FR2564991A1 - Systeme optique infrarouge - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN FLIR COMPORTANT UN TELESCOPE A REFRACTION 20 COMBINE AVEC UNE FENETRE J NON NEUTRE OPTIQUEMENT ET AVEC UN MIROIR DEVIATEUR I. L'OBJECTIF 21 DU TELESCOPE, DU TYPE TELEPHOTO, COMPREND UNE LENTILLE G DIVERGENTE ET UNE LENTILLE H CONVERGENTE. LES SURFACES DE LA LENTILLE DIVERGENTE SONT SPHERIQUES ALORS QU'AU MOINS L'UNE DES SURFACES 15, 16 DE LA LENTILLE CONVERGENTE EST ASPHERIQUE, DE FACON A COMPENSER L'ABERRATION SPHERIQUE INTRODUITE PAR LA PRESENCE DE LA FENETRE. L'INDICE DE REFRACTION DU MATERIAU CONSTITUTIF DE LA LENTILLE DIVERGENTE EST INFERIEUR A CELUI DU MATERIAU CONSTITUTIF DE LA LENTILLE CONVERGENTE.

Description

Système optique infrarouge.

L'invention concerne un système optique infrarouge à

vision vers l'avant.

L'arrivée sur le marché de systûoes optiques infrarouges à vision

vers l'avant (connus sous le symbole FLIR composé des initia-

les des mots Forward Looking Infrared Radar) à hautes per-

formances a suscité une demande de télescopes à hautes per-

formances et un certain nombre de projets afocaux ont été développés, o la résolution du télescope est limitée en diffraction. Certains de ces télescopes afocaux présentent un grossissement double et certains des projets développés présentent une faible longueur hors tout (c'est-à-dire un faible encombrement) avec de faibles aberrations de pupille

tout en minimisant la complexité optique et mécanique.

Dans divers modes de réalisation de systèmes FLIR il est pratiquement nécessaire de placer le télescope derrière une fenêtre, par exemple dans un carter, de façon que le télescope soit protégé de l'environnement extérieur, lequel peut être soumis à une pression très élevée. Dans ce cas la

fenêtre elle-même peut être conformée en dôme et donc opti-

quement non neutre et on a trouvé que la présence d'une telle fenêtre réduisait les performances du télescope afocal à un

degré tel que le FLIR est pratiquement rendu inutilisable.

Un but de l'invention est de proposer un système opti-

que infrarouge à vision vers l'avant qui comprend un télesco-

pe coopérant avec une fenêtre non neutre.

Selon l'invention il est proposé un système optique in-

frarouge à vision vers l'avant qui comprend un télescope à

réfraction comportant un système téléphoto objectif achroma-

tique à foyer fixe composé d'une première lentille d'objec-

tif et d'une seconde lentille d'objectif alignées sur un axe

optique commun, au moins une surface réfractive ou de réfrac-

tion de la première lentille étant asphérique et chacune des autres surfaces réfractives du système objectif étant sensi- blement sphérique, la seconde lentille étant divergente et présentant un indice de réfraction inférieur à celui de la

première lentille, laquelle estconvergente, le degré d'asphé-

ricité de la ou des susdite(s) surface(s) asphérique(s) étant

tel que le télescope ne soit ni afocal, ni limité en diffrac-

tion, en combinaison avec une fenêtre optiquement non neutre

dont les deux surfaces de réfraction sont sensiblement sphéri-

ques et concentriques, leur centre de courbure commun étant situé sur le susdit axe optique commun, l'aberration sphérique introduite dans le système par la fenêtre étant compensée par l'aberration sphérique du télescope de sorte que le système

est pratiquement afocal et limité en diffraction.

La fenêtre peut être soit convergente (ou de puissance positive), soittdivergente (ou de puissance négative), mais dans chaque cas l'aberration sphérique introduite dans le

système FLIR peut être compensée par le télescope, le.systè-

me objectif de ce dernier introduisant une aberration sphé-

rique de compensation du fait que le degré d'asphérité est accordé à sa (ou à ses) surface(s) asphérique(s). Il faut comprendre bien entendu que, lorsque les deux surfaces de la première lentille d'objectif sont asphériques, l'asphéricité effective totale du télescope est répartie entre les deux

surfaces, chacune de celles-ci présentant alors un degré d'as-

phéricité fortement réduit par rapport à celui qui serait observé si une surface seulement de la première lentille était asphérique.

