FR2952727A1

FR2952727A1 - Device for passive thermalization of optical lens, has peripheral profile cooperating with another profile such that radial expansion or contraction of rings is induced by axial movement of rings by sliding former profile on latter profile

Info

Publication number: FR2952727A1
Application number: FR0958054A
Authority: FR
Inventors: Frederic Duval
Original assignee: Sagem Defense Securite SA
Current assignee: Safran Electronics and Defense SAS
Priority date: 2009-11-16
Filing date: 2009-11-16
Publication date: 2011-05-20
Anticipated expiration: 2029-11-16
Also published as: FR2952727B1

Abstract

The device has a ring (1) made of aluminum. A conical peripheral profile (10) of the ring forms an angle (theta) with respect to a radial plane (P) of the ring. Another ring (2) is made of invar. Another conical peripheral profile (20) of the latter ring forms same angle with respect to the radial plane of the latter ring. The former peripheral profile cooperates with the latter peripheral profile such that the radial expansion or contraction of the rings is induced by an axial movement of the former ring with respect to the latter ring by sliding of the former profile on the latter profile. An independent claim is also included for an optical lens comprising a barrel.

Description

DOMAINE TECHNIQUE GENERAL La présente invention concerne un dispositif d'athermalisation passive d'un 5 objectif optique. L'invention concerne également un objectif optique comportant un barillet coulissant support d'une lentille, et comportant au moins un dispositif précité. ETAT DE L'ART 10 Le choix restreint des matériaux utilisables dans l'infrarouge ne permet en général pas une athermalisation passive naturelle d'un objectif. Il est souvent nécessaire de compléter l'athermalisation par l'utilisation de cales de dilatation axiale connues. Les cales de dilatation axiale connues permettent un déplacement en température d'un ou plusieurs éléments 15 optiques de l'objectif, de quelques dizaines de microns. L'utilisation de cales de dilatation pose cependant au moins un problème. Elles ont un encombrement stérique important, les cales ayant une longueur de plusieurs dizaines de mm. 20 Pour réduire l'encombrement stérique, et comme le montrent les figures 1, on connait également des bagues 1 et 2 bilames montées en opposition l'une par rapport à l'autre sur une entretoise 4 interposée entre les bagues 1 et 2. La déformation thermique des bagues 1 et 2 permet d'obtenir une 25 longueur Dl à une température t1, et une longueur D2 à une autre température t2, ce qui permet d'athermaliser un objectif 100 par exemple. Cependant, les cales, si on veut en réduire l'encombrement, sont en général fabriquées dans des matériaux à forts coefficients de dilatation thermique, dont les propriétés sont mal connues et mal maîtrisées. Les 30 bagues bilames quant à elles, qui jouent sur la déformation et l'élasticité des matériaux, donnent également des déplacements mal maîtrisés. GENERAL TECHNICAL FIELD The present invention relates to a device for passive athermalization of an optical objective. The invention also relates to an optical objective comprising a sliding cylinder supporting a lens, and comprising at least one aforementioned device. STATE OF THE ART The limited choice of materials that can be used in the infrared generally does not allow a natural passive athermalisation of an objective. It is often necessary to complete the athermalization by the use of known axial expansion wedges. The known axial expansion shims allow a temperature shift of one or more optical elements of the objective, of a few tens of microns. The use of expansion wedges, however, poses at least one problem. They have a large steric hindrance, the shims having a length of several tens of mm. To reduce the steric hindrance, and as shown in FIGS. 1, there are also known rings 1 and 2 bimetals mounted in opposition relative to one another on a spacer 4 interposed between the rings 1 and 2. thermal deformation of the rings 1 and 2 makes it possible to obtain a length D1 at a temperature t1, and a length D2 at another temperature t2, which makes it possible to athermalize an objective 100 for example. However, the shims, if we want to reduce the size, are generally manufactured in materials with high coefficients of thermal expansion, whose properties are poorly known and poorly controlled. The bimetallic rings, which play on the deformation and elasticity of the materials, also give poor control.

