Brevet FR2930049A1 — publié le 20091016

DOMAINE TECHNIQUE GENERAL La présente invention concerne un objectif adapté pour fonctionner dans le 5 domaine du rayonnement infrarouge avec une athermalisation passive. ETAT DE L'ART Un objectif est composé d'un ensemble d'éléments optiques, notamment de lentilles, qui sont caractérisés par leur géométrie et par les propriétés des matériaux les constituant. 10 Une de ces propriétés est l'indice de réfraction n, qui varie en fonction d'une part de la longueur d'onde et d'autre part de la température. La variation de l'indice de réfraction en fonction de la longueur d'onde est exprimée par la constringence v, ou nombre d'Abbe, qui est un nombre positif caractérisant le pouvoir dispersif du matériau dans lequel l'élément 15 est fabriqué. Plus la constringence est faible, plus le matériau est dispersif. La variation de l'indice de réfraction en fonction la température T est exprimée par la valeur dT , qui peut être positive ou négative. Un objectif dont la position du plan de focalisation ne varie pas en fonction de la température est dit � athermalisé �, et un objectif dont la 20 position du plan de focalisation ne varie pas en fonction de la longueur d'onde est dit � achromatisé �. Pour un objectif optique devant fonctionner dans une certaine plage de températures, par exemple entre -30°C et +70°C, et dans une bande spectrale étendue, par exemple la bande IR II [3 pm- 5 pm], on cherche à la 25 fois à - athermaliser la formule optique représentative du comportement optique de l'objectif, c'est-à-dire avoir un comportement de l'objectif le plus indépendant possible de la température, et - achromatiser la formule optique, c'est-à-dire avoir un comportement 30 le plus indépendant possible de la longueur d'onde. La démarche classique de conception d'un objectif est de rechercher des matériaux permettant en priorité l'achromatisation, puis de faire une sélection pour réaliser simultanément l'athermalisation. Plusieurs possibilités sont connues pour atteindre ces caractéristiques. 5 Une première possibilité pour athermaliser une formule optique est d'utiliser une athermalisation active. Une athermalisation active est relativement simple à réaliser sur le plan optique : on s'autorise à translater des éléments optiques de l'objectif, ou à translater le capteur final recevant les rayons passant par l'objectif. Le 10 choix des matériaux des éléments de l'objectif influe peu sur la solution, car il suffit d'ajuster la course de l'élément mobile pour rester athermalisé. L'athermalisation active est en revanche beaucoup plus contraignante sur le plan mécanique, car il faut introduire un mécanisme de translation de haute précision qui est soit motorisé, soit commandé manuellement par un 15 opérateur. Une deuxième possibilité pour athermaliser une formule optique est d'utiliser une athermalisation passive. Une athermalisation est qualifiée de passive dès lors qu'elle ne contient aucun mécanisme de refocalisation (il n'y a aucune translation 20 commandée d'élément optique ou de capteur notamment), et dès lors que ce sont uniquement les propriétés thermiques des matériaux (notamment la variation d'indice des éléments optiques et la dilatation de leurs supports) qui réalisent la fonction d'athermalisation. L'athermalisation passive présente l'avantage de ne devoir translater 25 activement aucun élément ou capteur. Les effets de la température sur les matériaux étant inévitables dans une plage de températures étendue, par exemple [-30°C ; +70°C], une solution pour réaliser une athermalisation passive d'un groupe optique est de constituer un couple de lentilles comportant une première lentille 30 principale ayant une fonction optique donnée (convergence ou divergence), et une deuxième lentille ayant une fonction d'athermalisation. La deuxième lentille compense les variations de distance de focalisation de la première lentille dues aux variations de température, afin de garder une distance de focalisation du groupe optique constante en fonction de la température. En général dans l'infrarouge, les matériaux ont un dT positif. Une lentille convergente sera de plus en plus convergente lorsque la température augmente. Inversement, une lentille divergente sera de plus en plus divergente (soit de moins en moins convergente) lorsque la température augmente. Ainsi, un groupe athermalisé comporte en général une lentille convergente et une lentille divergente, une des deux lentilles ayant une fonction d'athermalisation, et compensant les variations thermiques de distance de focalisation de l'autre lentille formant lentille principale. La difficulté réside dans le choix des matériaux du couple, car les matériaux qui sont avantageux pour l'achromatisation ne le sont pas forcément pour l'athermalisation. Ainsi, pour un objectif devant