[go: up one dir, main page]

WO2024256603A1 - Wide-aperture optical systems for wide-angle detection - Google Patents

Wide-aperture optical systems for wide-angle detection Download PDF

Info

Publication number
WO2024256603A1
WO2024256603A1 PCT/EP2024/066484 EP2024066484W WO2024256603A1 WO 2024256603 A1 WO2024256603 A1 WO 2024256603A1 EP 2024066484 W EP2024066484 W EP 2024066484W WO 2024256603 A1 WO2024256603 A1 WO 2024256603A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
lens
optical
optical system
modulus
focal length
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
PCT/EP2024/066484
Other languages
French (fr)
Inventor
Guillaume Druart
Florence De La Barriere
Johan PETIT
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Original Assignee
Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA filed Critical Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Publication of WO2024256603A1 publication Critical patent/WO2024256603A1/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B13/00Optical objectives specially designed for the purposes specified below
    • G02B13/14Optical objectives specially designed for the purposes specified below for use with infrared or ultraviolet radiation
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B13/00Optical objectives specially designed for the purposes specified below
    • G02B13/001Miniaturised objectives for electronic devices, e.g. portable telephones, webcams, PDAs, small digital cameras
    • G02B13/0015Miniaturised objectives for electronic devices, e.g. portable telephones, webcams, PDAs, small digital cameras characterised by the lens design
    • G02B13/002Miniaturised objectives for electronic devices, e.g. portable telephones, webcams, PDAs, small digital cameras characterised by the lens design having at least one aspherical surface
    • G02B13/0035Miniaturised objectives for electronic devices, e.g. portable telephones, webcams, PDAs, small digital cameras characterised by the lens design having at least one aspherical surface having three lenses
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B9/00Optical objectives characterised both by the number of the components and their arrangements according to their sign, i.e. + or -
    • G02B9/12Optical objectives characterised both by the number of the components and their arrangements according to their sign, i.e. + or - having three components only
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B13/00Optical objectives specially designed for the purposes specified below
    • G02B13/001Miniaturised objectives for electronic devices, e.g. portable telephones, webcams, PDAs, small digital cameras
    • G02B13/0085Miniaturised objectives for electronic devices, e.g. portable telephones, webcams, PDAs, small digital cameras employing wafer level optics