De plus, l'athermalisation par bagues bilames, par son principe, demande d'avoir des diamètres très différents entre l'objectif 100 et l'entretoise 4, donnant ainsi une contrainte mécanique supplémentaire. PRESENTATION DE L'INVENTION L'invention propose de pallier au moins un de ces inconvénients. A cet effet, on propose selon l'invention un dispositif d'athermalisation passive d'un objectif optique, caractérisé en ce qu'il comporte - au moins une première bague dans un premier matériau et présentant au moins un premier profil conique périphérique formant un angle par rapport à 10 un plan radial de la première bague ; - au moins une deuxième bague dans un deuxième matériau, différent du premier matériau, et présentant au moins un deuxième profil conique périphérique formant un même angle par rapport à un plan radial de la deuxième bague, 15 le premier profil périphérique coopérant avec le deuxième profil périphérique, de sorte que la dilatation ou la contraction radiale de la première bague ou de la deuxième bague se traduise par un mouvement axial de la première bague par rapport à la deuxième bague par glissement du premier profil sur le deuxième profil. 20 L'invention est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible : - le dispositif comporte au moins une troisième bague dans un troisième matériau, différent du deuxième matériau, et présentant au moins un 25 troisième profil conique périphérique formant un angle par rapport à un plan radial de la troisième bague, la deuxième bague présentant un profil conique périphérique opposé au deuxième profil par rapport à un plan moyen de la deuxième bague, et formant un même angle par rapport à un plan radial de la deuxième bague, le troisième profil périphérique coopérant 30 avec le profil périphérique opposé, de sorte que la dilatation ou la contraction radiale de la troisième bague ou de la deuxième bague se traduise par un mouvement axial de la troisième bague par rapport à la deuxième bague par glissement du troisième profil sur le profil opposé ; - le premier matériau et le troisième matériau sont identiques, la première bague et la troisième bague étant symétriques par rapport au plan moyen ; - le premier matériau et le troisième matériau sont de l'aluminium, le deuxième matériau étant de l'invar, ou inversement ; et - le profil conique fait un angle d'environ 45° par rapport à un plan radial de chaque bague. L'invention concerne également un objectif optique comportant un barillet coulissant support d'une lentille, et comportant au moins un dispositif précité. In addition, the athermalisation by bimetallic rings, by its principle, requires very different diameters between the objective 100 and the spacer 4, thus giving an additional mechanical stress. PRESENTATION OF THE INVENTION The invention proposes to overcome at least one of these disadvantages. For this purpose, a device for passive athermalization of an optical objective is proposed according to the invention, characterized in that it comprises - at least a first ring in a first material and having at least a first peripheral conical profile forming a angle with respect to a radial plane of the first ring; at least one second ring in a second material, different from the first material, and having at least one second peripheral conical profile forming a same angle with respect to a radial plane of the second ring, the first peripheral profile cooperating with the second profile peripheral, so that the expansion or radial contraction of the first ring or the second ring results in an axial movement of the first ring relative to the second ring by sliding the first profile on the second profile. The invention is advantageously completed by the following characteristics, taken alone or in any of their technically possible combination: the device comprises at least a third ring in a third material, different from the second material, and having at least one third peripheral conical profile forming an angle with respect to a radial plane of the third ring, the second ring having a peripheral conical profile opposed to the second profile with respect to an average plane of the second ring, and forming a same angle with respect to a plane radial of the second ring, the third peripheral profile cooperating with the opposite peripheral profile, so that the radial expansion or contraction of the third ring or the second ring results in an axial movement of the third ring relative to the second ring by sliding of the third profile on the opposite profile; the first material and the third material are identical, the first ring and the third ring being symmetrical with respect to the mean plane; the first material and the third material are aluminum, the second material being invar, or vice versa; and the conical profile forms an angle of approximately 45 ° with respect to a radial plane of each ring. The invention also relates to an optical objective comprising a sliding cylinder supporting a lens, and comprising at least one aforementioned device.

Avantageusement, l'objectif comporte un système élastique pour appliquer le barillet contre le dispositif. En variante, l'objectif comporte deux dispositifs opposés montés de part et d'autre du barillet. L'invention présente de nombreux avantages. Advantageously, the lens comprises an elastic system for applying the barrel against the device. Alternatively, the lens has two opposing devices mounted on either side of the barrel. The invention has many advantages.

