FR3032039A1 - Systeme optique anamorphoseur athermalise - Google Patents

Abstract

Le domaine général de l'invention est celui des systèmes optiques anamorphoseurs. Le système selon l'invention comporte un ensemble optique anamorphoseur (10) présentant un astigmatisme thermique et un doublet optique (100) comportant deux lames. La première lame comporte une face plane et une face cylindrique convexe. Elle est réalisée dans un premier matériau. La seconde lame a une face plane et une face cylindrique concave, elle est réalisée dans un second matériau ayant un indice optique égal à celui de la première lame à une température de référence, la variation de cet indice optique en fonction de la température étant différente de la variation de celui de la première lame. La première et la seconde lame collées forment une lame ayant une puissance optique nulle à la température de référence et présentant un second astigmatisme thermique à une température différente, les matériaux et le rayon de courbure étant choisis de sorte que le second astigmatisme thermique corrige le premier astigmatisme thermique.

Description

1 Système optique anamorphoseur athermalisé Le domaine de l'invention est celui des dispositifs optiques anamorphoseurs utilisés dans des gammes de température importantes. Ces dispositifs peuvent être utilisés seuls ou en combinaison avec d'autres systèmes optiques pour former, par exemple, des zooms anamorphoseurs.

Une des difficultés connues des objectifs optiques est leur sensibilité à la température. En effet, non seulement la dilatation thermique des optiques et des entretoises qui les séparent change les paramètres optiques de l'objectif mais les variations de température entraînent également des variations des indices optiques des matériaux optiques. Pour résoudre ce problème, des techniques dites d'athermalisation passives ont été développées. La conception opto-mécanique de ces objectifs est telle qu'il n'est pas nécessaire d'adjoindre des moyens de déplacement de groupes de lentilles pour corriger les défocalisations thermiques. Les publications suivantes décrivent de telles techniques : - Passive Athermalization: Maintaining Uniform Temperature Fluctuations de J.Tejada, PhotonicsDirectory.com ; - Thales Angenieux recent progress in night vision technology de Joël Rollin, Jean Louis Teszner, Jean Luc Espie, Proceedings of SPIE Vol 5251. SPIE St Etienne Conférence 2003. On trouve également des informations sur ce sujet dans le brevet de référence FR2667695 intitulé « Système d'objectifs à athermalisation optique » Les techniques classiques regroupent: - La combinaison de matériaux optiques différents pour compenser à la fois les dérives thermiques et corriger le chromatisme. On peut aussi utiliser des matériaux « artificiels » constitués par des profils diffractifs. On se reportera à l'article 'Diffractive Optics in the Thomson group' C.Puech, P.Rogers, J.Rollin, A.Hornung. Proceedings of SPIE Vol 3482 International Optical Design Conference 1998, 454, 1998 pour des informations complémentaires sur cette dernière technique. 3032039 2 - L'utilisation de cales dilatables avec des montages mécaniques permettant d'amplifier ou de diminuer les coefficients de dilatation équivalents par rapport aux matériaux classiques.

5 L'athermalisation des objectifs anamorphoseurs est encore plus délicate que celle des objectifs à focale unique. L'anamorphose est réalisée par des surfaces de lentilles non axisymétriques, à génératrice généralement cylindriques ou toriques, qui, par exemple, pour une classe de solutions, sont situées entre la pupille du système et le plan de focalisation. Des prismes 10 sont aussi envisageables. Lorsqu'un système anamorphoseur est soumis à une variation de la température, cela peut donner lieu des variations de tirage image, on parle alors de « défocalisations » qui diffèrent dans les plans de section horizontal et vertical, qui peuvent notamment se traduire par l'apparition d'un 15 astigmatisme constant dans tout le champ du système. En effet, les plans de focalisation correspondant aux images des lignes horizontales s'écartent de leurs homologues associés aux lignes verticales avec la température. Cet astigmatisme est dû au fait que les conjugaisons des différents éléments optiques constituant le système anamorphoseur ne sont pas les mêmes dans 20 les plans de section horizontale et verticale. Lors d'un changement de température, les défocalisations observées dans les plans horizontal et vertical sont dues : - aux variations d'indice des verres et de l'air ; - aux dilatations linéiques qui jouent sur les épaisseurs, les 25 rayons de courbure et l'asphéricité des verres et qui jouent également sur la longueur des entretoises. Pour rendre un tel système indépendant des variations thermiques, il est nécessaire d'annuler à la fois les valeurs des défocalisations horizontale et verticale dans l'espace image.