Definitions

  • TITLE Large aperture optical systems for wide-field detection Technical field of the invention
  • the present description relates to large aperture optical systems for wide-field detection as well as detection systems equipped with such optical systems.
  • the present description relates more specifically to low-cost optical systems for infrared detection with very good optical performances.
  • the present description concerns optical systems for infrared imaging, which have a large aperture, i.e. typically an aperture number F# less than or equal to 2.
  • Large aperture and wide field infrared detection systems using thermal detectors of the microbolometer, thermopile or pyroelectric type are experiencing significant growth in many fields (thermography, home automation, automotive, leisure, robotics, etc.). This is due in particular to the drop in the cost of infrared detectors. For microbolometer detectors, this drop is mainly due to the reduction in the dimensions of the thermosensitive elements ("pixels") of the detector, which makes it possible to produce a greater number of detectors on the same wafer.
  • pixels thermosensitive elements
  • [Ref. 2] thus describes an optical system for the infrared (7.5 - 13.5 pm) comprising a first optical element and a second optical element made respectively of a first material and a second material with a high refractive index, typically greater than 2.2.
  • Silicon is particularly interesting because it has a high refractive index, of the order of 3.4, which allows a reduction of aberrations with a limited number of lenses.
  • the manufacture of silicon lenses can be done by photolithography techniques which are relatively low cost.
  • silicon is absorbent in the spectral band of the visible (below a wavelength of 1.1 pm) and is absorbent for wavelengths greater than 9 pm, for thicknesses greater than 1 mm.
  • Patent application US20150206909 [Ref. 3] proposes a low-cost architecture using a polyethylene-type resin lens, which can be molded.
  • polyethylene is infrared absorbent, which does not allow the use of more than one lens, with a limited thickness, typically less than 1 mm.
  • the refractive index of the resins is low, generally less than 2.
  • Chalcogenide glasses are also known for the production of optical systems.
  • Chalcogenide glass lenses enable imaging in a broad infrared spectrum.
  • Chalcogenide glasses have high refractive indices, typically greater than 2, and can be molded, which allows the realization of infrared imaging optical systems with very good optical quality.
  • This description proposes a large aperture optical system based on the use of alkali halides including KBr, whose original architecture allows wide-field imaging with very good optical quality in a wide range of wavelengths, including in particular the near infrared and infrared (0.7 pm - 14 pm) but also the visible (0.4 pm - 0.7 pm).
  • the term “approximately” or “substantially” is synonymous with (means the same as) a lower and/or upper margin of 10%, e.g. 5%, of the respective value.
  • the present invention relates to an optical system having a given paraxial focal length F and a given aperture defined by an aperture number, the optical system comprising: a diaphragm configured to receive incident radiation, said diaphragm defining the aperture of the optical system; a first lens made of a first material, comprising a first paraxial focal length Fi and a first camber 0i, such that the modulus of Fi/F is greater than 4.5 and the modulus of Pi is greater than 2, said first lens being arranged upstream of the diaphragm; a second lens made of a second material, converging, comprising a second paraxial focal length F2 and a second camber P2, such that F2/F is between 0.5 and 2 and P2 is greater than -1 and less than 3.5, said second lens being arranged downstream of the diaphragm; a third lens made of a third material, comprising a third paraxial focal length F3 and a third camber P3, such that the modulus of F3/F is
  • the optical system according to the invention may comprise at least one or more other optical element(s) (blade(s), filter(s), and/or porthole(s), etc.).
  • At least one other lens or lenses than the first lens, the second lens and the third lens can be inserted into the system according to the invention, in particular: lenses whose effects compensate for each other (for example to create an intermediate image plane) located between the first lens and the second lens, or lenses whose effects compensate for each other (for example to create an intermediate image plane) located between the second lens and the third lens, but such embodiments are not preferred because they would harm the compactness of the optical system according to the invention.
  • the optical system according to the invention is a three-lens optical system comprising no more lenses than the first lens, the second lens and the third lens.
  • the optical system according to the invention can be inserted into or combined with another device or another optical architecture (detection, etc.) which comprises other lenses and/or at least one other optical element (such as a detector, a blade, a filter, and/or a porthole, etc.).
  • another optical architecture detection, etc.
  • another optical element such as a detector, a blade, a filter, and/or a porthole, etc.
  • the optical system according to the invention consists only, for its elements interacting with the incident radiation, of the diaphragm, the first lens, the second lens and the third lens.
  • a first optical element is located upstream of a second optical element when this first optical element is configured to be on the object (or scene) side relative to the second optical element in a detection system, while a first optical element is located downstream of a second optical element when this first optical element is configured to be on the image (or detector) side relative to the second optical element.
  • An optical lens simply called a “lens” in the present description, is an optical element made of a material with a given refractive index, comprising an entry surface and an exit surface, at least one of the surfaces of which is not flat, and forming two diopters between the external medium and the material of which the lens is composed.
  • the entry surface like the exit surface, may be revolution-symmetric, spherical or aspherical, or of any shape.
  • a center of curvature and a radius of curvature of each surface are defined as the center and radius of the "best sphere” defined as the sphere that minimizes a deviation from said surface.
  • the optical axis of the lens is the axis that passes through the centers of curvature of the two surfaces.
  • a useful surface of each surface of the lens is defined as the minimum surface that receives, in operation, all the rays that pass through the diaphragm.
  • the useful entrance surface and the useful exit surface are substantially merged and we can speak of the useful surface of the lens.
  • we can call the useful surface of the lens the smallest of the surfaces between the useful inlet surface and the useful outlet surface.
  • an optical system is panchromatic since, due to the high transparency of alkali metal halides, it allows imaging in the visible and infrared spectral bands, for wavelengths ranging from 0.4 pm to 14 pm.
  • an optical system according to the first aspect can be used without modifications, or with a simple adjustment of the size of the diaphragm, both in the visible and in the infrared.
  • such an arrangement of three optical lenses made of alkali metal halides as described in the present description allows the production of a large aperture optical system, i.e. having for example an aperture number F# less than or equal to 2.
  • Such an optical system exhibits very good optical quality, particularly in the infrared, with a cut-off frequency compatible with detectors with sampling steps between about 8 pm and about 17 pm.
  • the cut-off frequency is the first zero-contrast spatial frequency of the modulation transfer function (MTF) of the optical system, free from manufacturing errors or alignment errors.
  • MTF modulation transfer function
  • the paraxial focal lengths and the cambers of the lenses are chosen in the following ranges: the modulus of Fi/F is greater than 4.5 and the modulus of Pi is greater than 2.2; and/or F2/F is between 0.7 and 1.6 and P2 is greater than -1 and less than 3.1; and/or the modulus of F3/F is greater than 2 and the modulus of 3 is greater than 2.3.
  • the alkalis of the alkali halides are chosen from sodium (Na), potassium (K) and rubidium (Rb).
  • the halogens of the alkali halides are chosen from chlorine (Cl), bromine (Br) and iodine (I).
  • the alkali metal halides comprise cubic crystal structures.
  • Such alkali metal halides may be chosen, for example, from: potassium iodide (Kl), potassium bromide (KBr), sodium chloride (NaCl), potassium chloride (KC1).
  • Kl and KBr have a refractive index greater than 1.5 at the wavelength of 10pm, which makes them particularly advantageous.
  • the first material from which the first lens is formed, the second material from which the second lens is formed, and the third material from which the third lens is formed are identical. They may also be different, all or in part.
  • the Fi/F modulus is greater than 10 and pi is less than -2.2.
  • These parameters for the first lens are advantageous in particular when the refractive index of the first material is greater than 1.5 at a wavelength of 10 pm. These parameters are thus advantageous for example when the first material is made of Kl or KBr.
  • F2/F is between 0.7 and 1.2 and P2 is between -1 and 1.3.
  • P2 is between -1 and 1.3.
  • the modulus of F3/F is greater than 2.5 and the modulus of P3 is greater than 2.3.
  • These parameters for the third lens are advantageous in particular when the refractive index of the third material is greater than 1.5 at a wavelength of 10 pm. These parameters are thus advantageous for example when the third material is made of Kl or KBr.
  • a central thickness of the first optical lens and/or the second optical lens and/or the third optical lens is greater than or equal to one fifth of a maximum dimension of the lens, for example a diameter of the lens when the lens has a circular outline.
  • the central thickness is defined as the thickness of the lens measured on the optical axis of the lens. Such a condition on the central thickness allows easier handling of the lenses and makes manufacturing by molding easier.
  • the present invention relates to a detection system for visible and infrared imaging comprising: an imaging optical path with an optical axis and at least a first detector configured for detection in at least a first spectral band and comprising a detection surface; an optical system according to the first aspect, arranged on said imaging path, upstream of said at least one first detector.
  • said at least one first detector comprises first sensitive elements in a first spectral band and second sensitive elements in a second spectral band different from said first spectral band.
  • the first spectral band is an infrared spectral band and the first elements are heat-sensitive elements.
  • the second spectral band is a visible or near infrared spectral band.
  • the useful surface of the first lens and/or the second lens and/or the third lens is vignetted to stop the rays at the edge of the field. This makes it possible to improve the image quality at the edge of the field. This also makes it possible to reduce the optical deflection of the lenses and to reduce the angle of incidence of the rays relative to the normal to the surface, thus facilitating the production of the lenses and their alignment.
  • the vignetting may be such that it stops rays at the edge of the field without excessively deteriorating the illumination.
  • the vignetting of at least one of said useful surfaces of the lenses is such that in operation, an illumination measured at any point in the field and in the entire spectral range of use is greater than or equal to approximately 70% of the illumination measured on the optical axis.
  • Fig. 1 a schematic of a detection system comprising an example of an optical system according to the present invention
  • Fig. 2 a diagram illustrating the parameters of an optical lens
  • FIG. 3 A a diagram showing a first example of an optical system according to the present invention
  • Fig. 3B curves representing the modulus of the (normalized) transfer function of the optical system illustrated in Fig. 3A as a function of spatial frequency, for different values of fields of view;
  • Fig. 4A a diagram showing a second example of an optical system according to the present invention
  • Fig. 4B plots representing the modulus of the (normalized) transfer function of the optical system illustrated in Fig. 4A as a function of spatial frequency, for different values of field of view;
  • FIG. 5A a diagram showing a third example of an optical system according to the present invention.
  • Fig. 5B plots representing the modulus of the (normalized) transfer function of the optical system illustrated in Fig. 5A as a function of spatial frequency, for different values of fields of view.
  • variants of the invention comprising only a selection of features described or illustrated subsequently isolated from the other features described or illustrated (even if this selection is isolated within a sentence comprising these other features), if this selection of features is sufficient to confer a technical advantage or to differentiate the invention compared to the state of the prior art.
  • This selection comprises at least one preferably functional feature without structural details, and/or with only a part of the structural details if this part alone is sufficient to confer a technical advantage or to differentiate the invention compared to the state of the prior art.
  • Fig. 1 shows an example of a detection system 100 according to the present description and Fig. 2 illustrates the main parameters of an optical lens in an optical system.
  • the detection system 100 comprises an imaging optical path with an optical axis A and at least a first detector schematically represented in Fig. 1 by a detection surface 180.
  • the term detection surface of the detector refers to a useful detection surface, i.e. the surface formed by the elementary detectors or “pixels” configured to detect radiation in the desired spectral band(s) for the detection system.
  • the detection system 100 further comprises an optical system 101 of optical axis A with a given paraxial focal distance F, the system comprising an arrangement with 3 optical lenses 110, 120, 130 and a diaphragm 150.
  • the optical system 100 (Fig. 1) comprises a diaphragm 150 configured to receive incident radiation.
  • the diaphragm defines the aperture of the optical system.
  • the diaphragm is for example circular and PE is the diameter of the entrance pupil of the optical system.
  • h max is, in the present description, a maximum dimension of the detection surface, for example a length, a width or a diagonal in the case of a rectangular detection surface.
  • an optical lens 200 is an optical element made of a material of given refractive index, comprising an entry surface 210 and an exit surface 220, at least one of which is not planar, and forming two diopters between the external medium and the material of which the lens is composed.
  • the entry surface 210, or surface on the object side is the surface configured to be on the scene side
  • the exit surface 220, or surface on the image side is the surface configured to be on the detector side.
  • the input surface 210 can be revolution-symmetric, spherical or aspherical, or of any shape (so-called “freeform” surface).
  • Cs and Rs which are respectively the center and the radius of the best sphere which minimizes a deviation from said surface.
