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Relais optique correcteur d'aberrations pour système optique. notamment
télescope à miroirs
La présente invention concerne un relais optique correcteur d'aberrations pour
système optique.
L'invention concerne plus particulièrement, mais non exclusivement, les
télescopes à miroirs.
Il est connu de cornger les diverses aberrations qui interviennent dans les
systèmes optiques comportant des miroirs en utilisant des miroirs de forme
complexe,
de forme parabolique par exemple, et/ou en introduisant dans un système
optique
particulier des éléments correcteurs de pleine ouverture, tels qu'une lame de
SCHIV~7T
ou un ménisque de MAKSUTOV dans le cas où le système optique est agencé en
télescope à miroirs.
Ces moyens de correction ont l'inconvénient d'être de réalisation complexe et
engendrent ainsi des coûts de revient importants.
La présente invention vise à cornger les aberrations de type géométrique et/ou
chromatique d'un système optique d'une manière plus simple et plus économique.
Dans le cas où le système optique est agencé en télescope comportant un miroir
primaire et un miroir secondaire, l'invention permet également de réduire
sensiblement
le diamètre du miroir secondaire.
L'invention permet encore de transférer l'image issue du système optique d'un
endroit difficilement accessible ou inaccessible vers un endroit accessible à
l'observation.
Elle y parvient grâce à un relais optique correcteur d'aberrations comportant
deux blocs optiques convergents avant et amère, et un ménisque correcteur ou
deux
ménisques correcteurs placés symétriquement l'un par rapport à l'autre, le ou
les
ménisques étant à faces principales sensiblement concentriques, les deux blocs
optiques
convergents étant placés sur un même axe et le ou les ménisques correcteurs
sur cet axe
et entre les deux blocs optiques convergents, le bloc optique convergent avant
situé en
amont du ou des ménisques correcteurs étant disposé de manière à ce que la
distance
entre un point image de la partie du système optique en amont du relais
optique, d'une
part, et le bloc optique convergent avant, d'autre part, soit égale à la
focale du bloc
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optique convergent avant, ce dernier transformant ainsi un faisceau issu dudit
point
image en un faisceau parallèle.
Lorsque le point image est dans l'axe du relais optique, le faisceau parallèle
précité vient frapper le ménisque parallèlement à l'axe.
Lorsque le point image est hors axe, le faisceau parallèle précité vient
frapper
le ménisque de manière inclinée par rapport à l'axe.
Le ou les ménisques sont de préférence à faces principales exactement
concentriques.
On entend par « deux ménisques correcteurs placés symétriquement l'un par
rapport à l'autre » deux ménisques placés de manière à ce que leurs centres de
courbure
soient confondus.
Le ou les ménisques peuvent en outre être de petit diamètre et de réalisation
aisée, et permettent ainsi des coûts de revient avantageux du relais optique.
Grâce à l'invention, la correction des aberrations peut être effectuée
uniquement au niveau du relais optique correcteur d'aberrations.
L'invention permet ainsi de supprimer l'utilisation de miroirs de forme
complexe et d'éléments correcteurs de pleine ouverture dans le système
optique.
A la sortie du ménisque correcteur, le faisceau devient légèrement divergent
et
rencontre le bloc optique convergent arrière, lequel est agencé pour former
une image à
un endroit accessible à l'observation.
De préférence, les éléments optiques constitutifs du relais optique sont tous
à
faces spneriques.
Les blocs optiques convergents peuvent comporter chacun une ou plusieurs
lentilles.
Le ménisque correcteur peut être placé en amont ou, de préférence, en aval du
centre géométrique du relais optique, centre géométrique sur lequel tous les
faisceaux
parallèles issus du bloc optique avant convergent.
Le centre de courbure du ménisque peut coïncider initialement, avant des
réglages ultérieurs, avec ce centre géométrique du relais optique.