30 L'art antérieur concernant le rattrapage des dérives thermiques sur des combinaisons anamorphiques est assez rare. L'agencement des matériaux optiques, surtout à base de plastiques et le choix de coefficients de dilatation sont décrits dans les brevets JPH08292391, JPH05341217 et JPS5934512 qui ont trait à des scanners optiques.

3032039 3 Le brevet US2003002170 intitulé « Imaging lens and image reading apparatus using the same » borne à la fois la valeur de focale et sa variation en température d'un module anamorphique dans une combinaison optique plus complexe pour que l'imageur soit corrigé des dérives 5 thermiques. Le brevet US5200850 intitulé « Anamorphic optical system » rappelle que les défocalisations en température sont dues à deux causes, les variations des coefficients de dilatation des entretoises et des matières optiques et les changements en thermique des indices de réfraction. Dans ce 10 brevet, on maintient la position de l'image en thermique dans la profondeur de champ dans les deux directions de l'anamorphose en utilisant des lentilles en plastique. Le système optique selon l'invention comporte des moyens 15 maintenant la position de l'image en thermique dans la profondeur de champ et dans les deux directions de l'anamorphose. Il comporte un doublet optique en forme de lame à faces planes et parallèles comportant une lame cylindrique interne. Ce doublet optique, à température ambiante, n'a aucune puissance optique. A une température différente, les matériaux optiques sont 20 tels que le doublet optique présente de la puissance optique dans une direction de l'espace qui correspond exactement à l'astigmatisme thermique du reste de la combinaison optique. Plus précisément, l'invention a pour objet un système optique anamorphoseur, caractérisé en ce qu'il comporte un ensemble optique 25 anamorphoseur et un doublet optique comportant une première lame et une seconde lame collées, ledit ensemble optique anamorphoseur créant un astigmatisme dit thermique dans son plan image, ledit astigmatisme étant nul à une température de référence et étant fonction de la température ; 30 la première lame du doublet ayant une première face cylindrique convexe, la première lame étant réalisée dans un premier matériau ayant un premier indice optique déterminé à la température de référence et une première variation dudit premier indice optique en fonction de la température ; 3032039 4 la seconde lame du doublet ayant une seconde face cylindrique concave de même rayon de courbure que la première face convexe, la seconde lame étant réalisée dans un second matériau ayant un second indice optique déterminé à la température de référence et une seconde 5 variation dudit second indice optique en fonction de la température, le second indice optique étant égal au premier indice optique à la température de référence, ladite première variation dudit premier indice optique étant différente de la seconde variation dudit second indice optique, de sorte que : la première lame et la seconde lame étant collées par leurs faces 10 cylindriques, elles forment une lame ayant une puissance optique nulle à la température de référence et présentant un second astigmatisme thermique à une température différente, le premier matériau, le second matériau et le rayon de courbure commun étant choisis de sorte que le second astigmatisme thermique corrige le premier astigmatisme thermique de 15 l'ensemble optique anamorphoseur dans une gamme de température déterminée. Avantageusement, le premier matériau et le second matériau sont choisis de façon à avoir des coefficients de dilatation sensiblement identiques.

20 Avantageusement, le premier matériau est du verre de référence NSFX de la société Schott et le second matériau est du verre de référence SFX de la société Schott, X étant un nombre correspondant à une référence de la société Schott. Avantageusement, le premier matériau est du verre de référence 25 NSF11 de la société Schott et le second matériau est du verre de référence SF11 de la société Schott. Avantageusement, le premier matériau est du verre de référence NSF57 de la société Schott et le second matériau est du verre de référence SF57 de la société Schott.