  • the arrow z of this surface is the distance measured in a direction parallel to the optical axis, at a given distance from the optical axis, between said surface and a reference plane perpendicular to the optical axis and comprising the vertex Oi of the surface.
  • the arrow z(r) depends only on the polar coordinate r measured in the reference plane from the vertex Oi of the surface, as illustrated in Fig. 2.
  • z(x,y) the arrow measured from a point with Cartesian coordinates (x, y) of the reference plane, in a frame (Oi, x, y).
  • the radius Rs of the best sphere is defined as the value which minimizes the function Z(Rs) where:
  • the arrow zi(r) of the input surface 210 and the arrow zsi(r) of the best sphere which minimizes the deviation from the surface 210 and which is represented diagrammatically in dotted lines by the surface 215 are shown for illustration purposes.
  • Oi is the vertex of the input face 210.
  • C si and Rsi are respectively the center and the radius of the best sphere 215.
  • the optical axis A of the lens is the axis that passes through the centers of curvature of the two surfaces
  • the radius of curvature Rs is oriented from the vertex to the center of curvature. If the radius of curvature is oriented towards the detector, Rs is positive, if it is oriented towards the scene, Rs is negative.
  • the camber of an optical lens 200 as shown in Fig. 2 is defined by the equation:
  • the optical system 100 comprises, in addition to the diaphragm 150, a first lens 110 made of a first material, a second lens 120 made of a second material and a third lens 130 made of a third material.
  • the first material, the second material and the third material are alkali halides.
  • the first lens 110 has a first paraxial focal length Fi and a first camber i.
  • the modulus of Fi/F is greater than 4.5 and the modulus of Pi is greater than 2, advantageously greater than 2.2.
  • the first lens 110 is arranged upstream of the diaphragm 150.
  • the second lens has a second paraxial focal length F2 and a second camber 02.
  • F2/F is between 0.5 and 2, advantageously between 0.7 and 1.6 and P2 is greater than -1 and less than 3.5, advantageously less than 3.1.
  • the second lens 120 is arranged downstream of the diaphragm 150.
  • the third lens 130 has a third paraxial focal length F3 and a third camber P3.
  • the modulus of F3/F is greater than 2 and the modulus of 3 is greater than 2, advantageously greater than 2.3.
  • the third lens is arranged downstream of the second lens.
  • All or at least part of the surfaces of the lenses 110, 120, 130 may be aspherical.
  • the second lens 120 is convergent and contributes mainly to the optical power of the system, the optical power being defined as being the inverse of the focal length.
  • the choice of parameters for the lenses of the optical system which is the subject of the present description allows good image quality thanks in particular to the limitation of aberrations.
  • the camber of a lens made of a given material can be chosen to minimize spherical aberration or cancel coma aberration.
  • the camber that minimizes spherical aberration is given by the relation: [Math 7]
  • n is the refractive index of the material from which the lens is made.
  • the first lens 110 and the third lens 130 may both be diverging or both converging; they may also be converging at the center and diverging at the edge or vice versa; they also have lower optical powers than that of the second optic 120. They may make it possible to compensate for the aberrations of the second optic 120 and/or to correct field aberrations, for example astigmatism.
  • the first lens 110 and/or the third lens 130 can in a known manner help to compensate for the Petzval curvature that one seeks to minimize, as described for example in [Ref. 6],
  • ni' is the refractive index of the medium downstream of the nth surface of the optical system with radius of curvature Ri.
  • the field curvature can be reduced as C p tends to 0, either by using alternating concave or convex surfaces in the case of thick lenses, or by increasing the refractive index, or by using both diverging and converging optical lenses.
  • the first and/or third lens can be chosen to be divergent and the second lens to be convergent.
  • the field curvature can be corrected by using aspherical lenses.
  • R is the radius of curvature at the vertex of the surface
  • k is the conicity coefficient
  • ai are the aspherization coefficients of order 2i.
  • the aspherization coefficients describe the deviation of the surface from an axially symmetric quadric surface defined by the radius of curvature at the vertex R and the conicity coefficient k.
  • the radius of curvature measured at the vertex R is not necessarily the same as the radius Rs of the best sphere as defined previously.
  • a so-called “aspherical” lens which has a focal length which varies in r; in other words, the focal length, moving away from the optical axis, is no longer equal to the paraxial focal length measured at the optical axis (r close to 0). It is possible to obtain aspherical lenses with at least one surface which has oscillations.
  • the third lens (arranged on the detector side) can advantageously be aspherical.
  • the first lens can also be aspherical.
  • the high aspherization of the third lens 130 can be used to adjust the focal length of this lens in the field.
  • it makes it possible to obtain a good level of illumination throughout the field of view, for example illumination at any point in the field and in the spectral band of use at least equal to 70% of the illumination at the center of the field.
  • the surfaces of the lenses can be reduced relative to the useful surfaces in order to vignetize rays at the edge of the field.
  • the vignetting can be limited by guaranteeing a level of illumination at any point in the field greater than 70° of the illumination at the center of the field.
  • the useful surface of the second lens can be reduced to vignetize the rays at the edge of the field.
  • it will be sought to have a central thickness e of the lenses such that: [Math 12] e with ⁇ pi being a maximum dimension of the lens, for example the diameter of the lens.
  • the lenses can be molded and handled easily.
  • the ratio between half the maximum diameter of the lenses and a maximum dimension h max of the detection surface can validate the relationship: [Math 13]
  • the maximum dimension h max is for example the length, width or diagonal of the detection surface in the case of a rectangular detection surface. This limits the size of the lenses and therefore their cost.
  • Lenses may include, in a known manner, a coating deposited on the surfaces to protect them from the environment and to limit the hygroscopic effects of the materials. This coating may also serve as an anti-reflective treatment.
  • the manufacture of an optical lens in an optical system according to the first aspect can be obtained in a manner similar to the manufacturing method described in [Ref. 5].
  • a powder of given purity for example of purity > 99.5, dried, is used.
  • the powder is placed in a steel die (mold) between two pistons.
  • the face of the pistons in contact with the powder has the desired shape to produce the lens.
  • the mold is placed in a controlled force press, arranged in an oven.
  • the temperature of the oven can vary between about 20°C and about 200°C.
  • the pressure applied can vary between about 100 MPa and 1000 MPa, with a controlled variation of the pressure.
  • Such a method makes it possible to obtain non-cracked optical lenses.
  • each pixel (elementary thermosensitive surface) of a thermal detector 180 can be associated a sensitive zone in the visible or infrared spectral band.
  • the high transparency of the materials envisaged makes it possible to manufacture panchromatic cameras using a single optical path and sensitive in several spectral bands.
  • Diffractive surfaces can be added in a known manner in the optical system, in particular to correct chromatic aberrations.
  • Fig. 3A, Fig. 4A and Fig. 5A illustrate 3 exemplary embodiments of optical systems according to the present description.
  • Fig. 3A shows a first example of an optical system 301 integrated into a detection system 300, the detection system comprising a detector represented by its detection surface 380.
  • the first optical system 301 comprises a first optical lens 310, a diaphragm 350, a second optical lens 320 and a third optical lens 330.
  • Table 1 below gives the optical parameters of the optical system illustrated in Fig.3A.
  • R corresponds to the radius of curvature at the top (in mm) of the designated surface
  • the thickness corresponds to the distance (in mm) measured on the optical axis, between the designated surface and the following surface; more precisely, ti is the thickness of the first lens 310, di is the distance between the exit surface 312 of the first lens and the diaphragm 350, d 3 is the distance between the diaphragm 350 and the entrance surface 321 of the second lens, t2 is the thickness of the second lens 320, d 3 is the distance between the exit surface 322 of the second lens and the entrance surface 331 of the third lens, t3 is the thickness of the third lens 330 and d4 is the distance between the exit surface 332 of the third lens and the detection surface of the detector 380.
  • Fig. 3B shows the polychromatic modulation transfer function (MTF) of the optical system (normalized) calculated as a function of spatial frequency, in the wavelength range 8pm - 12pm.
  • Curves 361, 362 correspond to the curves calculated at the diffraction limit (system not affected by aberrations), respectively in tangential and sagittal, that is to say according to two perpendicular axes in the image plane: the tangential (southern) orientation and the sagittal (radial) orientation. These curves therefore correspond to the best performances expected for the system.
  • Curves 363 - 368 correspond to the curves calculated for different points of the field, the field being taken on the detection surface, relative to the center of the detector positioned on the optical axis. More precisely, curve 363 is calculated at the center of the field (0 mm tangential), curve 364 is calculated at the center of the field (0 mm sagittal). Curve 365 is calculated for 1 mm tangential, curve 366 is calculated for 1 mm sagittal, curve 367 is calculated for 2.04 mm tangential and curve 368 is calculated for 2.04 mm sagittal. The fact that all the curves are very close to the curves calculated for the diffraction limit indicates that the quality of the optical system is close to the theoretical limit, for all points of the field. The detection system is therefore of very good quality.
  • Fig. 4A shows a second example of an optical system 401 associated with a detection system 400, the detection system comprising a detector represented by its detection surface 480.
  • the optical system 401 comprises a first optical lens 410, a diaphragm 450, a second optical lens 420 and a third optical lens 430.
  • Table 2 below gives the optical parameters of the optical system illustrated in Fig.4A.
  • R corresponds to the radius of curvature (in mm) of the designated surface
  • the thickness corresponds to the distance (in mm) measured on the optical axis, between the designated surface and the following surface; more precisely, ti is the thickness of the first lens 410, di is the distance between the exit surface 412 of the first lens and the diaphragm 450, d2 is the distance between the diaphragm 450 and the entrance surface 421 of the second lens, t2 is the thickness of the second lens 420, ds is the distance between the exit surface 422 of the second lens and the entrance surface 431 of the third lens, t3 is the thickness of the third lens 430 and d4 is the distance between the exit surface 432 of the third lens and the detection surface of the detector 480.
  • the material designates the material between the designated surface and the following surface.
  • the material is air if not specified, k is the conicity coefficient of the designated surface, r ma x (in mm) is the radius of the optical surface, and oti, a.2, 0.3, oi4 are the 2i-order aspherization coefficients of the designated surface (see [Math 11]).
  • Fig. 4B shows the polychromatic modulation transfer function (MTF) of the optical system (normalized) calculated as a function of spatial frequency, in the wavelength range 8pm - 12pm.
  • MTF polychromatic modulation transfer function
  • Curves 461, 462 correspond to the curves calculated for the diffraction limit, respectively in tangential and sagittal. These curves therefore correspond to the best performances expected for the system.
  • Curves 463 - 468 correspond to the curves calculated for different points of the field, the field being taken on the detection surface, relative to the center of the detector positioned on the optical axis. More precisely, curve 463 is calculated at the center of the field (0 mm tangential), curve 464 is calculated at the center of the field (0 mm sagittal). Curve 465 is calculated for 1 mm tangential, curve 466 is calculated for 1 mm sagittal, curve 467 is calculated for 2.04 mm tangential and curve 468 is calculated for 2.04 mm sagittal.
  • the curves are very close to the curves calculated for the diffraction limit. This indicates that the quality of the optical system is close to the theoretical limit, for all points of the field, and with an even larger FOV than in the previous example.
  • Fig. 5A shows a third example of an optical system 501 integrated into a detection system 500, the detection system comprising a detector represented by its detection surface 580.
  • the first optical system 501 comprises a first lens optical lens 510, a diaphragm 550, a second optical lens 520 and a third optical lens 530.
  • Table 3 below gives the optical parameters of the optical system illustrated in Fig.5A.
  • R is the radius of curvature (in mm) of the designated surface, the thickness is the distance (in mm) measured on the optical axis, between the designated surface and the next surface; more precisely, ti is the thickness of the first lens 510, di is the distance between the exit surface 512 of the first lens and the diaphragm 550, d2 is the distance between the diaphragm 550 and the entrance surface 521 of the second lens, t2 is the thickness of the second lens 520, di is the distance between the exit surface 522 of the second lens and the entrance surface 531 of the third lens, t3 is the thickness of the third lens 530 and d4 is the distance between the exit surface 532 of the third lens and the detection surface of the detector 580.
  • Fig. 5B shows the polychromatic modulation transfer function (MTF) of the optical system (normalized) calculated as a function of spatial frequency, in the wavelength range 8pm - 12pm.
  • MTF polychromatic modulation transfer function
  • Curves 561, 562 correspond to the curves calculated for the diffraction limit, respectively in tangential and sagittal. These curves therefore correspond to the best performances expected for the system.
  • Curves 563 - 568 correspond to the curves calculated for different points of the field, the field being taken on the detection surface, relative to the center of the detector positioned on the optical axis. More precisely, curve 563 is calculated at the center of the field (0 mm tangential), curve 564 is calculated at the center of the field (0 mm sagittal). Curve 565 is calculated for 1 mm tangential, curve 566 is calculated for 1 mm sagittal, curve 567 is calculated for 2.04 mm tangential and curve 568 is calculated for 2.04 mm sagittal.
  • the curves are very close to the curves calculated for the diffraction limit, only curve 567 deviates from the curves at the diffraction limit, the system remaining very satisfactory with regard to its large field and its large aperture.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Lenses (AREA)