fonctionner dans la bande 3 à 5 pm (bande IR II), les couples de matériaux fréquemment utilisés pour la fabrication de groupes optiques à peu près achromatisés et athermalisés sont : Silicium+Germanium, ou ZnSe+ZnS, ou Gasir+ZnS Ces couples ont des rapports de constringence et de dT qui permettent d'obtenir un objectif quasiment achromatisé et athermalisé. L'ajout dans la formule optique de l'objectif d'au moins un autre élément permettra d'obtenir l'achromatisation et l'athermalisation recherchées. Ces couples présentent en revanche l'inconvénient de devoir utiliser des lentilles ayant des puissances optiques relatives importantes pour arriver à l'achromatisation et l'athermalisation (la �puissance� d'une lentille est l'inverse de sa distance focale), ce qui a pour conséquence de générer des aberrations géométriques importantes, et une très grande sensibilité au tolérancement des lentilles. Ces problèmes peuvent être contournés en augmentant le nombre de lentilles afin de réduire la puissance de chacune d'elles, mais ceci au détriment de la simplicité de l'objectif, de sa compacité, de sa masse et de son coût. PRESENTATION DE L'INVENTION L'invention propose de pallier au moins un de ces inconvénients. A cet effet, on propose selon l'invention un objectif adapté pour fonctionner dans le domaine du rayonnement infrarouge avec une athermalisation passive, caractérisé en ce qu'il comporte : - un groupe optique dont la puissance optique est d'un signe déterminé et comportant une lentille d'athemalisation dont - la variation d'indice en fonction de la température est négative, et - le signe de la puissance optique est identique au signe déterminé ; et - un élément optique apte à assurer par ailleurs une achromatisation de l'objectif. L'invention est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison 20 techniquement possible : - le groupe optique comporte au moins une lentille principale dont le signe de la puissance optique est identique au signe déterminé, et dont la variation d'indice en fonction de la température est positive ; - la lentille d'athermalisation est en CaF2 ; 25 - l'élément optique d'achromatisation est un élément diffractif ; - la lentille d'athermalisation est optiquement située à proximité d'une pupille de l'objectif ; - la puissance optique du groupe optique est de signe positif, pour assurer la focalisation d'un rayonnement sur un capteur, la lentille d'athermalisation 30 étant alors une lentille convergente, l'objectif comportant en outre un groupe de génération de champ dont la puissance optique est de signe négatif, le groupe de génération étant optiquement situé en aval du groupe optique de focalisation ; - le champ optique généré par le groupe de génération est de l'ordre de 180°, préférentiellement supérieur à 180°, de sorte que l'objectif forme un objectif du type �fish eye � ; - le groupe de génération comporte deux lentilles en Germanium ; 5 - le groupe optique de focalisation comportant en outre une lentille principale convergente en ZnSe ; - l'élément diffractif est formé sur une surface de la lentille principale ; et - l'objectif est adapté pour travailler dans les bandes [1,9pm-2,4pm] et/ou [3pm-5pm]. 10 L'invention présente de nombreux avantages. L'objectif utilise une athermalisation passive, ce qui signifie qu'il ne comporte aucun mécanisme de translation commandée d'élément optique. Seules les propriétés thermiques des matériaux des éléments optiques et de leurs supports réalisent la fonction d'athermalisation. 15 Les aberrations géométriques sont limitées et corrigeables avec un nombre de lentilles réduit. Dans le cas d'un objectif fish-eye, d'une lunette de Galilée ou de certains objectifs catadioptriques par exemple, la courbure de champ peut être compensée. 20 Du fait du choix judicieux des matériaux et de la géométrie des éléments optiques, l'objectif comporte un nombre réduit d'éléments optiques, et est par conséquent simple et peu onéreux à réaliser, et peu encombrant. PRESENTATION DES FIGURES 25 D'autres caractéristiques, buts 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 représente schématiquement un mode de réalisation possible d'un objectif selon l'invention ; et 30 - la figure 2 est un schéma explicatif de la courbure de champ. DESCRIPTION DETAILLEE La démarche suivie par l'inventeur pour la conception d'un objectif selon l'invention est radicalement différente de la démarche classique présentée plus haut. La démarche nouvelle et inventive de conception est de proposer tout d'abord une formule optique athermalisée, et ensuite de l'achromatiser. Pour réaliser la première étape d'athermalisation de façon simple, l'inventeur a eu l'idée d'utiliser une lentille d'athermalisation dont la variation d'indice en fonction de la température est négative, étant donné que la plupart des matériaux