FR3060771B1

FR3060771B1 - Zoom optique modulaire a format d'image reglable

Info

Publication number: FR3060771B1
Application number: FR1601804A
Authority: FR
Inventors: Damien Bigou; Bruno Coumert; Florence MANEVAL
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 2016-12-20
Filing date: 2016-12-20
Publication date: 2019-08-09
Anticipated expiration: 2036-12-20
Also published as: FR3060771A1

Abstract

Le domaine général de l'invention est celui des zooms optiques. Le système optique (1) selon l'invention est modulaire. Il comporte un premier dispositif optique à focale variable (10, 11, 12), la position axiale de l'image correspondant à chaque focale étant invariante dans le plan de focalisation (20) et un second dispositif optique (13) et au moins un troisième dispositif optique (15), ledit second dispositif optique et ledit troisième dispositif optique comprenant chacun des moyens d'accouplement avec ledit premier dispositif optique à focale variable, l'ensemble formé par l'accouplement du premier dispositif optique et du second dispositif optique formant un premier zoom couvrant un premier format d'image, ledit premier dispositif étant placé à l'avant dudit premier zoom, l'ensemble formé par l'accouplement du premier dispositif optique et du troisième dispositif optique formant un second zoom couvrant un second format d'image différent du premier format d'image ledit premier dispositif étant placé à l'avant dudit second zoom.

Description

Zoom optique modulaire à format d’image réglable

Le domaine de l’invention est celui des objectifs de prise de vue, et plus précisément, celui des zooms optiques à format d’image modifiable. Un zoom classique donne, d’un format de prise de vue variable d’une scène observée, une image de dimension constante sur un détecteur. Un zoom optique à format d’image modifiable permet d’ajuster la dimension de l’image sur le détecteur, c’est-à-dire son format.

Depuis les débuts du cinéma, au fil des évolutions technologiques, plusieurs formats de pellicules puis de capteurs numériques se sont succédé. Les objectifs de prise de vue, à focales fixes ou variables, sont quant à eux généralement calculés pour fournir une image dans un format donné.

Si ces objectifs restent compatibles de tout format d’image de dimension inférieure, il n’en est pas nécessairement de même pour les formats d’images de dimensions plus grandes pour lesquels des problèmes de vignettage provoquant des chutes d’éclairement, des dégradations de la qualité d’image en bord de format. Celles-ci se traduisent par des flous, des inversions de contraste ou des effets chromatiques indésirables.

En effet, certains rayons lumineux traversant l’objectif, et servant à reformer la zone périphérique de l’image qui est hors format, ne sont pas corrigés des aberrations géométriques et produisent ces défauts.

Le changement de format a également un impact sur les caractéristiques de l’objectif de prise de vue, notamment : - sa focale - l’éclairement dans son plan image - sa profondeur de champ - sa fréquence de coupure

Les figures 1 et 2 qui représentent, pour un objectif O, le passage d’un premier format d’image d’une largeur H1 à un second format d’image de largeur H2 supérieure à la largeur H1 montre que pour pouvoir conserver le même format de prise de vue d’angle 20, il est nécessaire d’augmenter également la focale de l’objectif qui passe d’une focale F1 à une focale F2 qui lui est supérieure, le format d’image, la focale de l’objectif et l’angle de prise de vue étant reliés par la formule : H = F. tan (0) L’éclairement E obtenu dans le plan image de l’objectif est égal à :

π. L. T

E =---F 4.JV2

F avec N = — Φ Où F est la focale de l’objectif, Φ est le diamètre de sa pupille, N est le nombre d’ouverture, L représente la luminance de la scène et T est la transmission de l’objectif. L’éclairement dépend donc à la fois de la transmission optique de l’objectif et de son ouverture. Ainsi, pour conserver le même éclairement sur un format d’image plus grand, il faut également conserver l’ouverture de l’objectif.

Lorsque la mise au point d’un objectif O tel que représenté sur la figure 3 est réalisée pour un objet à l’infini, la profondeur de champ de netteté, représentée par la distance Di sur la figure 3, est la distance objet limite pour laquelle un objet est considéré comme étant vu net par l’ensemble composé de l’objectif et du détecteur dont l’élément photosensible P élémentaire est de dimension a. Si a est l’ouverture de l’objectif O, cette distance Di est alors égale, en première approximation à : 2F2. tan a

Dt =------- a

On constate donc que si l’on augmente le format d’un capteur tout en conservant le même nombre de pixels sur ce capteur, la dimension « a » des pixels va augmenter, et à ouverture numérique constante, Di va diminuer et la profondeur de champ va augmenter.