Le système selon l'invention peut présenter un axe op-

tique commun dévié par un miroir déviateur disposé optique-

ment entre la fenêtre et la première lentille d'objectif de façon à rendre le.système périscopique. De plus si le miroir

déviateur est disposé au centre de courbure commun des surfa-

ces réfractives de la fenêtre, il peut avantageusement être utilisé comme un miroir de balayage monté pivotant autour

de ce centre de courbure de façon que le système puisse re-

cevoir des rayonnements provenant de diverses pupilles d'en-

trée disposées soit sur l'axe optique, soit hors de cet axe,

sans qu'il en résulte une réduction significative de la per-

formance optique du système FLIR, en raison de la géométrie

de la combinaison miroir-fenêtre.

Le télescope compris par le système FLIR peut être d'un type à grossissement simple ou double, mais dans ce dernier cas, quand on travaille à grossissement élevé, le balayage susceptible d'être réalisé à l'aide du miroir de balayage est réduit par rapport à celui susceptible d'être réalisé

pour le télescope travaillant à faible grossissement en rai-

son des ouvertures différentes requises au niveau de la fenê-

tre pour les faisceaux de rayonnements.

Il est à noter que le système FLIR selon l'invention est simple à la fois optiquement et mécaniquement du fait que le système objectif télescope est composé de seulement

deux lentilles dont l'une a des surfaces réfractives sphéri-

ques alors que l'autre a ou bien une surface réfractive sphé-

rique et une asphérique, ou deux surfaces réfractives asphé-

riques, mais dans tous les cas un degré d'asphéricité rela-

tivement faible. La fenêtre est également-simple optiquement, ayant deux surfaces réfractives concentriques, et le miroir

déviateur, lorsqu'il en est prévu un, a seulement une surfa-

ce réfléchissante plane unique, Les éléments réfringents du système doivent naturellement transmettre les radiations de

la gamme infrarouge. Le miroir déviateur peut avantageuse-

ment être constitué en aluminium rectifié comme au diamant ("diamond flycut") et revêtu ensuite par exemple avec du

fluorure de magnésium de façon à présenter une surface haute-

ment réfléchissante et durable.

Le système objectif télescope peut être corrigé en

couleur, ou chromatiquement, en rendant la valeur V de dis-

persion de la seconde lentille inférieure à celle de la

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première lentille. La lentille correctrice de couleur du sys-

tème objectif peut être constituée en séléniure de zinc, de

préférence du type formé par dépôt chimique de vapeur (cou-

ramment désigné par le symbole "CVD"), ce qui fournit un ma-

tériau avec peu d'irrégularités alors que les autres lentil- les du télescope et la fenêtre peuvent être constituées en germanium, tous ces matériaux présentant une bande passante

spectrale utile dans le domaine des longueurs d'onde infra-

rougesde 3 à 13 microns. Selon une variante la lentille cor-

rectrice de couleur peut être constituée à partir de n'impor-

te quel autre matériau présentant les caractéristiques physi-

ques convenables. On a indiqué au tableau VI certains des ma-

tériaux optiques les plus appropriés.

La lentille-correctrice de couleur peut être rigidement

fixée par rapport aux lentilles du télescope mais il peut ê-

tre avantageux de la rendre.mobile le long de l'axe optique, ce qui permet de compenser le système FLIR en fonction des variations de-la température ambiante, lesquelles décalent l'image réelle formée dans le télescope. De même, un tel

mouvement de là lentille correctrice de couleur peut être ex-

ploité pour faire varier le foyer du système (sans pour au-

tant faire perdre à ce système sa nature dite "afocale"), à condition que l'image-réelle formée dans le télescope ne soit

pas de grande qualité. Ceci est réalisé avantageusement lors-

que la lentille correctrice de couleur présente une faible puissance optique vu que de très petites modifications de

grossissement sont produites lorsque cette lentille est dé-

placée. Selon une variante, ou additionnellement, le système

peut être compensé vis-à-vis des variations de la températu-

re ambiante en constituant le bâti des lentilles à l'aide de matériaux dont deux au moins présentent des coefficients de dilatation thermique différents (compensation thermique mécanique passive). La lentille correctrice de couleur peut être déplaçable le long de l'axe optique ou peut être montée rigidement par rapport aux lentilles en une position qui

procure au télescope, lorsque celui-ci travaille en grossi-

ssement double, deux foyers fixes, notamment du type hyper-

focal. Quand le télescope est du type à grossissement double, comme le système de lentilles à grossissement élevé et le système de lentilles à grossissement faible ne peuvent pas

être alignés simultanément sur l'axe optique, ces deux sys-

tèmes doivent être alignés à tour de rôl61e sur cet axe optique.