Abstract

According to one aspect, the present invention relates to an optical system having a given paraxial focal length F, the system comprising: a first lens made of alkali metal halide comprising a first paraxial focal length F1 and a first curvature β1, such that the modulus of F1/F is greater than 4.5 and the modulus of beta β1 is greater than 2, the first lens being arranged upstream of the diaphragm; a second converging lens made of alkali metal halide comprising a second paraxial focal length F 2 and a second curvature β2 such that F2/F is between 0.5 and 2 and β2 is between -1 and 3.5, the second lens being arranged downstream of the diaphragm; a third, diverging lens made of an alkali metal halide comprising a third paraxial focal length F3 and a third curvature β3, such that the modulus of F3/F is greater than 2 and the modulus of β3 is greater than 2.5, the third lens being arranged downstream of the second lens.

Description

DESCRIPTION DESCRIPTION

TITRE : Systèmes optiques à grande ouverture pour détection grand champ Domaine technique de l'invention TITLE: Large aperture optical systems for wide-field detection Technical field of the invention

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. The present description relates to large aperture optical systems for wide-field detection as well as detection systems equipped with such optical systems. The present description relates more specifically to low-cost optical systems for infrared detection with very good optical performances.

Etat de la technique State of the art

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. The present description concerns optical systems for infrared imaging, which have a large aperture, i.e. typically an aperture number F# less than or equal to 2. Large aperture and wide field infrared detection systems using thermal detectors of the microbolometer, thermopile or pyroelectric type are experiencing significant growth in many fields (thermography, home automation, automotive, leisure, robotics, etc.). This is due in particular to the drop in the cost of infrared detectors. For microbolometer detectors, this drop is mainly due to the reduction in the dimensions of the thermosensitive elements ("pixels") of the detector, which makes it possible to produce a greater number of detectors on the same wafer.

Il en résulte que les systèmes optiques d’imagerie traditionnels représentent une part non négligeable dans le coût global des systèmes de détection. As a result, traditional imaging optical systems represent a significant portion of the overall cost of detection systems.

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. Among traditional imaging optical systems, optical systems made with one or more silicon lenses are known, see for example US20150109456 [Ref.

1] ou US20190170973 [Réf. 2], 1] or US20190170973 [Ref. 2],

[Réf. 2] décrit ainsi un système optique pour l’infrarouge (7,5 - 13,5 pm) 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. [Ref. 2] thus describes an optical system for the infrared (7.5 - 13.5 pm) comprising a first optical element and a second optical element made respectively of a first material and a second material with a high refractive index, typically greater than 2.2. Silicon is particularly interesting because it has a high refractive index, of the order of 3.4, which allows a reduction of aberrations with a limited number of lenses. In addition, the manufacture of silicon lenses can be done by photolithography techniques which are relatively low cost.

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 pm) et est absorbant pour des longueurs d’onde supérieures à 9 pm, pour des épaisseurs supérieures à 1 mm. However, such techniques impose constraints on the specifications of the achievable lenses such as maximum deflection or camber. This limits the optical performance of the optical system. Furthermore, silicon is absorbent in the spectral band of the visible (below a wavelength of 1.1 pm) and is absorbent for wavelengths greater than 9 pm, for thicknesses greater than 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. Patent application US20150206909 [Ref. 3] proposes a low-cost architecture using a polyethylene-type resin lens, which can be molded.

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. However, polyethylene is infrared absorbent, which does not allow the use of more than one lens, with a limited thickness, typically less than 1 mm. Furthermore, the refractive index of the resins is low, generally less than 2. A low refractive index, coupled with the need to limit the thickness of the lenses and their number, greatly limits the optical quality of optical systems using this type of material, a single lens not being sufficient to guarantee satisfactory image quality.

On connait aussi les verres de chalcogénure pour la réalisation de systèmes optiques. Chalcogenide glasses are also known for the production of optical systems.

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. As described for example in published patent application US20200116979 [Ref. 4], chalcogenide glass lenses enable imaging in a broad infrared spectrum. Chalcogenide glasses have high refractive indices, typically greater than 2, and can be molded, which allows the realization of infrared imaging optical systems with very good optical quality.

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. However, the manufacture of chalcogenide glasses is delicate and involves many steps, particularly because the materials used to obtain these glasses are polluting and dangerous to handle; the production cost of such optical systems is therefore increased.

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. Furthermore, a simple and low-cost method is known (see [Ref. 5]) for the fabrication of plano-convex and plano-concave microlens arrays based on the use of potassium bromide (KBr) powder. The KBr microlens arrays described in [Ref. 5] are interesting in particular because they can be used in the visible and infrared. However, these microlens arrays are not suitable for large aperture and wide field imaging.

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 pm - 14 pm) mais aussi le visible (0,4 pm - 0,7 pm). This description proposes a large aperture optical system based on the use of alkali halides including KBr, whose original architecture allows wide-field imaging with very good optical quality in a wide range of wavelengths, including in particular the near infrared and infrared (0.7 pm - 14 pm) but also the visible (0.4 pm - 0.7 pm).

Résumé de l’invention 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. Summary of the invention As used herein, the term "include" means the same as "include" or "contain", and is inclusive or open-ended and does not exclude other elements not described or shown.

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. Furthermore, in this description, the term “approximately” or “substantially” is synonymous with (means the same as) a lower and/or upper margin of 10%, e.g. 5%, of the respective value.

Selon un premier aspect, la présente invention 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 Fi et une première cambrure 0i, telles que le module de Fi/F est supérieur à 4,5 et le module de Pi 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 F2 et une deuxième cambrure P2, telles que F2/F est compris entre 0,5 et 2 et P2 est 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 F3 et une troisième cambrure P3, telles que le module de F3/F est supérieur à 2 et le module de P3 est 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. According to a first aspect, the present invention relates to an optical system having a given paraxial focal length F and a given aperture defined by an aperture number, the optical system comprising: a diaphragm configured to receive incident radiation, said diaphragm defining the aperture of the optical system; a first lens made of a first material, comprising a first paraxial focal length Fi and a first camber 0i, such that the modulus of Fi/F is greater than 4.5 and the modulus of Pi is greater than 2, said first lens being arranged upstream of the diaphragm; a second lens made of a second material, converging, comprising a second paraxial focal length F2 and a second camber P2, such that F2/F is between 0.5 and 2 and P2 is greater than -1 and less than 3.5, said second lens being arranged downstream of the diaphragm; a third lens made of a third material, comprising a third paraxial focal length F3 and a third camber P3, such that the modulus of F3/F is greater than 2 and the modulus of P3 is greater than 2, said third lens being arranged downstream of the second lens; and wherein: the first material, the second material and the third material are alkali halides.

Le système optique selon l’invention peut comprendre au moins un ou plusieurs autre(s) élément(s) optique(s) (lame(s), filtre(s), et/ou hublot(s), etc.). The optical system according to the invention may comprise at least one or more other optical element(s) (blade(s), filter(s), and/or porthole(s), etc.).

Au moins une autre ou d’autres lentille(s) que la première lentille, la deuxième lentille et la troisième lentille peu(ven)t être insérée(s) dans le système selon l’invention, notamment : des lentilles dont les effets se compensent (par exemple pour créer un plan image intermédiaire) situées entre la première lentille et la deuxième lentille, ou des lentilles dont les effets se compensent (par exemple pour créer un plan image intermédiaire) situées entre la deuxième lentille et la troisième lentille, mais de tels modes de réalisation ne sont pas privilégiés car ils nuiraient à la compacité du système optique selon l’invention. At least one other lens or lenses than the first lens, the second lens and the third lens can be inserted into the system according to the invention, in particular: lenses whose effects compensate for each other (for example to create an intermediate image plane) located between the first lens and the second lens, or lenses whose effects compensate for each other (for example to create an intermediate image plane) located between the second lens and the third lens, but such embodiments are not preferred because they would harm the compactness of the optical system according to the invention.

Ainsi de préférence , le système optique selon l’invention est un système optique à trois lentilles ne comprenant pas plus de lentilles que la première lentille, la deuxième lentille et la troisième lentille. Thus, preferably, the optical system according to the invention is a three-lens optical system comprising no more lenses than the first lens, the second lens and the third lens.

Cependant, le système optique selon l’invention peut être inséré dans ou combiné à un autre dispositif ou une autre architecture optique (de détection, etc.) qui comprend d’autres lentilles et/ou au moins un autre élément optique (tel un détecteur, une lame, un filtre, et/ou un hublot, etc.). However, the optical system according to the invention can be inserted into or combined with another device or another optical architecture (detection, etc.) which comprises other lenses and/or at least one other optical element (such as a detector, a blade, a filter, and/or a porthole, etc.).

De préférence, le système optique selon l’invention consiste uniquement, pour ses éléments interagissant avec la radiation incidente, en le diaphragme, la première lentille, la deuxième lentille et la troisième lentille. Preferably, the optical system according to the invention consists only, for its elements interacting with the incident radiation, of the diaphragm, the first lens, the second lens and the third lens.

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. In the present description, it will be said that a first optical element is located upstream of a second optical element when this first optical element is configured to be on the object (or scene) side relative to the second optical element in a detection system, while a first optical element is located downstream of a second optical element when this first optical element is configured to be on the image (or detector) side relative to the second optical element.

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. An optical lens, simply called a “lens” in the present description, is an optical element made of a material with a given refractive index, comprising an entry surface and an exit surface, at least one of the surfaces of which is not flat, and forming two diopters between the external medium and the material of which the lens is composed. The entry surface, like the exit surface, may be revolution-symmetric, spherical or aspherical, or of any shape.

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. In this description, a center of curvature and a radius of curvature of each surface are defined as the center and radius of the "best sphere" defined as the sphere that minimizes a deviation from said surface. The optical axis of the lens is the axis that passes through the centers of curvature of the two 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. A useful surface of each surface of the lens is defined as the minimum surface that receives, in operation, all the rays that pass through the diaphragm. We speak of useful diameter when said useful surface has a circular outline. The useful diameter is then the diameter of said outline. In a thin lens approximation, the useful entrance surface and the useful exit surface are substantially merged and we can speak of the useful surface of the lens. In other cases, we can call the useful surface of the lens the smallest of the surfaces between the useful inlet surface and the useful outlet surface.

