FR3019657A1

FR3019657A1 - Dispositif optique a compensation de l'effet thermo-optique d'un composant optique

Info

Publication number: FR3019657A1
Application number: FR1553013A
Authority: FR
Inventors: Torsten Hertel; Steffen Rienecker; Steffen Kirschstein
Original assignee: Jena Optronik GmbH
Current assignee: Jena Optronik GmbH
Priority date: 2014-04-08
Filing date: 2015-04-08
Publication date: 2015-10-09
Anticipated expiration: 2035-04-08
Also published as: DE102014104974A1; DE102014104974B4; FR3019657B1

Abstract

Dispositif optique (1) avec compensation de l'effet thermo-optique un premier composant optique (7) à l'aide d'un second composant (8) écarté du premier composant (7) suivant l'axe optique (A) par un intervalle d'air (So). Les deux composants optiques (7, 8) sont fixés solidairement au boîtier (4) par des supports (11, 12). Le premier composant optique (7) est monté sur le boîtier (4) par un support (11) perpendiculaire (s) à l'axe optique (A) et le second composant (8) est monté par un support (12) comportant un levier (15) qui s'écarte d'un angle prédéfini (α) par rapport à la perpendiculaire (s) et ayant un coefficient de dilatation compensant l'intervalle d'air (So) en fonction des effets thermo-optiques du premier composant optique (7).

Description

Domaine de l'invention La présente invention concerne un dispositif optique à compensation de l'effet thermo-optique d'au moins un premier composant optique par au moins un second composant écarté axialement du premier composant selon l'axe optique par un intervalle d'air. Etat de la technique Les dispositifs optiques tels que par exemple les objectifs d'appareils de prise de vue, tels que des caméras, des puces CCD ou analogues ainsi que les appareils de projection d'images sont sensibles à la température. Les composants optiques tels que les lentilles, miroirs ou éléments analogues du dispositif peuvent développer des effets thermo-optiques en fonction de la température et qui entraînent l'apparition de défauts dans l'image. Les défauts de l'image peuvent se compenser au moins partiellement si sur l'axe optique, il y a des com- posants optiques supplémentaires tels que par exemple des lentilles, des miroirs ou analogues. Selon le document DE 10 2009 043 161 A1, on connaît un dispositif avec un composant optique dans une pièce de monture déplaçable par rapport au boîtier et qui est montée de manière dépla- çable axialement en fonction de la température sur le boîtier à l'aide de plusieurs organes de dilatation, coulissant axialement par rapport au boîtier, montés en série les uns derrière les autres et reliés à la pièce de monture par des organes de liaison. La mise en série des organes de dilatation alourdit le dis- positif et occupe un volume important. La pièce de monture installée de manière déplaçable le long de l'axe optique du composant optique peut générer des efforts de frottement gênants entre la pièce de monture et le boîtier. But de l'invention La présente invention a pour but de développer avanta- geusement un dispositif optique à compensation passive de l'effet thermo-optique d'au moins un composant optique, qui est compact, a des frottements réduits et est léger.35 Exposé et avantages de l'invention A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif optique avec compensation de l'effet thermo-optique d'au moins un premier composant optique à l'aide d'au moins un second composant écarté axialement au moins du premier composant suivant l'axe optique par un intervalle d'air, ce dispositif optique étant caractérisé en ce que les deux composants optiques sont fixés solidairement au boîtier par des supports, au moins le premier composant optique est relié au boîtier par un support selon une perpendiculaire à l'axe optique et au moins le second composant est relié par un support comportant un le- vier qui s'écarte d'un angle prédéfini de la perpendiculaire et a un coefficient de dilatation compensant l'intervalle d'air dépendant d'effets thermo-optiques, par rapport au premier composant optique. Le dispositif optique selon l'invention peut être un objec- tif, un groupe de lentilles d'un objectif ou d'un moyen analogue dans un système optique numérique ou analogique, par exemple une unité de prise d'image ou une installation de saisie de faisceaux tels que caméra, scanner ou analogues ou encore une installation générant des images, tels que par exemple un projecteur, un générateur de faisceaux ou un moyen analogue. Dans ce sens, l'idée de l'invention s'applique égale- ment à des objectifs ou à des systèmes optiques. Grâce à sa construction compacte, sa faible masse et sa réalisation robuste le dispositif optique, convient tout particulièrement pour des objets volants tels que des engins spatiaux. Des objets volants équipés de ce dispositif optique pris en combinaison font également partie de l'invention. Le dispositif optique proposé comporte un moyen de compensation de l'effet thermo-optique d'au moins un premier composant optique à l'aide d'au moins un second composant séparé suivant au moins du premier composant l'axe optique, axialement par un inter- valle d'air. Cela signifie par exemple que pour une lentille, par exemple une lentille en fluorure de calcium, en fonction de la température ambiante, par exemple la variation de l'indice de réfraction, l'augmentation ou la réduction d'épaisseur de la matière, les variations de la surface extérieure ou autres produiront un effet thermo-optique générant les défauts d'image. En modifiant l'intervalle d'air entre cette lentille et la lentille voisine, par exemple une lentille en dioxyde de silicium tel que du verre de quartz, on pourra compenser au moins partiellement les défauts de l'image. Il est avantageux de monter au moins les deux composants optiques pour éviter des pièces qui coulissent ou se déplacent l'une par rapport à l'autre par des supports solidaires du boîtier, c'est- à-dire par une liaison par la forme ou une liaison par la force. Comme il n'y a pas de pièce mobile, la construction sera particulièrement robuste et ses pièces ne se coinceront pas sous l'effet de la température ni auront des couples de friction élevés.