En écartant le centre de courbure du ménisque du centre géométrique du relais
lors d'un réglage, on peut réaliser des corrections d'aberrations hors axe car
les
N
faisceaux parallèles inclinés précités ne sont alors plus centrés sur le
ménisque, le
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faisceau parallèle axial n'étant pas affecté.
On peut ainsi cornger dans une large mesure coma et astigmatisme sans
affecter le réglage axial initial des éléments optiques du relais.
Une lentille divergente peut être disposée en avant du bloc optique convergent
amère, permettant d'améliorer diverses corrections, dans l'axe et hors axe.
De préférence, l'un au moins des éléments optiques du relais, c'est-à-dire
soit
la lentille divergente précitée soit le ménisque soit un autre élément du
relais optique,
est formé par un doublet de deux verres ayant sensiblement le même indice de
réfraction
et des nombres d'Abbe fortement différents.
Ainsi, une modification de la courbure de la face interne du doublet permet de
corriger dans une large mesure le chromatisme sans affecter la convergence du
doublet,
donc des réglages géométriques antérieurs.
Dans une réalisation particulière, le système optique est agencé en télescope
à
miroirs comportant un miroir primaire et un miroir secondaire et comprenant un
relais
optique correcteur d'aberrations tel que défini ci-dessus.
Dans ce cas, le relais optique est avantageusement placé en aval de l'ensemble
constitué par les miroirs primaire et secondaire de sorte qu'un point image
issu de cet
ensemble coïncide avec un point objet du relais optique.
Ainsi, il est possible de cornger globalement les aberrations introduites par
les
miroirs primaire et secondaire.
Le relais optique peut comporter deux lentilles formant le bloc optique
convergent avant, une lentille formant le ménisque, une lentille divergente et
deux
lentilles formant le bloc optique convergent amère, soit un total de six
lentilles.
Le télescope à miroirs selon l'invention peut, en particulier, être agencé en
télescope de type NEWTON comportant un miroir primaire de forme sphérique et
un
miroir secondaire plan, c'est-à-dire des miroirs de formes simples, faciles à
fabriquer,
tout en permettant d'obtenir des images de bonne qualité grâce au relais
optique.
Dans une réalisation particulière d'un télescope de type NEWTON selon
l'invention, le diamètre du miroir secondaire est beaucoup plus petit que le
diamètre du
miroir primaire.
De préférence, le diamètre du miroir secondaire est de l'ordre de 10 % à ~ ~
~,
du diamètre du miroir primaire.
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On rappelle que le diamètre du miroir secondaire est de l'ordre de 25 % du
diamètre du miroir primaire dans le cas d'un télescope de type NEWTON
classique.
Le miroir secondaire étant placé dans le trajet du faisceau incident sur le
miroir
primaire, il est avantageux d'avoir un miroir secondaire le plus petit
possible, afin de
S collecter une plus grande quantité de lumière et de minimiser l'effet de
diffraction induit
par les bords du miroir secondaire.
La présente invention fait ainsi disparaître, au moins partiellement, ces
inconvénients en utilisant un miroir secondaire de diamètre beaucoup plus
petit que le
diamètre du miroir primaire.
Une telle réduction du diamètre du miroir secondaire est possible grâce à
l'utilisation du relais optique qui permet de transférer l'image issue du
miroir
secondaire, et qui peut donc se former à proximité de celui-ci, en un endroit
plus
facilement accessible à l'observation.
De plus, grâce à ce transfert de l'image, on peut réduire la longueur du tube
1 S central du téléscope.
Toujours dans le cas d'un télescope de type NEWTON, le relais optique
comporte de préférence un ménisque formé par un doublet de verres tel que
celui décrit
plus haut et une lentille divergente formée par un verre simple disposée en
avant du bloc
optique convergent amère.
Dans une autre réalisation particulière, le télescope à miroirs selon
l'invention
est agencé en télescope de type CASSEGRAIN et comporte un miroir primaire de
forme sphérique et un miroir secondaire également de forme sphérique.