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. The applicant has shown that such an arrangement of three optical lenses made of alkali metal halide allows the production of low-cost, wide-field detection systems, i.e. fields greater than approximately 50°, typically between approximately 50° and approximately 120°, for operation in particular in the infrared.

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 pm à 14 pm. 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. Furthermore, such an optical system is panchromatic since, due to the high transparency of alkali metal halides, it allows imaging in the visible and infrared spectral bands, for wavelengths ranging from 0.4 pm to 14 pm. Thus, an optical system according to the first aspect can be used without modifications, or with a simple adjustment of the size of the diaphragm, both in the visible and in the infrared. Furthermore, such an arrangement of three optical lenses made of alkali metal halides as described in the present description allows the production of a large aperture optical system, i.e. having for example an aperture number F# less than or equal to 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 pm et environ 17 pm. 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. Such an optical system exhibits very good optical quality, particularly in the infrared, with a cut-off frequency compatible with detectors with sampling steps between about 8 pm and about 17 pm. The cut-off frequency is the first zero-contrast spatial frequency of the modulation transfer function (MTF) of the optical system, free from manufacturing errors or alignment errors.

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 Fi/F est supérieur à 4,5 et le module de Pi est supérieur à 2,2 ; et/ou F2/F est compris entre 0,7 et 1,6 et P2 est supérieur à -1 et inférieur à 3,1 ; et/ou le module de F3/F est supérieur à 2 et le module de 3 est supérieur à 2,3. According to one or more exemplary embodiments, the paraxial focal lengths and the cambers of the lenses are chosen in the following ranges: the modulus of Fi/F is greater than 4.5 and the modulus of Pi is greater than 2.2; and/or F2/F is between 0.7 and 1.6 and P2 is greater than -1 and less than 3.1; and/or the modulus of F3/F is greater than 2 and the modulus of 3 is greater than 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. The applicant has shown that the parameters thus chosen are optimized to obtain very good optical quality for many alkali halide compositions.

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). According to one or more exemplary embodiments, the alkalis of the alkali halides are chosen from sodium (Na), potassium (K) and 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). According to one or more exemplary embodiments, the halogens of the alkali halides are chosen from chlorine (Cl), bromine (Br) and iodine (I).

Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, les halogénures d’alcalins comprennent des structures cristallines cubiques. De tels halogénures d’alcalins peuvent être choisis par exemple parmi : iodure de potassium (Kl), bromure de potassium (KBr), chlorure de sodium (NaCl), chlorure de potassium (KC1). En particulier, Kl et KBr présentent un indice de réfraction supérieur à 1,5 à la longueur d’onde de 10pm, ce qui les rend particulièrement avantageux. According to one or more exemplary embodiments, the alkali metal halides comprise cubic crystal structures. Such alkali metal halides may be chosen, for example, from: potassium iodide (Kl), potassium bromide (KBr), sodium chloride (NaCl), potassium chloride (KC1). In particular, Kl and KBr have a refractive index greater than 1.5 at the wavelength of 10pm, which makes them particularly advantageous.

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. In exemplary embodiments, the first material from which the first lens is formed, the second material from which the second lens is formed, and the third material from which the third lens is formed are identical. They may also be different, all or in part.

Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le module de Fi/F est supérieur à 10 et pi 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 pm. Ces paramètres sont ainsi avantageux par exemple lorsque le premier matériau est en Kl ou KBr. According to one or more exemplary embodiments, the Fi/F modulus is greater than 10 and pi is less than -2.2. These parameters for the first lens are advantageous in particular when the refractive index of the first material is greater than 1.5 at a wavelength of 10 pm. These parameters are thus advantageous for example when the first material is made of Kl or KBr.

Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, F2/F est compris entre 0,7 et 1,2 et P2 est 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 pm. Ces paramètres sont ainsi avantageux par exemple lorsque le deuxième matériau est en Kl ou KBr. According to one or more exemplary embodiments, F2/F is between 0.7 and 1.2 and P2 is between -1 and 1.3. These parameters for the second lens are advantageous in particular when the refractive index of the second material is greater than 1.5 at a wavelength of 10 pm. These parameters are thus advantageous for example when the second material is made of Kl or KBr.

Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le module de F3/F est supérieur à 2,5 et le module de P3 est 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 pm. Ces paramètres sont ainsi avantageux par exemple lorsque le troisième matériau est en Kl ou KBr. According to one or more exemplary embodiments, the modulus of F3/F is greater than 2.5 and the modulus of P3 is greater than 2.3. These parameters for the third lens are advantageous in particular when the refractive index of the third material is greater than 1.5 at a wavelength of 10 pm. These parameters are thus advantageous for example when the third material is made of Kl or 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. According to one or more exemplary embodiments, a central thickness of the first optical lens and/or the second optical lens and/or the third optical lens is greater than or equal to one fifth of a maximum dimension of the lens, for example a diameter of the lens when the lens has a circular outline. The central thickness is defined as the thickness of the lens measured on the optical axis of the lens. Such a condition on the central thickness allows easier handling of the lenses and makes manufacturing by molding easier.

Selon un deuxième aspect, la présente invention 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. According to a second aspect, the present invention relates to a detection system for visible and infrared imaging comprising: an imaging optical path with an optical axis and at least a first detector configured for detection in at least a first spectral band and comprising a detection surface; an optical system according to the first aspect, arranged on said imaging path, upstream of said at least one first detector.

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. According to one or more exemplary embodiments, said at least one first detector comprises first sensitive elements in a first spectral band and second sensitive elements in a second spectral band different from said first spectral band.

Dans des exemples de réalisation, la première bande spectrale est une bande spectrale infrarouge et les premiers éléments sont des éléments thermosensibles. In exemplary embodiments, the first spectral band is an infrared spectral band and the first elements are heat-sensitive elements.

Dans des exemples de réalisation, la deuxième bande spectrale est une bande spectrale visible ou proche infrarouge. In exemplary embodiments, the second spectral band is a visible or near infrared spectral band.

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. According to one or more exemplary embodiments, the useful surface of the first lens and/or the second lens and/or the third lens is vignetted to stop the rays at the edge of the field. This makes it possible to improve the image quality at the edge of the field. This also makes it possible to reduce the optical deflection of the lenses and to reduce the angle of incidence of the rays relative to the normal to the surface, thus facilitating the production of the lenses and their alignment. The vignetting may be such that it stops rays at the edge of the field without excessively deteriorating the illumination. In exemplary embodiments, the vignetting of at least one of said useful surfaces of the lenses is such that in operation, an illumination measured at any point in the field and in the entire spectral range of use is greater than or equal to approximately 70% of the illumination measured on the optical axis.

Brève description des figures Brief description of the figures

D’autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée de mises en œuvre et de modes de réalisation nullement limitatifs, et des dessins annexés suivants : Other advantages and characteristics of the invention will appear on reading the detailed description of implementations and embodiments which are in no way limiting, and the following appended drawings:

Fig. 1, un schéma d’un système de détection comprenant un exemple d’un système optique selon la présente invention ; Fig. 1, a schematic of a detection system comprising an example of an optical system according to the present invention;

Fig. 2, un schéma illustrant les paramètres d’une lentille optique ; Fig. 2, a diagram illustrating the parameters of an optical lens;

Fig. 3 A, un schéma représentant un premier exemple d’un système optique selon la présente invention ; Fig. 3 A, a diagram showing a first example of an optical system according to the present invention;

Fig. 3B, des courbes représentant le module de la fonction de transfert (normalisé) du système optique illustré sur la Fig. 3A en fonction de la fréquence spatiale, pour différentes valeurs de champs de vue ; Fig. 3B, curves representing the modulus of the (normalized) transfer function of the optical system illustrated in Fig. 3A as a function of spatial frequency, for different values of fields of view;

Fig. 4A, un schéma représentant un deuxième exemple d’un système optique selon la présente invention ; Fig. 4B, des courbes représentant le module de la fonction de transfert (normalisé) du système optique illustré sur la Fig. 4A en fonction de la fréquence spatiale, pour différentes valeurs de champ de vue ; Fig. 4A, a diagram showing a second example of an optical system according to the present invention; Fig. 4B, plots representing the modulus of the (normalized) transfer function of the optical system illustrated in Fig. 4A as a function of spatial frequency, for different values of field of view;

Fig. 5A, un schéma représentant un troisième exemple d’un système optique selon la présente invention ; Fig. 5A, a diagram showing a third example of an optical system according to the present invention;

Fig. 5B, des courbes représentant le module de la fonction de transfert (normalisé) du système optique illustré sur la Fig. 5A en fonction de la fréquence spatiale, pour différentes valeurs de champs de vue. Fig. 5B, plots representing the modulus of the (normalized) transfer function of the optical system illustrated in Fig. 5A as a function of spatial frequency, for different values of fields of view.