La fréquence de coupure de l’objectif est égale à : _ 1 v° “ wTÂ Où λ représente la longueur d’onde, et N le nombre d’ouverture de l’objectif. La fréquence de coupure de l’objectif ne dépend donc que du nombre d’ouverture de l’objectif.

Une première solution simple pour résoudre le problème du changement de format consisterait à calculer systématiquement des objectifs basés sur le plus grand format d’image existant. Cependant, ce format peut ultérieurement être amené à s’élargir. Par ailleurs, cette solution nécessiterait de faire des compromis sur les performances de l’objectif, notamment sur la qualité d’image des formats de dimensions inférieures. Enfin, en s’imposant un format d’image très large lors de la conception du système, cela a nécessairement des conséquences sur la masse et le coût des objectifs. Les optiques, de plus grandes dimensions, sont alors plus onéreuses mais également plus lourdes. Une masse trop élevée peut également gêner l’opérateur lors de certaines prises de vues.

Par conséquent, pour éviter ces difficultés, une seconde solution consiste à dédier les objectifs de prise de vue à un format d’image donné. Ainsi, lorsque l’on souhaite élargir un format d’image, il est souvent nécessaire de calculer un nouvel objectif dédié à ce nouveau format d’image. On garantit ainsi que le nouvel objectif présente une qualité d’image optimale pour le nouveau format en question. En revanche, cela oblige les industriels et les utilisateurs à développer et à constituer des gammes de produits liées à chaque format d’image. Il en résulte des coûts de développement et de production élevés pour l’industriel et des coûts d’achat importants pour les utilisateurs. La multiplicité des formats entraîne des problèmes d’obsolescence des zooms associés.

Une troisième solution consiste à intercaler un module optique supplémentaire à l’intérieur de l’objectif, de façon à modifier sa focale, par conséquent, à modifier également son format d’image et son ouverture. Ces modules sont généralement intercalés à l’avant ou à l’arrière de l’objectif de prise de vue. L’utilisateur peut ainsi facilement les monter ou les démonter. Ainsi, le multiplicateur connu sous la marque « PLx2 Extender » de la société IB/E Optics peut venir s’intercaler à l’arrière d’un système optique. A titre d’exemple, les figures 4 et 5 illustrent cette solution. La figure 4 représente un zoom 1dans sa configuration en longue focale. Ce zoom 1 comporte quatre groupes de lentilles notés 10, 11, 12 et 13. Les groupes de lentilles 11 et 12 sont mobiles comme indiqué par les doubles flèches et permettent de faire varier la focale du système tout en conservant en permanence une image nette dans le plan focal 20 qui est fixe. Le changement de format de ce zoom est illustré sur la figure 5. A l’arrière du groupe 13, on a ajouté un groupe supplémentaire ou « adaptateur» 14 qui a pour effet de modifier le format. Dans le cas de la figure 5, le nouveau format dans le nouveau plan focal 20 est 1.4 fois supérieur à l’ancien format.

Cette dernière solution est intéressante dans la mesure où il n’est pas nécessaire de concevoir totalement de nouveaux objectifs de prise de vue. Par ailleurs, elle convient mieux aux utilisateurs pour lesquels il est plus aisé de s’équiper d’adaptateurs de formats qui sont peu encombrants et peu chers. L’inconvénient de ces adaptateurs est qu’ils ont souvent tendance à dégrader la qualité d’image, d’autant plus si leur grandissement est élevé, c’est-à-dire si le rapport des formats d’images avant et après la modification de format est élevé. On comprend donc qu’en utilisant ces adaptateurs de format d’image, il est nécessaire de faire des compromis entre le coût du produit et sa qualité d’image.

Le zoom optique selon l’invention est un zoom optique modulaire dont le format d’image peut être adapté, agrandi ou rétréci avec ou sans modification du format de prise de vue. Contrairement aux adaptateurs de format évoqués précédemment, le format d’image est modifié non pas en ajoutant un module optique au zoom, mais en remplaçant un sous-ensemble optique par un nouveau sous-ensemble qui permette de couvrir la nouvelle dimension de format d’image, tout en garantissant une qualité d’image optimale. II n’est donc pas nécessaire de faire de compromis sur la qualité optique finale du système, tout en conservant un aspect modulaire, c’est-à-dire utilisable pour différents formats.