L'invention utilise des matériaux à coefficients de dilatation thermique maîtrisés, avec un encombrement stérique réduit et peu de contraintes mécaniques. PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la 20 description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels : - les figures 1, déjà commentées, représentent schématiquement un dispositif d'athermalisation connu ; - les figures 2 représentent schématiquement le principe de fonctionnement 25 d'un dispositif selon l'invention ; - les figures 3 représentent un premier mode de réalisation possible d'un objectif comportant un dispositif selon l'invention, la figure 3B étant un détail d'une partie de la figure 3A, et - la figure 4 représente un deuxième mode de réalisation possible d'un 30 objectif comportant un dispositif selon l'invention. Sur les figures, les éléments similaires portent des références numériques identiques. The invention uses materials with controlled thermal expansion coefficients, with a reduced steric bulk and few mechanical stresses. PRESENTATION OF THE FIGURES Other features, objects and advantages of the invention will emerge from the description which follows, which is purely illustrative and nonlimiting, and which should be read with reference to the appended drawings in which: FIGS. commented, schematically represent a known athermalization device; FIGS. 2 diagrammatically show the operating principle of a device according to the invention; FIG. 3 represents a first possible embodiment of an objective comprising a device according to the invention, FIG. 3B being a detail of part of FIG. 3A, and FIG. 4 represents a second possible embodiment. of an objective comprising a device according to the invention. In the figures, similar elements bear identical reference numerals.

DESCRIPTION DETAILLEE Comme le montrent les figures 2, un dispositif d'athermalisation passive possible selon l'invention comporte principalement au moins une première bague 1 dans un premier matériau et au moins une deuxième bague 2 dans un deuxième matériau, différent du premier matériau. On référence par al le coefficient de dilatation thermique du premier matériau, et par a2 le coefficient de dilatation thermique du deuxième matériau. On suppose dans la description qui suit que a2<a1. Les bagues 1 et 2 ont une géométrie annulaire pour permettre un montage dans un système optique présentant un axe optique L, comme par exemple un objectif, les figures 2 ne représentant qu'une moitié 0/2 des bagues 1 et 2. La première bague 1 présente premier profil 10 conique et la deuxième bague 2 présente un deuxième profil 20 conique périphérique. DETAILED DESCRIPTION As shown in FIGS. 2, a possible passive athermalisation device according to the invention mainly comprises at least a first ring 1 in a first material and at least a second ring 2 in a second material, different from the first material. Al is the coefficient of thermal expansion of the first material, and a2 the thermal expansion coefficient of the second material. It is assumed in the following description that a2 <a1. The rings 1 and 2 have an annular geometry to allow mounting in an optical system having an optical axis L, such as a lens, with Figures 2 showing only one half 0/2 of the rings 1 and 2. The first ring 1 presents the first conical profile and the second ring 2 has a second peripheral conical profile.

A cet effet, la première bague 1 comporte une base annulaire 11 et un rebord 12 axial périphérique, venu de matière sur la base 11. Le profil conique 10 est alors matérialisé par un biseau périphérique dans le rebord 12. Sur les figures 2, le profil conique 10 fait un angle 8 d'environ 45° par rapport à un plan P radial de la bague 1. On comprend que d'autres valeurs d'angles sont également possibles, strictement comprises entre 0 et 90°. De même, le deuxième profil conique 20 est matérialisé par un biseau périphérique dans la deuxième bague 2. Le profil conique 20 fait un angle 8 identique au premier profil 10, par rapport à un plan P radial de la deuxième bague 2. Le premier profil 10 périphérique coopère avec le deuxième profil 20 périphérique, de sorte que la dilatation ou la contraction radiale de la première bague 1 et de la deuxième bague 2 se traduise par un mouvement axial de la première bague 1 par rapport à la deuxième bague 2. For this purpose, the first ring 1 comprises an annular base 11 and a peripheral peripheral flange 12, integrally formed on the base 11. The conical profile 10 is then materialized by a peripheral bevel in the flange 12. In FIGS. conical profile 10 makes an angle 8 of about 45 ° with respect to a radial plane P of the ring 1. It is understood that other values of angles are also possible, strictly between 0 and 90 °. Similarly, the second conical profile 20 is embodied by a peripheral bevel in the second ring 2. The conical profile 20 makes an identical angle 8 to the first profile 10, with respect to a radial plane P of the second ring 2. The first profile 10 device cooperates with the second peripheral profile, so that the radial expansion or contraction of the first ring 1 and the second ring 2 results in an axial movement of the first ring 1 relative to the second ring 2.