Ces modes de réalisation étant nullement limitatifs, on pourra notamment considérer des variantes de l’invention ne comprenant qu’une sélection de caractéristiques décrites ou illustrées par la suite isolées des autres caractéristiques décrites ou illustrées (même si cette sélection est isolée au sein d’une phrase comprenant ces autres caractéristiques), si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l’invention par rapport à l’état de la technique antérieure. Cette sélection comprend au moins une caractéristique de préférence fonctionnelle sans détails structurels, et/ou avec seulement une partie des détails structurels si cette partie uniquement est suffisante pour conférer un avantage technique ou à différencier l’invention par rapport à l’état de la technique antérieure. These embodiments being in no way limiting, it will be possible in particular to consider variants of the invention comprising only a selection of features described or illustrated subsequently isolated from the other features described or illustrated (even if this selection is isolated within a sentence comprising these other features), if this selection of features is sufficient to confer a technical advantage or to differentiate the invention compared to the state of the prior art. This selection comprises at least one preferably functional feature without structural details, and/or with only a part of the structural details if this part alone is sufficient to confer a technical advantage or to differentiate the invention compared to the state of the prior art.

Description détaillée de l’invention Detailed description of the invention

La Fig. 1 représente un exemple d’un système de détection 100 selon la présente description et la Fig. 2 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 A et au moins un premier détecteur représenté schématiquement sur la Fig. 1 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. Fig. 1 shows an example of a detection system 100 according to the present description and Fig. 2 illustrates the main parameters of an optical lens in an optical system. The detection system 100 comprises an imaging optical path with an optical axis A and at least a first detector schematically represented in Fig. 1 by a detection surface 180. In the present description, the term detection surface of the detector refers to a useful detection surface, i.e. the surface formed by the elementary detectors or “pixels” configured to detect radiation in the desired spectral band(s) for the detection system.

Le système de détection 100 comprend par ailleurs un système optique 101 d’axe optique A avec une distance focale paraxiale donnée F, le système comprenant un agencement avec 3 lentilles optiques 110, 120, 130 et un diaphragme 150. The detection system 100 further comprises an optical system 101 of optical axis A with a given paraxial focal distance F, the system comprising an arrangement with 3 optical lenses 110, 120, 130 and a diaphragm 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 1’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 (Fig. 1) comprend un diaphragme 150 configuré pour recevoir une radiation incidente. Le diaphragme définit l’ouverture du système optique. By convention in this description, the positive sense of a direction parallel to the optical axis is the sense which is directed from the scene towards the detector, in other words the sense of propagation of the light. L denotes the total size of the detection system, defined by the distance between the top of the entrance face of the first lens (surface 111) and the detection surface 180. According to the present description, the optical system 100 (Fig. 1) comprises a diaphragm 150 configured to receive incident radiation. The diaphragm defines the aperture of the optical system.

Le nombre d’ouverture est défini par F# = F/ PE, OÙ PE est 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 PE est le diamètre de la pupille d’entrée du système optique. The aperture number is defined by F# = F/PE, where PE is a maximum dimension of the entrance pupil of the optical system, the entrance pupil being optically conjugated with the diaphragm by the set of optical elements located upstream of the diaphragm. The diaphragm is for example circular and PE is the diameter of the entrance pupil of the optical system.

On note FOVle champ angulaire total du système de détection : We denote FOV as the total angular field of the detection system:

[Math 1 rmr [Math 1 rmr

FOV =

Figure imgf000011_0001
FOV =
Figure imgf000011_0001

Où hmax est, 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. Where h max is, in the present description, a maximum dimension of the detection surface, for example a length, a width or a diagonal in the case of a rectangular detection surface.

Comme illustré sur la Fig. 2, 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. As illustrated in Fig. 2, an optical lens 200, simply called a “lens” in the present description, is an optical element made of a material of given refractive index, comprising an entry surface 210 and an exit surface 220, at least one of which is not planar, and forming two diopters between the external medium and the material of which the lens is composed. The entry surface 210, or surface on the object side, is the surface configured to be on the scene side, and the exit surface 220, or surface on the image side, is the surface configured to be on the detector side.

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 Cs et un rayon de courbure Rs qui sont respectivement le centre et le rayon de la meilleure sphère qui minimise un écart avec ladite surface. The input surface 210, like the output surface, can be revolution-symmetric, spherical or aspherical, or of any shape (so-called “freeform” surface). In all cases, we can define for each surface a center of curvature Cs and a radius of curvature Rs which are respectively the center and the radius of the best sphere which minimizes a deviation from said surface.

Ainsi, comme illustré sur la Fig. 2 pour la face d’entrée 210, on peut définir pour une surface d’une lentille optique, la flèche z de cette surface. La flèche z est 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 Oi de 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 Oi de la surface, comme cela est illustré sur la Fig. 2. 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 (Oi, x, y). Thus, as illustrated in Fig. 2 for the entrance face 210, it is possible to define for a surface of an optical lens, the arrow z of this surface. The arrow z is the distance measured in a direction parallel to the optical axis, at a given distance from the optical axis, between said surface and a reference plane perpendicular to the optical axis and comprising the vertex Oi of the surface. In the case of a surface with rotational symmetry, the arrow z(r) depends only on the polar coordinate r measured in the reference plane from the vertex Oi of the surface, as illustrated in Fig. 2. In a general case, we can denote z(x,y) the arrow measured from a point with Cartesian coordinates (x, y) of the reference plane, in a frame (Oi, x, y).

On définit le rayon Rs de la meilleure sphère comme la valeur qui minimise la fonction Z(Rs) définie par : We define the radius Rs of the best sphere as the value which minimizes the function Z(Rs) defined by:

[Math 2]

Figure imgf000012_0001
[Math 2]
Figure imgf000012_0001

Avec rmax le rayon de la surface utile et :

Figure imgf000012_0002
With r max the radius of the useful surface and:
Figure imgf000012_0002

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 : Note that in the case of any surface, the radius Rs of the best sphere is defined as the value which minimizes the function Z(Rs) where:

[Math 5] [Math 5]

Z(Rs) = JJ (z(x,y) - zs(x,y)')dxdy Z(Rs) = JJ (z(x,y) - z s (x,y)')dxdy

Et r2 = x2 + y2. And r 2 = x 2 + y 2 .

Dans l’exemple de la Fig. 2, on a représenté à titre illustratif la flèche zi(r) de la surface d’entrée 210 et la flèche zsi(r) de la meilleure sphère qui minimise l’écart avec la surface 210 et qui est schématisée en pointillés par la surface 215. Oi est le sommet de la face d’entrée 210. C si et Rsi sont respectivement le centre et le rayon de la meilleur sphère 215. In the example of Fig. 2, the arrow zi(r) of the input surface 210 and the arrow zsi(r) of the best sphere which minimizes the deviation from the surface 210 and which is represented diagrammatically in dotted lines by the surface 215 are shown for illustration purposes. Oi is the vertex of the input face 210. C si and Rsi are respectively the center and the radius of the best sphere 215.

L’axe optique A de la lentille est l’axe qui passe par les centres de courbure des deux surfacesThe optical axis A of the lens is the axis that passes through the centers of curvature of the two 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. 210, 220. By convention in this description, the radius of curvature Rs is oriented from the vertex to the center of curvature. If the radius of curvature is oriented towards the detector, Rs is positive, if it is oriented towards the scene, Rs is negative.

On définit la cambrure d’une lentille optique 200 telle que représentée sur la Fig. 2 par l’équation : The camber of an optical lens 200 as shown in Fig. 2 is defined by the equation:

[Math 6]

Figure imgf000013_0001
où Rsi le rayon de la meilleure sphère qui minimise l’écart avec la surface d’entrée 210 de la lentille 200 et Rs2 est le rayon de courbure de la meilleure sphère qui minimise l’écart avec la surface de sortie 220 de la lentille. [Math 6]
Figure imgf000013_0001
where Rsi is the radius of the best sphere that minimizes the deviation from the entrance surface 210 of the lens 200 and Rs2 is the radius of curvature of the best sphere that minimizes the deviation from the exit surface 220 of the lens.

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. The optical system 100 comprises, in addition to the diaphragm 150, a first lens 110 made of a first material, a second lens 120 made of a second material and a third lens 130 made of a third material. The first material, the second material and the third material are alkali halides.

Selon la présente description, la première lentille 110 présente une première distance focale paraxiale Fi et une première cambrure i. Le module de Fi/F est supérieur à 4,5 et le module de Pi 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 F2 et une deuxième cambrure 02. F2/F est compris entre 0,5 et 2, avantageusement entre 0,7 et 1,6 et P2 est 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 F3 et une troisième cambrure P3. Le module de F3/F est supérieur à 2 et le module de 3 est supérieur à 2, avantageusement supérieur à 2,3. La troisième lentille est agencée en aval de la deuxième lentille. According to the present description, the first lens 110 has a first paraxial focal length Fi and a first camber i. The modulus of Fi/F is greater than 4.5 and the modulus of Pi is greater than 2, advantageously greater than 2.2. The first lens 110 is arranged upstream of the diaphragm 150. The second lens has a second paraxial focal length F2 and a second camber 02. F2/F is between 0.5 and 2, advantageously between 0.7 and 1.6 and P2 is greater than -1 and less than 3.5, advantageously less than 3.1. The second lens 120 is arranged downstream of the diaphragm 150. The third lens 130 has a third paraxial focal length F3 and a third camber P3. The modulus of F3/F is greater than 2 and the modulus of 3 is greater than 2, advantageously greater than 2.3. The third lens is arranged downstream of the second lens.

Toutes les surfaces ou au moins une partie des surfaces des lentilles 110, 120, 130 peuvent être asphériques. All or at least part of the surfaces of the lenses 110, 120, 130 may be aspherical.