Pour compenser les effets thermo-optiques générés mal- gré le montage fixe des composants optiques sur le boîtier, au moins un premier composant comporte un support perpendiculaire à l'axe optique. Au moins un second composant optique est monté sur le boîtier à l'aide d'au moins une articulation solide et un support comportant un levier s'écartant d'un angle prédéfini de la perpendiculaire et ayant un coefficient de dilatation compensant l'intervalle d'air en fonction de l'effet thermo-optique au moins du premier composant optique. Cela signifie que le premier composant optique est relié au boîtier perpendiculairement à l'axe optique alors que le second composant est articulé au boîtier par le levier et l'articulation solide de manière non orthogo- nale, c'est-à-dire selon l'angle prédéterminé par rapport à l'axe optique. Le déplacement axial de ce premier composant par rapport à un second composant installé à distance avec un intervalle d'air, se fait dans tous les cas dans les limites d'une extension axiale négli- geable du boîtier entre les deux montages des supports du premier et du second composants. Contrairement à cela, le support d'un second composant optique a respectivement plusieurs leviers faisant un angle prédéfini par rapport à la perpendiculaire. Une variation de température du dispositif se traduit ainsi par une variation de longueur du boîtier dans la direction radiale ; par exemple dans le cas d'un boîtier circulaire il s'agit d'une variation de son diamètre de sorte que les efforts radiaux exercés sur le support par au moins une articulation solide entre le boîtier et le support changent ; ainsi, comme le levier n'est pas perpendiculaire à l'axe optique, le second composant optique se déplacera axialement par rapport au premier, c'est-à-dire que l'intervalle d'air augmentera ou diminuera en fonction de la température. En définissant de manière appropriée les coefficients de température des pièces, par exemple par le matériau du boîtier ayant un coefficient de température de préférence important, du levier avec un coefficient de température de préférence faible on pourra adapter l'intervalle d'air selon les effets thermo-optiques. En variante ou en plus, on pourra régler l'angle du levier par rapport à la perpendiculaire et/ ou la longueur du levier ou longueur efficace du levier. Au moins le premier composant optique est une lentille, un miroir, un filtre ou un moyen analogue. Les composants optiques avec une première lentille en fluorure de calcium sont avantageux en particulier, pour les applications du dispositif optique à une optique par exemple dans la plage des fréquences UV ou UV-VIS. Une telle première lentille est de préférence installée dans une monture en aluminium. Le terme « aluminium » au sens de l'invention englobe également les al- liages d'aluminium. La monture peut être reliée en bloc à la pièce de support réalisée dans le même matériau. Les coefficients de température de la monture du support et de la première lentille sont ainsi suffisamment analogues pour exclure tout dommage de la première lentille avec un coefficient de température d'environ 18,5 x 10-6 mm/K. Au moins le second composant optique est une lentille, un miroir, un filtre ou un moyen analogue. De façon particulièrement avantageuse, au moins le second composant optique est constitué par une seconde lentille en dioxyde de silicium. De façon avantageuse, la seconde lentille est dans une monture en Invar qui a un coefficient de température analogue et qui de ce fait est neutre pour la seconde lentille, c'est-à-dire un coefficient de température du niveau de celui de la seconde lentille, à savoir environ 0,55 x 10-6 mm/K. Le boîtier est de préférence en aluminium ou en un al- liage d'aluminium et ainsi il est de préférence dans le même matériau que le support du premier composant optique, de sorte que le montage du premier composant optique sur le boîtier ne présente aucune difficulté du point de vue des variations de température. Le boîtier peut être réalisé en une ou plusieurs parties. Il est avantageux qu'une bague de boîtier pour chaque composant optique comporte un support et qu'ensuite les bagues de boîtier soient reliées par une liaison par la forme pour constituer le boîtier, par exemple par une liaison vissée. Le support du premier composant optique est relié soli- dairement au boîtier ou à une bague de boîtier, appropriée alors que le support du second composant optique est monté par l'intermédiaire d'une ou plusieurs articulations solides au boîtier ou sur une bague de boîtier. Dans la région de la liaison côté boîtier, du support on peut avoir une première articulation solide ou un premier groupe d'articulations solides réparties en périphérie et dans la zone de transi- tion avec la monture du second composant optique on peut avoir une seconde articulation solide ou un second groupe d'articulations solides réparties en périphérie de façon que le levier ayant de préférence un coefficient de dilatation inférieur à celui du boîtier, par exemple une pièce en forme de disque ou des rayons répartis en périphérie soient respectivement séparés par deux articulations solides par rapport à la monture et au boîtier ou à la bague de boîtier. Selon un développement préférentiel, le boîtier et le sup- port du second composant optique sont en forme de bague, le support étant monté à l'intérieur de la bague de boîtier par une liaison par la force pratiquement sans laisser d'intervalle. De façon avantageuse, le support comporte radialement à l'intérieur une bague recevant solidairement la monture du second composant et qui est fixée au boîtier, les bagues étant reliées par des rayons constituant les leviers et qui sont répartis à la périphérie. Les rayons peuvent avoir sur leur tracé radial, au moins une et de préfé- rence deux réduction de section constituant des articulations solides. Le déplacement axial du second composant se fera au niveau des réductions de section avec des efforts réduits. Le levier est de préférence en titane. Le terme « titane » dans le sens de la présente invention en- globe également les alliages de titane. Cela permet d'absorber les con- traintes exercées sur le levier avec une résistance suffisante et l'élasticité du matériau pour un coefficient de température suffisamment faible pour l'action du levier et qui est d'environ 10,8 x 10-6 mm/K, en reliant le boîtier en aluminium ou en un alliage d'aluminium avec un coefficient de dilatation suffisamment important.

Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un exemple de réalisation représenté dans les dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est un schéma d'un dispositif optique avec compensation de l'effet thermo-optique d'un composant optique, la figure 2 est une réalisation constructive d'une partie du dispositif optique de la figure 1 en vue isométrique, la figure 3 montre un détail de la figure 2, et la figure 4 est une vue éclatée de la partie du dispositif optique de la figure 2. Description de modes de réalisation La figure 1 montre de façon schématique, simplifiée, la moitié supérieure du dispositif optique 1 monté sur l'axe optique A et comprenant les pièces optiques 2, 3. Les pièces optiques 2, 3 sont lo- gées dans un boîtier commun 4 qui peut être constitué par les parties de boîtier 5, 6 associées aux pièces optiques 2, 3. Les deux pièces optiques 2, 3 ont chacune un composant optique 7, 8 installé au voisinage de la direction axiale de l'axe optique A en formant un intervalle d'air So. Dans l'exemple de réalisation pré- senté, les composants optiques 7, 8 sont des lentilles 9, 10, par exemple en fluorure de calcium (CaF2, lentille 9) et dioxyde de silicium (SiO2, lentille 10). Les lentilles 9, 10 sont reliées solidairement par des supports 11, 12. Le support 11 est relié par la liaison 13 solidairement à la partie de boîtier 5 et le support 12 est relié à la partie de boîtier 6 par une ar- ticulation solide 14 (articulation réalisée dans la matière). Le support 11 est vertical par rapport à l'axe optique A, c'est-à-dire perpendiculaire à cet axe. Sous l'influence de la température, le support 11 réalisé de préférence dans le même matériau que la partie de boîtier 5 et ainsi le composant optique 7 conservent pratiquement leur position axiale. Tou- tefois, l'expansion axiale du boîtier 4 entre la liaison 13 et l'articulation solide 14 peut produire un déplacement relatif, négligeable du support 11 par rapport à l'articulation solide 14 du support 12. Contrairement à cela, le support 12 constitue le levier 15 qui est incliné de l'angle a par rapport à la perpendiculaire S à l'axe op- tique A. Ainsi, le levier 15 dont le bras de levier est 10, sous l'effet de la température modifie son angle d'incidence a du fait de la variation du diamètre ho de la partie de boîtier 6 qui change en fonction de son coefficient de température sous l'effet de la température et des efforts ra- s diaux qui en résultent. Ainsi, le composant optique 8 raccourcit la course axiale As pour des variations de température AT inférieures à zéro et augmente cette course axiale pour des variations de température AT supérieures à zéro par rapport à la température de référence ou température de montage. La variation, en fonction de la température, 10 du diamètre intérieur ho de la partie de boîtier 6 et la variation forcée de l'angle du levier 15 par rapport à la perpendiculaire S, variation angulaire forcée par l'articulation solide 14 déplacent ainsi de force le composant optique 8 en fonction de la température, axialement, de la course axiale As de sorte que l'intervalle d'air So varie en fonction de la 15 température, cet intervalle augmente lorsque la température augmente et diminue lorsque la température diminue de sorte que la lentille 10 se déplace axialement par rapport à la lentille 9. La lentille 9 change son comportement optique de façon à corriger au moins partiellement les défauts d'image