Brevet FR3155317A1 — publié le 20250516

Ce système optique (3) comprend, alignés dans cet ordre sur un même axe optique (X-X’), une première lentille (7) définissant un premier dioptre (11) et un deuxième dioptre (12), un espace libre (8), et une deuxième lentille (9) définissant un troisième dioptre (13) et un quatrième dioptre (14), le premier dioptre (11) comprenant une zone extérieure (15) de réfraction et une zone centrale (17) de réflexion, le quatrième dioptre (14) comprenant une partie extérieure (21) de réflexion et une partie centrale (23) de réfraction, de sorte qu’un rayonnement électromagnétique (R) pénétrant dans le système optique (3) par la zone extérieure (15) du premier dioptre (11) en ressort par la partie centrale (23) du quatrième dioptre (14) après réflexion sur la partie extérieure (21) du quatrième dioptre (14) puis sur la zone centrale (17) du premier dioptre (11). Figure pour l’abrégé : Fig. 1 Système optique catadioptrique de type Cassegrain à deux lentilles La présente invention concerne les systèmes optiques pour l’imagerie. Une application particulièrement intéressante de l’invention concerne un système optique pour le domaine infrarouge, notamment l’infrarouge moyen et l’infrarouge lointain, de faible encombrement et de grande ouverture géométrique. De manière générale, l’invention peut également s’appliquer à toute partie du spectre visible ou infrarouge. Techniques antérieures Les systèmes optiques de type Cassegrain existants fonctionnent généralement dans le domaine visible et infrarouge du spectre électromagnétique et permettent de réduire le format des systèmes optiques grâce à deux miroirs primaire et secondaire. Cependant, les systèmes existants sont fortement soumis aux aberrations optiques, ou comprennent des lames de correction couteuses, telle que des lames de Schmidt, et ne sont conçus que pour l’observation de petits champs, par exemple inférieur ou égal à 8°, avec des ouvertures numériques faibles, par exemple de nombre d’ouverture supérieur à 3. De plus, les systèmes optiques sont de plus en plus associés à des capteurs de type matrice de photodétecteurs de plus en plus grands, en dimensions, mais également en nombre de pixels, couvrant un champ d’observation lui-même de plus en plus grand. Ils doivent pour cela avoir une ouverture de plus en plus grande pour être lumineux et garantir que chaque pixel reçoive suffisamment de lumière, augmentant ainsi les aberrations optiques. La fonction de transfert de modulation de tels systèmes optiques de l’art antérieur s’en trouve dégradée, notamment sur l’axe mais surtout dans les coins du capteur, où ladite fonction de transfert de modulation est alors difficilement corrigeable. Enfin, les systèmes existants ne sont pas suffisamment compacts pour pouvoir être embarqués ou encapsulés dans certains boitiers. La présente invention a donc pour but de pallier les inconvénients précités et de fournir un système optique avec une fonction de transfert de modulation améliorée sur l’axe et dans le champ, ainsi qu’une meilleure sensibilité, le tout étant manufacturable à faible coût. La présente invention a pour objet un système optique comprenant, alignés dans cet ordre sur un même axe optique, une première lentille, un espace libre, et une deuxième lentille, la première lentille définissant un premier dioptre et un deuxième dioptre, la deuxième lentille définissant un troisième dioptre et un quatrième dioptre, le premier dioptre comprenant une zone extérieure configurée pour réfracter un rayonnement électromagnétique incident et une zone centrale configurée pour réfléchir un rayonnement électromagnétique incident, le quatrième dioptre comprenant une partie extérieure configurée pour réfléchir un rayonnement électromagnétique incident et une partie centrale configurée pour réfracter un rayonnement électromagnétique incident, de sorte qu’un rayonnement électromagnétique pénétrant dans le système optique par la zone extérieure du premier dioptre ressort dudit système optique par la partie centrale du quatrième dioptre après s’être réfléchi dans la partie