Bien que plusieurs formules puissent être envisagées à cet effet, la plus simple peut-être consiste à faire appel à un

mécanisme du type carrousel dans lequel les systèmes de len-

tilles à grossissements élevé et faible sont décalés angulai-

rement de 90 l'un par rapport à l'autre sur un chariot uni-

que qui peut être tourné de 90 autour d'un point fixe de façon à aligner avec l'axe optique commun ou bien le

système de lentilles à grossissement élevé, alors que le sys-

tème de lentilles à faible grossissement se trouve sur une voie de garage, ce qui permet au télescope de travailler alors

avec un grossissement élevé ou vice versa.

Lorsqu'un miroir déviateur est prévu et est monté avec

possibilité de balayage, on peut avoir-recours à un mécanis-

me d'entraînement simple pour faire osciller ou pivoter le miroir, l'angle de balayage utile maximum étant celui pour lequel une dégradation sensible du rayonnement se produit sur

le miroir ou sur la fenêtre.

Un mode préféré de l'invention va être maintenant dé-

crit à titre d'exemple avec référence aux dessins et tableaux

schématiques ci-joints.

La figure 1 montre schématiquement un système FLIR éta-

bli selon l'invention, travaillant respectivement à grossis-

sement élevé (moitié du haut) et à grossissement faible (moi-

tié du bas).

La figure 2 montre le même système après de légers

déplacements angulaires du miroir déviateur.

La figure 3 est un schéma explicatif.

Le système FLIR montré sur la figure 1 comprend un

télescope 20 combiné avec un ensemble 30 composé d'une fenê-

tre non neutre optiquement et d'un miroir déviateur, ce té-

lescope comportant lui-même un système objectif 21, un sys-

tème collimateur 22, un système à grossissement élevé 23 et un système à grossissement faible 24 alignés sur un axe opti- que commun 19, les systèmes à grossissements élevé 23 et

faible 24 étant montés de façon à ne pas être alignés simul-

tanément sur l'axe optique commun 19. Le télescope 20 est du type à réfraction et, quand le système à'grossissement élevé 23 est aligné sur l'axe optique commun 19, une image réelle

est formée alors que, quand le système à faible grossisse-

ment 24 est aligné sur l'axe optique commun 19, une image réelle 26 est formée, les deux images étant formées à partir du rayonnement qui pénètre dans le système FLIR à partir de

l'espace objet 17 à travers l'ensemble 30 à fenêtre et miroir.

L'ensemble 30 à fenêtre et miroir est constitué par une

fenêtre J à puissance optique négative (divergente) compor-

tant des surfaces de réfraction 28, 29 qui sont concentriques et dont le centre de courbure commun est disposé sur l'axe

optique commun 19, lequel axe est dévié par la surface réflé-

chissante 27 d'un miroir I. Comme illustré sur la figure 1,

l'axe 19 est dévié de 90 . Les éléments I et J forment ensem-

ble un système à foyer fixe susceptible de recevoir les fais-

ceaux de rayons provenant de deux pupilles d'entrée virtuelles situées dans l'espace objet 17 et disposées sur l'axe 19 (figure 1) ou hors de cet axe selon l'orientation du miroir I.

La figure 2 montre ce miroir I décalé de 5 dans le mode de -

grossissement élevé et de 10 dans le mode de faible grossis-

sement. Comme la fenêtre J n'est pas optiquement neutre, elle

introduit dans le système FLIR une aberration sphérique sen-

sible (ainsi qu'une aberration de couleur ou chromatique,

bien qu'à un degré nettement moindre), aberration qui pour-

rait détruire la qualité de l'image du système FLIR; mais cet inconvénient est supprimé selon la présente invention du fait que le télescope 20 est rendu à la fois non-afocal et non limité endiffraction au moyen du système objectif 21,

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ainsi qu'il va être expliqué.

Le système objectif 21 est d'un type téléphoto et for-

mé par une première lentille H et par une seconde lentille G,

cette dernière étant divergente (puissance négative) et corri-

gée en couleur alors que l'autre est convergente (puissance positive). La lentille G présente des surfaces de réfraction

13, 14 et la lentille H, des surfaces de réfraction 15, 16.