Dans une réalisation particulière du télescope de type CASSEGRAIN, le miroir
secondaire est beaucoup plus petit que le diamètre du miroir primaire.
De préférence, le diamètre du miroir secondaire est de l'ordre de 20 % à 25
du diamètre du miroir primaire.
On rappelle que le diamètre du miroir secondaire est de l'ordre de 35 % à 45%
du diamètre du miroir primaire dans le cas d'un télescope de type CASSEGRAIN
classique.
Une telle réduction du diamètre du miroir secondaire est possible grâce à
l'utilisation du relais optique qui permet de rapprocher fortement du miroir
secondaire
l'image formée par ce dernier.
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Les autres avantages mentionnés ci-dessus pour le télescope de type NEWTON
sont également observés dans le cas du télescope de type CASSEGRAIN.
Dans le cas du télescope de type CASSEGRAIN, le relais optique comporte. de
préférence un ménisque formé par un verre simple et une lentille divergente
formée par
un doublet de deux verres ayant le même indice de réfraction et des nombres
d'Abbe
fortement différents.
Le miroir secondaire du télescope de type CASSEGRAIN selon l'invention est
avantageusement un miroir de type MANGIN, c' est-à-dire que la réflexion a
lieu sur la
face arrière d'une lentille divergente constituant le miroir MANGIN.
On obtient alors une correction quasi-parfaite de l'aberration de sphéricité.
Dans une autre réalisation particulière, le télescope à miroirs selon
l'invention
est agencé en télescope de type NEWTON comportant un miroir primaire de forme
sphérique orienté de manière à diriger le faisceau lumineux convergent vers un
point
situé à proximité de la paroi latérale intérieure du télescope où est placé le
miroir
secondaire.
Ainsi, par sa position décalée, à proximité de la paroi latérale intérieurPmdu
télescope, le miroir secondaire ne constitue qu'une obstruction minimale pour
le
faisceau incident sur le miroir primaire.
Dans cette réalisation particulière, le miroir secondaire est avantageusement
fixé à la paroi latérale intérieure du télescope par un moyen de fixation
unique.
Ainsi, l'effet de diffraction induit par la fixation du miroir secondaire est
supprimé.
Encore dans cette réalisation particulière, le relais optique peut être
disposé
incliné par rapport à la paroi latérale du télescope.
L'encombrement du télescope peut ainsi être réduit.
Dans une réalisation particulière d'un télescope de type CASSEGRAIN selon
l'invention, le miroir primaire de forme sphérique est orienté de façon à
diriger le
faisceau lumineux convergent vers un point situé à proximité de la paroi
latérale
intérieure du télescope où est placé le miroir secondaire.
Ainsi, par sa position décalée, à proximité de la paroi latérale intérieure du
télescope, le miroir secondaire ne constitue qu'une obstruction minimale pour
le
faisceau incident sur le miroir primaire.
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Avantageusement, le miroir secondaire est fixé à la paroi latérale intérieure
du
télescope par un moyen de fixation unique, supprimant ainsi l'effet de
diffraction induit
par la fixation du miroir secondaire.
