FR3149995A1 - Systèmes optiques à grande ouverture pour détection grand champ - Google Patents

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Abstract

Selon un aspect, la présente description concerne un système optique de distance focale paraxiale F donnée comprenant : un diaphragme, une première lentille faite en halogénure d’alcalins, comprenant une première distance focale paraxiale F1 et une première cambrure β1, telles que le module de F1/F est supérieur à 4,5 et le module de β1est supérieur à 2, ladite première lentille étant agencée en amont du diaphragme; une deuxième lentille faite en halogénure d’alcalins, convergente, comprenant une deuxième distance focale paraxiale F2 et une deuxième cambrure β2 telles que F2/F est compris entre 0,5 et 2 et β2est compris entre -1 et 3,5, ladite deuxième lentille étant agencée en aval du diaphragme; une troisième lentille faite en halogénure d’alcalins, divergente, comprenant une troisième distance focale paraxiale F3 et une troisième cambrure β3,telles que le module de F3/F est supérieur à 2 et le module de β3est supérieur à 2,5, ladite troisième lentille étant agencée en aval de la deuxième lentille. Figure 1

Description

Systèmes optiques à grande ouverture pour détection grand champ
La présente description concerne des systèmes optiques à grande ouverture pour détection grand champ ainsi que des systèmes de détection équipés de tels systèmes optiques. La présente description concerne plus précisément des systèmes optiques bas coût pour la détection infrarouge avec de très bonnes performances optiques.
 Etat de la technique
On s’intéresse dans la présente description à des systèmes optiques pour l’imagerie dans l’infrarouge, qui présentent une grande ouverture, c’est-à-dire typiquement un nombre d’ouverture F# inférieur ou égal à 2. Les systèmes de détection infrarouges à grande ouverture et grand champ utilisant des détecteurs thermiques de type microbolomètres, thermopile ou pyroélectrique, connaissent un essor important dans de nombreux domaines (thermographie, domotique, automobile, loisir, robotique…). Cela est dû notamment à la baisse du coût des détecteurs infrarouges. Pour les détecteurs microbolomètres, cette baisse est due principalement à la réduction des dimensions des éléments thermosensibles (« pixels ») du détecteur, ce qui permet de produire un plus grand nombre de détecteurs sur une même plaquette, ou « wafer » selon le terme anglosaxon.
Il en résulte que les systèmes optiques d’imagerie traditionnels représentent une part non négligeable dans le coût global des systèmes de détection.
Parmi les systèmes d’optique d’imagerie traditionnels, on connaît des systèmes optiques réalisés avec une ou plusieurs lentilles en silicium, voir par exemple US20150109456 [Réf. 1] ou US20190170973 [Réf. 2].
[Réf. 2] décrit ainsi un système optique pour l’infrarouge (7,5 – 13,5 μm) comprenant un premier élément optique et un deuxième élément optique faits respectivement en un premier matériau et en un deuxième matériau d’indice de réfraction élevé, typiquement supérieure à 2,2. Le silicium est particulièrement intéressant car il présente un fort indice de réfraction, de l’ordre de 3,4, ce qui permet une réduction des aberrations avec un nombre limité de lentilles. De plus, la fabrication des lentilles de silicium peut être faite par des techniques de photolithographie qui sont relativement bas coût.
Cependant, de telles techniques entraînent des contraintes sur les spécifications des lentilles réalisables comme la flèche maximale ou la cambrure. Cela limite ainsi les performances optiques du système optique. Par ailleurs, le silicium est absorbant dans la bande spectrale du visible (en dessous d’une longueur d’onde de 1,1 μm) et est absorbant pour des longueurs d’onde supérieures à 9 μm, pour des épaisseurs supérieures à 1 mm.
La demande de brevet US20150206909 [Réf. 3] propose une architecture bas coût utilisant une lentille en résine de type polyéthylène, qui peut être moulée.
Cependant, le polyéthylène est absorbant dans l’infrarouge, ce qui ne permet pas d’utiliser plus d’une lentille, avec par ailleurs une épaisseur limitée, typiquement inférieure à 1 mm. Par ailleurs, l’indice de réfraction des résines est faible, généralement inférieur à 2. Un faible indice de réfraction, couplé à la nécessité de limiter l’épaisseur des lentilles et leur nombre, limite grandement la qualité optique de systèmes optiques utilisant ce type de matériau, une seule lentille n’étant pas suffisante pour garantir une qualité d’image satisfaisante.
On connait aussi les verres de chalcogénure pour la réalisation de systèmes optiques.
Comme décrit par exemple dans la demande de brevet publiée US20200116979 [Réf. 4], des lentilles en verre de chalcogénure permettent une imagerie dans un large spectre infrarouge. Les verres de chalcogénure présentent des indices de réfraction élevés, typiquement supérieurs à 2, et peuvent être moulés, ce qui permet la réalisation de systèmes optiques d’imagerie dans l’infrarouge avec une très bonne qualité optique.
Cependant, la fabrication des verres de chalcogénure est délicate et comprend de nombreuses étapes, notamment du fait que les matériaux utilisés pour l’obtention de ces verres sont polluants et dangereux à manipuler ; le coût de production de tels systèmes optiques est donc augmenté.
On connait par ailleurs (voir [Réf. 5]) une méthode simple et bas coût pour la fabrication de matrices de microlentilles plan-convexes et plan-concaves basée sur l'utilisation de poudre de bromure de potassium (KBr). Les matrices de microlentilles en KBr décrites dans [Réf. 5] sont intéressantes notamment car elles peuvent être utilisées dans le visible et dans l’infrarouge. Cependant, ces matrices de microlentilles ne sont pas adaptées pour une imagerie à grande ouverture et grand champ.
La présente description propose un système optique à grande ouverture basé sur l’utilisation d’halogénures d’alcalins dont le KBr, dont l’architecture originale permet une imagerie grand champ avec une très bonne qualité optique dans une vaste plage de longueurs d’onde, comprenant notamment le proche infrarouge et l’infrarouge (0,7 μm – 14 μm) mais aussi le visible (0,4 μm – 0,7 μm).
