FR2968093A1 - Objectif a vignettage axial. - Google Patents

Abstract

Le domaine général de l'invention est celui des objectifs (0) comprenant des éléments optiques (L) centrés sur un axe optique (xx) et une pupille interne (P), ledit objectif étant destiné à former d'un objet une image dans un plan de focalisation. Dans l'objectif selon l'invention, la pupille interne comprend un tube ou un tronc de cône ouvert de révolution centré sur l'axe optique, ledit tube ou ledit tronc de cône à parois minces et opaques, agencé de façon que les rayons de champ issus de l'objet et traversant obliquement la pupille soient en partie occultés par le tube ou le cône réduisant ainsi de façon dépendante du champ les aberrations géométriques de l'objectif. L'objectif peut être de type double-Gauss, c'est-à-dire qu'il comporte au moins deux doublets optiques collés mis dos à dos. L'objectif peut être utilisé pour des applications de vision de nuit.

Description

Objectif à vignettage axial Le domaine technique concerné est celui des objectifs optiques et plus particulièrement ceux dédiés à la vision nocturne. Ces objectifs sont utilisés, en particulier, pour la prise de vue avant capture de l'image où un maximum de flux avec la meilleure résolution possible sont requis.

La plupart des objectifs de prise de vue présentent une qualité d'image qui se dégrade avec le champ. Ceci conduit à utiliser de plus en plus d'éléments optiques de manière à avoir un plus grand nombre de paramètres d'optimisation. Ainsi, l'ajout d'une lentille simple dans une combinaison optique permet d'ajouter quatre paramètres qui sont les deux courbures des dioptres qui la composent, son épaisseur et son indice de verre. Il est possible de jouer sur ces paramètres pour optimiser la combinaison optique de manière à avoir la meilleure performance globale. Parfois, il devient nécessaire d'utiliser des formes asphériques pour élargir le spectre des paramètres utilisables. La solution commune est de pousser l'optimisation et la complexité du système jusqu'à ce que les rayons aberrants du champ rentrent dans le cercle de diffusion que l'on s'est fixé initialement en fonction de la performance à atteindre dans le champ. Cette démarche peut conduire à un vignettage important en bord de champ et/ou à une suroptimisation au centre du champ, c'est-à-dire que les performances optiques en champ central sont bien supérieures à ce qui est spécifié. La performance s'obtient donc au prix de la complexité.

Pour réaliser un objectif d'ouverture significative dans un encombrement réduit, la combinaison optique la plus utilisée est de type objectif type « double Gauss ». Une combinaison de ce type est représentée en figure 1. Dans le cas de cette figure, l'objectif O comporte six lentilles L centrées regroupées en deux ensembles de trois lentilles. Une pupille P est disposée au centre de ces deux ensembles. Chaque ensemble comprend une lentille simple et un doublet collé. Sur la figure 1, on a également représenté pour le champ sur l'axe Co, un champ moyen CMOY et le champ maximal CMAX le passage des rayons lumineux à travers l'objectif O. Ces rayons lumineux sont représentés en traits continus fins, en pointillés longs et en pointillés courts. Ces rayons lumineux se focalisent sensiblement dans un plan de focalisation PF. Classiquement, on sépare les aberrations géométriques optiques en aberration sagittale et en aberration tangentielle. Pour un champ donné, elles sont représentatives de l'évolution de la focalisation des rayons lumineux dans un plan focal donné en fonction de la hauteur des rayons sur la pupille. Elles se dégradent de manière inégale, les aberrations sagittales ayant souvent une dégradation mois forte en fonction de la position dans la pupille que les aberrations tangentielles.

L'optimisation du système qui consiste à obtenir la meilleure qualité d'image à nombre et type d'éléments optiques donnés conduit en général à replier l'aberration tangentielle sur elle-même donnant une courbe des aberrations en forme de S majuscule. L'amplitude des « ventres » du S croit avec le champ. Pour un champ donné, les maxima d'amplitude se trouvent à mi pupille et les minima d'amplitude au centre et aux extrémités de la pupille. Selon les objectifs, l'aberration sagittale reste, pour sa part, le plus souvent, relativement bien maîtrisée au regard de l'aberration tangentielle. La figure 2 représente pour l'objectif « double gauss » représenté en figure 1 et pour trois champs qui sont respectivement le champ nul ou champ sur l'axe, un champ moyen et le champ maximal les aberrations sagittales A.S. et tangentielles A.T. en fonction de la hauteur hp sur la pupille. Il n'y a pas d'unités de longueur sur la figure 2 mais généralement la pupille P a un rayon de quelques millimètres à quelques dizaines de millimètres et les aberrations sagittale et tangentielle s'expriment en microns ou en dizaines de microns. Ainsi, la dégradation de la qualité d'image dans le champ qui provoque l'étalement du spot et la baisse de la fonction de transfert de modulation ou « MTF » associée est due principalement à une zone annulaire en anneau de la pupille.

