d'environ 1,75) - points d'image pratiquement idéaux, c'est-à-dire seulement limités en diffraction et homogènes sur l'ensemble du plan d'image 38, aberration de faisceau négligeable - pas de diaphragme central - effets négligeables de lumière diffusée - 100 % d'efficacité d'obturateur froid sur le détecteur infrarouge - distorsion minimale 10 - agencement dans un petit volume sphérique - compensation de température possible dans un grand intervalle (-50 C à +90 C) - système compact, à poids léger et robuste Compte tenu de ces propriétés et avantages, la téléoptique 15 expliquée ci-dessus peut être utilisée de façon avantageuse pour la surveillance (par exemple appareils de visée nocturne) et la détection de cible (par exemple unités de détection de missiles) avec une très grande portée dans la zone spectrale infrarouge (3 à 5 m). Alors que la présente invention est expliquée dans le détail ci- 20 dessus à l'aide d'un exemple de réalisation préféré avec référence à la figure, il est évident que l'invention ne doit pas être limitée uniquement à cet exemple de réalisation, mais que le spécialiste peut effectuer d'autres changements et modifications sans abandonner l'étendue de la protection de l'invention qui est définie par les revendications ci-jointes. 25 Par exemple, la figure montre respectivement le nombre minimum de lentilles pour chaque groupe de lentilles de la première et de la seconde optiques. Cependant, on peut ajouter à la téléoptique également d'autres éléments optiques (en particulier lentilles et diaphragmes). De plus, l'ordre de succession des lentilles individuelles à l'intérieur d'un groupe de lentilles peut être modifié en cas de besoin. L'élément déterminant du bon fonctionnement de la téléoptique conforme à l'invention est uniquement le nombre minimum de lentilles avec les propriétés optiques respectives susmentionnées dans un groupe de lentilles et l'agencement des groupes de lentilles dans la première et la seconde optiques. REVENDICATIONS 1. Téléoptique pour la plage spectrale infrarouge, qui comprend dans le sens du côté objet vers le côté image une première optique (10) et une seconde optique (12), la première optique (10) présentant dans le sens du côté objet vers le côté image un premier groupe de lentilles (14) et un second groupe de lentilles (20) ; la seconde optique (12) présentant dans le sens du côté objet vers le côté image un troisième groupe de lentilles (22) et un quatrième 10 groupe de lentilles (30) ; le premier groupe de lentilles (14) de la première optique (10) présentant au moins deux lentilles (16-18), qui contiennent au moins une lentille convergente (16) et au moins une lentille divergente (18) ; le second groupe de lentilles (20) de la première optique (10) 15 présentant au moins une lentille convergente (21) ; le troisième groupe de lentilles (22) de la seconde optique (12) présentant au moins trois lentilles (24-28), qui contiennent au moins deux lentilles convergentes (24-28) et au moins une lentille divergente (26) et contiennent au moins une surface asphérique ; et 20 le quatrième groupe de lentilles (30) de la seconde optique (12) présentant au moins deux lentilles (32-34), qui contiennent au moins une lentille divergente (32) et au moins une lentille convergente (34). 2. Téléoptique selon la revendication 1, caractérisée en ce que un premier élément de renvoi (40) est disposé entre la première optique (10) 25 et la seconde optique (12). 3. Téléoptique selon la revendication 2, caractérisée en ce que le premier élément de renvoi (40) est disposé dans le sens du côté objet vers le côté image avant une image intermédiaire (42) de la première optique (10) . 12 4. Téléoptique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'un second élément de renvoi (44) est disposé entre le troisième et le quatrième groupes de lentilles (22, 30) de la seconde optique (12). 5. Téléoptique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le quatrième groupe de lentilles (30) de la seconde optique (12) est conçu coulissant le long de l'axe optique. 6. Téléoptique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'une pupille de sortie derrière le 10 quatrième groupe de lentilles (30) de la seconde optique (12) coïncide avec un obturateur froid (36) devant un détecteur. 7. Téléoptique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les lentilles convergentes (16, 21, 24, 28, 34) sont fabriquées chacune à base de silicium pour la plage 15 spectrale de 3 à 5 m. 8. Téléoptique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les lentilles divergentes (18, 26, 32) sont fabriquées à base de germanium pour la plage spectrale de 3 à 5 m. 20