FR3075988A1 - Module de focalisation pour un systeme d'imagerie optique - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un module de focalisation pour un système d'imagerie optique. Le module comprend deux lames prismatiques (2, 3) ayant un même indice de réfraction et un même angle au sommet. Les lames (2,3) sont positionnées l'une par rapport à l'autre avec leurs sommets opposés et les deux faces internes de chaque lame en regard l'une de l'autre de manière à former conjointement une lame optique (1) à faces parallèles. L'épaisseur entre les deux faces parallèles varie lorsqu'une des lames prismatiques (2, 3) est mobile par rapport à l'autre suivant un déplacement parallèle aux deux faces internes en regard.

Description

MODULE DE FOCALISATION POUR UN SYSTEME D'IMAGERIE OPTIQUE

La présente invention concerne un module de focalisation pour un système d'imagerie optique.

Les systèmes d'imagerie optique comprennent généralement un ensemble regroupant une ou plusieurs lentilles et, éventuellement, un ou plusieurs miroirs agencés de façon à produire une image d'un objet à observer. Cette image peut être observée directement à l'œil nu, ou focalisée sur un capteur de façon à être restituée en vue de son affichage ou de son analyse. De tels systèmes sont, par exemple, des appareils photographiques, des télescopes, des jumelles, des viseurs ou des caméras. Ces systèmes ont un plan de formation d'image qui se déplace axialement en fonction de la distance de l'objet à observer. Un dispositif de focalisation est généralement utilisé pour former une image nette. Les systèmes à grand champs et/ou faible ouverture ayant une grande profondeur de champ peuvent toutefois ne pas nécessiter de dispositif de focalisation.

En outre, en conditions opérationnelles, ces systèmes d'imagerie optique sont soumis à des variations de température. Deux phénomènes conjugués liés aux variations de température, à savoir la variation des indices des matières optiques et la dilatation des composants optiques et de leurs supports, vont généralement induire une défocalisation dans ces systèmes. Ce phénomène de défocalisation peut être compensé par un choix judicieux des matières optiques et mécaniques ou par un système de compensation mécanique (cales de dilatation). Cependant, ces solutions peuvent imposer de fortes contraintes sur la conception opto-mécanique des systèmes d'imagerie optique.

La majorité des systèmes optiques nécessitent donc d'avoir un dispositif de focalisation.

Selon l'état de l'art, la focalisation est réalisée par le déplacement axial d'un composant (une ou plusieurs lentilles ou éventuellement du capteur s'il y en a un). Plusieurs éléments sont à prendre en considération lors de la conception d'un tel dispositif : les masses à déplacer, la course et la précision du déplacement, le temps alloué à la refocalisation ainsi que les aberrations optiques qui peuvent découler du déplacement du composant. On pourra citer entre-autres les difficultés suivantes: • Une masse importante à déplacer demande une conception mécanique robuste et donc volumineuse, d'autant plus si cette focalisation doit être motorisée. En raison de l'inertie, le temps de focalisation peut en être affecté. • Une course trop importante peut également affecter le temps de focalisation. • Une précision de déplacement requise élevée vis-à-vis de la course de déplacement impliquera un module cinématique élaboré et donc onéreux pour ne pas altérer la qualité de l'image. • Des aberrations optiques générées par le déplacement du composant peuvent être rédhibitoires vis-à-vis de la qualité finale de l'image. • Le déplacement d'un capteur est souvent délicat à cause de son câblage et de l'électronique de proximité.

De plus, certains systèmes d'imagerie en particulier dans l'infrarouge peuvent avoir une très grande ouverture (nombre d'ouverture proche de 1). Cette grande ouverture impose une profondeur de foyer (la zone dans laquelle l'image est nette) de très petite dimension. Cela impose une très grande précision de position de l'élément servant à la focalisation, tout en assurant une plage de position possible afin d'assurer la mise au point du système optique en fonction de l'objet visé. De plus, le système mécanique de déplacement de l'élément de focalisation doit être exempt de tout problème d'hystérésis, ce qui rend le système mécanique complexe et donc coûteux à réaliser. L'invention vise à remédier à au moins un des inconvénients précités en proposant un module de focalisation amélioré pour un système d'imagerie optique en introduisant un facteur d'échelle important (a minima d'un ordre de grandeur entre le déplacement de l'élément servant à la focalisation et le déplacement du plan image).