extérieure du quatrième dioptre puis dans la zone centrale du premier dioptre. Ainsi, une architecture de système optique à deux lentilles permet d’augmenter le nombre de dioptres afin de corriger certaines aberrations optiques et surtout de réduire la dimension transversale du rayonnement électromagnétique incident sur la zone centrale du premier dioptre, afin que cette zone centrale soit de diamètre le plus petit possible, améliorant l’ouverture du système optique ainsi que la fonction de transfert de modulation, notamment sur la périphérie de l’image formée par le système optique. Avantageusement, le premier dioptre et/ou le deuxième dioptre et/ou le troisième dioptre et/ou le quatrième dioptre est à symétrie de révolution, de préférence asphérique. Dans un mode de réalisation, la forme du premier dioptre est définie par une première équation de définition de la zone extérieure différente d’une deuxième équation de définition de la zone centrale. Dans un mode particulier de réalisation, la forme du deuxième dioptre est définie par une unique équation de définition. Dans un mode particulier de réalisation, la forme du troisième dioptre est définie par une première équation de définition d’une portion centrale différente d’une deuxième équation de définition d’une portion extérieure définie par le reste dudit troisième dioptre. Dans un mode de réalisation, la forme du quatrième dioptre est définie par une première équation de définition de la partie extérieure différente d’une deuxième équation de définition de la partie centrale. Avantageusement, la première lentille et la deuxième lentille sont réalisées dans le même matériau. Selon un mode de réalisation, la première lentille et/ou la deuxième lentille est réalisée dans un matériau comprenant du verre de chalcogénure, et/ou du ZnS, et/ou du ZnSe. Avantageusement, chaque dioptre, et/ou partie de dioptre, et/ou zone de dioptre, configuré pour réfracter un rayonnement électromagnétique comprend un traitement anti-reflet monocouche ou multicouche. Avantageusement, le système optique comprend en outre un barillet de montage comprenant un premier emplacement dans lequel est glissé la première lentille, et un deuxième emplacement dans lequel est glissé la deuxième lentille, le deuxième emplacement ayant un diamètre plus élevé que le diamètre du premier emplacement. Selon un mode de réalisation, la zone extérieure du premier dioptre est configurée pour réfracter vers le deuxième dioptre un rayonnement électromagnétique provenant de l’extérieur de la première lentille, le deuxième dioptre étant configuré pour réfracter vers le troisième dioptre un rayonnement électromagnétique provenant du premier dioptre et pour réfracter vers la zone centrale du premier dioptre un rayonnement électromagnétique provenant du troisième dioptre, le troisième dioptre étant configuré pour réfracter vers le quatrième dioptre un rayonnement électromagnétique provenant du deuxième dioptre et pour réfracter vers le deuxième dioptre un rayonnement électromagnétique provenant du quatrième dioptre, la partie extérieure du quatrième dioptre étant configurée pour réfléchir vers le troisième dioptre un rayonnement électromagnétique provenant dudit troisième dioptre, la zone centrale du premier dioptre étant configurée pour réfléchir vers le deuxième dioptre un rayonnement électromagnétique provenant dudit deuxième dioptre, ledit rayonnement électromagnétique réfléchi par la zone centrale du premier dioptre étant ensuite réfracté par le deuxième dioptre, puis le troisième dioptre puis la partie centrale du quatrième dioptre. L’invention a également pour objet un système d’imagerie comprenant un système optique tel que défini précédemment, ainsi qu’un capteur infrarouge. D’autres buts, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif, et faite en référence au dessin annexé sur lequel : FIG. 1 est une vue schématique en coupe longitudinale selon l’axe optique d’un système d’imagerie selon l’invention. Exposé détaillé d’au moins un mode de réalisation On a représenté schématiquement sur la FIG. 1 un système d’imagerie 