30 Avantageusement, les faces externes du doublet optiques sont planes ou sphériques. Avantageusement, le doublet optique est placé dans l'ensemble optique anamorphoseur de façon à amplifier l'astigmatisme thermique créé par ledit doublet grâce au grandissement de la partie optique dudit ensemble 3032039 5 optique anamorphoseur comprise entre ledit doublet optique et le plan image. Avantageusement, l'ensemble optique anamorphoseur étant un objectif optique, le doublet optique est disposé devant ledit objectif optique.

5 Avantageusement, le système optique anamorphoseur comporte, dans cet ordre, un ensemble optique à focale variable de type zoom, ledit doublet optique et l'ensemble optique anamorphoseur. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages 10 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 principe général de mise en place d'un dispositif anamorphoseur ; La figure 2 représente, dans deux plans perpendiculaires, un 15 dispositif optique anamorphoseur selon l'art antérieur ; La figure 3 représente un zoom optique anamorphoseur selon l'art antérieur comportant le dispositif optique anamorphoseur précédent ; Les figures 4 et 5 représentent à une température de référence et à une température différente le comportement thermique d'un doublet 20 optique selon l'invention ; La figure 6 représente dans deux plans perpendiculaires, le dispositif optique anamorphoseur précédent muni d'un doublet optique selon l'invention.

25 A titre d'exemple, la figure 1 représente le principe de mise en place d'un dispositif anamorphoseur. Sur cette figure, les ensembles optiques sont représentés par des doubles flèches et les rayons lumineux par des traits fins continus. Ce module peut constituer la partie arrière d'un zoom ou d'un objectif à focale fixe. La partie avant ne comporte alors que 30 des surfaces à symétrie de révolution. Le dispositif de la figure 1 doit respecter les contraintes minimales suivantes : - La distance de l'objet X est fixée pour le module anamorphique et est identique dans les plans verticaux et horizontaux. Elle est donnée par la partie avant du zoom ou de l'objectif à focale fixe. 3032039 6 - Dans les deux plans verticaux et horizontaux, l'image après traversée du module anamorphique doit se former dans le même plan P ; - Le rapport d'anamorphose est imposé. Typiquement, il vaut 1.3 ou 2; 5 - La focale horizontale est fixée, les champs et formats étant imposés. Il faut donc au minimum deux groupes optiques A et B séparés, de focales FAV et FBV dans le plan vertical et FAH et FBH dans le plan horizontal.

10 Si l'on suppose que les quantités suivantes sont fixées : - K : rapport d'anamorphose. Il est égal au rapport « focale verticale / focale horizontale » ; - D : encombrement du dispositif anamorphoseur comme indiqué sur la figure 1; 15 - X : position de l'image initiale ; - X' : tirage au premier ordre jusqu'au plan de focalisation P - K' : ratio de la focale horizontale du zoom ou de l'objectif avec l'anamorphoseur sur la focale de base de la partie avant Alors, les caractéristiques FAV, FAH, FBV et FBH sont fixées.

20 La conception optique doit alors respecter dix conditions. La correction séparée des chromatismes des groupes A et B permet aussi de corriger le chromatisme latéral du dispositif anamorphique. Ces conditions sont : - 1 : Correction du chromatisme groupe A, plan horizontal 25 - 2 : Correction du chromatisme groupe A, plan vertical - 3 : Correction du chromatisme groupe B, plan horizontal - 4 : Correction du chromatisme groupe B, plan vertical - 5 : Respect de la focale FAv - 6 : Respect de la focale FAH 30 - 7 : Respect de la focale FBV - 8 : Respect de la focale FBH - 9: Correction des défocalisations thermiques du module anamorphoseur dans le plan horizontal - 10: Correction des défocalisations thermiques du module 35 anamorphoseur dans le plan vertical.