Selon un premier aspect, l'invention a ainsi pour objet un module de focalisation pour un système d'imagerie optique. Le module de focalisation comprend un ensemble de deux lames prismatiques ayant un même indice de réfraction et un même angle au sommet, les lames prismatiques étant positionnées l'une par rapport à l'autre avec les sommets opposés de manière à former conjointement une lame optique présentant une épaisseur qui s'étend entre les deux faces parallèles de la lame optique le long d'un axe, les lames prismatiques étant ainsi positionnées de manière à ce que, d'une part, l'une des deux faces de chaque lame prismatique constitue une des deux faces parallèles de la lame optique et, d'autre part, les deux autres faces internes respectives des deux lames prismatiques soient disposées en regard l'une de l'autre et parallèles entre elles, au moins une des lames prismatiques étant mobile par rapport à l'autre suivant un déplacement parallèle aux deux faces internes en regard de manière à faire varier l'épaisseur de la lame optique à faces parallèles le long de l'axe.

En d'autres termes les deux lames prismatiques sont disposées tête-bêche de façon à ce que, d'une part, les faces ou dioptres (généralement plans) externes de ces lames prismatiques soient sensiblement parallèles et constituent les faces d'entrée et de sortie respectives de la lame optique à faces parallèles et, d'autre part, leurs faces ou dioptres (généralement plans) internes respectifs soient parallèles et puissent coulisser l'un par rapport à l'autre. Cet agencement permet d'obtenir un ensemble équivalent à une lame optique à faces parallèles dont l'épaisseur varie lorsque l'on fait coulisser au moins une des faces internes l'une par rapport à l'autre, parallèlement à elle-même. Ainsi, pour un objet A situé sur l'axe précité qui est typiquement perpendiculaire à la face d'entrée de la lame optique, son image A' à travers le module de focalisation (module à lame optique) peut être déplacée (A") le long de cet axe lors du déplacement d'au moins une des lames prismatiques dans un plan sensiblement parallèle aux faces internes.

Le déplacement (latéral) d'une ou des lames prismatiques suivant une course ou amplitude donnée engendre un déplacement axial de course ou d'amplitude réduite d'une image à travers le module de focalisation. Un tel agencement permet ainsi de contrôler de manière assez fine (précision de l'ordre du micromètre dans la sensibilité de positionnement) un déplacement axial optique à partir d'un déplacement mécanique qui est relativement facile à contrôler. Autrement dit, le module est un module de focalisation « fine » qui permet d'ajuster finement la focalisation afin de tenir compte des besoins du système optique intégrant le module.

La présence du module de focalisation dans un système optique d'imagerie se traduit par un décalage de l'image d'un objet par rapport à son emplacement en l'absence de la lame. Lorsque l'épaisseur de la lame optique varie, ce décalage varie également. Ainsi, lorsque le module de focalisation est intégré dans un système d'imagerie optique, il est possible de déplacer axialement le plan de l'image formée par le système optique en faisant varier l'épaisseur de la lame optique à faces parallèles du module lors des variations de distance de l'objet ou de température.

Dans un mode de réalisation particulier, il est possible de combiner un module de focalisation selon l'invention avec un système de focalisation classique (comme un système déplaçant une lentille) de façon à pouvoir assurer à la fois la précision de focalisation recherchée avec une grande amplitude de focalisation, cette amplitude étant obtenue par le système de focalisation classique (focalisation grossière) et la précision, ensuite, par le module de focalisation selon l'invention (focalisation fine).

Selon d'autres caractéristiques possibles : - le module comprend en outre un mécanisme de déplacement qui est apte à déplacer ladite au moins une lame prismatique de manière à faire varier l'épaisseur de la lame optique à faces parallèles le long de l'axe ; - les deux lames prismatiques sont disposées de façon à ce que leurs deux faces internes respectives en regard soient en contact l'une avec l'autre, ces faces étant aptes à glisser l'une sur l'autre ; - les deux lames prismatiques sont disposées de façon à ce que leurs deux faces internes respectives en regard soient écartées l'une de l'autre ; - plus particulièrement, les deux faces internes respectives en regard des lames prismatiques sont séparées par une lame d'air de façon à réduire les frottements ; - alternativement, les deux faces internes respectives en regard des lames prismatiques sont séparées l'une de l'autre par une lame de liquide disposée entre les faces internes ;ce liquide peut être, par exemple, un liquide d'indice ayant un indice de réfraction proche de celui des lames prismatiques ; le liquide peut aussi être un lubrifiant.