Plus précisément, l’invention a pour objet un système optique modulaire de type zoom, caractérisé en ce que ledit système optique modulaire comporte un premier dispositif optique à focale variable, la position axiale de l’image correspondant à chaque focale étant invariante dans le plan de focalisation et un second dispositif optique et au moins un troisième dispositif optique, la combinaison optique du troisième dispositif optique ne comportant pas la combinaison optique du second dispositif optique et réciproquement, ledit second dispositif optique et ledit troisième dispositif optique comprenant chacun des moyens d’accouplement avec ledit premier dispositif optique à focale variable, l’ensemble formé par l’accouplement du premier dispositif optique et du second dispositif optique formant un premier zoom couvrant un premier format d’image, ledit premier dispositif étant placé à l’avant dudit premier zoom, l’ensemble formé par l’accouplement du premier dispositif optique et du troisième dispositif optique formant un second zoom couvrant un second format d’image différent du premier format d’image ledit premier dispositif étant placé à l’avant dudit second zoom.

Avantageusement, les aberrations optiques du premier dispositif optique sont corrigées par le second dispositif optique lorsqu’ils sont accouplés et les aberrations optiques du premier dispositif optique sont corrigées par le troisième dispositif optique lorsqu’ils sont accouplés.

Avantageusement, les moyens d’accouplement du second dispositif optique et du troisième dispositif optique comportent des réglages mécaniques d’usine de façon que la correction des aberrations optiques du premier dispositif optique soient réalisées sous un seuil de tolérance donnée.

Avantageusement, les tolérances mécaniques de positionnement des moyens d’accouplement sont inférieures à un seuil déterminé correspondant à un seuil de dégradation d’image acceptable dans chaque format d’image. 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 :

Les figures 1 et 2 déjà commentées représentent les conséquences d’un changement de format sur la focale d’un objectif optique ;

La figure 3 précédemment commentée représente l’influence du changement de tirage sur la profondeur de champ d’un objectif O ;

Les figures 4 et 5 représentent une solution optique pour changer le format d’un zoom selon l’art antérieur ;

La figure 6 représente un système optique modulaire selon l’invention ;

Les figures 7, 8 et 9 représentent un système optique centré composé de deux sous-systèmes ;

Les figures 10, 11 et 12 représentent les défauts d’alignement dans un système optique décentré composé de deux sous-systèmes.

Un système optique modulaire selon l’invention comporte un premier dispositif optique à focale variable, la position axiale de l’image correspondant à chaque focale étant invariante dans le plan de focalisation et un second dispositif optique et au moins un troisième dispositif optique, la combinaison optique du troisième dispositif optique ne comportant pas la combinaison optique du second dispositif optique et réciproquement, ledit second dispositif optique et ledit troisième dispositif optique comprenant chacun des moyens d’accouplement avec ledit premier dispositif optique à focale variable, l’ensemble formé par l’accouplement du premier dispositif optique et du second dispositif optique formant un premier zoom couvrant un premier format d’image, ledit premier dispositif étant placé à l’avant dudit premier zoom, l’ensemble formé par l’accouplement du premier dispositif optique et du troisième dispositif optique formant un second zoom couvrant un second format d’image différent du premier format d’image ledit premier dispositif étant placé à l’avant dudit second zoom. A titre d’exemple, on a vu que pour modifier le zoom 1 de la figure 4, il est possible d’ajouter l’adaptateur 14 à l’arrière du groupe 13 du zoom avec les inconvénients connus. Dans le système modulaire selon l’invention, on enlève la partie arrière 13 fixe du zoom pour la remplacer par un nouveau groupe arrière 15. Dans la mesure où l’optimisation porte sur l’ensemble du groupe arrière, les performances optiques sont supérieures pour des coûts et des encombrements équivalents.

Dans un tel zoom optique à module interchangeable, le module optique doit être changé par un utilisateur final sans que ce dernier n’ait à retoucher aux éventuels réglages d’usine présents sur le zoom et qui servent à ajuster la qualité d’image du système. Ceci est rendu possible à certaines conditions détaillées ci-dessous.