3032039 7 Le respect des conditions 1 à 8 impose l'utilisation de deux matériaux différents par groupe. L'ajout des conditions 9 et 10 impose l'utilisation d'un troisième matériau dans l'un des deux groupes A ou B. On 5 peut également se doter d'un degré de liberté supplémentaire en adaptant le montage mécanique pour recréer un coefficient de dilatation artificiel au niveau des entretoises. La figure 2 représente, dans deux plans de coupe 10 perpendiculaires, un exemple de réalisation de ce type d'anamorphoseur. La propagation des faisceaux sur l'axe est représentée par des traits continus fins. La combinaison optique de cet anamorphoseur 10 comporte : - Cinq lentilles plan/cylindre 11, 13, 14 et 15 et 32, dont deux lentilles collées par leur face plane sur une lentille sphérique 15 12 et 24 ; - Deux lentilles asphériques 23 et 31 de révolution ; - Un doublet sphérique 41, 42 en sortie. Comme il a un grandissement assez important, son déplacement axial par la cale de dilatation permet de parachever l'athermalisation 20 passive. Cette combinaison a été optimisée pour simplifier la réalisation des composants. Ainsi, on utilise des lentilles plans-cylindriques, plus simples à réaliser. Les optiques sont réalisées en verre à haut indice à la fois pour la correction des aberrations chromatiques et pour leur dispersion 25 chromatique élevée, les résidus de chromatisme de la partie avant zoom à compenser étant assez importants dans cet exemple précis. Le design optique de l'anamorphoseur est optimisé pour limiter l'impact du chromatisme axial résiduel de l'avant. Des verres à spectre secondaire réduit ont été utilisés. Le choix des verres a été fait en fonction des coefficients de 30 variation dn/dt en fonction de la température pour réduire au minimum l'astigmatisme en thermique. L'astigmatisme thermique résiduel est compensé par une cale de dilatation qui déplace axialement le dernier doublet sphérique. La solution présentée permet ainsi de rester dans la profondeur de champ de l'objectif. Les dérives thermiques dans le plan de section horizontale sont corrigées en priorité car elles entraînent les chutes 3032039 8 de qualité les plus significatives. Pour compenser intégralement les défocalisations verticale et horizontale, il faudrait alors prévoir deux cales de dilatation différentes. La figure 3 représente un zoom optique anamorphoseur 5 comportant le dispositif optique anamorphoseur précédent. Il comporte une partie avant comprenant les variateurs permettant d'assurer les variations de focale du zoom et une partie arrière constitué par le dispositif anamorphoseur précédent. Dans cet exemple, la partie purement « zoom » 50 comporte cinq 10 lentilles simples et trois doublets à symétrie de révolution. Les défocalisations thermiques ainsi obtenues restent dans la profondeur de champ dans la gamme de température -20°C/+60°C inférieures à 70 pm en direction verticale et l'astigmatisme n'excède pas 65 pm avec le zoom retenu.

15 Cependant, si l'on veut obtenir une athermalisation du dispositif anamorphoseur plus soignée, les dispositions classiques selon l'art antérieur ne suffisent pas. Aussi, le système optique anamorphoseur selon l'invention comporte un ensemble optique anamorphoseur et un doublet optique 20 spécifique. Ce doublet 100 est représenté sur les figures 4 et 5. Les rayons lumineux sont représentés par des flèches sur ces différentes figures. La figure 4 représente le doublet dans deux plans de coupe perpendiculaires à température ambiante et la figure 5 représente le même doublet dans deux plans de coupe perpendiculaires à une température différente de la 25 température ambiante. La différence de température est de quelques dizaines de degrés. Le doublet comporte deux lames 101 et 102. La première lame 101 comporte une face plane 103 et une face cylindrique convexe 105 de rayon R. L'axe du cylindre est contenu dans le plan de coupe horizontale.