Dans la présente description, le terme « comprendre » signifie la même chose que « inclure » ou « contenir », et est inclusif ou ouvert et n’exclut pas d’autres éléments non décrits ou représentés.
En outre, dans la présente description, le terme « environ » ou « sensiblement » est synonyme de (signifie la même chose que) une marge inférieure et/ou supérieure de 10%, par exemple 5%, de la valeur respective.
Selon un premier aspect, la présente description concerne un système optique présentant une distance focale paraxiale donnée F et une ouverture donnée définie par un nombre d’ouverture, le système optique comprenant :
- un diaphragme configuré pour recevoir une radiation incidente, ledit diaphragme définissant l’ouverture du système optique ;
- une première lentille faite en un premier matériau, comprenant une première distance focale paraxiale F1et une première cambrure β1, telles que le module de F1/F est supérieur à 4,5 et le module de β1 est supérieur à 2, ladite première lentille étant agencée en amont du diaphragme;
- une deuxième lentille faite en un deuxième matériau, convergente, comprenant une deuxième distance focale paraxiale F2et une deuxième cambrure β2, telles que F2/F est compris entre 0,5 et 2 et β2est supérieur à -1 et inférieur à 3,5, ladite deuxième lentille étant agencée en aval du diaphragme;
- une troisième lentille faite en un troisième matériau, comprenant une troisième distance focale paraxiale F3et une troisième cambrure β3, telles que le module de F3/F est supérieur à 2 et le module de β3est supérieur à 2, ladite troisième lentille étant agencée en aval de la deuxième lentille; et dans lequel :
- le premier matériau, le deuxième matériau et le troisième matériau sont des halogénures d’alcalins.
Dans la présente description, on dira qu’un premier élément optique est situé en amont d’un deuxième élément optique lorsque ce premier élément optique est configuré pour se trouver du côté objet (ou scène) par rapport au deuxième élément optique dans un système de détection, tandis qu’un premier élément optique est situé en aval d’un deuxième élément optique lorsque ce premier élément optique est configuré pour se trouver du côté image (ou détecteur) par rapport au deuxième élément optique.
Une lentille optique, appelée simplement « lentille » dans la présente description, est un élément optique en un matériau d’indice de réfaction donné, comprenant une surface d’entrée et une surface de sortie, dont l’une des surfaces au moins n’est pas plane, et formant deux dioptres entre le milieu extérieur et le matériau dont est composé la lentille. La surface d’entrée, comme la surface de sortie, peut-être à symétrie de révolution, sphérique ou asphérique, ou de forme quelconque.
Dans la présente description, on définit un centre de courbure et un rayon de courbure de chaque surface comme respectivement le centre et le rayon de la « meilleure sphère » définie comme la sphère qui minimise un écart avec ladite surface. L’axe optique de la lentille est l’axe qui passe par les centres de courbure des deux surfaces.
Une surface utile de chaque surface de la lentille est définie comme la surface minimale qui reçoit, en fonctionnement, l’ensemble des rayons qui passent par le diaphragme. On parle de diamètre utile lorsque ladite surface utile présente un contour circulaire. Le diamètre utile est alors le diamètre dudit contour. Dans une approximation de lentille mince, la surface d’entrée utile et la surface de sortie utile sont sensiblement confondues et on pourra parler de la surface utile de la lentille. Dans d’autres cas, on pourra appeler surface utile de la lentille la plus petite des surfaces entre la surface d’entrée utile et la surface de sortie utile.
La déposante a montré qu’un tel agencement de trois lentilles optiques en halogénures d’alcalin permet la réalisation de systèmes de détection bas coût et grand champ, c’est-à-dire de champs supérieurs à environ 50°, typiquement compris entre environ 50° et environ 120°, pour un fonctionnement notamment dans l’infrarouge.
Par ailleurs, un tel système optique est panchromatique puisque du fait de la grande transparence des halogénures d’alcalins, il permet une imagerie dans les bandes spectrales du visible et de l’infrarouge, pour des longueurs d’onde allant de 0,4 µm à 14 µm. Ainsi, un système optique selon le premier aspect pourra être utilisé sans modifications, ou avec un simple ajustement de la taille du diaphragme, aussi bien dans le visible que dans l’infrarouge.
Par ailleurs, un tel agencement de trois lentilles optiques en halogénures d’alcalin tel que décrit dans la présente description permet la réalisation d’un système optique de grande ouverture, c’est-à-dire présentant par exemple un nombre d’ouverture F# inférieur ou égal à 2.
Un tel système optique présente une très bonne qualité optique, notamment dans l’infrarouge, avec une fréquence de coupure compatible avec des détecteurs de pas d’échantillonnage compris entre environ 8 μm et environ 17 μm. On appelle fréquence de coupure la première fréquence spatiale de contraste nul de la fonction de transfert de modulation (FTM) du système optique, non entaché d’erreurs de fabrication ou d’erreurs d’alignement.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, les distances focales paraxiales et les cambrures des lentilles sont choisis dans les plages suivantes :
- le module de F1/F est supérieur à 4,5 et le module de β1 est supérieur à 2,2 ; et/ou
- F2/F est compris entre 0,7 et 1,6 et β2est supérieur à -1 et inférieur à 3,1 ; et/ou
- le module de F3/F est supérieur à 2 et le module de β3est supérieur à 2,3.
La déposante a montré que les paramètres ainsi choisis sont optimisés pour obtenir une très bonne qualité optique pour de nombreuses compositions d’halogénures d’alcalins.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, les alcalins des halogénures d’alcalins sont choisis parmi le sodium (Na), le potassium (K) et le rubidium (Rb).
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, les halogènes des halogénures d’alcalins sont choisis parmi le chlore (Cl), le brome (Br) et l’iode (I).