par une variation 20 correspondante de l'intervalle d'air So. L'adaptation de la variation de l'intervalle d'air So en fonction de la température à l'aide du levier 15 se fait pour compenser l'intervalle d'air so variant en fonction de la température selon la variation de la lentille 9 dépendant de la température. Ainsi, on aura une compensation passive, par un moyen peu encom- 25 brant et léger, de l'effet thermo-optique de la lentille 9 sans utiliser de technique de décalage de l'un ou des deux supports 11, 12. Le déplacement quantitatif de la lentille 10 au niveau de l'intervalle d'air So par rapport à la lentille 9 se fait par une conception appropriée du coefficient de température de la partie de boîtier 6, du diamètre intérieur ho 30 de la partie de boîtier 6, du bras de levier 10 du levier 15, de l'angle a ainsi que du coefficient de dilatation du matériau utilisé pour le levier 15 pour un diamètre prédéfini biens de la lentille 10 et la nature de la lentille 9. Pour adapter le coefficient de température entre les diffé- 35 rents composants du dispositif optique et leur résistance mécanique, on a réalisé le boîtier 4 ou les parties de boîtier 5, 6 de préférence en aluminium ou dans des alliages d'aluminium, par exemple en A1ZnMgCu 1.5. Le support 11 et la monture 16 de la lentille 9 sont réalisés de préférence dans le même matériau. Le support 12 avec le levier 15 est de préférence en titane ou en un alliage de titane, par exemple TiA16V4 pour adapter le coefficient de température de la monture 17 au coefficient de température de la lentille 10 de préférence en Invar. La figure 2 montre une réalisation pratique de la pièce optique 3 du dispositif optique de la figure 1. La pièce optique 3 est réa- lisée d'une manière connue en soi. La partie de boîtier 6, de forme an- nulaire est reliée après le montage de la pièce optique 3, sans laisser d'intervalle avec la partie de boîtier 5 et le cas échéant d'autres composants optiques pour former un boîtier commun 4 et réaliser ainsi le dispositif optique 1 qui lui-même fait partie d'un système optique principal par exemple une optique, un objectif, une caméra ou un moyen ana- logue. Le support 12 est vissé par une liaison par la force à l'aide de vis 18 dans la partie de boîtier 6 en respectant un intervalle minimum de montage. Le support 12 de forme annulaire, en titane, par exemple usiné avec enlèvement de copeaux, constitue le levier 15. Le support 12 comporte la bague radiale extérieure 19 pour la fixation à la partie de boîtier 6 et la bague intérieure 20 à laquelle est vissée la monture 17 en Invar pour recevoir la lentille 10. Ce vissage est fait à l'aide des vis 22. Radialement entre les bagues 19, 20, il y a les rayons 23 répartis en pé- riphérie et inclinés suivant l'angle d'incidence a du levier 15 entre les bagues 19, 20. La figure 3 montre un détail de la pièce optique 3 à échelle agrandie. Cela laisse clairement apparaître la réalisation inclinée des rayons 23. Pour réduire les tensions trop importantes et pour for- mer les articulations solides pour les articulations solides entre le sup- port 12 et la partie de boîtier 6, entre les rayons 23 et les bagues 19, 20, à leur jonction avec les bagues 19, 20, les rayons 23 ont des réductions de section 24, 25 agissant de préférence dans la direction axiale. La figure 4 est une vue éclatée de la pièce optique 3 avec la partie de boîtier 6, le support 12, la monture 17 et les vis 18, 22.