1 selon l’invention. Ce système d’imagerie 1 comprend en particulier un système optique 3 et un capteur 5. Le système optique 3 peut être qualifié de télescope de Cassegrain. Le capteur 5 est un capteur de rayonnement électromagnétique R, par exemple un capteur de la partie visible du spectre électromagnétique et/ou de préférence un capteur 5 configuré pour détecter des rayonnements infrarouges, notamment dans l’infrarouge moyen et/ou lointain. Le capteur 5 comprend de préférence un nombre de pixel supérieur à un million. Le capteur 5 est par exemple une matrice de 1280 pixels par 1024 pixels, le capteur 5 ayant une diagonale comprise entre 1 millimètre et 2 centimètres, de préférence entre 5 et 10 millimètres. Le système optique 3 peut également être utilisé en tant que bloc optique s’agençant avec divers autres blocs optiques positionnés avant ou après sur le chemin optique passant par ledit système optique 3. Dans ce mode de réalisation, le système optique 3 n’est donc pas couplé directement à un capteur 5. Le système optique 3 comprend de manière générale, alignés dans cet ordre sur un même axe optique X-X’, une première lentille 7, un espace libre 8, et une deuxième lentille 9. Il est généralement configuré pour définir une focale comprise entre 10 et 150 millimètres. La FIG. 1 illustre un rayonnement électromagnétique R se propageant uniquement d’un côté de l’axe optique X-X’ pour plus de lisibilité, le même type de rayonnement électromagnétique R se propageant également et de manière évidente de l’autre côté de l’axe optique X-X’ par effet de symétrie. On entend par espace libre 8 l’espace entre la première lentille 7 et la deuxième lentille 9, ces dernières n’étant pas en contact l’une avec l’autre. L’espace libre 8 est composé d’un fluide, notamment de l’air lorsque le système optique 3 est utilisé dans un environnement composé d’air. En variante, en cas d’utilisation dans l’espace, l’espace libre 8 peut être composé de vide, ou d’un gaz ou d’un fluide, notamment à faible pression. De manière générale, l’espace libre 8 permet de créer une différence d’indice de réfraction entre la première lentille 7 et l’espace libre 8 d’une part, et entre l’espace libre 8 et la deuxième lentille 9 d’autre part. L’espace libre 8 a par exemple une épaisseur comprise entre 1 et 20 millimètres. Le système optique 3 est plutôt destiné à être utilisé dans un environnement tel que l’air. Ainsi, la première lentille 7 définit un premier dioptre 11 entre l’air et son matériau ainsi qu’un deuxième dioptre 12 entre son matériau et l’air de l’espace libre 8. De même, la deuxième lentille 9 définit un troisième dioptre 13 entre l’air de l’espace libre 8 son matériau, ainsi qu’un quatrième dioptre 14 entre son matériau et l’air environnant. Comme évoqué précédemment, l’air peut être remplacé par tout autre fluide ou par du vide. Avantageusement, la première lentille 7 et la deuxième lentille 9 sont réalisées dans le même matériau. Ainsi, le système optique 3 est athermalisé. En d’autres termes, si la chaleur dilate l’une des deux lentilles 7 ou 9, l’autre sera dilatée de la même manière, réduisant ainsi la disparité de comportement du système optique 3. Selon un mode de réalisation, la première lentille 7 et/ou la deuxième lentille 9 est réalisée dans un matériau tel que du verre de chalcogénure, et/ou du ZnS autrement dit du sulfure de zinc, et/ou du ZnSe, autrement dit du séléniure de zinc. Ces matériaux sont particulièrement adaptés pour les systèmes optiques destinés à l’observation dans l’infrarouge. Le premier dioptre 11 comprend une zone extérieure 15 configurée pour réfracter un rayonnement électromagnétique R incident. La zone extérieure 15 du premier dioptre 11 est, lors de l’utilisation du système optique 3, la première surface dudit système optique 3 à interagir avec un rayonnement électromagnétique R. Ce dernier provient donc de la gauche tel que représenté sur la FIG. 1 . En d’autres termes, la zone extérieure 15 du premier dioptre 11 est configurée pour réfracter vers le deuxième dioptre 12 un rayonnement électromagnétique R provenant