Pour améliorer la qualité de l'image sans retoucher les optiques, une première solution consiste à vignetter le champ de manière à atteindre une réponse percussionnelle acceptable. C'est ce qui est illustré sur la figure 3 où la pupille P de l'objectif a été réduite. La figure 4 représente, dans ce cas pour le champ maximal, les aberrations sagittales A.S. et tangentielles A.T. en fonction de la hauteur hp sur la pupille. Comme on le voit sur cette figure 4, l'aberration tangentielle initiale AT° correspondant à une hauteur de pupille hPo diminue lorsque la hauteur de pupille devient hpi et passe à ATM. Malheureusement, le gain ne se fait qu'au prix d'un vignettage très important puisqu'il faut rogner la pupille de champ au delà des rayons trop aberrants soit souvent au delà de 50%, ce qui induit une perte de flux de près de 75% très préjudiciable, d'autant plus préjudiciable qu'elle est parfaitement inutile au centre du champ dont la qualité était acceptable avec une pupille plus importante.

L'objectif selon l'invention ne présente pas ces inconvénients. Il comporte, en lieu et place de la traditionnelle pupille annulaire plane une pupille cylindrique en forme de tube ou tronconique. Cette disposition originale comporte des avantages décisifs par rapport aux systèmes classiques. L'objectif selon l'invention propose de n'occulter que les rayons les plus aberrants, ceux qui dégradent la qualité d'image de manière à limiter le vignettage au juste besoin. Seuls les rayons aberrants sont vignettés, les rayons participants à la qualité d'image sont conservés. Les systèmes selon l'art antérieur disposent d'un vignettage 20 englobant les rayons aberrants et une partie des rayons non aberrants, ils sont photométriquement bien moins efficaces.

Plus précisément, l'invention a pour objet un objectif comprenant des éléments optiques centrés sur un axe optique et une pupille interne, ledit 25 objectif étant destiné à former d'un objet une image dans un plan de focalisation, caractérisé en ce que la pupille interne comprend une pièce mécanique creuse de révolution centrée sur l'axe optique, ladite pièce mécanique étant cylindrique ou tronconique, à parois minces et opaques, et ouverte à ses deux extrémités, agencée de façon que les rayons de champ 30 issus de l'objet et traversant obliquement la pupille soient en partie occultés par la dite pièce mécanique réduisant ainsi de façon dépendante du champ les aberrations géométriques de l'objectif. Avantageusement, les rayons de champ, pour un champ donné, sont sensiblement parallèles entre eux au niveau de la pupille interne et la 35 dite pièce mécanique est un tube cylindrique creux.

Avantageusement, l'objectif est de type double-Gauss, c'est-à-dire qu'il comporte au moins deux doublets optiques collés mis dos à dos de part et d'autre du tube cylindrique creux servant de pupille. Avantageusement, les rayons de champ, pour un champ donné sont sensiblement convergents ou divergents entre eux au niveau de la pupille interne et la dite pièce mécanique est un tronc de cône creux. Préférentiellement, l'objectif est optimisé pour fonctionner soit dans le visible, soit dans le rouge et le proche infrarouge.

L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles : La figure 1 représente un objectif classique de double Gauss ; La figure 2 représente pour l'objectif double Gauss représenté en figure 1 et pour trois champs les aberrations sagittales et tangentielles ; La figure 3 représente un objectif classique de double Gauss à pupille réduite ; La figure 4 représente, pour l'objectif double Gauss représenté en figure 3, les aberrations sagittales et tangentielles pour le champ maximal ; La figure 5 représente un objectif de double Gauss à pupille tubulaire selon l'invention ; Les figure 6a et 6b représentent le vignettage introduit par la pupille tubulaire au centre du champ et en cham moyen ; La figure 7 représente, pour l'objectif double Gauss selon 25 l'invention, les aberrations sagittales et tangentielles pour le champ maximal.