Le zoom modulaire selon l’invention comprend donc deux modules reliés par des moyens d’accouplement mécanique. On considère le système optique de la figure 7, composé de deux sous-ensembles optiques ou « modules » ΣΑ et ΣΒ référencés dans un repère (x, y, z) comme indiqué sur la figure 7. Le plan focal de l’ensemble des deux modules est noté Pf. Dans l’espace optique intermédiaire qui est situé entre ces deux modules optiques, la pupille P peut être réelle ou virtuelle, matérielle ou immatérielle. Le rayon lumineux Rm représente le rayon marginal du champ sur axe. II en pointillés courts sur la figure 7. Le rayon lumineux Rp représente le rayon principal du champ maximal. II est représenté en traits continus. Le rayon lumineux R représente un rayon lumineux quelconque, pour un angle d’ouverture et un champ intermédiaires. II est représenté en traits pointillés longs. Pour que ce système optique soit corrigé des aberrations, l’écart normal aberrant du module ΣΑ doit être compensé par l’écart normal aberrant du module ΣΒ.

Pour simplifier le raisonnement, dans ce qui suit, on se limite à l’étude des aberrations d’ordre 3, mais les explications qui suivent restent valables dans le cas des aberrations d’ordre supérieur. Les écarts normaux aberrants à l’ordre 3 sont les suivants : 4*0, y, φ, Ψ) = Su. à* + à’y.œs(r - O + Sno. h2y2. cos(2(> - ψ)) + -%*· ây3.cos O - ψ) - 0) + SfaiJry\cos(2(^ - ψ)) +fc2y2+iy3.côs (9 ~ Où h représente l’angle d’ouverture normalisé du rayon quelconque pris dans le plan de la pupille P, y représente son champ radial normalisé pris dans le plan focal Pf, φ l’angle d’azimut orthoradial dans la pupille et ψ l’angle d’azimut dans le champ comme représenté sur les figures 8 et 9. Sur ces figures, l'impact du rayon R est représenté par un cercle noir.

Les coefficients Si, Su, Sm, SiV et Sv représentent respectivement l’aberration sphérique, la coma, l’astigmatisme, la courbure de champ et la distorsion de chaque module.

Pour que le système optique complet soit corrigé de ces aberrations, il est nécessaire d’avoir Δα + Δβ = 0 pour n’importe quel rayon quelconque défini par ses coordonnées (h, y, φ, ψ), ce qui implique les égalités suivantes notées formules I entre les coefficients d’aberrations : S1,B ~ ~^Α

SjljB = ~^π,Α ^ΠΙ,Β = —

^V,B = ~ SVfA

Les égalités des formules I sont nécessairement vérifiées si les égalités suivantes notées formules II le sont : ^Ι,Β = ®1,Α = θ $Π,Β = ^π,Α = θ ^ΠΙ,Β = $ΤΠ,Α ~ θ $ΐν,Β = = θ

SvfB ~ ^VfA = θ

Si les formules II sont vérifiées, cela signifie que les modules Σα et Σβ sont tous les deux corrigés des aberrations. Ainsi, si l’on assemble les deux modules en respectant les conjugaisons de champ et de pupille, mais qu’il subsiste des défauts d’alignements tels que du défaut de centrage entre ces deux modules, l’ensemble ΣΑ+ΣΒ reste optiquement corrigé des aberrations. On appelle cette configuration « configuration 1».

Dans cette configuration 1, il faut régler indépendamment chaque module, de sorte à s’assurer que le système optique est corrigé des aberrations dans l’espace intermédiaire. Cela permet de garantir que tout défaut d’alignement de l’un par rapport à l’autre n’a pas d’impact significatif sur la qualité d’image du système complet.

Cette solution est davantage contraignante pour la conception du système, car elle nécessite des contraintes de calcul et de réglages supplémentaires. En revanche, elle laisse libre choix à l’utilisateur d’appairer comme bon lui semble un quelconque module avant avec un quelconque module arrière sans que cela ne dégrade la qualité d’image du système complet.

Si seules les formules I sont vérifiées, cela signifie que le système n’est pas corrigé des aberrations dans l’espace intermédiaire situé entre Σα et ZB. On l’appelle « configuration 2 ». Dans ce dernier cas, tout défaut d’alignement de ΣΒ par rapport à ΣΑ donne lieu à des défauts d’imagerie sur le système ΣΑ+ΣΒ. Le paragraphe qui suit explique la nature et l’amplitude de ces défauts d’imagerie.

On considère le système optique de la figure 10 représenté dans le repère (x, y, z). Il est toujours composé de deux sous-ensembles optiques ou « modules » ΣΑ et ΣΒ. Le module ΣΑ est décentré puis basculé par rapport au module ΣΒ. L’axe xA.x’A représente l’axe optique du module ΣΑ, tandis que l’axe xB.x’B représente l’axe optique du module ΣΒ.