L'invention permet ainsi de réaliser un système optique agencé en télescope
binoculaire en associant deux télescopes de type CASSEGRAIN selon la
réalisation
particulière qui vient d'être décrite, comportant chacun un oculaire et
disposés
parallèlement l'un à l'autre, les oculaires étant espacés l'un de l'autre
d'une distance
correspondant à l'espacement des yeux d'un utilisateur.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à
la
lecture de la description détaillée qui va suivre, d'exemples de réalisation
non limitatifs
de l'invention, et au vu du dessin annexé, sur lequel
- la figure 1 est une vue très schématique d'un relais optique correcteur
d'aberrations selon l'invention,
- les figures 2 et 3 représentent schématiquement les éléments optiques
constitutifs du relais optique de la figure 1 selon de premiers exemples de
réalisations de
l'invention,
- la figure 4 est une vue schématique, en coupe axiale, d'un télescope de
type NEWTON équipé d'un relais optique correcteur d'aberrations selon
1°invention,
- la figure 5 est une vue schématique, en coupe axiale, d'un télescope de
type CASSEGRAIN équipé d'un relais optique correcteur d'aberrations selon
l'invention,
- la figure 6 est une vue schématique, en coupe axiale, d'un télescope de
type NEWTON équipé d'un relais optique correcteur d'aberrations selon une
variante de
réalisation de l'invention, et
- la figure 7 est une vue schématique, en coupe axiale, d'un télescope de
type CASSEGRAIN équipé d'un relais optique correcteur d'aberrations selon une
variante de réalisation de l'invention.
On a représenté très schématiquement sur la figure 1 un relais optique
correcteur d'aberrations 1 conforme à l'invention, destiné à équiper un
système optique,
non représenté.
Le sens de parcours de la lumière est indiqué par la flèche L.
Le relais optique 1 comporte un bloc optique convergent avant 2, un bloc
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optique convergent arrière 3 et un ménisque correcteur à faces principales
concentri~~:es
4 placé sur l'axe de symétrie S du relais optique 1.
Le bloc optique convergent avant 2 est disposé au sein du système optique de
sorte que la distance entre un point image I ou I', dans le plan P, formé par
la partie du
système optique en amont du relais optique 1, d'une part, et le bloc optique
convergent
avant 2, d'autre part, soit égale à la focale de ce bloc avant 2.
Ce dernier donne ainsi d'un faisceau incident issu du point image I ou I' un
faisceau parallèle.
Celui-ci est parallèle à l'axe S si le point image I est sur l'axe S et est
incliné
par rapport à l' axe S si le point image I' est hors axe.
Le centre géométrique du relais optique 1 en lequel tous les faisceaux
parallèles convergent est désigné sur le dessin par le point O.
Le ménisque correcteur 4 est placé en aval du centre géométrique O et est
positionné initialement de sorte que le centre de courbure du ménisque
coïncide avC~ ïe
centre O.
Ainsi, dans cette configuration, les faisceaux parallèles issus du bloc avant
2
sont centrés sur les faces du ménisque 4.
Le relais optique 1 permet de transférer l'image formée dans le plan P
difficilement accessible à l'observation dans un plan d'observation P' situë
en un endroit
facilement accessible à l'observation et où l'on place un oculaire pour
l'observation de
l'image.
L'oculaire peut être remplacé par une plaque photographique ou un dispositif
de type CCD.
Comme cela est illustré à la figure 2, on peut disposer, en avant du bloc
optique
convergent amère 3, une lentille divergente 5 dont le rôle est expliqué plus
loin.
Cette lentille divergente 5 est constituée par un doublet de verres Sa et Sb
ayant
des indices de réfraction identiques et des nombres d'Abbe fortement
différents.
Dans l'exemple décrit, le ménisque 4 est un verre simple.
En variante, comme illustré à la figure 3, la lentille divergente 5 est
constituée
par un verre simple et le ménisque correcteur 4 par un doublet de verres 4a et
4b ayant
des indices de réfraction identiques et des nombres d'Abbe fortement
différents.
D'une manière générale, au moins l'un des éléments optiques constitutifs du
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relais optique 1 est constitué par un tel doublet.
On va maintenant décrire différentes étapes d'une procédure de réglage des
paramètres des différents éléments du relais optique 1 pour minimiser les
aberrations.
Cette procédure nécessite pour être mise en oeuvre un logiciel de simulation
optique adapté.
De préférence, elle ne fait pas appel à des calculs formels qui seraient d'une
grande complexité dans le cas d'un tel réglage, mais consiste en un réglage
interactif
faisant intervenir une succession d'ajustements que l'opérateur affine par
itérations.