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, les halogénures d’alcalins sont de structures cristallines cubiques. De tels halogénures d’alcalins peuvent être choisis par exemple parmi : iodure de potassium (KI), bromure de potassium (KBr), chlorure de sodium (NaCl), chlorure de potassium (KCl). En particulier, KI et KBr présentent un indice de réfraction supérieur à 1,5 à la longueur d’onde de 10µm, ce qui les rend particulièrement avantageux.
Dans des exemples de réalisation, le premier matériau dont est formé la première lentille, le deuxième matériau dont est formé la deuxième lentille, le troisième matériau dont est formé la troisième lentille sont identiques. Ils peuvent aussi être différents, tous ou en partie.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le module de F1/F est supérieur à 10 et β1 est inférieur à -2,2. Ces paramètres pour la première lentille sont avantageux notamment lorsque l’indice de réfraction du premier matériau est supérieur à 1,5 à une longueur d’onde de 10 μm. Ces paramètres sont ainsi avantageux par exemple lorsque le premier matériau est en KI ou KBr.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, F2/F est compris entre 0,7 et 1,2 et β2est compris entre -1 et 1,3. Ces paramètres pour la deuxième lentille sont avantageux notamment lorsque l’indice de réfraction du deuxième matériau est supérieur à 1,5 à une longueur d’onde de 10 μm. Ces paramètres sont ainsi avantageux par exemple lorsque le deuxième matériau est en KI ou KBr.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le module de F3/F est supérieur à 2,5 et le module de β3est supérieur à 2,3. Ces paramètres pour la troisième lentille sont avantageux notamment lorsque l’indice de réfraction du troisième matériau est supérieur à 1,5 à une longueur d’onde de 10 μm. Ces paramètres sont ainsi avantageux par exemple lorsque le troisième matériau est en KI ou KBr.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, une épaisseur centrale de la première lentille optique et/ou de la deuxième lentille optique et/ou de la troisième lentille optique est supérieur ou égale au cinquième d’une dimension maximale de la lentille, par exemple un diamètre de la lentille lorsque la lentille a un contour circulaire. L’épaisseur centrale est définie comme l’épaisseur de la lentille mesurée sur l’axe optique de la lentille. Une telle condition sur l’épaisseur centrale permet une manipulation plus facile des lentilles et rend la fabrication par moulage plus aisée.
Selon un deuxième aspect, la présente description concerne un système de détection pour l’imagerie visible et infrarouge comprenant :
- une voie optique d’imagerie avec un axe optique et au moins un premier détecteur configuré pour une détection dans au moins une première bande spectrale et comprenant une surface de détection ;
- un système optique selon le premier aspect, agencé sur ladite voie d’imagerie, en amont dudit au moins un premier détecteur.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, ledit au moins un premier détecteur comprend des premiers éléments sensibles dans une première bande spectrale et des deuxièmes éléments sensibles dans une deuxième bande spectrale différente de ladite première bande spectrale.
Dans des exemples de réalisation, la première bande spectrale est une bande spectrale infrarouge et les premiers éléments sont des éléments thermosensibles.
Dans des exemples de réalisation, la deuxième bande spectrale est une bande spectrale visible ou proche infrarouge.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, la surface utile de la première lentille et/ou de la deuxième lentille et/ou de la troisième lentille est vignettée pour stopper les rayons en bord de champ. Cela permet d’améliorer la qualité image en bord de champ. Cela permet également de réduire la flèche optique des lentilles et de réduire l’angle d’incidence des rayons par rapport à la normal à la surface, facilitant ainsi la réalisation des lentilles et leur alignement. Le vignettage peut-être tel qu’il stoppe des rayons en bord de champ sans trop détériorer l’éclairement. Dans des exemples de réalisation, le vignettage de l’au moins une desdites surfaces utiles des lentilles est tel qu’en opération, un éclairement mesuré en tout point du champ et dans toute la gamme spectrale d’utilisation, est supérieur ou égal à environ 70% de l’éclairement mesuré sur l’axe optique.
Brève description des figures
D’autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront à la lecture de la description, illustrée par les figures suivantes :
, un schéma d’un système de détection comprenant un exemple d’un système optique selon la présente description ;
, un schéma illustrant les paramètres d’une lentille optique ;
, un schéma représentant un premier exemple d’un système optique selon la présente description ;
, des courbes représentant le module de la fonction de transfert (normalisé) du système optique illustré sur la en fonction de la fréquence spatiale, pour différentes valeurs de champs de vue ;
, un schéma représentant un deuxième exemple d’un système optique selon la présente description ;
, des courbes représentant le module de la fonction de transfert (normalisé) du système optique illustré sur la en fonction de la fréquence spatiale, pour différentes valeurs de champ de vue ;
, un schéma représentant un troisième exemple d’un système optique selon la présente description ;
, des courbes représentant le module de la fonction de transfert (normalisé) du système optique illustré sur la en fonction de la fréquence spatiale, pour différentes valeurs de champs de vue.
 Description détaillée de l’invention
La représente un exemple d’un système de détection 100 selon la présente description et la illustre les principaux paramètres d’une lentille optique dans un système optique.
Le système de détection 100 comprend une voie optique d’imagerie avec un axe optique Δ et au moins un premier détecteur représenté schématiquement sur la par une surface de détection 180. Dans la présente description, on appelle surface de détection du détecteur, une surface de détection utile, c’est-à-dire la surface formée des détecteurs élémentaires ou « pixels » configurés pour détecter un rayonnement dans la ou les bande(s) spectrale(s) désirée(s) pour le système de détection.
Le système de détection 100 comprend par ailleurs un système optique 101 d’axe optique Δ avec une distance focale paraxiale donnéeF, le système comprenant un agencement avec 3 lentilles optiques 110, 120, 130 et un diaphragme 150.
Par convention dans la présente description, le sens positif d’une direction parallèle à l’axe optique est le sens qui est dirigé de la scène vers le détecteur, autrement dit le sens de propagation de la lumière.
On note L l’encombrement total du système de détection, défini par la distance entre le sommet de la face d’entrée de la première lentille (surface 111) et la surface de détection 180.
Selon la présente description, le système optique 100 ( ) comprend un diaphragme 150 configuré pour recevoir une radiation incidente. Le diaphragme définit l’ouverture du système optique.
