FR2838528A3 - One hundred and eighty degree objective for monostatic coaxial LIDAR telemetric system - Google Patents

Abstract

The one hundred and eighty degree objective for a spectral band viewer has a laser with a lens producing a real image of the laser beam. There is an apertured mirror at forty five degrees and surrounding the laser beam. A fibre optic extends between the laser image point and the output at the centre of the telescope. The objective has a detector and a focussing lens.

Description

MANDATAIRE: Cabinet LAURENT & CHARRAS - 1 La présente demande concerne unREPRESENTATIVE: LAURENT & CHARRAS - 1 The present application concerns a

objectif de prises de vues possédant un champ angulaire de 180 degrés environ et destiné à 1'observation ou la mesure de phénomènes  objective of shooting having an angular field of about 180 degrees and intended for observing or measuring phenomena

précis sur des bandes spectrales étroites.  accurate on narrow spectral bands.

Il existe, pour la photographie ou la cinématographie, des objectifs captant un champ voisin de 180 degrés. Quand ils donnent une image de bonne qualité, leur partie frontale est de grande dimension et leur structure est complexe car la correction des aberrations sur un  There are targets for photography or cinematography capturing a field close to 180 degrees. When they give an image of good quality, their frontal part is of big dimension and their structure is complex because the correction of the aberrations on a

tel champ exige beaucoup d'éléments, souvent une dizaine de lentilles.  such a field requires a lot of elements, often a dozen lenses.

Dans le système optique, objet de la présente demande, ces inconvénients peuvent être sensiblement réduits, puisqu'on opère sur des bandes spectrales étroites. En effet il n'est pas nécessaire de corriger les aberrations chromatiques. Ainsi la partie- avant, précédant le diaphragme d'ouverture, peut être constituée d'un petit nombre de lentilles simples, ce qui  In the optical system, object of the present application, these disadvantages can be substantially reduced, since it operates on narrow spectral bands. Indeed it is not necessary to correct the chromatic aberrations. Thus the front part, preceding the opening diaphragm, may consist of a small number of single lenses, which

diminue beaucoup les diamètres de ces premières lentilles.  greatly decreases the diameters of these first lenses.

Une autre façon de réduire l'encombrement du système consiste à diminuer sa distance focale. Or pour obtenir suffisamment d'informations sur un petit format, il est nécessaire d'avoir une image de haute définition. En négligeant les aberrations chromatiques, il est plus aisé d'obtenir une très bonne qualité dans tout le champ de 180 degrés. D'autre part, un procédé courant pour opérer en lumière monochromatique consiste à utiliser des filtres interférentiels. Pour conserver leur efficacité ces filtres doivent être attaqués par les divers pinceaux lumineux sous des incidences faibles, inférieures à douzaine de degrés. Pour cette raison, dans l'objectif selon l'invention, le diaphragme est  Another way to reduce the clutter of the system is to reduce its focal length. But to get enough information on a small format, it is necessary to have a high definition image. By neglecting the chromatic aberrations, it is easier to obtain a very good quality in all the field of 180 degrees. On the other hand, a common method for operating in monochromatic light is to use interference filters. To maintain their effectiveness these filters must be attacked by the various luminous brushes under low incidences, lower than a dozen degrees. For this reason, in the objective according to the invention, the diaphragm is

placé au foyer- objet de la partie postérieure et les filtres sont disposés après le système.  placed at the focus-object of the posterior part and the filters are arranged after the system.

Ainsi, pour chaque angle de champ, le rayon lumineux principal, passant par le centre du diaphragme, sort parallèlement à l'axe optique du système et attaque les fltres sous une incidence nulle; les rayons qui s'appuient sur les bords du diaphragme frappent les filtres  Thus, for each angle of field, the main light ray, passing through the center of the diaphragm, leaves parallel to the optical axis of the system and attacks the flats under zero incidence; the rays that rest on the edges of the diaphragm hit the filters

sous une incidence minimum.under a minimum incidence.

Pour rabattre les rayons principaux parallèlement à l'axe optique, la partie de l'objectif précédant le diaphragme est divergente et la partie postérieure convergente. Par ailleurs, la première surface de l'objectif est nécessairement convexe pour capter les rayons  To fold the main rays parallel to the optical axis, the part of the objective preceding the diaphragm is divergent and the rear part converges. Moreover, the first surface of the lens is necessarily convex to capture the rays

perpendiculaires à 1'axe.perpendicular to the axis.