Selon un deuxième aspect, l'invention a pour objet un dispositif de focalisation pour un système d'imagerie optique, le dispositif comprenant un module de focalisation selon le premier aspect ainsi qu'un module de contrôle qui est apte à recevoir un signal de contrôle de focalisation, à déterminer une valeur de déplacement de ladite au moins une lame prismatique en fonction du signal de contrôle et à asservir le module de focalisation en fonction de la valeur ainsi déterminée pour refocaliser une image du système d'imagerie optique.

Selon un troisième aspect, l'invention concerne un système d'imagerie optique comprenant : - une ou plusieurs lentilles (et éventuellement un ou plusieurs miroirs) agencées de façon à produire une image d'un objet à observer, - un dispositif de focalisation selon le deuxième aspect et dans lequel le dispositif de focalisation est disposé à l'intérieur du système d'imagerie optique de façon à pouvoir déplacer l'image de l'objet le long de l'axe du dispositif de focalisation qui correspond à l'axe optique du système d'imagerie optique. Plus particulièrement, le dispositif de focalisation est disposé à l'intérieur du système d'imagerie de façon à ce que les faces externes des lames prismatiques (correspondant aux faces externes de la lame optique à faces parallèles équivalente) soient sensiblement perpendiculaires (la tolérance angulaire qui dépend des caractéristiques du système d'imagerie peut être importante) à l'axe optique du système d'imagerie.

Le module selon le premier aspect exposé ci-dessus présente de nombreux avantages.

Pour remplir sa fonction, le module est placé dans un espace optique où l'image n'est pas située à l'infini. Le module peut être avantageusement placé à un endroit où le faisceau optique a un diamètre réduit de façon à réduire son encombrement et sa masse.

Le facteur d'échelle (rapport entre le déplacement de la lame prismatique mobile et le déplacement de l'image) est généralement élevé, c'est-à-dire que l'on a un déplacement faible de l'image pour un déplacement important de la lame prismatique. Cette « démultiplication » est particulièrement adaptée aux systèmes optiques de grande ouverture demandant une grande précision de focalisation.

Ce facteur d'échelle est adaptable en ce sens qu'il dépend de l'angle au sommet des lames prismatiques et de leur indice. Il peut donc être modifié en fonction des besoins propres du système optique. Compte tenu des variations d'indices possibles, surtout dans le domaine visible, c'est surtout le choix de l'angle au sommet qui impacte au premier ordre le facteur d'échelle.

Le module est invariant vis-à-vis de sa position axiale et transversale et est très peu sensible à sa position angulaire. Son intégration dans un système optique est donc facilitée par des tolérances de positionnement larges qui n'impacteront pas la qualité finale de l'image. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels : la figure 1 représente un ensemble de lames prismatiques d'un module de focalisation selon un mode de réalisation de l'invention ; la figure 2 représente l'ensemble de lames prismatiques de la figure 1 avec une des lames prismatiques décalée latéralement ; la figure 3 représente un ensemble de lames prismatiques d'un module selon un autre mode de réalisation de l'invention ; la figure 4a représente une vue de dessus d'un mécanisme de déplacement d'un module selon un mode de réalisation de l'invention ; la figure 4b représente une vue isométrique du mécanisme de déplacement d'un module de la figure 4a ; la figure 5 représente de manière schématique un système d'imagerie optique intégrant un module de focalisation selon un mode de réalisation de l'invention ; la figure 6 représente un objectif d'un système d'imagerie classique; les figures 7, 8a et 8b illustrent la qualité optique de l'objectif de la figure 6 à différentes températures ; la figure 9a représente un objectif d'un système d'imagerie selon un mode de réalisation de l'invention ; et les figures 9b, 10a et 10b illustrent la qualité optique de l'objectif de la figure 9a à différentes températures.

La figure 1 représente un ensemble 1 de deux lames prismatiques ou prismes 2, 3 d'un module de focalisation (ou module de lame optique) selon un mode de réalisation de l'invention. Chaque lame prismatique 2, 3 est une lame réalisée généralement dans un matériau ou milieu transparent, homogène et apte à transmettre la lumière aux longueurs d'onde souhaitées (par exemple un matériau optique tel que du BK7, du saphir ou du silicium). Les deux faces (ou dioptres) de chaque lame, à savoir, d'une part, les faces 4 (face interne) et 6 pour la lame 2 et, d'autre part, les faces 5 (face interne) et 7 pour la lame 3, qui délimitent extérieurement la lame ne sont pas parallèles entre elles. Ces deux faces forment entre elles un angle appelé angle au sommet et noté Θ sur la figure. Cet angle est le même pour les deux lames prismatiques. Les deux faces de chaque lame se coupent à une extrémité et forment une arête et sont réunies à leur extrémité opposée par une troisième face appelée base 2a, 3a. La section transversale de chaque lame sur la figure 1 forme un triangle qui est ici rectangle. Toutefois, d'autres formes de triangles peuvent être envisagées.