de l’extérieur de la première lentille 7. Dans un mode de réalisation, la zone extérieure 15 est une zone annulaire. Le premier dioptre 11 comprend en outre une zone centrale 17 configurée pour réfléchir un rayonnement électromagnétique R incident. Un rayonnement électromagnétique R provenant de l’extérieur du système optique 3, autrement dit de la gauche de la FIG. 1 , ne passe pas au travers de la zone centrale 17 : en revanche, la zone centrale 17 du premier dioptre 11 est configurée pour réfléchir vers le deuxième dioptre 12 un rayonnement électromagnétique R provenant dudit deuxième dioptre 12. La zone centrale 17 est comparable à un miroir secondaire d’un télescope de type Cassegrain de l’art antérieur. La zone centrale 17 et la zone extérieure 15 forment ensemble le premier dioptre 11. Dans un mode de réalisation particulier, la forme du premier dioptre 11 est définie par une première équation de définition de la zone extérieure 15 différente d’une deuxième équation de définition de la zone centrale 17. En particulier, chacune des zone extérieure 15 ou centrale 17 peut être convexe ou concave indépendamment de la forme de l’autre. Le deuxième dioptre 12 est configuré pour réfracter vers le troisième dioptre 13 un rayonnement électromagnétique R provenant du premier dioptre 11. Il est également configuré pour réfracter vers la zone centrale 17 du premier dioptre 11 un rayonnement électromagnétique R provenant du troisième dioptre 13. Dans un mode particulier de réalisation, la forme du deuxième dioptre 12 est définie par une unique équation de définition. En effet, le rayonnement électromagnétique R étant réfracté plusieurs fois dans des sens différents et au mêmes endroits sur ce deuxième dioptre 12, il est préférable que la forme dudit deuxième dioptre 12 soit définie par une unique équation de définition, des rayons de rayonnement électromagnétique R passant au même endroit dans les deux sens. De préférence, le deuxième dioptre 12 est convexe. Le troisième dioptre 13 est configuré pour réfracter vers le quatrième dioptre 14 un rayonnement électromagnétique R provenant du deuxième dioptre 12. Il est également configuré pour réfracter vers le deuxième dioptre 12 un rayonnement électromagnétique R provenant du quatrième dioptre 14. De préférence, le troisième dioptre 13 est concave dans son entièreté. Toutefois, optionnellement, une portion centrale 19 du troisième dioptre 13 peut être convexe. Autrement dit, dans un mode particulier de réalisation, la forme du troisième dioptre 13 peut être définie par une première équation de définition de la portion centrale 19 différente d’une deuxième équation de définition de la portion extérieure définie par le reste dudit troisième dioptre 13. Le quatrième dioptre 14 comprend une partie extérieure 21 configurée pour réfléchir un rayonnement électromagnétique R incident. En particulier, la partie extérieure 21 du quatrième dioptre 14 est configurée pour réfléchir vers le troisième dioptre 13 un rayonnement électromagnétique R provenant dudit troisième dioptre 13. Cette partie extérieure 21 est comparable à un miroir primaire d’un télescope de type Cassegrain de l’art antérieur. Dans un mode de réalisation, la partie extérieure 21 est une partie annulaire. Le quatrième dioptre 14 comprend en outre une partie centrale 23 configurée pour réfracter un rayonnement électromagnétique R incident. La partie centrale 23 et la partie extérieure 21 forment ensemble le quatrième dioptre 14. Dans un mode de réalisation particulier, et sur un principe analogue au premier dioptre 11, la forme du quatrième dioptre 14 peut être définie par deux équations de définition différentes, une pour la partie extérieure 21, et une seconde pour la partie centrale 23. En particulier, chacune des partie extérieure 21 ou centrale 23 peut être convexe ou concave indépendamment de la forme de l’autre. Autrement dit, dans un mode particulier de réalisation, la forme du quatrième dioptre 14 est définie par une première équation de définition de la partie extérieure 21 différente d’une deuxième équation de définition