1) La première étape consiste en la correction monochromatique dans l'axe.
Il s'agit, en lumière monochromatique, à partir d'un point image I sur
l'axe, formé par la partie du système optique en amont du relais optique l, de
dimensionner le ménisque correcteur 4 en agissant sur son rayon de courbure et
son
épaisseur afin d'obtenir la meilleure correction de l'aberration de
sphéricité.
Ce réglage est réalisé par exemple pour une lumière monochromatique de
longueur d'onde médiane de la plage de longueurs d'onde retenue.
2) La seconde étape consiste en la correction monochromatique hors axe,
notamment en ce qui concerne le coma et l'astigmatisme.
On cherche ici, en lumière monochromatique, à partir d'un point image I' hors
axe formé par la partie du système optique en amont du relais optique 1, la
meilleure
correction en déplaçant légèrement sur l'axe le ménisque correcteur 4 par
rapport à sa
position initiale centrée sur le centre géométrique O, dans le sens d'un
rapprochement
par rapport au bloc avant 2 par exemple.
3) La troisième étape consiste en la correction chromatique.
Pour cela, on agit sur la courbure de la face interne du ou des doublets
disposés
dans le relais optique.
Les nombres d'Abbe des deux verres formant le ou les doublets étant fortement
différents, la courbure de la face interne du ou des doublets agit sur le
chromatisme du
système optique, sans affecter la convergence du système, les indices de
réfraction des
verres étant identiques.
Les corrections des aberrations géométriques et chromatiques peuvent ainsi
être indépendantes.
Le réglage de l'étape 3) n'affecte donc pas les résultats acquis lors des
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étapes 1) et 2).
Entre les étapes 2) et 3), on peut ajouter une étape 2') consistant à choisir
la
meilleure distance entre la lentille divergente 5 et le bloc arrière 3 et agir
sur les
caractéristiques de la lentille divergente 5 de manière à optimiser les
réglages hors axe
en particulier.
Le réglage de l'étape 2') affecte les résultats obtenus lors des étapes 1) et
2).
Ainsi, on répète, si nécessaire, les réglages précédents avant d'effectuer un
nouveau réglage de l'étape 2').
On réitère ces réglages successivement jusqu'à atteindre la meilleure
correction
globale.
On va maintenant décrire différents systèmes optiques équipés du
r°'.~_'s
optique 1.
La figure 7 représente un télescope de type NEWTON équipé d'un relais
optique correcteur d'aberrations 1.
Le télescope est constitué d'un cylindre principal 15 ouverte à une extrémité
de
manière à former la pupille 16 du télescope.
Un miroir sphérique 17 formant le miroir primaire du télescope est placé à
l'autre extrémité du cylindre 15.
Un miroir plan 22 formant le miroir secondaire du télescope est disposé
incliné
sur l'axe de symétrie X du cylindre 15 de manière à envoyer les faisceaux
issus du
miroir primaire 17 vers le relais optique correcteur d'aberrations l, lequel
est monté
dans un cylindre secondaire 18 perpendiculaire au cylindre principal 15 et
dans lequel
est logé l'oculaire, non représenté, du télescope.
L'image donnée par le télescope se forme dans le plan d'observation P' où ~~~t
placé l'oculaire pour l'observation de celle-ci.
L'oculaire peut être remplacé par une plaque photographique ou un dispositif
de type CDD.
Dans l'exemple décrit, les blocs convergents avant 2 et amère 3 sont
constitués
chacun par une paire de lentilles et le ménisque 4 est formé par un doublet
tel que décrit
précédemment.
Une lentille divergente 5 constituée d'un verre simple est disposée entre le
ménisque 4 et le bloc arrière 3.
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La figure 8 représente un télescope de type CASSEGRAIN équipé d'un relais
optique correcteur d'aberrations 1.