Ainsi, à partir d'une position initiale D à une température de 20°C, représentée à la figure 2A, le différentiel de dilatation thermique de la bague 1 et de la bague 2 (on rappelle ici que le premier matériau et le deuxième matériau sont différents), à une température t1 supérieure à 20°C, engendre un mouvement relatif D1 axial des bagues 1 et 2, comme le montre la figure 2B. La bague 1 se dilate radialement davantage que la bague 2, et du fait de la coopération des profils coniques 10 et 20 avec un angle 8, la bague 2 se place par glissement relatif dans un espace interne à la bague 1 défini par le rebord 12, tandis que la bague 1 est libre de se dilater radialement. On a donc : Dl - D. De même, le différentiel de contraction thermique des bagues 1 et 2 pour une température t2 inférieure à 20°C engendre un mouvement axial D2 relatif des bagues 1 et 2, comme le montre la figure 2C. La bague 1 se contracte radialement davantage que la bague 2, et du fait de la coopération des profils coniques 10 et 20 et de l'angle 8, la bague 2 est poussée axialement par glissement relatif par la bague 1 se contractant radialement davantage que la bague 2. On a donc Dl -< D-< D2. La variation ÈE de longueur le long de l'axe optique L pour une différence de température At est donnée par la formule : DE _ •(a2ùal)•At•tant9 La variation ÈE dépend de l'angle 8. On peut donc ajuster ÈE de façon 20 très précise en ajustant l'angle 8 en fonction des matériaux, tout en évitant le coincement par frottement sur les profils 10 et 20. On comprend que les sens de variation de longueur du dispositif en fonction de la variation de la température représentés sur les figures 2 peuvent être inversés en inversant les matériaux des bagues 1 et 2. 25 Comme le montrent les figures 3 et 4, un mode préférentiel de réalisation de l'invention comporte une troisième bague 3 dans un troisième matériau, différent du deuxième matériau, et présentant un troisième profil 30 conique périphérique formant un angle 8 par rapport à un plan P radial de la troisième bague 1. 30 La deuxième bague 2 présente alors un profil 40 conique périphérique opposé au deuxième profil 20 par rapport à un plan Pm moyen de la deuxième 2 bague. Le profil 40 opposé forme un même angle e par rapport à un plan P radial de la deuxième bague 2. De même que précédemment, le troisième profil 30 périphérique coopère avec le profil 40 périphérique opposé, de sorte que la dilatation ou la contraction radiale de la troisième bague 3 ou de la deuxième bague 2 se traduise par un mouvement axial de la troisième bague 3 par rapport à la deuxième bague 2 par glissement du troisième profil 30 sur le profil 40 opposé. Très avantageusement et comme le montre la figure 3B, le premier matériau et le troisième matériau sont identiques, la première bague 1 et la troisième bague 3 étant symétriques par rapport au plan moyen PM. On a alors une symétrie de comportement du dispositif, et doublement des AE que l'on peut obtenir avec un dispositif selon les figures 2. On comprend que le mode de réalisation représenté sur les figures 3 et 4, et comportant trois bagues, n'est qu'un exemple, et que le dispositif peut comporter un nombre plus important et quelconque de bagues, chaque bague pouvant comporter un profil et un profil opposé pour une coopération avec une autre bague comportant elle-même un profil et éventuellement un profil opposé, etc. Les variations de longueur obtenues peuvent ainsi être additionnées comme expliqué plus haut, et peuvent être plus précises en fonction du nombre de bagues. Comme le montrent