de la partie centrale 23. De préférence, la partie centrale 23 est convexe et la partie extérieure 21, en tant que partie réfléchissante, est concave. Ainsi, le système optique 3 est configuré de sorte qu’un rayonnement électromagnétique R pénétrant dans le système optique 3 par la zone extérieure 15 du premier dioptre 11 ressort dudit système optique 3 par la partie centrale 23 du quatrième dioptre 14 après avoir été réfracté par le deuxième dioptre 12, puis le troisième dioptre 13, puis réfléchi dans la partie extérieure du quatrième dioptre 14, encore réfracté par le troisième dioptre 13, puis le deuxième dioptre 12, puis réfléchi dans la zone centrale 17 du premier dioptre 11 afin d’être finalement réfracté par le deuxième dioptre 12, puis le troisième dioptre 13 et enfin la partie centrale 23 du quatrième dioptre 14 comme évoqué précédemment. Le capteur 5 peut être positionné à proximité de la partie centrale 23 du quatrième dioptre 14, sur l’axe optique X-X’ du système optique 3. Avantageusement, le premier dioptre 11 et/ou le deuxième dioptre 12 et/ou le troisième dioptre 13 et/ou le quatrième dioptre 14 est asphérique. De préférence, chaque dioptre est asphérique. Chaque dioptre peut être réalisé par usinage à l’aide d’un diamant. Ce mode de fabrication permet des coûts peu élevés, même si chaque dioptre est asphérique. En variante, la première lentille 7 et la deuxième lentille 9 peuvent également être moulées, notamment lorsqu’elles sont réalisées en verre de chalcogénure, réduisant ainsi les coûts de fabrication. Avantageusement, chaque dioptre 12, 13, et/ou partie de dioptre 23, et/ou zone de dioptre 15, configuré pour réfracter un rayonnement électromagnétique R comprend un traitement anti-reflet monocouche ou multicouche. De manière évidente, la zone centrale 17 du premier dioptre 11 et la partie extérieure 21 du quatrième dioptre 14 configurées pour réfléchir un rayonnement électromagnétique R comprennent un traitement réfléchissant monocouche ou multicouche. Avantageusement, le système optique 3 comprend en outre un barillet de montage 25. Le barillet de montage 25 est par exemple de forme cylindrique et permet de loger la première lentille 7 et la deuxième lentille 9 sans établir de contact entre elles. Ainsi, le barillet de montage 25 comprend un premier emplacement 27 dans lequel est glissé la première lentille 7, et un deuxième emplacement 29 dans lequel est glissé la deuxième lentille 9, le deuxième emplacement 29 ayant un diamètre plus élevé que le diamètre du premier emplacement 27. Cette dernière caractéristique permet de glisser facilement et à moindre coût la première lentille 7 puis la deuxième lentille 9 dans le barillet de montage 25. La mécanique de montage est ainsi grandement simplifiée et moins chère à mettre en place. De manière générale, le système optique 3 objet de l’invention permet de réduire le diamètre de la zone centrale 17 du premier dioptre 11 et donc d’optimiser la fonction de transfert de modulation. Le diamètre de la zone centrale 17 du premier dioptre 11 est par exemple compris entre 10 et 20 millimètres, avec un diamètre du premier dioptre 11 par exemple compris entre 30 et 60 millimètres. De préférence, le rapport entre le diamètre de la zone centrale 17 et le diamètre du premier dioptre 11 est inférieur à 0,3. Le nombre d’ouverture du système optique 3 est par exemple compris entre 1 et 1,4. Système optique (3) comprenant, alignés dans cet ordre sur un même axe optique (X-X’), une première lentille (7), un espace libre (8), et une deuxième lentille (9), la première lentille (7) définissant un premier dioptre (11) et un deuxième dioptre (12), la deuxième lentille (9) définissant un troisième dioptre (13) et un quatrième dioptre (14), caractérisé en ce le premier dioptre (11) comprend une zone extérieure (15) configurée pour réfracter un rayonnement électromagnétique (R) incident et une zone centrale (17) configurée pour réfléchir un rayonnement électromagnétique (R) incident, et en ce que le quatrième dioptre (14) comprend une partie extérieure (21) configurée pour réfléchir un