Le système collimateur 22 est formé par une seule lentille A à puissance positive présentant des surfaces de réfraction 1, 2. Le système à grossissement élevé 23 est formé par deux lentilles à puissance positive B, C présentant respectivement des surfaces de réfraction 3, 4 et 5, 6. Le système à faible grossissement 24 est formé de trois lentilles D, E, F dont

les lentilles D et F sont à puissance positive avec respecti-

vement des surfaces de réfraction 7, 8 et 11, 12, et dont la

lentille E est à puissance négative avec des surfaces de ré-

fraction 9, 10. La lentille A constitue un système à foyer fixe, les lentilles B et C constituent ensemble un système à

foyer fixe, les lentilles D, E et F forment ensemble un'sys-

tème à foyer fixe et les lentilles G et H forment ensemble un système à foyer fixe de sorte que le système objectif 21 et l'ensemble 30 à fenêtre et miroir sont propres à recevoir des faisceaux de rayons de deux pupilles d'entrée différentes formées dans l'espace objet 17. Ensuite, ou bien le système 23 à grossissement élevé collecte les rayons provenant du système objectif 21, forme intérieurement une image réelle inversée 25 et produit un faisceau de rayons de sortie au

système collimateur 22, ou bien le système à faible grossis-

sement 24 recueille le rayonnement provenant du système ob-

jectif 21, forme intérieurement une image réelle inversée 26 et élabore un faisceau de rayons de sortie pour le système collimateur 22. Ce système collimateur 22 élabore ainsi deux faisceaux de rayons Darallèles qui forment une pupille de sortie 0 dans l'espa-e image 18, ces deux faisceaux de rayons parallèles dans l'espace image 18 étant identiques à quelques petites différences d'aberration optique près. La puissance

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optique et l'espacement entre les différentes lentilles A, B, C, D, E, F, G, H, J sont choisis de façon telle que, dans

le mode à grossissement élevé, l'image 25 soit disposée en-

tre les surfaces de réfraction 5 et 13 et que, dans le mode à faible grossissement, l'image 26 se trouve entre les sur-

faces de réfraction 8 et 9.

Les surfaces de réfraction 1 à 14, 16, 28 et 29 sont chacune pratiquement sphériquesen ce sens que, si elles ne sont pas rigoureusement sphériques, elles le sont au sens habituellement admis dans la technique, alors que la surface

, ayant un profil asphérique et la surface 27, ayant un pro-

fil plat (c'est-à-dire "plat" au sens habituellement admis dans la technique, même s'il ne s'agit pas d'une planéité

rigoureuse) sont non-sphériques.

Le système FLIR est destiné à travailler dans la région des longueurs d'onde infrarouges(c'est-à-dire 3-13 microns)

et en conséquence les indices de réfraction des éléments ré-

fringents sont relativement élevés, mais en vue de présenter une performance optique suffisamment élevée, la lentille G est corrigée en couleur ou chromatiquement, divergente et

présente un indice de réfraction inférieur à celui de la len-

tille H. Ceci est obtenu pour la gamme 8-13 microns en

constituant les lentilles A, B, C, D, E, F, H et J en germa-

nium, matériau dont l'indice de réfraction est 4,00322, et la lentille G est constituée en séléniure de zinc, matériau dont l'indice de réfraction est 2,40653, mesurés pour une

longueur d'onde de 10 microns à une température de 20 C.

Dans ce cas la lentille G présente une capacité de dispersion, ou valeur V, de 77, cette valeur V étant définie comme le rapport entre l'indice de réfraction à 10,0 microns, moins un et l'indice de réfraction à 8,5 microns diminué de

l'indice de réfraction à 11,5 microns. Le miroir I est cons-

titué en aluminium rectifié comme au diamant. Ces matériaux, qui sont adaptés à des revêtements anti-réflexion, procurent, pourvus de tels revêtements anti-réflexion, un système FLIR avec une transmission d'au moins 60% du rayonnement incident

dans la gamme de 8,5 à 11,5 microns, et ce pour les deux mo-

des de grossissement.

Comme le système objectif 21 comporte une lentille G

dont l'indice de réfraction est inférieur à celui de la len-

tille H et comme la surface 15 est asphérique, la performance du télescope 20 peut aisément être rendue en elle-même à la fois non-afocale et non limitée en diffraction en faisant

simplement varier le degré d'asphéricité de la surface 15.

De fait, il est relativement simple de rendre le télés-

cope par lui-même très éloigné d'une limitation endiffraction, suffisamment pour que l'aberration sphérique introduite dans le système FLIR par des fenêtres J présentant des courbures très variées puisse être compensée et qu'ainsi le système FLIR travaille globalement à la fois d'une manière afocale

et à la limite de diffraction.

La lentille G est de préférence mobile le long de l'axe optique 19 alors que les autres lentilles A, B, C, D, E, F, H et J ne sont pas mobiles, ce qui permet une compensation du système vis-à-vis des déplacements des deux images 25 et 26

dus aux variations de température ambiante, généralement en-

tre -10 C et +50 C. De plus, pour des positions fixes des images 25 et 26 le système FLIR peut être focalisé sur des objets distants, situés typiquement à des distances comprises entre 40 m et l'infini pour le mode de grossissement élevé

et entre 8 m et l'infini pour le mode à faible grossissement.