ont une variation d'indice en fonction de la température positive. On obtient donc une compensation d'athermalisation avec la plupart des matériaux. On comprend que contrairement à une lentille d'athermalisation classique, une lentille convergente d'athermalisation selon l'invention est de moins en moins convergente lorsque la température augmente, et qu'une une lentille d'athermalisation divergente selon l'invention est de moins en moins divergente (de plus en plus convergente) lorsque la température augmente. Selon l'invention, et comme le montre la figure 1, un objectif 1 adapté pour fonctionner dans le domaine du rayonnement infrarouge avec une athermalisation passive, comporte un groupe optique G2 dont la puissance optique est d'un signe déterminé (ici positif puisque G2 est un groupe convergent de focalisation). Le groupe G2 comporte ainsi par exemple une lentille principale 22 25 convergente. Le groupe G2 comporte en outre une lentille 21 d'athermalisation dont la variation d'indice en fonction de la température est négative, et dont le signe de la puissance optique est identique au signe déterminé du groupe G2 (c'est-à-dire que la lentille 21 de la figure 1 est également de puissance 30 positive, et est convergente). Le groupe G2 convergent comporte classiquement la lentille principale convergente 22, mais contrairement à la situation de l'art antérieur, la lentille 21 d'athermalisation est également convergente. La lentille principale 22 est en matériau ayant un dT positif, et du fait que la lentille 21 d'athermalisation a un dT négatif, il y a bien une compensation d'athermalisation entre les deux lentilles 21 et 22, la lentille 21 compensant les variations de distance de focalisation de la lentille 5 principale 22 dues aux variations de température. De même, dans un mode de réalisation non représenté d'un objectif comportant un groupe optique divergent, l'objectif peut comporter - au moins une lentille principale divergente pour réaliser la fonction de divergence du groupe et ayant un dT positif, et 10 - une lentille d'athermalisation divergente ayant un dT négatif. Dans les deux cas, la structure présente des avantages par rapport à l'art antérieur, outre bien entendu l'athermalisation. L'association de deux lentilles dont les puissances ont des signes identiques (au lieu d'une association lentille convergente/lentille divergente 15 dans l'art antérieur) engendre moins d'aberrations géométriques. En effet, une association lentille convergente/lentille divergente dans un groupe optique de puissance donnée selon l'art antérieur oblige à l'utilisation d'une plus grande puissance pour la lentille principale (on rappelle que la puissance est proportionnelle à l'inverse de la distance 20 focale) pour obtenir la fonction du groupe, du fait du signe opposé de la puissance de la lentille d'athermalisation par rapport à la lentille principale. Or une puissance plus importante sur la lentille principale engendre des aberrations géométriques plus importantes, qui doivent être compensées par une série de lentilles supplémentaires, ce qui complique et 25 rend plus onéreux et encombrant l'objectif. Du fait de l'association de deux lentilles convergentes 21 et 22 sur la figure 1, la puissance de chaque lentille peut être diminuée, ce qui engendre des aberrations géométriques plus faibles. Le nombre total de lentilles dans l'objectif est donc réduit. On comprend également que dans le cas non représenté d'un groupe divergent, deux lentilles divergentes peuvent être associées, ce qui a les mêmes effets de diminution des aberrations géométriques qu'expliqué précédemment. Avantageusement, la lentille 21 d'athermalisation est optiquement située à proximité d'une pupille 5 de l'objectif. Le fait que la lentille 21 est optiquement située à proximité d'une pupille (d'entrée, de sortie, ou intermédiaire) lui permet d'avoir une efficacité optimale pour une puissance donnée. En effet, une lentille de puissance donnée placée à proximité d'une pupille engendre une meilleure correction des aberrations d'ouverture (chromatisme axial, aberration sphérique par exemple) qu'une lentille de même puissance, mais placée loin de la pupille. On maximise ainsi les corrections d'aberrations d'ouverture tout en minimisant la création d'aberrations (car la puissance de la lentille d'athermalisation est, on le rappelle, limitée). Une fois le dispositif athermalisé comme expliqué ci-dessus, la deuxième étape de conception est de rendre l'objectif achromatisé. L'objectif comporte alors au moins un élément optique apte à assurer par ailleurs une achromatisation de l'objectif, comme par exemple des lentilles supplémentaires, ou un élément diffractif comme on l'explique dans la suite de la présente description. Avantageusement, on forme l'élément diffractif sur la lentille