30 Cette première lame est réalisée dans un premier matériau ayant un premier indice optique NA déterminé à la température de référence et une première variation dNA/dT dudit premier indice optique en fonction de la température. La seconde lame 102 a une seconde face plane 104 et une seconde face cylindrique concave 106 de même rayon de courbure que la première face 35 convexe. La seconde lame est réalisée dans un second matériau ayant un 3032039 9 second indice optique déterminé NB à une température de référence et une seconde variation dNB/dT dudit second indice optique en fonction de la température, le second indice optique NB étant égal ou très voisin du premier indice optique NA à une température de référence, la première variation dudit 5 premier indice optique étant différente de la seconde variation dudit second indice optique. La première lame et la seconde lame sont collées par leurs faces cylindriques 104 et 106. Elles forment ainsi une lame à faces planes et parallèles. Comme on le voit sur la figure 4, à la température de référence, la 10 lame a un indice optique équivalent unique. Par conséquent, sa puissance optique est nulle selon les deux axes horizontal et vertical. Un rayon lumineux qui la traverse n'est pas dévié. A l'inverse, lorsque la température varie, l'indice optique de la première lame n'est plus identique à celui de la seconde lame. Dans le plan de coupe horizontal, la lame n'a toujours pas de 15 puissance optique. Le rayon n'est pas dévié. A l'inverse, dans le plan de coupe vertical, sa puissance optique n'est plus nulle, compte-tenu du rayon de courbure qui sépare les deux lames et le rayon lumineux est dévié. Ainsi, le doublet crée un astigmatisme thermique à une température différente de la température ambiante.