Bien que non représenté, chaque lame s'étend dans une direction perpendiculaire au plan de la figure 1 qui ne représente qu'une section transversale de la lame.

Les deux lames prismatiques 2, 3 sont positionnées l'une par rapport à l'autre de manière à former conjointement une lame optique à faces parallèles 1, ou lame d'indice. La lame optique 1 a une épaisseur e qui s'étend suivant un axe 8 traversant la lame de manière sensiblement perpendiculaire à ses faces parallèles.

Dans l'exemple représenté, les deux lames prismatiques 2, 3 sont de forme identique.

Plus particulièrement, les deux lames 2, 3 sont montées tête bêche l'une par rapport à l'autre, c'est-à-dire avec leurs sommets respectifs disposés de manière opposée l'un par rapport à l'autre. Ainsi, les faces 6, 7 constituent respectivement la face d'entrée 6 et la face de sortie 7 de la lame 1, tandis que les faces internes 4, 5 sont agencées en regard l'une de l'autre et parallèles entre elles. On notera que les différentes faces sont généralement planes mais certaines variations locales de niveau peuvent toutefois être envisagées.

Dans cet exemple, les faces internes 4, 5 sont en contact l'une avec l'autre.

Les lames prismatiques 2, 3 ont le même indice de réfraction n.

On notera que les lames prismatiques du module peuvent alternativement ne pas avoir la même forme, les seules contraintes à respecter étant l'angle au sommet et l'indice identiques. L'une peut être plus longue que l'autre. Par ailleurs, les deux faces inclinées délimitant le matériau ou milieu transparent et homogène de chaque lame (ou d'une seule des deux lames) peuvent, dans la partie la plus mince de la lame, ne pas se couper suivant une arête comme représenté sur la figure 1, mais déboucher sur une face d'extrémité, formant ainsi une partie mince de lame tronquée.

La figure 1 illustre également un faisceau optique convergent au point A en l'absence de la lame optique 1. Le point A' désigne le point de convergence lorsque le faisceau convergent traverse la lame 1. Les points A et A' se trouvent sur l'axe optique 8 d'un système optique (non représenté) produisant le faisceau convergent. Le décalage axial entre le point A et le point A' est induit par la réfraction de la lumière dans la lame 1, due à la différence des indices de réfraction de la lame et de l'air.

La figure 2 montre le même ensemble de lames prismatiques 2, 3. Une des lames prismatiques 3 a été déplacée latéralement ou transversalement relativement à l'axe 8 en faisant glisser sa face interne 5 sur la face interne 4 de l'autre lame prismatique 2. La distance de déplacement de la deuxième lame prismatique 3 par rapport à la première 2 selon la direction de l'hypoténuse des lames prismatiques (déplacement parallèle aux faces internes 4, 5) est désignée par /. Ainsi, suite à ce décalage, l'épaisseur e'au niveau de l'axe optique 8 est réduite par rapport à l'épaisseur e de la lame 1 non modifiée de la figure 1. L'épaisseur e' varie en fonction du déplacement / suivant la formule: e' = e - / sine

Par conséquent, le faisceau optique converge au point A" qui est décalé axialement par rapport au point A'. Le déplacement du point A' au point A" qui est induit par le déplacement de la deuxième lame prismatique 3 s'exprime comme suit : A'A" = -(/ sin0)(l-l/n)

Le module de focalisation permet ainsi de déplacer axialement une image formée en un point A' en un point A". Ce déplacement axial permet de refocaliser une image d'un objet lorsque celle-ci est défocalisée, par exemple suite à un changement de température ou de la distance de l'objet.

On notera que le résultat est le même en déplaçant alternativement la lame 2.

Un déplacement approprié (simultané ou non) des deux lames peut alternativement être envisagé.

Le facteur d'échelle représenté par l'expression (sin0(l-l/n)) dépend de l'angle au sommet et de l'indice des lames prismatiques. Il peut donc être ajusté en fonction des besoins du système optique qui fait intervenir le module.