les figures 3 et 4, l'invention s'applique avantageusement pour athermaliser un objectif 100 optique comportant un barillet 4 coulissant support d'une lentille 5. Thus, from an initial position D at a temperature of 20 ° C., represented in FIG. 2A, the thermal expansion differential of the ring 1 and the ring 2 (here it is recalled that the first material and the second material are different), at a temperature t1 greater than 20 ° C, causes a relative axial movement D1 of the rings 1 and 2, as shown in Figure 2B. The ring 1 expands radially more than the ring 2, and because of the cooperation of the conical profiles 10 and 20 with an angle 8, the ring 2 is placed by relative sliding in a space internal to the ring 1 defined by the flange 12 , while the ring 1 is free to expand radially. Thus, D1 - D. Similarly, the thermal contraction differential of the rings 1 and 2 for a temperature t2 lower than 20 ° C causes a relative axial movement D2 of the rings 1 and 2, as shown in Figure 2C. The ring 1 contracts more radially than the ring 2, and because of the cooperation of the conical profiles 10 and 20 and the angle 8, the ring 2 is pushed axially by relative sliding by the ring 1 contracting radially more than the ring 2. So we have Dl - <D- <D2. The variation ÈE of length along the optical axis L for a temperature difference Δt is given by the formula: DE _ • (a2μal) • At • as9 The variation ÈE depends on the angle 8. It is therefore possible to adjust ÈE very precisely by adjusting the angle 8 as a function of the materials, while avoiding the frictional jamming on the profiles 10 and 20. It is understood that the directions of variation of length of the device as a function of the variation of the temperature represented 2 can be reversed by inverting the materials of the rings 1 and 2. As shown in FIGS. 3 and 4, a preferred embodiment of the invention comprises a third ring 3 in a third material, different from the second material. and having a third peripheral conical profile forming an angle 8 with respect to a radial plane P of the third ring 1. The second ring 2 then has a peripheral conical profile 40 opposite the second profile 20 with respect to an average plane Pm of the second ring 2. The opposite profile 40 forms the same angle e with respect to a radial plane P of the second ring 2. As before, the third peripheral profile 30 cooperates with the opposite peripheral profile 40, so that the radial expansion or contraction of the third ring 3 or the second ring 2 results in an axial movement of the third ring 3 relative to the second ring 2 by sliding the third profile 30 on the opposite profile 40. Very advantageously and as shown in FIG. 3B, the first material and the third material are identical, the first ring 1 and the third ring 3 being symmetrical with respect to the average plane PM. There is then a symmetry of the behavior of the device, and doubly AE that can be obtained with a device according to Figures 2. It is understood that the embodiment shown in Figures 3 and 4, and comprising three rings, n ' is an example, and the device may comprise a larger number and any rings, each ring may comprise a profile and an opposite profile for cooperation with another ring itself having a profile and possibly an opposite profile, etc. The variations in length obtained can thus be added as explained above, and can be more precise depending on the number of rings. As shown in FIGS. 3 and 4, the invention is advantageously applied to athermalize an optical objective lens 100 having a slide 4 carrying a lens 5.