Selon une variante, la lentille G et les autres len-

tilles A, B, C, D, E, F, H et J peuvent être montées fixes.

En construisant de manière appropriée le bâti qui supporte les éléments E, F et H à l'aide d'un matériau ou de matériaux présentant des coefficients de dilatation thermique élevés, tels que le polyéthylène à poids moléculaire très élevé (connu sous l'appellation "UHMPE") et en construisant le reste du bâti à l'aide d'un matériau ou de matériaux présentant des coefficients de dilatation thermique relativement bas tels que l'aluminium (ledit coefficient étant d'environ 23 x 10-6 pour l'aluminium et 125-225 x 10-6 pour UHME) 23 x 10 pour l'aluminium et 125225 x 10 pour 1'UHMPE),

il est possible de compenser le système FLIR pour des tempé-

ratures ambiantes comprises entre -40 C et 70 C en mainte-

nant des foyers constants et une bonne performance optique.

Bien que cette mesure procure uniquement au système FLIR deux foyers fixes, elle élimine le besoin de déplacement de la lentille G et par le fait même les mécanismes propres à

déplacer cette lentille.

Comme montré sur la figure 2, le système à lentilles 23 à grossissement élevé et le système à'lentilles 24 à faible grossissement peuvent être alignés à tour de rôle sur

l'axe optique commun 19 en utilisant un mécanisme à carrou-

sel propre à faire tourner les systèmes 23 et 24 autour du point X et le miroir I est déplacé angulairement autour du point R qui est le centre de courbure commun des surfaces 28 et 29. Comme le système de l'invention est extrêmement

compact avec un nombre f interne pour le mode de grossisse-

ment élevé inférieur à 1,5 dans l'intervalle compris entre les lentilles G et H et comme le champ de vision de l'espace image 18 est de 38,1 (horizontal) x 26,5 (vertical) et 46,4 (diagonal), les systèmes à grossissement élevé 23 et faible 24 peuvent être déplacés angulairement de la manière

la plus aisée dans le plan vertical. Ceci présente l'avanta-

ge de réduire l'angle de champ maximum des faisceaux de rayons et les ouvertures dégagées des lentilles B, C, D, E et

F, ce qui à la fois réduit les contraintes spatiales. Le mi-

roir I peut être tourné dans un plan horizontal, dans un plan vertical, dans un plan diagonal ou selon n'importe quel

autre champ de vision en fonction des exigences de l'applica-

tion du système; toutefois, pour un angle donné maximum de

rotation du miroir, le champ de vision vertical le plus pe-

tit donne une surface d'ouverture minimum au niveau de la surface 27 du miroir. La figure 1 montre un champ de vision de 46,4 alors que la figure 2 montre un champ de vision de

26,5 dans l'espace image.

Un exemple du système FLIR a été détaillé sur les tableaux I et II dans lesquels le rayon de courbure de chaque surface de réfraction est donné en même temps que le diamètre d'ouverture de chaque surface et que le diamètre de

la pupille 0, dont la position est utilisée comme une réfé-

rence à partir de laquelle l'écart des surfaces de réfraction successives est défini, ainsi que la nature du matériau

correspondant à chaque intervalle. Ainsi par exemple la sur-

face 11 présente un rayon de courbure de -34,67 mm, le signe - signifiant que le centre de courbure se trouvé à gauche de la surface 11; cette surface est séparée par un intervalle d'air de 11,30 mm de la surface 10 précédente, en direction de la pupille 0; elle présente un diamètre d'ouverture de 52,22 mm et est séparée de la surface suivante 12 par une

distance de 6,20 mm dans le germanium. Le tableau I cor-

respond au système 20 travaillant dans le mode de grossisse-

ment élevé et le tableau II correspond au système 20 travail-

lant dans le mode de faible grossissement. Il est à noter que la somme de tous les écarts selon le tableau I est égale

à la somme de tous les écarts selon le tableau II. Les coor-

données du point de rotation X sont de 64,3 mm à partir de la pupille d'entrée 0, comptées le long de l'axe optique 19 (vers la droite) et de 3, 6 mm perpendiculairement à l'axe

optique (vers le bas).