Si le besoin est de déplacer le plan image de 0,5mm avec une résolution de 2 pm on peut prendre deux lames prismatiques d'angle au sommet 15° et d'indice 1,5. Le déplacement induit A'A" prend alors la valeur de 0,086 / (facteur d'échelle de 0,086).

Pour avoir un déplacement de l'image de 0,5mm avec une résolution de 2 pm, il faut déplacer la lame prismatique 3 de 5,8mm avec une résolution de 23 pm.

Si le besoin est de déplacer le plan image de 1,5mm avec une résolution de 10 pm on peut prendre deux lames prismatiques d'angle au sommet 25° et d'indice 1,9. Le déplacement induit A'A" prend alors la valeur de 0,2 / (facteur d'échelle de 0,2).

Pour avoir un déplacement de l'image de 1,5mm avec une résolution de 10 pm, il faut déplacer la lame prismatique 3 de 7,5mm avec une résolution de 50 pm.

Plus particulièrement, les faces internes 4, 5 et les faces 6, 7 d'entrée et de sortie des lames prismatiques 2, 3 peuvent être traitées de manière à réduire leur coefficient de réflexion. Le coefficient de réflexion est de manière avantageuse inférieur à 1% sur chaque face traitée, et par exemple égal à 0,5 %.

Dans l'exemple représenté sur la figure 1, les deux faces internes 4, 5 sont en contact l'une avec l'autre. Ces faces étant des surfaces optiques, c'est-à-dire des surfaces polies et éventuellement pourvues de couches minces anti-réflectives, elles peuvent glisser l'une sur l'autre sans être sujettes à un phénomène d'adhérence. De façon à éventuellement réduire les frottements, il est possible de limiter les zones de contact entre les faces internes à leur périphérie en générant une lame d'air entre les deux faces internes dans la zone utile optique. La zone de contact périphérique peut être réalisée par une surépaisseur d'une ou des deux lames prismatiques (variation locale de niveau), ou par interposition d'une cale mécanique.

Selon un autre exemple, les faces internes des lames prismatiques peuvent être séparées par une lame d'air. L'espacement entre les faces peut être, par exemple, de l'ordre de 0,1 mm.

De manière alternative, et comme illustré sur la figure 3, les deux lames prismatiques 2, 3 peuvent être séparées par une lame 9 de liquide disposée entre les faces internes 4, 5. Le liquide 9 peut être, par exemple, un lubrifiant pour améliorer le glissement des surfaces l'une sur l'autre. Le liquide 9 peut également être un liquide d'indice dont l'indice de réfraction est égal à ou proche de celui des lames prismatiques 2, 3. Cet agencement permet d'éviter la réflexion totale sur la face interne 4 de la première lame prismatique 2 si l'angle de la lame prismatique est très grand (typiquement plus de 40°).

Préférentiellement, le module de focalisation selon le mode de réalisation comprend également un mécanisme ou unité de déplacement qui est apte à déplacer au moins une des lames prismatiques 2, 3. Un exemple d'un module de déplacement pour déplacer une des lames prismatiques est illustré aux figures 4a et 4b dans deux vues différentes.

Le mécanisme de déplacement 10 comprend par exemple deux supports 11, 12 sur lesquels sont fixés (par exemple de manière amovible) les lames prismatiques 2, 3. Les lames prismatiques 2, 3 sont logées dans des cadres respectifs 13, 14 permettant la fixation des lames prismatiques 2, 3 sur les supports 11, 12 et le passage de la lumière à travers des ouvertures rectangulaires visibles sur la figure 5. Dans l'exemple illustré, la première lame prismatique 2 est mobile et la deuxième lame prismatique 3 est fixe. La lame prismatique mobile 2 peut être déplacée selon un axe 15 de translation qui correspond à l'axe défini par l'hypoténuse des triangles des lames prismatiques 2, 3 (vue en section transversale de la figure 1). Le support 11 de la lame prismatique mobile 2 est fixé à l'axe 15 de translation par un bras lia qui est monté sur l'axe par exemple à l'aide d'un système de bagues 16 et d'entretoises 17. Un élément d'entrainement en translation 18 relié à l'axe 15 de translation actionne le support 11 et ainsi la lame prismatique mobile 2 pour la déplacer de manière ajustée. Cet élément de translation 18 peut être, par exemple, un moteur ou une vis micrométrique ou tout autre élément d'entraînement en déplacement. La chaîne cinématique entre le ou les éléments d'entraînement et la lame mobile (ou son support) peut différer de celle illustrée et comprendre d'autres mécanismes et types de mouvement suivant d'autres orientations géométriques. L'invention concerne également un dispositif de focalisation pour un système d'imagerie optique. Le dispositif comprend un module de focalisation (module à lame optique), par exemple comme décrit ci-dessus, et un module de contrôle. Le module de contrôle peut recevoir un signal de contrôle de focalisation. Ce signal de contrôle indique si l'image est bien focalisée ou non, par exemple sur un capteur d'image. Le module de contrôle détermine, en fonction du signal de contrôle, une valeur de déplacement d'une ou des deux lames prismatiques, pour ensuite asservir le module sur la base de cette valeur ainsi déterminée. Par exemple, le moteur du mécanisme de déplacement décrit ci-dessus peut être contrôlé par un signal basé sur la valeur de déplacement déterminée pour déplacer la première lame prismatique afin de refocaliser l'image sur le capteur. L'invention porte en outre sur un système d'imagerie optique intégrant un dispositif de focalisation tel que celui décrit ci-dessus.