En vue d'obtenir un ensemble de faible encombrement, de bonne qualité et de structure relativement simple, la partie antérieure est formée de deux ménisques divergents dont les faces convexes sont tournées vers l' avant tandis que la partie postérieure comporte trois éléments convergents; parmi ceux-ci, deux sont des lentilles simples et le troisième est - 2 un doublet comportant une surface de collage divergente, c'est à dire une surface dont le centre est dans le milieu de plus faible indice. Pour aplanir le champ image, les distances  In order to obtain a compact assembly of good quality and relatively simple structure, the anterior part is formed of two divergent meniscuses whose convex faces are turned forward while the posterior part comprises three convergent elements; of these, two are single lenses and the third is - 2 a doublet having a divergent bonding surface, ie a surface whose center is in the middle of lower index. To flatten the image field, the distances

focales des deux groupes sont à peu près opposées, à mieux de 20% près.  focal lengths of the two groups are approximately opposite, to better by 20%.

Un objectif conforme à la présente demande est donc formé de deux groupes de lentilles disposés de part et d'autre du diaphragme d'ouverture et caractérisé par les points suivants: - le premier groupe est constitué de deux ménisques divergents tournant leur convexité vers l'avant; - le second groupe comprend trois éléments convergents, dont deux sont des lentilles simples et le troisième un doublet collé dont la surface de collage est divergente; - les distances focales Fd et Fc respectivement du premier et du second groupe vérifient la relation: 0.8 Fc < (-Fd) < 1. 2 Fc - le diaphragme d'ouverture est placé dans le plan focal objet du second groupe convergent. Evidemment on peut, sans sortir du cadre de l'invention, remplacer le groupe collé par  An objective according to the present application is therefore formed of two groups of lenses arranged on either side of the aperture diaphragm and characterized by the following points: the first group consists of two divergent meniscuses rotating their convexity towards the aperture before; the second group comprises three convergent elements, two of which are single lenses and the third a bonded doublet whose bonding surface is divergent; the focal lengths Fd and Fc respectively of the first and second groups satisfy the relation: 0.8 Fc <(-Fd) <1. 2 Fc - the opening diaphragm is placed in the object focal plane of the second convergent group. Obviously it is possible, without departing from the scope of the invention, to replace the group bonded with

deux lentilles simples accolées et séparées par une mince lame d'air.  two single lenses joined together and separated by a thin air gap.

On donne ci-dessous deux exemples de réalisation conformes à la demande. Selon un mode de représentation classique, les tableaux 1 et 2 donnent la formule optique des systèmes, représentés en coupe respectivement par les figures 1 et 2. Les colonnes indiquent successivement les valeurs suivantes: - les rayons de courbure R (en mm) de chacun des 11 dioptres supposés sphériques; - les intervalles E (en mm) séparant deux dioptres consécutifs; - les diamètres 0 (en mm) de chaque dioptre; - les indices Nd des lentilles pour la raie d,  Two examples of embodiments according to the application are given below. According to a conventional mode of representation, Tables 1 and 2 give the optical formula of the systems, represented in section respectively by FIGS. 1 and 2. The columns successively indicate the following values: the radii of curvature R (in mm) of each 11 dioptres supposed to be spherical; intervals E (in mm) separating two consecutive diopters; the diameters 0 (in mm) of each diopter; - the indices Nd of the lenses for the line d,

- le coefficient de dispersion V des lentilles.  the dispersion coefficient V of the lenses.

Le premier exemple décrit par le tableau l est un objectif de distance focale 2.25 mm, ouvert  The first example described in Table 1 is a focal length lens 2.25 mm, open

à F/3.8. Le diamètre de l'image correspondant à un champ objet de 180 est 6 mm.  at F / 3.8. The diameter of the image corresponding to an object field of 180 is 6 mm.

Pour la raie d, le plan de meilleure mise au point est à 5.56 mm de la dernière surface, ce qui correspond à une défocalisation de - 0.07. Dans ce plan le pouvoir séparateur est. dans tout le champ, supérieur à 160 paires de lignes par millimètre. La présence de filtres n'affecte pas cette qualité. Cette haute définition permet d'exploiter et de traiter l'image en la recueillant sur un récepteur de type CCD à très fine structure (dont les pixcls sont inférieurs à 10 microns). La figure 1 est une coupe de 1'objectif à 1'échelle 4/1. Pour ne pas charger le schéma, on a tracé le cheminement de seulement 2 rayons principaux correspondants aux demi champs de 45 et 86 . Le diaphragme d'ouverture est à 2.4 mm derrière la surface 4 et  For the d line, the best focusing plane is 5.56 mm from the last surface, which corresponds to a defocus of -0.07. In this plane the separating power is. throughout the field, greater than 160 pairs of lines per millimeter. The presence of filters does not affect this quality. This high definition makes it possible to exploit and process the image by collecting it on a CCD receiver of very fine structure (whose pixcls are less than 10 microns). Figure 1 is a sectional view of the 4/1 scale. In order not to load the diagram, we have traced the path of only 2 main radii corresponding to the half fields of 45 and 86. The opening diaphragm is 2.4 mm behind the surface 4 and

à 1.1 mm devant la surface 5; son diamètre est 1.10 mm.  to 1.1 mm in front of surface 5; its diameter is 1.10 mm.