20 Le premier matériau, le second matériau et le rayon de courbure commun sont choisis de sorte que cet astigmatisme thermique corrige le premier astigmatisme thermique de l'ensemble optique anamorphoseur dans une gamme de température déterminée. Cet exemple n'est pas limitatif. Les faces 103 et 104 peuvent être 25 sphériques. Elles provoquent des défocalisations quand la température varie, mais pas d'astigmatisme thermique, contrairement à la surface de collage 105-106. Certains verriers ont été amenés à développer des équivalents sans plomb pour certains verres en comportant. Ces verres équivalents ont 30 des indices optiques et des dispersions chromatiques, par principe, très proches de ceux des verres originaux. Par contre, leur composition étant différente, leur variation d'indice en fonction de la température est différente. Par exemple, la société Schott a dans son catalogue des verres de référence SFX et NSFX, X étant un nombre correspondant à une 35 référence de la société Schott dont les indices optiques à la température de 3032039 10 20 degrés sont très proches. On citera, à titre d'exemple, les couples de verre suivants NSF11/SF11 et NSF57/SF57. NSF11 dont l'indice optique NA est égal à 1.79192 à la longueur d'onde de 546 nm et dont la variation d'indice optique dNA/dT à la 5 température ambiante est égal à 2.4.10-6PC. SF11 dont l'indice optique NA est égal à 1.7919 à la longueur d'onde de 546 nm et dont la variation d'indice optique dNA/dT à la température ambiante est égal à 12.9.10-6/°C NSF57 dont l'indice optique NA est égal à 1.85504 à la longueur 10 d'onde de 546 nm et dont la variation d'indice optique dNA/dT à la température ambiante est égal à 2.2.106/°C SF57 dont l'indice optique NA est égal à 1.85504 à la longueur d'onde de 546 nm et dont la variation d'indice optique dNA/dT à la température ambiante est égal à 12.5.10-6/°C 15 Une fois un couple de matériau choisi et connaissant leurs indices optiques et leurs variations d'indice optique en fonction de la température, on peut alors parfaitement définir le rayon de courbure pour obtenir l'astigmatisme thermique souhaité. A titre d'exemple de réalisation 20 représenté sur la figure 6, un système optique comprend un ensemble optique de type objectif anamorphoseur, encore appelé « cartouche anamorphique » 10 tel que représenté sur la figure 2 et un doublet optique 100 selon l'invention tel que représenté sur les figures 3 et 4. Le doublet optique 100 est placé devant cet objectif 10. La figure 6 représente cet 25 ensemble dans un premier plan de coupe vertical et dans un second plan de coupe horizontal. En notant To la température de référence, Fv(To) la focale de la cartouche anamorphique qui correspond à la partie 10 de la figure 3 dans le plan vertical et sR l'astigmatisme résiduel au foyer de l'objectif anamorphoseur et en utilisant les notations précédentes, la relation 30 approchée qui lie le rayon de courbure cylindrique R aux différents paramètres est, en supposant que le module anamorphoseur fonctionne en faisceaux collimatés : R =dN B dN AjFv (To) dT dT (aeRj 8T 3032039 11 Cette relation peut être développée pour intégrer l'épaisseur du joint de colle reliant les deux lames, les épaisseurs et les dilations des rayons de courbure ou aménagée quand le module anamorphoseur ne fonctionne plus en faisceaux collimatés, selon les méthodes connues de l'homme du 5 métier. Le doublet 100 n'est pas nécessairement placé à l'avant du module anamorphique 10 et peut être également placé à un autre endroit du système optique. On choisit avantageusement un emplacement tel que les dérives thermiques induites par le doublet soient amplifiées par les optiques 10 comprises entre ce doublet et le plan focal pour gagner en sensibilité et réduire la valeur du rayon de courbure du cylindre interne au doublet. Le système de la figure 6 peut faire partie d'un système optique plus complexe tel qu'un zoom optique anamorphoseur comme représenté sur la figure 3.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Système optique anamorphoseur, caractérisé en ce qu'il 5 comporte un ensemble optique anamorphoseur (10) et un doublet optique (100) comportant une première lame (101) et une seconde lame (102) collées, ledit ensemble optique anamorphoseur créant un astigmatisme dit thermique dans son plan image, ledit astigmatisme étant nul à une 10 température de référence et étant fonction de la température ; la première lame (101) du doublet ayant une première face cylindrique (105) convexe, la première lame étant réalisée dans un premier matériau ayant un premier indice optique déterminé à la température de référence et une première variation dudit premier indice optique en fonction 15 de la température ; la seconde lame (102) du doublet ayant une seconde face cylindrique (106) concave de même rayon de courbure que la première face convexe, la seconde lame étant réalisée dans un second matériau ayant un second indice optique déterminé à la température de référence et une 20 seconde variation dudit second indice optique en fonction de la température, le second indice optique étant égal au premier indice optique à la température de référence, ladite première variation dudit premier indice optique étant différente de la seconde variation dudit second indice optique, de sorte que : 25 la première lame et la seconde lame étant collées par leurs faces cylindriques, elles forment une lame ayant une puissance optique nulle à la température de référence et présentant un second astigmatisme thermique à une température différente, le premier matériau, le second matériau et le rayon de courbure commun étant choisis de sorte que le second 30 astigmatisme thermique corrige le premier astigmatisme thermique de l'ensemble optique anamorphoseur dans une gamme de température déterminée. 3032039 13
2. 2. Système optique anamorphoseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier matériau et le second matériau sont choisis de façon à avoir des coefficients de dilatation sensiblement identiques.
3. 3. Système optique anamorphoseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier matériau est du verre de référence NSFX de la société Schott et le second matériau est du verre de référence SFX de la société Schott, X étant un nombre correspondant à une référence de la société Schott.
4. 4. Système optique anamorphoseur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le premier matériau est du verre de référence NSF11 de la société Schott et le second matériau est du verre de référence SF11 de la société Schott.
5. 5. Système optique anamorphoseur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le premier matériau est du verre de référence NSF57 de la société Schott et le second matériau est du verre de référence SF57 de la société Schott.
6. 6. Système optique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les faces externes (103, 104) du doublet optiques sont planes. 25
7. 7. Système optique selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les faces externes du doublet optique sont sphériques.
8. 8. Système optique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le doublet optique est placé dans l'ensemble optique 30 anamorphoseur de façon à amplifier l'astigmatisme thermique créé par ledit doublet grâce au grandissement de la partie optique dudit ensemble optique anamorphoseur comprise entre ledit doublet optique et le plan image.
9. 9. Système optique anamorphoseur selon la revendication 8, 35 caractérisé en ce que l'ensemble optique anamorphoseur étant un objectif optique, le doublet optique est disposé devant ledit objectif optique. 20 3032039 14
10. 10. Système optique anamorphoseur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le système optique anamorphoseur comporte, dans cet ordre, un ensemble optique à focale 5 variable (50) de type zoom, ledit doublet optique (100) et l'ensemble optique anamorphoseur (10).