Le nombre d’ouverture est défini par F# = F/ΦPE, où ΦPEest une dimension maximale de la pupille d’entrée du système optique, la pupille d’entrée étant conjuguée optiquement avec le diaphragme par l’ensemble des éléments optiques situés en amont du diaphragme. Le diaphragme est par exemple circulaire et ΦPEest le diamètre de la pupille d’entrée du système optique.
On noteFOVle champ angulaire total du système de détection :
Où hmaxest, dans la présente description, une dimension maximale de la surface de détection, par exemple une longueur, une largeur ou une diagonale dans le cas d’une surface de détection rectangulaire.
Comme illustré sur la , une lentille optique 200, appelée simplement « lentille » dans la présente description, est un élément optique en un matériau d’indice de réfaction donné, comprenant une surface d’entrée 210 et une surface de sortie 220, dont l’une au moins n’est pas plane, et formant deux dioptres entre le milieu extérieur et le matériau dont est composé la lentille. La surface d’entrée 210, ou surface du côté objet, est la surface configurée pour se trouver du côté scène, et la surface de sortie 220, ou surface du côté image, est la surface configurée pour se trouver du côté du détecteur.
La surface d’entrée 210, comme la surface de sortie, peut être à symétrie de révolution, sphérique ou asphérique, ou de forme quelconque (surface dite « freeform »). Dans tous les cas, on peut définir pour chaque surface un centre de courbure CSet un rayon de courbure Rs qui sont respectivement le centre et le rayon de la meilleure sphère qui minimise un écart avec ladite surface.
Ainsi, comme illustré sur la pour la face d’entrée 210, on peut définir pour une surface d’une lentille optique, la flèchezde cette surface. La flèchezest la distance mesurée dans une direction parallèle à l'axe optique, à une distance donnée de l'axe optique, entre ladite surface et un plan de référence perpendiculaire à l’axe optique et comprenant le sommet O1de la surface.
Dans le cas d’une surface à symétrie de révolution, la flèche z(r) ne dépend que de la coordonnée polaire r mesurée dans le plan de référence à partir du sommet O1de la surface, comme cela est illustré sur la . Dans un cas général, on pourra noter z(x,y) la flèche mesurée à partir d’un point de coordonnées cartésiennes (x, y) du plan de référence, dans un repère (O1, x, y).
On définit le rayon Rs de la meilleure sphère comme la valeur qui minimise la fonction Z(Rs) définie par :
Avec le rayon de la surface utile et :
Soit :
A noter que dans le cas d’une surface quelconque, le rayon Rs de la meilleure sphère est définie comme la valeur qui minimise la fonction Z(Rs) où :
Et r² = x² + y².
Dans l’exemple de la , on a représenté à titre illustratif la flèche z1(r) de la surface d’entrée 210 et la flèche zS 1(r) de la meilleure sphère qui minimise l’écart avec la surface 210 et qui est schématisée en pointillés par la surface 215. O1est le sommet de la face d’entrée 210. C S1et RS1sont respectivement le centre et le rayon de la meilleur sphère 215.
L’axe optique Δ de la lentille est l’axe qui passe par les centres de courbure des deux surfaces 210, 220.
Par convention dans la présente description, le rayon de courbure Rs est orienté du sommet vers le centre de courbure. Si le rayon de courbure est orienté vers le détecteur, Rs est positif, s’il est orienté vers la scène, Rs est négatif.
On définit la cambrure d’une lentille optique 200 telle que représentée sur la par l’équation :
où Rs1le rayon de la meilleure sphère qui minimise l’écart avec la surface d’entrée 210 de la lentille 200 et Rs 2est le rayon de courbure de la meilleure sphère qui minimise l’écart avec la surface de sortie 220 de la lentille.
Le système optique 100 comprend, outre le diaphragme 150, une première lentille 110 faite en un premier matériau, une deuxième lentille 120 faite en un deuxième matériau et une troisième lentille 130 faite en un troisième matériau. Le premier matériau, le deuxième matériau et le troisième matériau sont des halogénures d’alcalins.
Selon la présente description, la première lentille 110 présente une première distance focale paraxiale F1et une première cambrure β1. Le module de F1/F est supérieur à 4,5 et le module de β1 est supérieur à 2, avantageusement supérieur à 2,2. La première lentille 110 est agencée en amont du diaphragme 150. La deuxième lentille présente une deuxième distance focale paraxiale F2et une deuxième cambrure β2. F2/F est compris entre 0,5 et 2, avantageusement entre 0,7 et 1,6 et β2est supérieur à -1 et inférieur à 3,5, avantageusement inférieur à 3,1. La deuxième lentille 120 est agencée en aval du diaphragme 150. La troisième lentille 130 présente une troisième distance focale paraxiale F3et une troisième cambrure β3. Le module de F3/F est supérieur à 2 et le module de β3est supérieur à 2, avantageusement supérieur à 2,3. La troisième lentille est agencée en aval de la deuxième lentille.
Toutes les surfaces ou au moins une partie des surfaces des lentilles 110, 120, 130 peuvent être asphériques.
Dans un système optique 101 tel que représenté sur la , la deuxième lentille 120 est convergente et contribue majoritairement à la puissance optique du système, la puissance optique étant définie comme étant l’inverse de la longueur focale. Ainsi on a les relations : |F2/F|<|F1/F| et |F2/F|<|F3/F|.
La déposante a montré que le choix des paramètres pour les lentilles du système optique objet de la présente description permet une bonne qualité d’images grâce notamment à la limitation des aberrations.
Par exemple, la cambrure d’une lentille en matériau donné peut être choisie pour minimiser l’aberration sphérique ou annuler l’aberration de coma. La cambrure qui minimise l’aberration sphérique est donnée par la relation :
Où n est l’indice de réfraction du matériau dont est formée la lentille.