NOMENCLATURE DES ELEMENTS PRINCIPAUX 1 Dispositif optique 2 Pièce optique 3 Pièce optique 4 Boîtier 5 Partie de boîtier 6 Partie de boîtier 7 Composant optique 8 Composant optique 9 Lentille 10 Lentille 11 Support 12 Support 13 Liaison 14 Articulation solide 15 Levier 16 Monture 17 Monture 18 Vis 19 Bague 20 Bague 22 Vis 23 Rayon 24 Réduction de section 25 Réduction de section A Axe optique ho Diamètre intérieur hlens Diamètre de lentille Lo Bras de levier S Intervalle perpendiculaire So Intervalle d'air a angle d'incidence AS Course axiale AT Variation de température

Claims

REVENDICATIONS1°) Dispositif optique (1) avec compensation de l'effet thermo-optique d'au moins un premier composant optique (7) à l'aide d'au moins un second composant (8) écarté axialement au moins du premier compo- sant (7) suivant l'axe optique (A) par un intervalle d'air (So), dispositif optique caractérisé en ce que les deux composants optiques (7, 8) sont fixés solidairement au boîtier (4) par des supports (11, 12), au moins le premier composant optique (7) est relié au boîtier (4) par un support (11) selon une perpendiculaire (s) à l'axe optique (A) et au moins le second composant (8) est relié par un support (12) comportant un levier (15) qui s'écarte d'un angle prédéfini (a) de la perpendiculaire (s) et a un coefficient de dilatation compensant l'intervalle d'air (So) dépendant d'effets thermo-optiques, par rapport au premier composant optique (7).
2°) Dispositif optique (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' une variation de l'intervalle d'air (so) dépendant de la température est réglée par le coefficient de température et le diamètre d'une partie de boîtier (6) recevant le support (12), de l'angle d'incidence (a) du levier (15) par rapport à la perpendiculaire (S) à l'axe optique (A) et des bras de levier (10) et/ou du matériau du levier (15).
3°) Dispositif optique (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' au moins l'un des composants optiques (7) est une première lentille (9) en fluorure de calcium.
4°) Dispositif optique (1) selon la revendication 3, caractérisé en ce que la première lentille est dans une monture (16) en aluminium.
5°) Dispositif optique (1) selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'au moins l'un des composants optiques (8) est une seconde lentille (10) en dioxyde de silicium.
6°) Dispositif optique (1) selon la revendication 5, caractérisé en ce que la seconde lentille (10) est dans une monture (17) en Invar, reliée au levier (15).
7°) Dispositif optique (1) selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le levier (15) est monté dans le boîtier (4) par l'intermédiaire d'une articulation solide (14).
8°) Dispositif optique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le support (12) comporte une bague (20) radialement intérieure, recevant solidairement la monture (17) et une bague (19) fixée au boîtier (4), les bagues (19, 20) étant reliées par des rayons (23) répartis en périphé- rie.
9°) Dispositif optique (1) selon la revendication 8, caractérisé en ce que les rayons (23) ont, suivant leur extension radiale, au moins une réduc- tion de section (24, 25) constituant une articulation solide.
10°) Dispositif optique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le support (12) est en titane.