d'athermalisation, mais cela n'est pas toujours possible ou facile 25 techniquement, en fonction du matériau utilisé. Les développements qui suivent donnent des exemples plus précis de réalisation. CHOIX DU MATERIAU DE LA LENTILLE PRINCIPALE 30 On rappelle que pour un objectif devant fonctionner dans le rayonnement infrarouge, les matériaux utilisables sont souvent très chers, difficiles à usiner et nocifs. Le tableau 1 reprend certains matériaux utilisables. Matériau dn/dT [K"'] Constringence dans la (x10-6) bande IR II Silicium 167 250 Germanium 450 104 ZnS 42 110 ZnSe 62 170 Gasir 55 170 Amtir 77 206 Tableau 1 L'homme du métier sait que dans un groupe optique convergent, il est avantageux d'utiliser des matériaux à forte constringence (et donc peu dispersifs) pour les lentilles convergentes, et des matériaux à faible constringence (et donc fortement dispersifs) pour les lentilles divergentes. Dans un groupe optique divergent, il est avantageux d'utiliser des matériaux à forte constringence (et donc peu dispersifs) pour les lentilles divergentes, et des matériaux à faible constringence (et donc fortement dispersifs) pour les lentilles convergentes. Avantageusement, dans le mode de réalisation de la figure 1, la lentille 22 principale convergente, associée à la lentille d'athermalisation 21, est en Silicium, en ZnSe, en Gasir ou en Amtir. Dans le cas non représenté d'une lentille principale divergente dans un groupe optique divergent, la lentille principale divergente, associée à la lentille d'athermalisation, est de même en Silicium, en ZnSe, en Gasir ou en Amtir. CHOIX DU MATERIAU DE LA LENTILLE D'ATHERMALISATION Les matériaux ayant un dT négatif et étant utilisables dans l'infrarouge sont 20 rares. Très préférentiellement, la lentille 21 d'athermalisation est en Calcium fluorine (CaF2). Ce matériau a pour propriétés : dn = _8.8 x 10-6 dT Constringence = 22 Le CaF2 présente l'avantage d'être non nocif, et d'un usinage classique relativement facile. CAS PARTICULIER DE L'ACHROMATISATION AVEC L'UTILISATION DU CAF2 Cependant, du fait de la faible constringence du CaF2 (la plupart des autres matériaux ont une constringence comprise entre 100 et 250), ce dernier est très dispersif, et en général beaucoup plus dispersif que la lentille principale. L'objectif n'est donc pas achromatisé. Il faut noter que l'effet néfaste du CaF2 sur l'achromatisation de l'objectif (du fait de sa faible constringence) est dû au fait que le CaF2 est utilisé, selon l'invention, pour une lentille convergente dans un groupe convergent, et pour une lentille divergente dans un groupe divergent (ce qui va à l'encontre de la pratique classique de l'Homme du métier, comme expliqué plus haut). Pour rendre l'objectif achromatisé, l'objectif comporte par conséquent avantageusement un élément apte à assurer l'achromatisation de l'objectif, très préférentiellement un élément diffractif. L'ajout dans un objectif d'un élément diffractif est en effet équivalent à l'ajout d'une lentille dont la constringence peut être choisie : en ajoutant un élément diffractif de constringence négative dans l'objectif, on peut obtenir la condition d'achromatisation, qui est donnée par l'équation 1 : 1 1 1 + + = 0 équation 1 F21v 21 l 22v 22 l 221v 221 où F; est la distance focale de la lentille i et v; est la constringence de la 25 lentille i. MODE DE REALISATION PREFERENTIEL Dans le mode de réalisation de la figure 1, l'objectif comporte un groupe G1 de génération de champ dont la puissance optique est de signe négatif. 30 G1 est donc divergent et est optiquement situé en aval d'un groupe optique G2 de focalisation. Le champ optique généré par le groupe G1 de génération est de l'ordre de 180°, préférentiellement supérieur à 180°, très préférentiellement 190°, de sorte que l'objectif forme un objectif du type � fish eye �. Le groupe G1 de génération comporte deux lentilles divergentes 11 et 12, préférentiellement en Germanium. La lentille 11 a une distance focale F11=-25, et la lentille 12 a une distance focale F12=-14. L'objectif comporte un miroir de coudage 2, pour replier le rayonnement 4, et augmenter la compacité de l'objectif. Le groupe G2 de focalisation a une puissance optique de signe positif (le groupe est convergent), et est apte à assurer la focalisation du rayonnement 4 sur un capteur 3, par exemple un capteur matriciel, protégé par un hublot 23. Le groupe optique G2 de focalisation comporte une lentille 22 15 principale convergente, préférentiellement en ZnSe. La lentille 22 a une distance focale F22=45. II comporte en outre une lentille 21 d'athermalisation, préférentiellement en CaF2. La lentille 21 a une distance focale F21=50. L'objectif comporte donc au total quatre lentilles. 