Le profil asphérique de la surface de réfraction 15

est montré sur la figure 3, sur laquelle les écarts parallè-

les à l'axe optique entre le profil asphérique et la sphère adjacente la plus proche ainsi que la surface sphérique de référence 15' sont multipliés par un facteur de 1000, ledit profil asphérique étant donné par l'équation:

Z.C = 1 - - CC.H2 + 4 + G.H6 +...) (1)

dans laquelle, Z = la distance selon l'axe optique C = 1/R; R = le rayon de courbure de la surface 15' (= -177,51 mm) H: la distance radiale perpendiculaire à l'axe optique (valeur maximnum = 49,65 mm) B = coefficient asphérique de premier ordre (= -1,23 x -8) G = coefficient asphérique de second ordre (= +3,74 x o-12 5... = termes d'ordre plus élevé (=0,0)

et la sphère adjacente la plus proche étant la surface sphé-

rique dont le profil asphérique diffère le moins. Le tableau V contient des valeurs calculées d'écarts entre le profil

asphérique et la sphère adjacente la plus proche pour diffé-

rentes hauteurs d'ouverture, ainsi que le rayon de courbure de la sphère adjacente la plus proche. Il est à noter que le

degré d'asphéricité est faible.

Ce système FLIR produit un grossissement élevé de X 6,0 et un faible grossissement de X 1,9 et présente pour son mode de grossissement élevé un nombre f interne de 1,00 dans l'espace d'air compris entre les lentilles G et H. La correction de couleur est maintenue sur la gamme de 8,5 à 11,5 microns et avec une lentille G mobile la focalisation peut être obtenue dans le mode à grossissement élevé pour les distances comprises entre 40 m et l'infini et dans le

mode à faible grossissement pour les distances comprises en-

tre 8 m et l'infini; la compensation thermique peut être obtenue pour les deux modes de grossissement sur la gamme des

températures comprises entre -10 C et +50 C avec une dégrada-

tion minimum des performances globales. Pour des applications pratiques, si la dégradation de performance est acceptable, la distance de focalisation pour les modes de grossissement

élevé et faible peut être augmentée jusqu'à englober respec-

tivement la gamme des distances comprises entre 8 m et l'in-

fini et la gamme des distances comprises entre 4 m et l'infi-

ni et dans les deux modes de grossissement la gamme de la compensation thermique peut être accrue pour englober toutes les températures comprises entre -40 C et +70 C. Selon une

variante, la lentille G et toutes les autres lentilles peu-

* vent être montées fixes, ce qui détermine deux foyers fixes et la compensation thermique obtenue à l'aide de moyens passifs

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peut être assurée pour la gamme des températures comprises

entre -40QC et +700C avec une dégradation minimum des perfor-

mances globales. Des valeurs spécifiques de la qualité de l'image pour ce système FLIR sont données sur les tableaux III et IV, le premier présentant des données relatives au mode de grossissement élevé avec alors une focalisation à une distance approximative de 2500 m et le second présentant des données relatives au mode à,faible grossissement avec

une focalisation à une distance approximative de 111 m.

Le système FLIR qui a été décrit présente, pour le mode de grossissement élevé, des performances élevées sur au moins les 2/3 du champ total avec un diamètre d'ouverture du premier objectif du télescope agrandi de 12,4% de façon à accomoder les aberrations de pupille; pour le mode de faible grossissement, il fournit une performance élevée pour au moins les 2/3 du champ total. Pour chacun des deux modes de

grossissement le système FLIR produit une distorsion angu-

laire, pour l'angle de champ maximum de seulement +1,2% et

+1,5%, respectivement, le signe + indiquant que le grossisse-

ment augmente lorsque l'angle de champ augmente.

Spécialement pour le mode à faible grossissement, le

système FLIR décrit présente des faisceaux de rayons qui con-

vergent vers une zone à section droite minimum adjacente à

la fenêtre J, comme montré sur les figures 1 et 2. Par consé-

quent, le champ de vision du système FLIR peut être augmenté sensiblement sans qu'il apparaisse des effets de dégradation (de type "narcisse" ou "vignettage") en faisant tourner le miroir I. Le système présenté sur les tableaux I à V inclus

peut être dessiné et optimisé de manière à proposer une lar- ge gamme de grossissements élevés et faibles, le rapport en-

tre les grossissements élevés et faibles étant typiquement compris dans les gammes 6:1 et 2:1, avec une configuration

générale des lentilles demeurant constante. Bien que seule-

ment deux coefficients asphériques aient été utilisés dans l'équation cidessus donnant la solution de la lentille,

d'autres coefficients asphériques, c'est-à-dire d'ordres su-

périeurs,peuvent être utilisés si on le désire. Il.est éga-

lement possible d'optimiser le système de façon qu'il offre un champ de vision différent et un autre diamètre de pupille dans l'espace image, rendant ce système propre à être asso-

cié à différents systèmes de détection qui peuvent faire usa-

ge ou non de mécanismes de balayage. Il est à noter que tou-

tes les indications données dans les tableaux I à VI inclus correspondent à une température de 20 C et que le nombre f -1

ici spécifié est dérivé de la formule (2.sin 8)-1 dans la-

quelle e est le demi-angle au sommet du c6ne formé par le pinceau de champ axial après réfraction par la lentille sur

laquelle ce pinceau est incident.