Dans un système optique 101 tel que représenté sur la Fig. 1, 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|. In an optical system 101 as shown in FIG. 1, the second lens 120 is convergent and contributes mainly to the optical power of the system, the optical power being defined as being the inverse of the focal length. Thus we have the relations: |F 2 /F|<|F1/F| and |F 2 /F|<|F 3 /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 : [Math 7]

Figure imgf000014_0001
The applicant has shown that the choice of parameters for the lenses of the optical system which is the subject of the present description allows good image quality thanks in particular to the limitation of aberrations. For example, the camber of a lens made of a given material can be chosen to minimize spherical aberration or cancel coma aberration. The camber that minimizes spherical aberration is given by the relation: [Math 7]
Figure imgf000014_0001

Où n est l’indice de réfraction du matériau dont est formée la lentille. Where n is the refractive index of the material from which the lens is made.

La cambrure qui annule l’aberration de coma est donnée par la relation suivante : [Math 8]

Figure imgf000014_0002
The camber that cancels the coma aberration is given by the following relation: [Math 8]
Figure imgf000014_0002

Considérons par exemple une lentille faite en KBr dont l’indice de réfraction vaut 1,52 à la longueur d’onde de 10 pm. La cambrure qui minimise l’aberration sphérique vaut -0,15 et la cambrure qui annule l’aberration de coma vaut -0,09. Consider for example a lens made of KBr whose refractive index is 1.52 at a wavelength of 10 pm. The camber that minimizes spherical aberration is -0.15 and the camber that cancels coma aberration is -0.09.

On constate ainsi que le choix de la cambrure P2 de la deuxième lentille 120 entre -1 et 3,5 permet d’atténuer l’aberration de coma et l’aberration sphérique de cette lentille. We can thus see that the choice of the camber P2 of the second lens 120 between -1 and 3.5 makes it possible to attenuate the coma aberration and the spherical aberration of this lens.

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. In exemplary embodiments, the first lens 110 and the third lens 130 may both be diverging or both converging; they may also be converging at the center and diverging at the edge or vice versa; they also have lower optical powers than that of the second optic 120. They may make it possible to compensate for the aberrations of the second optic 120 and/or to correct field aberrations, for example astigmatism.

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], For example, the first lens 110 and/or the third lens 130 can in a known manner help to compensate for the Petzval curvature that one seeks to minimize, as described for example in [Ref. 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 Cp d’un système optique à plusieurs lentilles est donnée par la relation suivante : [Math 9]

Figure imgf000014_0003
In the case of the thin lens approximation (e.g. thickness at least less than the paraxial focal length of the lens divided by 10), the Petzval curvature C p of a multi-lens optical system is given by the following relation: [Math 9]
Figure imgf000014_0003

Où m est l’indice de réfraction de la nieme lentille du système optique et Fi est 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 Cp d’un système optique à plusieurs lentilles et donc plusieurs surfaces de rayons de courbure Ri, est donnée par la relation suivante : Where m is the refractive index of the nth lens in the optical system and Fi is the paraxial focal length of the lens. In the case of thick lenses (thickness at least greater than the paraxial focal length of the lens divided by 10), the Petzval curvature C p of an optical system with several lenses and therefore several surfaces of radii of curvature Ri, is given by the following relation:

[Math 10] [Math 10]

Zn' — ni n-niRt Zn' — neither n-niRt

Où m est l’indice de réfraction du milieu en amont de la nieme surface du système optique de rayon de courbure Ri (rayon de meilleure sphère de la nieme surface) et ni’ est l’indice de réfraction du milieu en aval de la nieme surface du système optique de rayon de courbure Ri. Ainsi, la courbure de champ peut être réduite lorsque Cp tend 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. Where m is the refractive index of the medium upstream of the nth surface of the optical system with radius of curvature Ri (best-sphere radius of the nth surface) and ni' is the refractive index of the medium downstream of the nth surface of the optical system with radius of curvature Ri. Thus, the field curvature can be reduced as C p tends to 0, either by using alternating concave or convex surfaces in the case of thick lenses, or by increasing the refractive index, or by using both diverging and converging optical lenses.

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. Thus, for example, in a three-lens system as in the present description, the first and/or third lens can be chosen to be divergent and the second lens to be convergent.

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. In the case of lenses with a low refractive index, i.e. refractive indices less than 2, the field curvature can be corrected by using aspherical lenses.

Par exemple, on fait l’hypothèse que la flèche z(r) de chaque surface de chaque lentille peut être approximée par l’équation : For example, we assume that the deflection z(r) of each surface of each lens can be approximated by the equation:

[Math 11]

Figure imgf000015_0001
[Math 11]
Figure imgf000015_0001

R est le rayon de courbure au sommet de la surface, k est le coefficient de conicité, a.i sont les coefficients d’asphérisation d’ordre 2i. 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 a; sont tous nuis, 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 Rs de la meilleure sphère tel que défini précédemment. R is the radius of curvature at the vertex of the surface, k is the conicity coefficient, ai are the aspherization coefficients of order 2i. The aspherization coefficients describe the deviation of the surface from an axially symmetric quadric surface defined by the radius of curvature at the vertex R and the conicity coefficient k. In other words, if the coefficients a; are all null, then the surface is a conic section that has a symmetry of revolution about the optical axis, with R the radius of curvature measured at the vertex (where r = 0) and k the constant of the conic that determines its shape. Note that the radius of curvature measured at the vertex R is not necessarily the same as the radius Rs of the best sphere as defined previously.

Pour réduire la courbure de champ, on pourra choisir des surfaces asphériques c’est-à-dire avec des termes asphériques ai non nul. To reduce the field curvature, we can choose aspherical surfaces, that is to say with non-zero aspherical terms ai.

Par exemple, il est possible de corriger la courbure de champ d’ordre 4 par des termes asphériques d’ordre 6 et 8. For example, it is possible to correct the 4th order field curvature by 6th and 8th order aspherical terms.

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. In exemplary embodiments, it is possible to obtain a so-called “aspherical” lens which has a focal length which varies in r; in other words, the focal length, moving away from the optical axis, is no longer equal to the paraxial focal length measured at the optical axis (r close to 0). It is possible to obtain aspherical lenses with at least one surface which has 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. In the present description the third lens (arranged on the detector side) can advantageously be aspherical. In the present description, the first lens can also be aspherical.

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 centrale e des lentilles telle que : [Math 12] e avec <pientuie une dimension maximale de la lentille, par exemple le diamètre de

Figure imgf000016_0001
la lentille. The high aspherization of the third lens 130 can be used to adjust the focal length of this lens in the field. In particular, it makes it possible to obtain a good level of illumination throughout the field of view, for example illumination at any point in the field and in the spectral band of use at least equal to 70% of the illumination at the center of the field. Advantageously, to improve the image quality at the edge of the field, the surfaces of the lenses can be reduced relative to the useful surfaces in order to vignetize rays at the edge of the field. The vignetting can be limited by guaranteeing a level of illumination at any point in the field greater than 70° of the illumination at the center of the field. More particularly, the useful surface of the second lens can be reduced to vignetize the rays at the edge of the field. In exemplary embodiments, it will be sought to have a central thickness e of the lenses such that: [Math 12] e with <pi being a maximum dimension of the lens, for example the diameter of
Figure imgf000016_0001
the lens.

De cette manière, les lentilles pourront être moulées et manipulées facilement. In this way, the lenses can be molded and handled easily.

Dans des exemples de réalisation, le rapport entre la moitié du diamètre maximal des lentilles et une dimension maximale hmax de la surface de détection pourra valider la relation : [Math 13]

Figure imgf000016_0002
La dimension maximale hmax est 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. In exemplary embodiments, the ratio between half the maximum diameter of the lenses and a maximum dimension h max of the detection surface can validate the relationship: [Math 13]
Figure imgf000016_0002
The maximum dimension h max is for example the length, width or diagonal of the detection surface in the case of a rectangular detection surface. This limits the size of the lenses and therefore their cost.

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. Lenses may include, in a known manner, a coating deposited on the surfaces to protect them from the environment and to limit the hygroscopic effects of the materials. This coating may also serve as an anti-reflective treatment.

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. The manufacture of an optical lens in an optical system according to the first aspect can be obtained in a manner similar to the manufacturing method described in [Ref. 5]. For example, a powder of given purity, for example of purity > 99.5, dried, is used. The powder is placed in a steel die (mold) between two pistons. The face of the pistons in contact with the powder has the desired shape to produce the lens. The mold is placed in a controlled force press, arranged in an oven. The temperature of the oven can vary between about 20°C and about 200°C. The pressure applied can vary between about 100 MPa and 1000 MPa, with a controlled variation of the pressure. Such a method makes it possible to obtain non-cracked optical lenses.

Dans un système de détection tel que représenté sur la Fig. 1, 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. In a detection system as shown in Fig. 1, at each pixel (elementary thermosensitive surface) of a thermal detector 180 can be associated a sensitive zone in the visible or infrared spectral band. The high transparency of the materials envisaged makes it possible to manufacture panchromatic cameras using a single optical path and sensitive in several spectral bands. Diffractive surfaces can be added in a known manner in the optical system, in particular to correct chromatic aberrations.