Un objectif selon l'invention est représenté sur la figure 5. Sur cette figure et à titre d'exemple, l'objectif O est de type « double Gauss » comme celui représenté en figure 1. Bien entendu, les principes généraux de 30 l'invention s'appliquent à une grande variété d'objectifs optiques. La pupille interne P de cet objectif comprend un tube T ouvert de révolution centré sur l'axe optique xx, ledit tube étant à parois minces et opaques. La mise en place de ce tube ne pose pas de problèmes particuliers. On peut le faire tenir dans l'objectif au moyen d'entretoises d'épaisseur fine, le coller sur une des lentilles de l'objectif ou l'incorporer à une lame optique mince transparente servant de pupille. On utilise ainsi une propriété du double Gauss : la pupille du système se situe dans un endroit où les rayons lumineux sont pratiquement collimatés comme on le voit sur la figure 1. On introduit dans cette position un tube occultant de diamètre, par exemple, moitié de la pupille maximale et d'épaisseur négligeable. Ce tube est centré sur l'axe optique. La longueur du tube est fonction de l'occultation que l'on souhaite réaliser dans le champ. Les figures 6a et 6b représentent le vignettage en zones noires introduit par la pupille tubulaire au centre du champ et en cham moyen. Ainsi, comme on le voit sur la figure 6a, le champ central ou champ nul, parallèle au tube occultant ne subit pratiquement aucun vignettage. Seuls sont perdus les rayons qui impactent perpendiculairement les parois du tube qui sont de faible épaisseur.

Dans un champ moyen comme représenté en figure 6b, les rayons du champ moyen quasi-parallèles entre eux ne sont plus parallèles au tube occultant et se trouvent en partie bloqués par ce dernier, de manière d'autant plus importante que l'incidence augmente, mais avec un point milieu de position constante.

En figure 7, on a représenté, pour l'objectif double Gauss selon l'invention, les aberrations sagittales et tangentielles pour le champ maximal. On voit que le ventre du S d'aberration tangentielle est éliminé par la pupille tubulaire sans perte excessive de rayons lumineux, l'aberration tangentielle passant du niveau ATO au niveau AT2, avec une baisse de niveau significative. Bien entendu, dans certaines configurations d'objectif, il est possible que les rayons de champ, pour un champ donné sont sensiblement convergents ou divergents entre eux au niveau de la pupille interne. Dans ce cas, il suffit de remplacer le tube par un tronc de cône creux. Celui-ci va assurer les mêmes fonctions : assurer un vignettage minimal au centre du champ augmentant progressivement avec le champ.

Le grand intérêt de la pupille tubulaire est que la position de la zone masquée correspond aux rayons dont on veut se séparer et que sa taille augmente dans le champ comme augmente la quantité de rayons aberrants. De plus les rayons sagittaux de bonne correction ne sont que très peu affectés. Cette solution permet donc de conserver tous les rayons non aberrants et de vignetter ceux dont on veut se séparer et seulement ceux là, permettant ainsi de conserver une bonne qualité d'image dans tout le champ à partir d'un design optique « brut » sans pupille tubulaire ou conique qui dégrade largement la qualité dans le champ. De plus, les formes tubulaires ou coniques présentent l'avantage d'être définies par plusieurs paramètres qui sont la longueur du tube ou du cône, le diamètre du tube ou les diamètres d'entrée et de sortie pour le cône. On peut, en jouant sur ces différents paramètres, finement optimiser la combinaison optique sans conséquences sur la difficulté de réalisation. L'objectif selon l'invention représente ainsi un très bon compromis qualité d'image/ bilan photométrique/facilité de réalisation.

II existe un grand nombre d'applications possibles pour les objectifs selon l'invention. A titre d'exemple, ce type d'objectif peut être utilisé pour des applications de vision de nuit. Bien entendu, les optiques sont adaptées aux longueurs d'onde des objets que l'on cherche à imager et peuvent ainsi travailler dans le visible, le rouge ou le proche infra-rouge.

Claims (5)

1. REVENDICATIONS1. Objectif (0) comprenant des éléments optiques (L) centrés sur un axe optique (xx) et une pupille interne (P), ledit objectif étant destiné à former d'un objet une image dans un plan de focalisation, caractérisé en ce que la pupille interne comprend une pièce mécanique (T) creuse de révolution centrée sur l'axe optique, ladite pièce mécanique étant cylindrique ou tronconique, à parois minces et opaques, et ouverte à ses deux extrémités, agencée de façon que les rayons de champ issus de l'objet et traversant obliquement la pupille soient en partie occultés par la dite pièce mécanique, réduisant ainsi de façon dépendante du champ les aberrations géométriques de l'objectif.
2. 2. Objectif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les rayons de champ, pour un champ donné, sont sensiblement parallèles entre eux au niveau de la pupille interne et en ce que la dite pièce mécanique est un tube cylindrique creux.
3. 3. Objectif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'objectif est de type double-Gauss, c'est-à-dire qu'il comporte au moins deux doublets optiques collés mis dos à dos de part et d'autre du tube cylindrique creux servant de pupille.
4. 4. Objectif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les rayons de champ, pour un champ donné sont sensiblement convergents ou divergents entre eux au niveau de la pupille interne et en ce que la dite pièce mécanique est un tronc de cône creux.
5. 5. Objectif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'objectif est optimisé pour fonctionner soit dans le visible, soit dans le rouge et le proche infrarouge.30