Bien que le mode de réalisation ci-dessus prévoie seulement une surface 15 de réfraction asphérique, il est bien entendu que des performances analogues pourraient être obtenues en rendant seulement la surface 16 asphérique ou

en rendant asphériques les deux surfaces 15 et 16, cette der-

nière formule présentant l'avantage que le degré total d'as-

phéricité est réparti entre les deux surfaces de sorte que chacune présente un degré d'asphéricité nettement réduit en comparaison avec celui de la surface 15 conforme au tableau V.

TABLEAU I

Lentille Surface Ecart Rayon de Matériau Diamètre (2) courbure d'ouverture Pupille (1) d'entrée 0 O Plat Air 15,30 1 19,52 -199,20 Air 32,80 A 2 4,18 -100,08 Ce 33,92 3 8,50 -476,46 Air 36,54 B 4 3,75 -102,22 Ge 36,86 0,50 30,48 Air 33,01 C 6 13,13 22,21 Ge 20,96 13 64,80 166,09 Air 64,62 G 14 5,75 139,70 As/Se/Ge(BS1) 65,12 ' (3) 42,85 -177,51 Air 99, 25 H l 16 10,09 -114,30 Ge 102,73 I2771,00 Plat Air 197,00 (Réflexion) 28 103,00 -103,00 Air 138,00 4 J l1 29 10,00 -113,00 Ge 151,00 (4)

(1) Angle de champ maximum à la pupille d'entrée = 46,4 .

(2) Tel que requis par le mode de grossissement.

(3) La surface 15 pr-sente un profil asphérique.

(4) Diamètre d'ouverture variable.

TABLEAU II

Lentille Surface Ecart Rayon de Matériau Diam2tre() courbure d'ouverture Pupille (1 d'entrée 0 O Plat Air 15,30 1 19,52 -199,20 Air 32,80 A 2 4,18 -100,08 Ce 33,92 7 8,37 31,75 Air 38,37 D 8 7,73 27,81 Ce 31,93 9 42,25 86,00 Air 45,89 E 4,81 -108,51 Ge 49,22 11 11,30 -34,67 Air 52,22 F 12 6, 20 -36,19 Ge 58,54 ... 13 10,20 166,09 Air 74,95 G 14 5,75 139,70 As/Se/Ge(BS1) 74,60 '(3) 42,85 -177,51 Air 97,07 H 16 10,09 -114,30 Ge 100,27 I 27 71,00 Plat Air 197,00 () (réflexion) 28 103,00 -103,00 Air 138,00 (4) J.(4) 29 10,00 -113,00 Ge 151,00

(1) Angle de champ maximum à la pupille d'entrée = 46,4 .

(2) Tel que requis par le mode de grossissement.

(3) La surface 15 présente un profil asphérique.

(4) 'Diamètre d'ouverture variable.

TABLEAU III

Dimensions quadratiques moyennes approximatives des points dans l'espa-

ce cbjet (en milliradians).

Champ kbnochrTmatique à (+) Chroematique sur la gamme ,0 microns 8,5 - 11, 5 micrans Axial 0,052 0,077

1/2 0,063 0,094

3/4 0,083 0,113

Total 0,131 0,157 (+) Donné comme une moyenne de trois mesures correspondant

aux trois longueurs d'onde 8,5, 10,0 et 11,5 microns.

TABLEAU IV

Dimensions quadratiques moyennes approximatives des points dans l'espa-

ce objet (en milliradians).

Champ Mnochraomatique à (+) Chramatique sur la gameine À> 10,0 microns 8, 5 - 11,5 microns Axial 0,448 0,453

1/2 0,477 0,486

3/4 0,583 0,578

Total 0,389 0,429 (+) Donné comme une moyenne de trois mesures correspondant

aux trois longueurs d'onde 8,5, 10,0 et 11,5 microns.

TABLEAU V

Distance radiale perpendicu- Profondeur du profil (1) laire à l'axe optique, asphérique (mm) (microns)

0,00 0,00

1,99 -0,02

3,97 -0,08

,96 -0,17

7,94 -0,29

9,93 -0,43

11,92 -0,59

13,90 -0,75

,89 -0,90

17,87 -1,03

19,86 -1,14

21,85 -1,20

23,83 -1,21

,82 -1,17

27,80 -1,08

29,79 -0,93

31,78 -0,74

33,76 -0,52

,75 -0,30

37,73 -0,11

39,72 -0,00

41,71 -0,02

43,69 -0,26

,68 -0,81

47,66 -1,78

49,65 -3,30

Rayon de courbure de la sphère adjacente la plus proche -177,19 mm

(1) La profondeur du profil asphérique est définie comme l'é-

cart entre deux points situés à la même distance radiale de l'axe optique, respectivement sur ledit profil et sur

la sphère adjacente la plus proche.