Un exemple d'un tel système d'imagerie optique SIO est représenté sur la figure 5.

Le système SIO comprend une optique d'imagerie telle qu'un objectif O, un capteur d'image C et un dispositif de focalisation D selon un mode de réalisation de l'invention. Le dispositif de focalisation D comprend un module de focalisation MF (tel que celui décrit ci-dessus) et un module de contrôle MC qui, ici, reçoit notamment des informations du capteur C et/ou d'un module de traitement MT des données reçues par le capteur. L'optique d'imagerie ou l'objectif peut comprendre une ou plusieurs lentilles et éventuellement un ou plusieurs miroirs agencés de manière à produire une image d'un objet à observer.

Le dispositif de focalisation D, notamment le module de focalisation MF (le module de contrôle peut éventuellement être disposé différemment), est disposé entre l'objectif O et le capteur C sur le trajet du faisceau lumineux à un endroit du système où le diamètre du faisceau lumineux est minimal. Ainsi, le module MF peut être de petite taille et avoir un encombrement réduit. Le dispositif, notamment le module MF, est, par exemple, agencé près du plan de l'image. Comme illustré sur la figure 5, le capteur C peut comprendre, plus particulièrement, un détecteur DT logé à l'intérieur d'une enceinte cryogénique EC et refroidi par un système de refroidissement SR. logé dans la même enceinte. L'enceinte comporte sur une de ses faces un hublot H ou, plus généralement, une partie optiquement transparente au faisceau lumineux et qui est traversée par ce dernier, lequel est reçu par le détecteur placé à distance du hublot. Le module de traitement de données MT placé à l'extérieur de l'enceinte EC est relié par un dispositif de connexion DC à la sortie du détecteur.

Les figures 6 à 10b illustrent la qualité optique d'un système d'imagerie conventionnel et celle d'un système muni d'un module de focalisation selon un mode de réalisation de l'invention en présence de variations de température. La qualité optique est exprimée à l'aide de la fonction de transfert de modulation (FTM), qui indique la modulation ou le contraste en fonction de la fréquence spatiale. L'objet est placé à l'infini.

La figure 6 représente un système d'imagerie conventionnel comprenant un objectif ou optique d'imagerie 20 qui comprend un triplet frontal 21 et un correcteur de champ 22 constitué de deux lentilles. Il s'agit par exemple d'un objectif de focale 200 mm ouvert à F/3,3.

La figure 7 illustre la FTM de cet objectif 20 à température ambiante pour différents champs identifiés par la courbe 30, la courbe 31 représentant une FTM idéale (la courbe 31 est également présente sur les figures 8a et 8b). La qualité optique de cet objectif est excellente pour tous ces champs puisque, comme on peut le voir, la FTM est à 50% pour une fréquence de 160 cycles ou pl/mm.

Les figures 8a et 8b montrent la FTM de l'objectif 20 à des températures de -30°C et 70°C, respectivement. On constate ainsi que les FTM (courbes 30) chutent de manière très marquée lorsque l'image se défocalise suite à des changements de température.

Pour conserver une qualité optique correcte en présence de variations de température il faut refocaliser l'image, ce qui nécessite de déplacer un ou des composants optiques de l'objectif 20.