La cambrure qui annule l’aberration de coma est donnée par la relation suivante :
Considérons par exemple une lentille faite en KBr dont l’indice de réfraction vaut 1,52 à la longueur d’onde de 10 µm. La cambrure qui minimise l’aberration sphérique vaut -0,15 et la cambrure qui annule l’aberration de coma vaut -0,09.
On constate ainsi que le choix de la cambrure β2de la deuxième lentille 120 entre -1 et 3,5 permet d’atténuer l’aberration de coma et l’aberration sphérique de cette lentille.
Dans des exemples de réalisation, la première lentille 110 et la troisième lentille 130 peuvent être toutes les deux divergentes ou toutes les deux convergentes ; elles peuvent aussi être convergentes au centre et divergentes au bord ou vice et versa ; elles ont par ailleurs des puissances optiques plus faibles que celle de la deuxième optique 120. Elles peuvent permettre de compenser les aberrations de la deuxième optique 120 et/ou de corriger les aberrations de champ, par exemple l’astigmatisme.
Par exemple, la première lentille 110 et/ou la troisième lentille 130 peuvent de façon connue aider à compenser la courbure de Petzval que l’on cherche à minimiser, comme décrit par exemple dans [Réf. 6].
Dans le cas de l’approximation des lentilles minces (par exemple épaisseur au moins inférieure à la longueur focale paraxiale de la lentille divisée par 10), la courbure de Petzval Cpd’un système optique à plusieurs lentilles est donnée par la relation suivante :
Où niest l’indice de réfraction de la nièmelentille du système optique et Fiest longueur focale paraxiale de la lentille.
Dans le cas de lentilles épaisses (épaisseur au moins supérieure à la longueur focale paraxiale de la lentille divisée par 10), la courbure de Petzval Cpd’un système optique à plusieurs lentilles et donc plusieurs surfaces de rayons de courbureR i , est donnée par la relation suivante :
Où niest l’indice de réfraction du milieu en amont de la nièmesurface du système optique de rayon de courbure Ri(rayon de meilleure sphère de la nièmesurface) et ni’ est l’indice de réfraction du milieu en aval de la nièmesurface du système optique de rayon de courbure Ri.
Ainsi, la courbure de champ peut être réduite lorsque Cptend vers 0, soit par l’utilisation d’alternance de surfaces concaves ou convexes dans le cas de lentilles épaisses, soit en augmentant l’indice de réfraction, soit par l’utilisation à la fois de lentilles optiques divergentes ou convergentes.
Ainsi par exemple, dans un système à trois lentilles comme dans la présente description, on pourra choisir la première et/ou la troisième lentille divergente et la deuxième lentille convergente.
Dans le cas notamment de lentilles d’indice de réfraction d’indice faible, c’est-à-dire d’indices de réfraction inférieurs à 2, on pourra corriger la courbure de champ en utilisant des lentilles asphériques.
Par exemple, on fait l’hypothèse que la flèche z(r) de chaque surface de chaque lentille peut être approximée par l’équation :
R est le rayon de courbure au sommet de la surface, k est le coefficient de conicité, αisont les coefficients d’asphérisation d’ordre2i. Les coefficients d’asphérisation décrivent l'écart de la surface par rapport à une surface quadrique à symétrie axiale définie par le rayon de courbure au sommet R et le coefficient de conicité k. Autrement dit, si les coefficients αisont tous nuls, alors la surface est une section conique qui présente une symétrie de révolution autour de l'axe optique, avec R le rayon de courbure mesuré au sommet (où r = 0) et k la constante de la conique qui en détermine la forme. A noter que le rayon de courbure mesuré au sommet R n’est pas nécessairement confondu avec le rayon RSde la meilleure sphère tel que défini précédemment.
Pour réduire la courbure de champ, on pourra choisir des surfaces asphériques c’est-à-dire avec des termes asphériques αi non nul.
Par exemple, il est possible de corriger la courbure de champ d’ordre 4 par des termes asphériques d’ordre 6 et 8.
Dans des exemples de réalisation, on peut obtenir une lentille dite « asphérisée » qui présente une longueur focale qui varie en r ; autrement dit, la focale en s’éloignant de l’axe optique n’est plus égale à la longueur focale paraxiale mesurée au niveau de l’axe optique (r proche de 0). On peut obtenir des lentilles asphérisées avec au moins une surface qui présente des oscillations.
Dans la présente description la troisième lentille (agencée du côté du détecteur) peut avantageusement être asphérisée. Dans la présente description, la première lentille peut également être asphérisée.
La forte asphérisation de la troisième lentille 130 peut servir à ajuster la longueur focale de cette lentille dans le champ. Elle permet notamment d’obtenir un bon niveau d’éclairement dans tout le champ de vue, par exemple un éclairement en tout point du champ et dans la bande spectrale d’utilisation au moins égal à 70% de l’éclairement au centre du champ.
Avantageusement pour améliorer la qualité image en bord de champ, les surfaces des lentilles peuvent être réduites par rapport aux surfaces utiles afin de vigneter des rayons en bord de champ. Le vignetage pourra être limité par garantir un niveau d’éclairement en tout point du champ supérieur à 70° de l’éclairement au centre du champ. Plus particulièrement, on pourra réduire la surface utile de la deuxième lentille pour vigneter les rayons en bord de champ.
Dans des exemples de réalisation, on cherchera à avoir une épaisseur centraleedes lentilles telle que :
, avec une dimension maximale de la lentille, par exemple le diamètre de la lentille.
De cette manière, les lentilles pourront être moulées et manipulées facilement.
Dans des exemples de réalisation, le rapport entre la moitié du diamètre maximal des lentilles et une dimension maximale hmaxde la surface de détection pourra valider la relation :
<1,2.
La dimension maximale hmaxest par exemple la longueur, la largeur ou la diagonale de la surface de détection dans le cas d’une surface de détection rectangulaire. On limite ainsi la taille des lentilles et donc leur coût.
Les lentilles peuvent comprendre de manière connue un revêtement déposé sur les surfaces pour les protéger de l’environnement et limiter les effets hygroscopiques des matériaux. Ce revêtement peut aussi servir comme traitement antireflet.