Le signe négatif signifie qu'il faut enlever du matériau

de lentille de la sphère adjacente la plus proche pour ob-

tenir le profilt phérique.

4991

TABLEAU VI

Matériau Indice de réfraction Valeur V (pour la gamme (pour 10 microns) 8, 5-11,5 microns)

BS2 2,85632 248

BSA 2,77917 209

TI 1173 2t60010 142

AMTIR 2,49745 169

BS1 2,49158 152

TI 20 2,49126 144

ZnSe 2,40653 77

KRS 5 2,37044 260

CsI 1,73933 316 CsBr 1,66251 176

KI 1,62023 137

Claims (5)

REVENDICATIONS

1. Système optique infrarouge à vision vers l'avant, caractérisé en ce qu'if somprend un télescope à réfraction (20) comportant un système objectif téléphoto achromatique (21) à foyer fixe composé d'une première lentille (H) et

d'une seconde lentille (G) alignées sur un axe optique com-

mun (19), au moins une surface de réfraction (15) de la pre-

mière lentille (H) étant asphérique et chacune des autres surfaces de réfraction (13, 14, 16) du système objectif (21)étant

sensiblement sphérique, la seconde lentille (G) étant diver-

gente et présentant un indice de réfraction inférieur à celui de la première lentille (H) qui est convergente, le degré d'asphéricité de ladite surface asphérique (15) ou desdites surfaces asphériques étant tel que le télescope (20) est ni afocal ni limité en diffraction, en combinaison avec une fenêtre (J) optiquement non neutre dont les deux surfaces de

ré-fraction (28, 29) sont sensiblement sphériques et concen-

triques et ont leur centre commun de coprbure disposé sur l'axe optique commun (19), l'aberration sphérique introduite

dans le système par la fenêtre (J) étant compensée par l'aber-

ration sphérique du télescope (20) de façon telle que le

système soit sensiblement afocal et limité en diffraction.

2. Système optique selon la revendication 1, carac-

térisé en ce qu'un miroir déviateur (I) est interposé entre la fenêtre (J) et la première lentille (H) et en ce que le centre commun de courbure de cette fenêtre est situé sur la

surface réfléchissante (27) dudit miroir.

3. Système optique selon là revendication 2, carac-

térisé en ce que le miroir déviateur (I) est monté pivotant

autour du point de réflexion de l'axe optique (19) sur lui.

4. Système optique selon la revendication 1, carac-

térisé en ce que le télescope comprend un système à lentilles (23) à grossissement élevé et un système à lentilles (24) à faible grossissement qui sont alignables à tour de rôle sur l'axe optique (19) et en ce que, lorsque le système (24) à faible grossissement est ainsi aligné, les faisceaux de rayons optiques qui le traversent convergent vers une zone à section droite minimum située dans l'intervalle compris

entre la fenêtre (J) et la première lentille (H).

5. Système optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les lentilles (G, H, J) du système

présentent des rayons de courbure, des distances de sépa-

ration entre leurs surfaces respectives comprises entre la surface de sortie (13) de la lentille secondaire (G) de l'objectif (21) et la surface d'entrée (29) de la fenêtre (J), et des matériaux telsqu'indiqué dans le tableau suivant: Lentille Surface Ecart Rayon de Matériau (mm) courbure (mm) (mm) i a 13 - 166,09 Air 84 14 5,75 139,70 As/Se/Ge(BSl) 4. j 0 15 42,85 Asphérique Air o E 16 10,09 - 114,30 Ge v4 28 174,00 - 103, 00 Air 29 10,00 - 113,00 Ge la surface "asphérique" présentant un profil donné par l'équation:

Z.C = 1 J1 - C(CH2 + BH4 + GH6)

dans laquelle Z est la distance, selon l'axe optique,

entre ladite surface asphérique et la ligne perpendiculai-

re audit axe optique qui contient le point d'origine o se rencontrent la surface sphérique de référence et

la surface asphérique; H est la distance radiale, perpen-

diculaire à l'axe optique, entre cet axe et un point sur

la surface asphérique; C est l'inverse du rayon de cour-

bure de la surface sphérique de référence, savoir - 1 / 177,51; B est une constante égale à - 1,23 x 10-8;

et G est une constante égale à + 3,74 x 10-12.