Avantageusement, l'objectif 100 comporte deux dispositifs 7 et 7' opposés selon l'invention, montés de part et d'autre du barillet 4 coulissant. Le dispositif 7 est calé d'une part entre un écrou 6 et d'autre part le barillet 4 coulissant. Le dispositif 7' est quant à lui calé d'une part entre un épaulement 6' dans l'objectif et d'autre part le barillet 4 coulissant. Advantageously, the objective 100 comprises two devices 7 and 7 'opposed according to the invention, mounted on either side of the sliding cylinder 4. The device 7 is wedged on the one hand between a nut 6 and on the other hand the sliding cylinder 4. The device 7 'is in turn wedged on the one hand between a shoulder 6' in the lens and on the other hand the sliding cylinder 4.

Les dispositifs 7 et 7' sont opposés l'un par rapport à l'autre, le dispositif 7' formant un dispositif de compensation des variations de longueur engendrées par le dispositif 7, et réciproquement. En d'autres termes, les matériaux des bagues 1 et 3 du dispositif 7 et le matériau de la bague 2 du dispositif 7' sont identiques, et le matériau de la bague 2 du dispositif 7 est identique aux matériaux des bagues 1 et 3 du dispositif 7'. Ainsi, lorsque le dispositif 7 se dilate, le dispositif 7' se contracte, et inversement. Le barillet 4 peut donc coulisser entre l'écrou 6 et l'épaulement 6'. Cependant, et comme le montre la figure 4, un seul dispositif 7 peut également être prévu, l'objectif 100 comportant alors un système élastique 8, par exemple un ressort, de sollicitation du barillet 4 pour appliquer le barillet 4 contre le dispositif 7 et l'écrou 6, le système 8 formant alors dispositif de compensation des variations de longueur engendrées par le dispositif 7. Sur l'exemple des figures 3, pour réaliser une athermalisation passive du système, la distance D doit augmenter de 0.100 mm à -40°C. Le premier matériau et le troisième matériau du dispositif 7 sont de l'aluminium (a1=236.E-7), le deuxième matériau étant de l'invar (a2=12.E-7), et inversement pour le dispositif 7'. Pour un diamètre des bagues 1, 2 et 3 de 80mm, l'angle 8 à prévoir est de 43°. D'autres matériaux, comme l'acier et le titane sont également utilisables. The devices 7 and 7 'are opposite one another, the device 7' forming a device for compensating for variations in length generated by the device 7, and vice versa. In other words, the materials of the rings 1 and 3 of the device 7 and the material of the ring 2 of the device 7 'are identical, and the material of the ring 2 of the device 7 is identical to the materials of the rings 1 and 3 of the device 7 '. Thus, when the device 7 expands, the device 7 'contracts, and vice versa. The barrel 4 can slide between the nut 6 and the shoulder 6 '. However, and as shown in FIG. 4, only one device 7 can also be provided, the objective 100 then comprising an elastic system 8, for example a spring, for biasing the cylinder 4 to apply the cylinder 4 against the device 7 and the nut 6, the system 8 then forming a device for compensating the length variations generated by the device 7. In the example of FIGS. 3, to achieve a passive athermalization of the system, the distance D must increase from 0.100 mm to -40 ° C. The first material and the third material of the device 7 are aluminum (a1 = 236.E-7), the second material being invar (a2 = 12.E-7), and vice versa for the device 7 ' . For a diameter of the rings 1, 2 and 3 of 80mm, the angle 8 to be expected is 43 °. Other materials, such as steel and titanium are also usable.

Claims

REVENDICATIONS1. Device for passive athermalisation of an optical objective (100), characterized in that it comprises - at least one first ring (1) in a first material and having at least one first peripheral conical profile (10) forming an angle ( 8) with respect to a radial plane (P) of the first ring (1); at least one second ring (2) in a second material, different from the first material, and having at least one second peripheral conical profile (20) forming a same angle (8) with respect to a radial plane (P) of the second ring (2), the first peripheral profile (10) cooperating with the second peripheral profile (20), so that the radial expansion or contraction of the first ring (1) or the second ring (2) results in a axial movement of the first ring (1) relative to the second ring (2) by sliding the first profile (10) on the second profile (20).

2. Device according to claim 1, comprising at least one third ring (3) in a third material, different from the second material, and having at least one third peripheral conical profile (30) forming an angle (8) with respect to a plane (P) radial of the third ring (3), the second ring (2) having a peripheral conical profile (40) opposed to the second profile (20) with respect to an average plane (PM) of the second ring (2), and forming a same angle (8) with respect to a radial plane (P) of the second ring (2), the third peripheral profile (30) cooperating with the opposite peripheral profile (40), so that the expansion or contraction radial direction of the third ring (3) or the second ring (2) results in an axial movement of the third ring (3) with respect to the second ring (2) by sliding the third profile (30) on the profile ( 40) opposite.

3. Device according to claim 2, wherein the first material and the third material are identical, the first ring (1) and the third ring (3) being symmetrical with respect to the mean plane (PM).

4. Device according to claim 3, wherein the first material and the third material are aluminum, the second material being invar, or vice versa.

5. Device according to one of claims 1 to 4, wherein the conical profile 10 makes an angle (8) of about 45 ° relative to a plane (P) radial of each ring (1, 2, 3).

6. Lens (100) optical comprising a cylinder (4) sliding support of a lens (5), characterized in that it comprises at least one device (7, 7 ') 15 according to one of claims 1 to 5 .

7. Objective according to claim 6, comprising an elastic system (8) for applying the barrel (4) against the device (7). 20

8. Objective according to claim 6, comprising two devices (7, 7 ') opposite mounted on either side of the barrel (4).