- 3 - Tableau 1R E 0 Nd Vd- 3 - Table 1R E 0 Nd Vd

115.00 19.00115.00 19.00

> 2.00 1.80318 46.38> 2.00 1.80318 46.38

25.80 10.8025.80 10.80

2.90 air2.90 air

326.45 10.80326.45 10.80

> 1.80 1.80318 46.38> 1.80 1.80318 46.38

44.21 6.4044.21 6.40

2.4 + 1.1 0 diaph.1.10 air2.4 + 1.1 0 diaph.1.10 air

-10.90 5.00-10.90 5.00

> 0.75 1.80518 25.43> 0.75 1.80518 25.43

ô10.90 6.00ô10.90 6.00

> 2.50 1.65160 58.52> 2.50 1.65160 58.52

7- 3.90 6.007- 3.90 6.00

0.05 air0.05 air

8100.00 9.008100.00 9.00

> 1.80 1.69680 55.41> 1.80 1.69680 55.41

9- 11.40 9.009- 11.40 9.00

0.05 air0.05 air

+ 11.40 9.00+ 11.40 9.00

> 1.80 1.69680 55.41> 1.80 1.69680 55.41

11- 100.00 9.0011- 100.00 9.00

Tableau 2 1.34 (eau de mer)Table 2 1.34 (seawater)

14.50 29.0014.50 29.00

hublot 2.25 1.51680 64.17porthole 2.25 1.51680 64.17

12.25 24.5012.25 24.50

7.96 air7.96 air

1 17.60 24.501 17.60 24.50

> 2.60 1.80318 46.38> 2.60 1.80318 46.38

2 7.00 13.002 7.00 13.00

3.96 air3.96 air

3 29.50 13.003 29.50 13.00

> 2.60 1.80318 46.38> 2.60 1.80318 46.38

4 4.70 6.004.70 6.00

2.40 + 1.70 0 diaph.1.24 air2.40 + 1.70 0 diaph.1.24 air

-13.00 7 00-13.00 7 00

> 2.50 1.80318 46.38> 2.50 1.80318 46.38

6 - 4.70 8.006 - 4.70 8.00

0 05 air 7 plan 10.000 05 air 7 plan 10.00

> 0.85 1.80518 25.43> 0.85 1.80518 25.43

8 8.00 10.008.00 10.00

> 3.55 1.58913 61.27> 3.55 1.58913 61.27

9 - 11.00 10.009 - 11.00 10.00

0 05 air0 05 air

10.00 12.0010.00 12.00

> 2.65 1.62041 60.33> 2.65 1.62041 60.33

11 - 133.00 12.0011 - 133.00 12.00

- 4 Le deuxième exemple, décrit par le tableau 2, est un objectif de focale 3.02 mm, ouvert à F./ 4.3 et associé à un hublot hémisphérique à faces concentriques; le milieu précédant le hublot est l'eau de mer dans laquelle est plongé l'ensemble optique. L'image correspondant au champ objet de 180 mesure 8 mm et se forme à 6.44 mm de la dernière surface quand l'objectif est associé au hublot, et à 6.24 mm quand il opére seul. Le diaphragme d'ouverture est à 2.4 mm derrière la surface 4 et à 1.70 mm devant la surface 5;  The second example, described in Table 2, is a lens with a focal length of 3.02 mm, open at F./4.3 and associated with a hemispherical porthole with concentric faces; the middle preceding the porthole is the sea water into which the optical assembly is immersed. The image corresponding to the object field of 180 measures 8 mm and is formed at 6.44 mm from the last surface when the objective is associated with the window, and at 6.24 mm when it operates alone. The opening diaphragm is 2.4 mm behind the surface 4 and 1.70 mm in front of the surface 5;

son diamètre est 1.24 mm.its diameter is 1.24 mm.

Ce dispositif est prévu pour mesurer, en fonction de la longueur d'onde, I'énergie reçue de toutes les directions en un point bien défini d'un milieu marin. Pour cela, il suffit de iO disposer dans le plan image un récepteur approprié et de placer en s4Ttie d'objectif les filtres relatifs aux bandes spectrales étudiées. On pourra par exemple mesurer l'énergie de degré en dogré. Cette application, développée dans le cadre d'études plus générales sur les planctons, est donnée pour illustrer l'intérêt du dispositif, et n'est évidemment pas limitative. Pour permettre une évaluation précise et facile des énergies perçues, I'ensemble  This device is intended to measure, as a function of wavelength, the energy received from all directions at a well defined point of a marine environment. For this, all that is required is to arrange a suitable receiver in the image plane and to place the filters relating to the spectral bands under study in an objective position. For example, it will be possible to measure the energy of degree in degrees. This application, developed in the context of more general studies on plankton, is given to illustrate the interest of the device, and is obviously not limiting. To allow an accurate and easy evaluation of perceived energies, the whole

doit avoir une bonne définition.must have a good definition.