Le correcteur de champ 22 n'a pas de puissance optique et son déplacement axial n'a pas d'impact sur la focalisation. Le triplet 21 doit donc être déplacé. A titre d'exemple, un déplacement du triplet de -0,090 mm est requis à -30°C et de +0,145 mm à +70°C. Afin d'être compatible avec la profondeur de champ envisagée, la précision du positionnement du triplet doit être de l'ordre de +/- 10 pm.

Après refocalisation, les FTM reprennent des valeurs sensiblement identiques à celles d'avant défocalisation.

Cependant, pour asservir en température la position axiale du triplet 21 dont la masse peut être de l'ordre de 300 à 400g (par exemple 340g), une motorisation relativement volumineuse est nécessaire. En outre, compte tenu de la précision de positionnement nécessaire pour le triplet (de l'ordre de +/-10 pm), une cinématique relativement élaborée est nécessaire.

Par ailleurs, lorsque la distance de l'objet à observer varie il est également nécessaire de refocaliser l'objectif.

Sans refocalisation, la FTM chute de manière drastique lorsque l'on souhaite observer un objet proche, par exemple placé à 100m, par exemple avec une chute brutale de FTM comme sur le début des courbes 30 des figures 8a et 8b.

Une refocalisation sur un objet proche est possible par déplacement axial du triplet frontal 21 (par exemple de 0,35mm). Cependant la qualité optique initiale de l'objectif ne peut être rétablie, même après une telle refocalisation.

Pour restituer la qualité optique initiale il faudrait déplacer l'ensemble de l'objectif (triplet et correcteur), ce qui toutefois représenterait une solution relativement complexe à mettre en œuvre.

La figure 9a illustre un système d'imagerie optique 40 comprenant le même objectif ou optique d'imagerie (21 et 22) que celui de la figure 6 et comportant, en plus, un module de focalisation 1 (module de lame optique) selon un mode de réalisation de l'invention. En présence d'un capteur (non représenté) le module 1 est placé près du capteur (ou, de manière générale, à proximité de l'image), par exemple à une vingtaine de millimètres afin de pouvoir minimiser la taille du module.

La figure 9b illustre la FTM 50 associée à ce système à température ambiante (ex : 20°C) pour un objet à l'infini.

Les figures 10a et 10b illustrent les FTM 50 du système 40 pour un objet à l'infini, à -30°C et à 70°C, respectivement, ainsi que le positionnement relatif correspondant des deux lames prismatiques du module 1 pour obtenir ces FTM 50.

Malgré les variations de température auxquelles est soumis le système d'imagerie optique, notamment le module de focalisation selon l'invention, les FTM 50 des figures 10a et 10b sont identiques à toutes les températures.

Le maintien de la qualité optique du système en présence de variations de température est obtenu grâce à un déplacement approprié d'une des lames prismatiques du module 1 par rapport à l'autre (comme expliqué plus haut). Ce déplacement permet de refocaliser l'image de manière adaptée aux circonstances. Le déplacement correspondant à chaque figure 10a, 10b est adapté en fonction de la variation de température et donc de la chute de la FTO. Il est ainsi plus important sur la figure 10a (-30°C) que sur la figure 10b (70°C). A titre d'exemple, le besoin de déplacement au niveau du plan image est de -0,107mm à -30°C, +0,165mm à +70°C et 0,4 mm pour une focalisation à 100m.

La variation d'épaisseur du module 1 doit être de l'ordre de -0,135mm à -30°C, de +0,483 mm à +70°C et de 1,175mm à 100m. L'angle au sommet des lames prismatiques est ici de 37°.

Si l'on choisit un angle de 15°, le déplacement d'une des lames est de -1,217mm à -30°C, de +1,866mm à +70°C et de 4,54 mm à 100m.

Pour couvrir l'ensemble de la plage requise (focalisation à 100m pour toutes les températures) la course de déplacement est de 7,623 mm (+/-3,812mm).

On notera que l'ensemble de l'objectif ou optique d'imagerie et du module de focalisation est légèrement réoptimisé afin de prendre en compte l'aberration sphérique qui peut être générée par le module.

Les positions extrêmes du module sont, pour -30°C avec un objet à l'infini, -1,217mm, et pour +70°C avec un objet à 100m, +6,406mm.

Par ailleurs, les courses des lames prismatiques n'étant ici pas symétriques, en position nominale (20°C avec un objet à l'infini) la seconde lame est translatée de -2,6 mm pour obtenir des débattements symétriques pour les positions extrêmes.