rayonnement électromagnétique (R) incident et une partie centrale (23) configurée pour réfracter un rayonnement électromagnétique (R) incident, de sorte qu’un rayonnement électromagnétique (R) pénétrant dans le système optique (3) par la zone extérieure (15) du premier dioptre (11) ressort dudit système optique (3) par la partie centrale (23) du quatrième dioptre (14) après s’être réfléchi dans la partie extérieure (21) du quatrième dioptre (14) puis dans la zone centrale (17) du premier dioptre (11). Système optique (3) selon la revendication 1, dans lequel au moins l’un desdits premier (11), deuxième (12), troisième (13) et quatrième dioptre (14) est à symétrie de révolution, de préférence asphérique. Système optique (3) selon l’une des revendications 1 et 2, dans lequel la forme du premier dioptre (11) est définie par une première équation de définition de la zone extérieure (15) différente d’une deuxième équation de définition de la zone centrale (17). Système optique (3) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la forme du deuxième dioptre (12) est définie par une unique équation de définition. Système optique (3) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la forme du troisième dioptre (13) est définie par une première équation de définition d’une portion centrale (19) différente d’une deuxième équation de définition d’une portion extérieure définie par le reste dudit troisième dioptre (13). Système optique (3) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la forme du quatrième dioptre (14) est définie par une première équation de définition de la partie extérieure (21) différente d’une deuxième équation de définition de la partie centrale (23). Système optique (3) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la première lentille (7) et la deuxième lentille (9) sont réalisées dans le même matériau. Système optique (3) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la première lentille (7) et/ou la deuxième lentille (9) est réalisée dans un matériau comprenant du verre de chalcogénure, et/ou du ZnS, et/ou du ZnSe. Système optique (3) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, comprenant en outre un barillet de montage (25) comprenant un premier emplacement (27) dans lequel est glissé la première lentille (7), et un deuxième emplacement (29) dans lequel est glissé la deuxième lentille (9), le deuxième emplacement (29) ayant un diamètre plus élevé que le diamètre du premier emplacement (27). Système optique (3) selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel la zone extérieure (15) du premier dioptre (11) est configurée pour réfracter vers le deuxième dioptre (12) un rayonnement électromagnétique (R) provenant de l’extérieur de la première lentille (7), le deuxième dioptre (12) étant configuré pour réfracter vers le troisième dioptre (13) un rayonnement électromagnétique (R) provenant du premier dioptre (11) et pour réfracter vers la zone centrale (17) du premier dioptre (11) un rayonnement électromagnétique (R) provenant du troisième dioptre (13), le troisième dioptre (13) étant configuré pour réfracter vers le quatrième dioptre (14) un rayonnement électromagnétique (R) provenant du deuxième dioptre (12) et pour réfracter vers le deuxième dioptre (12) un rayonnement électromagnétique (R) provenant du quatrième dioptre (14), la partie extérieure (21) du quatrième dioptre (14) étant configurée pour réfléchir vers le troisième dioptre (13) un rayonnement électromagnétique (R) provenant dudit troisième dioptre (13), la zone centrale (17) du premier dioptre (11) étant configurée pour réfléchir vers le deuxième dioptre (12) un rayonnement électromagnétique (R) provenant dudit deuxième dioptre (12), ledit rayonnement électromagnétique (R) réfléchi par la zone centrale (17) du premier dioptre (11) étant ensuite réfracté par le deuxième dioptre (12), puis le troisième dioptre (13) puis la partie centrale (23) du quatrième dioptre (14). Système d’imagerie (1) comprenant un système optique (3) selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, ainsi qu’un capteur (5) infrarouge.