Dans cet exemple le pouvoir séparateur de l'objectif est dans tout le champ supérieur à 150 paires de lignes par millimètre. Le fait de travailler sur des petites images permet d'utiliser les récepteurs actuellement commercialisés en faibles dimensions. La figure 2 est une coupe à l'échelle 2/1 du système décrit dans ce deuxième exemple Le doublet collé est. dans l'exemple 1, le premier élément du groupe convergent,  In this example, the separating power of the objective is in all the field greater than 150 pairs of lines per millimeter. The fact of working on small images makes it possible to use the currently marketed receivers in small dimensions. Figure 2 is a 2/1 scale section of the system described in this second example The glued doublet is. in example 1, the first element of the group converges,

tandis que c'est le second élément dans l'exemple 2.  while this is the second element in Example 2.

Claims (6)

REVEND I C AT I ON SREVEND I C AT I ON S 1) Dispositif de couplage par fibre optique d'un système émetteur récepteur optique, applicable en particulier à un système télémétrique mono statique coaxial de type LIDAR, caractérisé en ce qu'il comporte les éléments suivants, pris en combinaison: - une source de type Laser, - une lentille donnant une image réelle du faisceau laser, - un miroir percé disposé à 45 dont le trou est circonscrit au faisceau laser, - une fibre optique dont l'entrce (4-1) est placée au point image du laser et la sortie (4 -2) au foyer du télescope, - un télescope d'ouverture numérique égale à celle de la fibre, éclaire un milieu diffusant et reçoit en retour la partie de la lumière diffusce par les particules dans son champ; cette lumière est focalisce au foyer sur l'extrémité (4 -2) de la  1) Optical fiber coupling device of an optical transceiver system, particularly applicable to a LIDAR-type coaxial mono-telemetric telemetry system, characterized in that it comprises the following elements, taken in combination: a source of the type Laser, - a lens giving a real image of the laser beam, - a pierced mirror disposed at 45 whose hole is circumscribed to the laser beam, - an optical fiber whose input (4-1) is placed in the laser image point and the exit (4 -2) at the focus of the telescope, - a telescope of numerical aperture equal to that of the fiber, illuminates a diffusing medium and receives in return the part of the light diffused by the particles in its field; this light is focalisce at the focus on the end (4 -2) of the [ïbre optique.Optical. - un détecteur, - une lentille focalisant sur le détecteur la lumière de retour issue de l'extrémité  a detector, a lens focusing on the detector the return light coming from the end (4 -1) de la fibre, renvoyée à 90 en quasi totalité par le miroir.  (4 -1) of the fiber, returned to 90 almost completely by the mirror. 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le miroir serait incliné selon  2) Device according to claim 1 characterized in that the mirror is inclined according to un angle différent de 45 .an angle other than 45. 3) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le séparateur à miroir percé serait remplacé par un autre type de séparateur spatial tel qu'une lame de verre localement  3) Device according to claim 1 characterized in that the pierced mirror separator would be replaced by another type of spatial separator such as a glass slide locally réfléchissante ou une lame semi-transparente.  reflective or a semi-transparent blade. 4) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le séparateur à miroir percé  4) Device according to claim 1 characterized in that the pierced mirror separator serait remplacé par un système de séparation par la polarisation de la lumière.  would be replaced by a separation system by the polarization of light. ) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le séparateur à miroir percé serait remplacé par un séparateur temporel déviateur de faisccau de type acousto-optique  ) Device according to claim 1 characterized in that the pierced mirror separator would be replaced by a time divider acousto-optical type beam deflector ou électro-optique.or electro-optical. 6) Dispositif selon les revendications 1 à 5 caractérisé en ce qu'il comporte un ou  6) Device according to claims 1 to 5 characterized in that it comprises one or plusieurs miroirs ou systèmes optiques équivalents destinés à couder le faisccau émis par la source ou dévier vers le détecteur le faisceau de retour issu du séparateur  several mirrors or equivalent optical systems for bending the beam emitted by the source or deflecting the return beam from the separator towards the detector 7) Dispositif selon les revendications 1 à 5 caractérisé en ce que la source de lumière  7) Device according to claims 1 to 5 characterized in that the light source