La fabrication d’une lentille optique dans un système optique selon le premier aspect peut être obtenue de manière similaire à la méthode de fabrication décrite dans [Réf. 5].
Par exemple, on utilise une poudre de pureté donnée, par exemple de pureté > 99,5, asséchée. La poudre est mise dans une matrice (moule) en acier entre deux pistons. La face des pistons en contact avec la poudre possède la forme désirée pour réaliser la lentille. Le moule est placé dans une presse à force contrôlée, agencée dans une étuve. La température de l’étuve peut varier entre environ 20°C et environ 200°C. La pression appliquée peut varier entre environ 100 MPa et 1000 MPa, avec une variation contrôlée de la pression. Un tel procédé permet d’obtenir des lentilles optiques non fissurées.
Dans un système de détection tel que représenté sur la , au niveau de chaque pixel (surface thermosensible élémentaire) d’un détecteur thermique 180 peut être associée une zone sensible dans la bande spectrale du visible, ou de l’infrarouge. La grande transparence des matériaux envisagés permet de fabriquer des caméras panchromatiques utilisant une seule voie optique et sensible dans plusieurs bandes spectrales. Des surfaces diffractives peuvent être ajoutées de façon connue dans le système optique, notamment pour corriger les aberrations chromatiques.
Les , et illustrent 3 exemples de réalisation de systèmes optiques selon la présente description.
Dans ces exemples, on fait l’hypothèse que la flèche z(r) de chaque surface de chaque lentille peut être approximée par l’équation [Math 11].
La représente un premier exemple d’un système optique 301 intégré dans un système de détection 300, le système de détection comprenant un détecteur représenté par sa surface de détection 380. Le premier système optique 301 comprend une première lentille optique 310, un diaphragme 350, une deuxième lentille optique 320 et une troisième lentille optique 330.
La distance focale paraxiale du système optique 301 vaut F = 4,7 mm, le nombre d’ouverture vaut F#= 1,5, le champ total FOV est de 50°, l’encombrement total est de 7,5 mm.
Dans cet exemple, la distance focale paraxiale de la première lentille est F1= 134 mm ; la distance focale paraxiale de la deuxième lentille est F2= 4,5mm ; la distance focale paraxiale de la troisième lentille est F3= -236 mm ; la cambrure de la première lentille est β1= -12,2 ; la cambrure de la deuxième lentille est β2= 1,0 ; la cambrure de la troisième lentille est β3= -4,7. On calcule F2/F = 0,95, F1/F = 28,5, F3/F = -50,2.
La Table 1 ci-dessous donne les paramètres optiques du système optique illustré sur la .
Surface R épaisseur matériau k rmax α1 α2 α3 α4
311 2,685 t1=1,5 KBr -1,158 2,107 0 0 1,382E-4 -2,511E-4
312 2,255 d1=1 0 1,557 0 -0,020 -2,124E-3 -8,232E-4
350 d2=0,1 1,294
321 2,36 t2=2 KBr 0 1,805 0 -8,562E-3 -2,277E-4 -4,901E-4
322 -2065,943 d3=0,931 0 1,853 0 0 4,192E-3 -1,236E-3
331 2,638 t3=1 KBr 0 1,802 0 -0,052 0,013 -2,845E-3
332 2,246 d4=1 0 1,861 0 -0,053 9,329E-3 -1,884E-3
R correspond au rayon de courbure au sommet (en mm) de la surface désignée, l’épaisseur correspond à la distance (en mm) mesurée sur l’axe optique, entre la surface désignée et la surface suivante ; plus précisément, t1est l’épaisseur de la première lentille 310, d1est la distance entre la surface de sortie 312 de la première lentille et le diaphragme 350, d2est la distance entre le diaphragme 350 et la surface d’entrée 321 de la deuxième lentille, t2est l’épaisseur de la deuxième lentille 320, d3est la distance entre la surface de sortie 322 de la deuxième lentille et la surface d’entrée 331 de la troisième lentille, t3est l’épaisseur de la troisième lentille 330 et d4est la distance entre la surface de sortie 332 de la troisième lentille et la surface de détection du détecteur 380. Dans la colonne matériau, est reporté le matériau entre la surface désignée et la surface suivante. Le matériau est de l’air si non renseigné. k est le coefficient de conicité de la surface désignée, rmax(en mm) est la moitié d’une dimension maximale de la surface utile de ladite surface, dans cet exemple la moitié du diamètre de la surface utile de ladite surface, et α1, α2, α3, α4sont les coefficients d’asphérisation d’ordre2ide la surface désignée (voir [Math 11]).
La représente la fonction de transfert de modulation (FTM) polychromatique du système optique (normalisée) calculée en fonction de la fréquence spatiale, dans la plage de longueurs d’onde 8µm - 12µm.
Les courbes 361, 362 correspondent aux courbes calculées en limite de diffraction (système non entaché d’aberrations), respectivement en tangentiel et en sagittal, c’est-à-dire selon deux axes perpendiculaires dans le plan image : l’orientation tangentielle (méridionale) et l’orientation sagittale (radiale). Ces courbes correspondent donc aux meilleures performances attendues pour le système.
Les courbes 363 – 368 correspondent aux courbes calculées pour différents points du champ, le champ étant pris sur la surface de détection, par rapport au centre du détecteur positionné sur l’axe optique. Plus précisément, la courbe 363 est calculée au centre du champ (0 mm tangentiel), la courbe 364 est calculée au centre du champ (0 mm sagittal). La courbe 365 est calculée pour 1 mm tangentiel, la courbe 366 est calculée pour 1 mm sagittal, la courbe 367 est calculée pour 2,04 mm tangentiel et la courbe 368 est calculée pour 2,04 mm sagittal.
Le fait que toutes les courbes soient très proches des courbes calculées pour la limite de diffraction indique que la qualité du système optique est proche de la limite théorique, pour tous les points du champ. Le système de détection est donc de très bonne qualité.