Le miroir primaire 17' du télescope est constitué par un miroir de forme
sphérique au centre duquel une ouverture 20 est pratiquée.
Cette ouverture 20 permet d'accueillir un cylindre 21 de diamètre réduit dans
lequel est disposé le relais optique 1 et un oculaire, non représenté.
Le miroir secondaire est constitué par un miroir de forme sphérique 22' placé
sur l'axe Y du télescope.
Un faisceau incident centré sur l'axe Y converge sensiblement vers
un point F', point image de l'ensemble constitué pour les miroirs primaire 17'
et
secondaire 22', situé en avant du relais optique 1, lequel transfère l'image
du point F'~au
point F" accessible à l'observation.
Une lentille convergente supplémentaire peut être placée au voisinage de F'
pour rabattre davantage le faisceau incident vers le cylindre 21 de façon à
réduire encore
son diamètre.
Dans l'exemple décrit, le miroir secondaire 22' est un miroir de type MANGIN
permettant d'améliorer sensiblement la correction de l'aberration de
sphéricité.
Dans l'exemple décrit, les blocs optiques avant 2 et amère 3 sont constitués
par
deux lentilles et le ménisque 4 constituée d'un verre simple.
Une lentille divergente 5 constituée par un doublet tel que décrit
précédemment, est disposée derrière le ménisque 4, en avant du bloc amère 3.
La figure 9 représente un télescope de type NEWTON dont le miroir
secondaire plan 22" est placé à proximité de la paroi latérale intérieure 19"
du cylindre
15" du télescope.
Le miroir primaire sphérique 17" du télescope est orienté de manière à diriger
le faisceau lumineux incident vers le miroir secondaire 22".
Le miroir 17" est une portion d'un grand miroir sphérique virtuel centré sur
le
relais optique 1.
Le miroir secondaire 22" est fixé à la paroi latérale intérieure 19" du
télescope
par un moyen de fixation unique 23.
Par sa position décalée, à proximité de la paroi latérale intérieure 19", le
miroir
secondaire 22" ne constitue qu'une obstruction réduite pour le faisceau
incident sur le
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miroir primaire 17".
Le cylindre 24 logeant le relais optique 1 et l'oculaire est incliné dans
l'exemple décrit d'un angle a de 15° par rapport au cylindre 15" du
télescope.
La figure 10 représente un télescope de type CASSEGRAIN comportant un
miroir primaire de forme sphérique 17"' orienté de façon à diriger le faisceau
lumineux
convergent vers un point situé à proximité de la paroi latérale intérieure
19"' du cylindre
15"' du télescope où est placé le miroir secondaire de forme sphérique 22"'.
Le miroir 17"' est une portion d'un grand miroir sphérique virtuel centré sur
le
relais optique 1.
Le miroir secondaire 22"' est fixé à la paroi latérale intérieure 19"' par'un
moyen de fixation unique (non représenté).
Dans ce mode de réalisation de l'invention, le cylindre 25 dans lequel sont
montés le relais optique correcteur d'aberrations 1 et un oculaire est placé
contre la paroi
latérale intérieure 19"' du télescope.
On comprend que l'association de deux télescopes du type illustré à la figure
10
permet la réalisation d'un télescope binoculaire, les deux télescopes étant à
cet effet
disposés parallèlement l'un à l'autre, les cylindres 25 respectivement étant
disposés en
étant espacés l'un de l'autre d'une distance correspondant à l'espacement des
yeux d'un
utilisateur (60 à 65 mm).
Cette association est notamment possible du fait que le relais optique 1
redresse
les images.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui
viennent d'être décrits.
Le relais optique correcteur d'aberrations peut être notamment utilisé dans
d'autres systèmes optiques, tel un périscope, un système optique laser, ou un
système de
projection par exemple.
Le relais optique correcteur d'aberration peut être évidemment utilisé pour
tout
système optique faisant intervenir un ou plusieurs relais optiques.