Ce dernier est choisi comme référence d’axe. La pupille P et le champ C dans l’espace intermédiaire situé entre les deux modules, ont respectivement pour centres les points P2 et O2. L’axe optique xA.x’A coupe la pupille P en ΡΊ et coupe le champ C en O1. Le système optique n’est pas corrigé des aberrations dans cet espace intermédiaire, mais le système complet est corrigé des aberrations.

Si I et B sont les points d’impact d’un rayon lumineux quelconque respectivement dans le plan P et dans le plan C, on note alors h! la distance P1I, h2 la distance P2I, yi la distance O1B, y2 la distance O2B. De la même façon, on définit, à partir de l’axe y, les angles φ-ι, φ2, Ψ1 et Ψ2 comme on peut le voir sur les figures 11 et 12. Les défauts d’alignements r égal à P2P1 dans le plan de la pupille intermédiaire et p égal à Ο2Ο1 restent généralement de faible amplitude devant h1( h2, yi et y2, on peut donc définir les paramètres suivants: h = ht = h2 y=y1=y2 φ = φι = φ2 ψ=ψ1 = ψ2

Concernant les coefficients d’aberrations, on pose également :

Si = S ία = -Si,b

Su = Su,a = -Su,B

Siii = Siu,a = -Siii,b

Siv = Siv,A = -SlV,B

Sv = Sv,A = -Sv,B

Et on montre que de nouvelles aberrations provoquant des défauts d’imagerie ayant pour écart normal aberrant Δ’, sont créées par ces défauts d’alignement.

A fl β, SjfS

Dans cette configuration 2, le module arrière doit être assemblé au module avant, et les éventuels réglages d’aberrations doivent porter sur l’ensemble du système. L’utilisateur se voit ensuite confier le module avant, avec les modules arrières qui lui sont dédiés et pour lesquels l’interchangeabilité doit se faire sans qu’il n’y ait de dégradation significative de la qualité d’image du système.

Dans ce cas, il est donc nécessaire que les moyens d’accouplement des différents dispositifs optiques du système modulaire comportent des réglages mécaniques d’usine de façon que la correction des aberrations optiques d’alignement et d’excentrement soit réalisée sous un seuil de tolérance donnée. Plus précisément, les tolérances mécaniques de positionnement des moyens d’accouplement doivent être inférieures à un seuil déterminé correspondant à un seuil de dégradation d’image acceptable dans chaque format d’image. L’avantage de cette configuration 2 par rapport à la configuration 1 est qu’il n’est pas nécessaire de garantir une bonne correction des aberrations dans l’espace intermédiaire qui sépare les modules avant et arrière. Les défauts d’alignement de l’un par rapport à l’autre sont reproductibles dans la mesure où l’on utilise toujours la même interface mécanique et où ces défauts sont compensés par réglage. Il est donc possible de relâcher cette contrainte de calcul lors de la conception du zoom, au profit d’une simplification de la combinaison optique ou de l’amélioration de sa qualité d’image pour différents formats.

Claims

Revendications amendées (VERSION PROPRE)
1. Zoom modulaire de prise de vues, caractérisé en ce que ledit zoom modulaire comporte un premier dispositif optique à focale variable (10, 11, 12), la position axiale de l’image correspondant à chaque focale étant invariante dans le plan de focalisation (20) et un second dispositif optique (13) et au moins un troisième dispositif optique (15), la combinaison optique du troisième dispositif optique ne comportant pas la combinaison optique du second dispositif optique et réciproquement, ledit second dispositif optique et ledit troisième dispositif optique comprenant chacun des moyens d’accouplement avec ledit premier dispositif optique à focale variable, l’ensemble formé par l’accouplement du premier dispositif optique et du second dispositif optique formant un premier zoom couvrant un premier format d’image, ledit premier dispositif étant placé à l’avant dudit premier zoom, les aberrations optiques du premier dispositif optique étant corrigées par le second dispositif optique pour ledit premier format d’image lorsqu’ils sont accouplés, l’ensemble formé par l’accouplement du premier dispositif optique et du troisième dispositif optique formant un second zoom couvrant un second format d’image différent du premier format d’image, ledit premier dispositif étant placé à l’avant dudit second zoom, les aberrations optiques du premier dispositif optique étant corrigées par le troisième dispositif optique lorsqu’ils sont accouplés pour ledit second format d’image.