La représente un deuxième exemple d’un système optique 401 associé à un système de détection 400, le système de détection comprenant un détecteur représenté par sa surface de détection 480. Le système optique 401 comprend une première lentille optique 410, un diaphragme 450, une deuxième lentille optique 420 et une troisième lentille optique 430.
La distance focale paraxiale du système optique 401 vaut F = 3,4 mm, le nombre d’ouverture vaut F#= 1,5, le champ est de 90°, l’encombrement total est de 6,3 mm.
Dans cet exemple, la distance focale paraxiale de la première lentille est F1= -138 mm ; la distance focale paraxiale de la deuxième lentille est F2= 2,5mm ; la distance focale paraxiale de la troisième lentille est F3= -15 mm ; la cambrure de la première lentille est β1= -8,8 ; la cambrure de la deuxième lentille est β2= -0,44 ; la cambrure de la troisième lentille est β3= 5,3. Par ailleurs, on calcule : F2/F = 0,74, F1/F = -40,6, F3/F = -4,4.
La Table 2 ci-dessous donne les paramètres optiques du système optique illustré sur la .
Surface R épaisseur matériau k rmax α1 α2 α3 α4
411 1,713 t1=1,245 KBr -0,651 1,802 0 0 7,686E-3 -2,932E-3
412 1,255 d1=0,822 0 1,083 0 -0,036 0,039 -0,051
450 d2=0,1 0,856
421 3,594 t2=1,847 KBr 0 1,289 0 -0,013 -0,011 2,26E-3
422 -1,73 d3=0,1 -1,883 1,676 0 0 -0,010 -9,075E-4
431 3,922 t3=1 KBr 0 1,847 0 -0,018 0,014 -4,162E-3
432 2,392 d4=1,198 0 2,102 0 -0,09 0,03 -4,745E-3
R correspond au rayon de courbure (en mm) de la surface désignée, l’épaisseur correspond à la distance (en mm) mesurée sur l’axe optique, entre la surface désignée et la surface suivante ; plus précisément, t1est l’épaisseur de la première lentille 410, d1est la distance entre la surface de sortie 412 de la première lentille et le diaphragme 450, d2est la distance entre le diaphragme 450 et la surface d’entrée 421 de la deuxième lentille, t2est l’épaisseur de la deuxième lentille 420, d3est la distance entre la surface de sortie 422 de la deuxième lentille et la surface d’entrée 431 de la troisième lentille, t3est l’épaisseur de la troisième lentille 430 et d4est la distance entre la surface de sortie 432 de la troisième lentille et la surface de détection du détecteur 480. Le matériau désigne le matériau entre la surface désignée et la surface suivante. Le matériau est de l’air si non renseigné. k est le coefficient de conicité de la surface désignée, rmax(en mm) est le rayon de la surface optique, et α1, α2, α3, α4sont les coefficients d’asphérisation d’ordre2ide la surface désignée (voir [Math 11]).
La représente la fonction de transfert de modulation (FTM) polychromatique du système optique (normalisée) calculée en fonction de la fréquence spatiale, dans la plage de longueurs d’onde 8µm - 12µm.
Les courbes 461, 462 correspondent aux courbes calculées pour la limite de diffraction, respectivement en tangentiel et en sagittal. Ces courbes correspondent donc aux meilleures performances attendues pour le système.
Les courbes 463 – 468 correspondent aux courbes calculées pour différents points du champ, le champ étant pris sur la surface de détection, par rapport au centre du détecteur positionné sur l’axe optique. Plus précisément, la courbe 463 est calculée au centre du champ (0 mm tangentiel), la courbe 464 est calculée au centre du champ (0 mm sagittal). La courbe 465 est calculée pour 1 mm tangentiel, la courbe 466 est calculée pour 1 mm sagittal, la courbe 467 est calculée pour 2,04 mm tangentiel et la courbe 468 est calculée pour 2,04 mm sagittal.
Là encore, les courbes sont très proches des courbes calculées pour la limite de diffraction. Cela indique que la qualité du système optique est proche de la limite théorique, pour tous les points du champ, et avec un FOV encore plus grand que dans l’exemple précédent.
La représente un troisième exemple d’un système optique 501 intégré dans un système de détection 500, le système de détection comprenant un détecteur représenté par sa surface de détection 580. Le premier système optique 501 comprend une première lentille optique 510, un diaphragme 550, une deuxième lentille optique 520 et une troisième lentille optique 530.
La distance focale paraxiale du système optique 501 vaut F = 2,8 mm, le nombre d’ouverture vaut F#= 1,5, le champ est de 120°, l’encombrement total est de 6,1 mm.
Dans cet exemple, la distance focale paraxiale de la première lentille est F1= -39 mm ; la distance focale paraxiale de la deuxième lentille est F2= 2,4 mm ; la distance focale paraxiale de la troisième lentille est F3= -54 mm ; la cambrure de la première lentille est β1= -7,5 ; la cambrure de la deuxième lentille est β2= -0,29 ; la cambrure de la troisième lentille est β3= 5,8. Par ailleurs, on calcule : F2/F = 0,86, F1/F = -13,9, F3/F = -19,3.
La Table 3 ci-dessous donne les paramètres optiques du système optique illustré sur la .