On notera en outre que la qualité optique d'un système d'imagerie optique comprenant un module de focalisation selon l'invention, que ce soit à l'infini avec des variations de température ou à 100m avec des variations de température, est identique à celle à 20°C après refocalisation par le module.

La précision de positionnement de la lame prismatique qui se déplace est de l'ordre de 0,135mm afin d'être compatible avec la profondeur de champ.

De manière générale, le module de focalisation selon l'invention est peu sensible au positionnement et son encombrement et sa masse réduits le rendent plus facile à déplacer. Typiquement, sa masse peut être de l'ordre de 4g au lieu des 340g mentionnés ci-dessus pour le triplet. En outre, le système intégrant le module de focalisation selon l'invention conserve sa qualité optique entre 100m et l'infini quelle que soit la température.

On notera que la description qui précède relative aux figures 9a à 10b s'applique à tout système d'imagerie optique comprenant un module de focalisation selon l'invention.

Claims (11)

1. REVENDICATIONS

   1. Module de focalisation pour un système d'imagerie optique, caractérisé en ce que le module de focalisation comprend un ensemble de deux lames prismatiques (2, 3) ayant un même indice de réfraction et un même angle au sommet, les lames prismatiques (2, 3) étant positionnées l'une par rapport à l'autre avec les sommets opposés de manière à former conjointement une lame optique (1) présentant une épaisseur qui s'étend entre les deux faces parallèles de la lame optique le long d'un axe (8), les lames prismatiques (2, 3) étant ainsi positionnées de manière à ce que, d'une part, l'une des deux faces de chaque lame prismatique constitue une des deux faces externes parallèles de la lame optique et, d'autre part, les deux autres faces internes respectives des deux lames prismatiques soient disposées en regard l'une de l'autre (4, 5) et parallèles entre elles, au moins une des lames prismatiques (2, 3) étant mobile par rapport à l'autre suivant un déplacement parallèle aux deux faces internes en regard de manière à faire varier l'épaisseur de la lame optique à faces parallèles le long de l'axe (8).
2. 2. Module selon la revendication 1, comprenant en outre un mécanisme (10) de déplacement qui est apte à déplacer au moins une des lames prismatiques (2, 3) de manière à faire varier l'épaisseur de la lame optique à faces parallèles le long de l'axe (8).
3. 3. Module selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les deux lames prismatiques (2, 3) sont disposées de façon à ce que leurs deux faces internes respectives en regard l'une de l'autre (4, 5) soient en contact l'une avec l'autre et aptes à glisser l'une sur l'autre.
4. 4. Module selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les deux lames prismatiques (2, 3) sont disposés de façon à ce que leurs deux faces internes respectives en regard l'une de l'autre (4, 5) soient écartées l'une de l'autre.
5. 5. Module selon la revendication 4, dans lequel les deux lames prismatiques (2, 3) sont disposées de façon à ce que leurs deux faces internes respectives en regard l'une de l'autre (4, 5) soient séparées l'une de l'autre par une lame d'air.
6. 6. Module selon la revendication 4, dans lequel les deux lames prismatiques (2, 3) sont disposés de façon à ce que leurs deux faces internes respectives en regard l'une de l'autre (4, 5) soient séparées l'une de l'autre par une lame (9) de liquide.
7. 7. Module selon la revendication 6, dans lequel le liquide est un lubrifiant.
8. 8. Module selon la revendication 6, dans lequel le liquide est un liquide d'indice dont l'indice de réfaction est proche de celui des lames prismatiques (2, 3).
9. 9. Module selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les deux lames prismatiques (2, 3) sont de forme identique.
10. 10. Dispositif de focalisation pour un système d'imagerie optique, le dispositif comprenant : - un module de focalisation (MF) selon l'une des revendications précédentes, - un module de contrôle (MC) qui est apte à recevoir un signal de contrôle de focalisation, à déterminer une valeur de déplacement de ladite au moins une lame prismatique en fonction du signal de contrôle, et à asservir le module de focalisation en fonction de la valeur ainsi déterminée pour refocaliser une image du système d'imagerie optique.
11. 11.Système d'imagerie optique (SIO) comprenant : - une ou plusieurs lentilles (O) agencées de façon à produire une image d'un objet à observer, - un dispositif de focalisation selon la revendication 10, dans lequel le dispositif de focalisation est disposé à l'intérieur du système d'imagerie optique de façon à pouvoir déplacer l'image de l'objet le long de l'axe (8) du dispositif de focalisation qui correspond à l'axe optique du système d'imagerie optique.