20 L'objectif est donc adapté pour travailler dans la bande [1,9pm-2,4pm] (bande IR I) et/ou la bande [3pm-5pm] (bande IR II), et est athermalisé de façon passive. Pour des raisons de facilité d'usinage des lentilles, un élément diffractif 221 permettant d'achromatiser l'objectif est formé sur une surface de la 25 lentille 22 principale. Préférentiellement, l'élément 221 forme une surface asphéro-diffractive. L'élément 221 d'achromatisation peut bien entendu être placé à tout autre endroit dans le groupe G2, et être formé sur une lentille quelconque de ce groupe. 30 Préférentiellement, la lentille 21 est placée à proximité d'une pupille 5 de l'objectif, pour maximiser son pouvoir de correction. Outre l'athermalisation passive et l'achromatisation, l'objectif de la figure 1 permet de réduire la courbure de champ (Petzval). La courbure de champ est représentée schématiquement sur la figure 2. Le rayon r de la courbure de Petzval est donné par l'équation 2 : 1 1 équation 2 r n*F Comme l'indique l'équation 1, la courbure de champ 1 d'un système r optique est uniquement liée aux valeurs des focales F et des indices n des lentilles qui le composent. 10 Un fish-eye conforme à celui de la figure 1, malgré le fait qu'il constitue un système convergent, est constitué d'un groupe G1 divergent de génération de champ comportant des lentilles de focales très courtes (F=-25 et F=-14 dans le cas de la figure 1) qui sont prépondérantes dans le calcul de la courbure. Il en résulte que la courbure est positive. 15 Pour augmenter la valeur du rayon de courbure (le r idéal est infini), il faut dans ce cas particulier avoir des éléments convergents d'indice faible. Le couple CaF2/ZnSe utilisé dans le groupe G2 convergent de focalisation est tout indiqué pour cela (n=1.4 pour le CaF2, et n=2.4 pour le ZnSe). 20 Pour l'objectif de la figure 1, le rayon de la courbure de Petzval est de : r=ù 1 1 1 1 = 231.9 + + + -25*4 -14*4 50*1.4 45*2.4 Il faut noter que les dispositifs fish-eye de focale équivalente de l'art antérieur ont plutôt un rayon de courbure de l'ordre de 100. Ce gain important sur la courbure permet d'avoir une correction 25 meilleure en bord de champ. Cet avantage de l'utilisation du CaF2 de faible indice est également vrai pour d'autres systèmes optiques qu'un objectif fish-eye, comme par exemple une lunette de Galilée, ou certains types d'objectifs catadioptriques. 1 REVENDICATIONS1. Objectif (1) adapté pour fonctionner dans le domaine du rayonnement infrarouge avec une athermalisation passive, caractérisé en ce qu'il 5 comporte : - un groupe optique (G2) dont la puissance optique est d'un signe déterminé et comportant une lentille (21) d'athemalisation dont - la variation d'indice en fonction de la température est négative, et - le signe de la puissance optique est identique au signe déterminé ; et 10 - un élément optique (221) apte à assurer par ailleurs une achromatisation de l'objectif. 2. Objectif selon la revendication 1, dans lequel le groupe optique (G2) comporte au moins une lentille principale (22) dont le signe de la puissance 15 optique est identique au signe déterminé, et dont la variation d'indice en fonction de la température est positive. 3. Objectif selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel la lentille (21) d'athermalisation est en CaF2. 20 4. Objectif selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel l'élément optique (221) d'achromatisation est un élément diffractif. 5. Objectif selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel la lentille (21) 25 d'athermalisation est optiquement située à proximité d'une pupille de l'objectif. 6. Objectif selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel la puissance optique du groupe optique (G2) est de signe positif, pour assurer la 30 focalisation d'un rayonnement (4) sur un capteur (3), la lentille (21) d'athermalisation étant alors une lentille convergente, 14 l'objectif comportant en outre un groupe (G1) de génération de champ dont la puissance optique est de signe négatif, le groupe (G1) de génération étant optiquement situé en amont du groupe optique (G2) de focalisation. 7. Objectif selon la revendication 6, dans lequel le champ optique généré par le groupe (G1) de génération est de l'ordre de 180°, préférentiellement supérieur à 180°, de sorte que l'objectif forme un objectif du type � fish eye �. 8. Objectif selon l'une des revendications 6 ou 7, dans lequel - le groupe (G1) de génération comporte deux lentilles (11, 12) en Germanium ; - le groupe optique (G2) de focalisation comportant en outre une lentille (22) principale convergente en ZnSe. 9. Objectif selon l'une des revendications 6 à 8 lorsqu'elle dépend également de la revendication 4, dans lequel l'élément diffractif (221) est formé sur une surface de la lentille (22) principale. 10. Objectif selon l'une des revendications 1 à 9, adapté pour travailler dans les bandes [1,9pm-2,4pm] et/ou [3pm-5pm].