Surface R épaisseur matériau k rmax α1 α2 α3 α4
511 1,737 t1=1,104 KBr -0,619 1,889 0 0 4,617E-3 -2,403E-3
512 1,25 d1=0,971 0 1,116 0 -0,038 0,031 -0,034
550 d2=0,1 0,775
521 3,57 t2=1,651 KBr 0 1,331 0 -0,031 -3,474E-4 6,734E-4
522 -1,638 d3=0,1 -1,554 1,624 0 0 -0,013 -8,189E-4
531 3,358 t3=1,059 KBr 0 1,901 0 -5,051E-3 6,471E-3 -2,328E-3
532 2,681 d4=1,085 0 2,077 0 -0,063 0,023 -3,679E-3
R correspond au rayon de courbure (en mm) de la surface désignée, l’épaisseur correspond à la distance (en mm) mesurée sur l’axe optique, entre la surface désignée et la surface suivante ; plus précisément, t1est l’épaisseur de la première lentille 510, d1est la distance entre la surface de sortie 512 de la première lentille et le diaphragme 550, d2est la distance entre le diaphragme 550 et la surface d’entrée 521 de la deuxième lentille, t2est l’épaisseur de la deuxième lentille 520, d3est la distance entre la surface de sortie 522 de la deuxième lentille et la surface d’entrée 531 de la troisième lentille, t3est l’épaisseur de la troisième lentille 530 et d4est la distance entre la surface de sortie 532 de la troisième lentille et la surface de détection du détecteur 580. Le matériau désigne le matériau entre la surface désignée et la surface suivante. Le matériau est de l’air si non renseigné. k est le coefficient de conicité de la surface désignée, rmax(en mm) est le rayon de la surface optique, et α1, α2, α3, α4sont les coefficients d’asphérisation d’ordre2ide la surface désignée (voir [Math 11]).
La représente la fonction de transfert de modulation (FTM) polychromatique du système optique (normalisée) calculée en fonction de la fréquence spatiale, dans la plage de longueurs d’onde 8µm - 12µm.
Les courbes 561, 562 correspondent aux courbes calculées pour la limite de diffraction, respectivement en tangentiel et en sagittal. Ces courbes correspondent donc aux meilleures performances attendues pour le système.
Les courbes 563 – 568 correspondent aux courbes calculées pour différents points du champ, le champ étant pris sur la surface de détection, par rapport au centre du détecteur positionné sur l’axe optique. Plus précisément, la courbe 563 est calculée au centre du champ (0 mm tangentiel), la courbe 564 est calculée au centre du champ (0 mm sagittal). La courbe 565 est calculée pour 1 mm tangentiel, la courbe 566 est calculée pour 1 mm sagittal, la courbe 567 est calculée pour 2,04 mm tangentiel et la courbe 568 est calculée pour 2,04 mm sagittal.
Là encore, les courbes sont très proches des courbes calculées pour la limite de diffraction.
seule la courbe 567 décroche par rapport aux courbes en limite de diffraction, le système restant très satisfaisant au regard de son grand champ et de sa grande ouverture.
Bien que décrits à travers un certain nombre d’exemples de réalisation, les systèmes optiques selon la présente description comprennent différentes variantes, modifications et perfectionnements qui apparaîtront de façon évidente à l’homme de l’art, étant entendu que ces différentes variantes, modifications et perfectionnements font partie de la portée de l’invention telle que définie par les revendications qui suivent.

Claims (10)

  1. Système optique (101) présentant une distance focale paraxiale donnée F et une ouverture donnée définie par un nombre d’ouverture (F#), le système optique comprenant :
    - un diaphragme configuré pour recevoir une radiation incidente, ledit diaphragme définissant l’ouverture du système optique ;
    - une première lentille faite en un premier matériau, comprenant une première distance focale paraxiale F1et une première cambrure β1, telles que le module de F1/F est supérieur à 4,5 et le module de β1 est supérieur à 2, ladite première lentille étant agencée en amont du diaphragme;
    - une deuxième lentille faite en un deuxième matériau, convergente, comprenant une deuxième distance focale paraxiale F2et une deuxième cambrure β2, telles que F2/F est compris entre 0,5 et 2 et β2est compris entre -1 et 3,5, ladite deuxième lentille étant agencée en aval du diaphragme;
    - une troisième lentille faite en un troisième matériau comprenant une troisième distance focale paraxiale F3et une troisième cambrure β3, telles que le module de F3/F est supérieur à 2 et le module de β3est supérieur à 2, ladite troisième lentille étant agencée en aval de la deuxième lentille; et dans lequel :
    - le premier matériau, le deuxième matériau et le troisième matériau sont des halogénures d’alcalins.
  2. Système optique selon la revendication 1, dans lequel :
    - le module de F1/F est supérieur à 10 et β1est inférieur à -2,2 ; et/ou
    - F2/F est compris entre 0,7 et 1,2 et β2est compris entre -1 et 1,3 ; et/ou
    - le module de F3/F est supérieur à 2,5 et le module de β3est supérieur à 2,3.
  3. Système optique selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les alcalins des halogénures d’alcalins sont choisis parmi le sodium (Na), le potassium (K) et le rubidium (Rb).
  4. Système optique selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les halogènes des halogénures d’alcalins sont choisis parmi le chlore (Cl), le brome (Br) et l’iode (I).
  5. Système optique selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les halogénures d’alcalins sont de structures cristallines cubiques.
  6. Système optique selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel une épaisseur centrale de la première lentille optique et/ou de la deuxième lentille optique et/ou de la troisième lentille optique est supérieur ou égale au cinquième d’un diamètre de ladite lentille.
  7. Système de détection (100) pour l’imagerie visible et infrarouge comprenant :
    - une voie optique d’imagerie avec un axe optique et au moins un premier détecteur configuré pour une détection dans au moins une première bande spectrale et comprenant une surface de détection (180) ;
    - un système optique (101) selon l’une quelconque des revendications précédentes, agencé sur ladite voie d’imagerie, en amont dudit au moins un premier détecteur.
  8. Système de détection selon la revendication 7, dans lequel :
    - ledit au moins un premier détecteur comprend des premiers éléments sensibles dans une première bande spectrale et des deuxièmes éléments sensibles dans une deuxième bande spectrale différente de ladite première bande spectrale.
  9. Système de détection selon la revendication 8, dans lequel la première bande spectrale est une bande spectrale infrarouge et les premiers éléments sont des éléments thermosensibles.
  10. Système de détection selon l’une quelconque des revendications 7 à 9, dans lequel au moins une des surfaces utiles desdites première lentille, deuxième lentille, troisième lentille est vignettée pour stopper, en opération, des rayons en bord de champ, le vignettage de l’au moins une desdites surfaces utiles des lentilles étant tel qu’un éclairement mesuré en tout point du champ reste supérieur ou égal à environ 70% de l’éclairement mesuré sur l’axe optique.
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