Les Fig. 3A, Fig. 4A et Fig. 5A illustrent 3 exemples de réalisation de systèmes optiques selon la présente description. Fig. 3A, Fig. 4A and Fig. 5A illustrate 3 exemplary embodiments of optical systems according to the present 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], In these examples, we assume that the deflection z(r) of each surface of each lens can be approximated by the equation [Math 11],

La Fig. 3A 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. Fig. 3A shows a first example of an optical system 301 integrated into a detection system 300, the detection system comprising a detector represented by its detection surface 380. The first optical system 301 comprises a first optical lens 310, a diaphragm 350, a second optical lens 320 and a third optical lens 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 Fi = 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 Pi = -12,2 ; la cambrure de la deuxième lentille est 2 = 1,0 ; la cambrure de la troisième lentille est 3 = - 4,7. On calcule F2/F = 0,95, Fi/F = 28,5, F3/F = -50,2. The paraxial focal length of the 301 optical system is F = 4.7 mm, the aperture number is F# = 1.5, the total field FOV is 50°, the total footprint is 7.5 mm. In this example, the paraxial focal length of the first lens is Fi = 134 mm; the paraxial focal length of the second lens is F2 = 4.5 mm; the paraxial focal length of the third lens is F3 = -236 mm; the camber of the first lens is Pi = -12.2; the camber of the second lens is 2 = 1.0; the camber of the third lens is 3 = - 4.7. We calculate F2/F = 0.95, Fi/F = 28.5, F3 /F = -50.2.

La Table 1 ci-dessous donne les paramètres optiques du système optique illustré sur la Fig.3A. Table 1 below gives the optical parameters of the optical system illustrated in Fig.3A.

[Table 1]

Figure imgf000018_0001
[Table 1]
Figure imgf000018_0001

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, ti est l’épaisseur de la première lentille 310, di est la distance entre la surface de sortie 312 de la première lentille et le diaphragme 350, d3 est la distance entre le diaphragme 350 et la surface d’entrée 321 de la deuxième lentille, t2 est l’épaisseur de la deuxième lentille 320, d3 est la distance entre la surface de sortie 322 de la deuxième lentille et la surface d’entrée 331 de la troisième lentille, t3 est l’épaisseur de la troisième lentille 330 et d4 est 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 ai, 2, as, a4 sont les coefficients d’asphérisation d’ordre 2i de la surface désignée (voir [Math 11]). R corresponds to the radius of curvature at the top (in mm) of the designated surface, the thickness corresponds to the distance (in mm) measured on the optical axis, between the designated surface and the following surface; more precisely, ti is the thickness of the first lens 310, di is the distance between the exit surface 312 of the first lens and the diaphragm 350, d 3 is the distance between the diaphragm 350 and the entrance surface 321 of the second lens, t2 is the thickness of the second lens 320, d 3 is the distance between the exit surface 322 of the second lens and the entrance surface 331 of the third lens, t3 is the thickness of the third lens 330 and d4 is the distance between the exit surface 332 of the third lens and the detection surface of the detector 380. In the material column, the material between the designated surface and the following surface is reported. The material is air if not specified, k is the conicity coefficient of the designated surface, r max (in mm) is half of a maximum dimension of the useful surface of said surface, in this example half of the diameter of the useful surface of said surface, and ai, 2, as, a4 are the aspherization coefficients of order 2i of the designated surface (see [Math 11]).

La Fig. 3B 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 8pm - 12pm. 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. Fig. 3B shows the polychromatic modulation transfer function (MTF) of the optical system (normalized) calculated as a function of spatial frequency, in the wavelength range 8pm - 12pm. Curves 361, 362 correspond to the curves calculated at the diffraction limit (system not affected by aberrations), respectively in tangential and sagittal, that is to say according to two perpendicular axes in the image plane: the tangential (southern) orientation and the sagittal (radial) orientation. These curves therefore correspond to the best performances expected for the system.

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. Curves 363 - 368 correspond to the curves calculated for different points of the field, the field being taken on the detection surface, relative to the center of the detector positioned on the optical axis. More precisely, curve 363 is calculated at the center of the field (0 mm tangential), curve 364 is calculated at the center of the field (0 mm sagittal). Curve 365 is calculated for 1 mm tangential, curve 366 is calculated for 1 mm sagittal, curve 367 is calculated for 2.04 mm tangential and curve 368 is calculated for 2.04 mm sagittal. The fact that all the curves are very close to the curves calculated for the diffraction limit indicates that the quality of the optical system is close to the theoretical limit, for all points of the field. The detection system is therefore of very good quality.

La Fig. 4A 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.Fig. 4A shows a second example of an optical system 401 associated with a detection system 400, the detection system comprising a detector represented by its detection surface 480. The optical system 401 comprises a first optical lens 410, a diaphragm 450, a second optical lens 420 and a third optical lens 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. The paraxial focal length of the 401 optical system is F = 3.4 mm, the aperture number is F# = 1.5, the field is 90°, the total size is 6.3 mm.

Dans cet exemple, la distance focale paraxiale de la première lentille est Fi = -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 Pi = -8,8 ; la cambrure de la deuxième lentille est 2 = -0,44 ; la cambrure de la troisième lentille est 3 = 5,3. Par ailleurs, on calcule : F2/F = 0,74, Fi/F = -40,6, F3/F = -4,4. In this example, the paraxial focal length of the first lens is Fi = -138 mm; the paraxial focal length of the second lens is F2 = 2.5 mm; the paraxial focal length of the third lens is F3 = -15 mm; the camber of the first lens is Pi = -8.8; the camber of the second lens is 2 = -0.44; the camber of the third lens is 3 = 5.3. Furthermore, we calculate: F2/F = 0.74, Fi/F = -40.6, F3/F = -4.4.

La Table 2 ci-dessous donne les paramètres optiques du système optique illustré sur la Fig.4A. Table 2 below gives the optical parameters of the optical system illustrated in Fig.4A.

[Table 2]

Figure imgf000019_0001
Figure imgf000020_0001
[Table 2]
Figure imgf000019_0001
Figure imgf000020_0001

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, ti est l’épaisseur de la première lentille 410, di est la distance entre la surface de sortie 412 de la première lentille et le diaphragme 450, d2 est la distance entre le diaphragme 450 et la surface d’entrée 421 de la deuxième lentille, t2 est l’épaisseur de la deuxième lentille 420, ds est la distance entre la surface de sortie 422 de la deuxième lentille et la surface d’entrée 431 de la troisième lentille, t3 est l’épaisseur de la troisième lentille 430 et d4 est 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 oti, a.2, 0.3, oi4 sont les coefficients d’asphérisation d’ordre 2i de la surface désignée (voir [Math 11]). La Fig. 4B 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 8pm - 12pm. R corresponds to the radius of curvature (in mm) of the designated surface, the thickness corresponds to the distance (in mm) measured on the optical axis, between the designated surface and the following surface; more precisely, ti is the thickness of the first lens 410, di is the distance between the exit surface 412 of the first lens and the diaphragm 450, d2 is the distance between the diaphragm 450 and the entrance surface 421 of the second lens, t2 is the thickness of the second lens 420, ds is the distance between the exit surface 422 of the second lens and the entrance surface 431 of the third lens, t3 is the thickness of the third lens 430 and d4 is the distance between the exit surface 432 of the third lens and the detection surface of the detector 480. The material designates the material between the designated surface and the following surface. The material is air if not specified, k is the conicity coefficient of the designated surface, r ma x (in mm) is the radius of the optical surface, and oti, a.2, 0.3, oi4 are the 2i-order aspherization coefficients of the designated surface (see [Math 11]). Fig. 4B shows the polychromatic modulation transfer function (MTF) of the optical system (normalized) calculated as a function of spatial frequency, in the wavelength range 8pm - 12pm.

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. Curves 461, 462 correspond to the curves calculated for the diffraction limit, respectively in tangential and sagittal. These curves therefore correspond to the best performances expected for the system.

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. Curves 463 - 468 correspond to the curves calculated for different points of the field, the field being taken on the detection surface, relative to the center of the detector positioned on the optical axis. More precisely, curve 463 is calculated at the center of the field (0 mm tangential), curve 464 is calculated at the center of the field (0 mm sagittal). Curve 465 is calculated for 1 mm tangential, curve 466 is calculated for 1 mm sagittal, curve 467 is calculated for 2.04 mm tangential and curve 468 is calculated for 2.04 mm sagittal. Here again, the curves are very close to the curves calculated for the diffraction limit. This indicates that the quality of the optical system is close to the theoretical limit, for all points of the field, and with an even larger FOV than in the previous example.

La Fig. 5A 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. Fig. 5A shows a third example of an optical system 501 integrated into a detection system 500, the detection system comprising a detector represented by its detection surface 580. The first optical system 501 comprises a first lens optical lens 510, a diaphragm 550, a second optical lens 520 and a third optical lens 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. The paraxial focal length of the 501 optical system is F = 2.8 mm, the aperture number is F# = 1.5, the field is 120°, the total size is 6.1 mm.

Dans cet exemple, la distance focale paraxiale de la première lentille est Fi = -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 Pi = -7,5 ; la cambrure de la deuxième lentille est 2 = -0,29 ; la cambrure de la troisième lentille est 3 = 5,8. Par ailleurs, on calcule : F2/F = 0,86, Fi/F = -13,9, F3/F = -19,3. In this example, the paraxial focal length of the first lens is Fi = -39 mm; the paraxial focal length of the second lens is F2 = 2.4 mm; the paraxial focal length of the third lens is F3 = -54 mm; the camber of the first lens is Pi = -7.5; the camber of the second lens is 2 = -0.29; the camber of the third lens is 3 = 5.8. Furthermore, we calculate: F2/F = 0.86, Fi/F = -13.9, F3/F = -19.3.

La Table 3 ci-dessous donne les paramètres optiques du système optique illustré sur la Fig.5A. Table 3 below gives the optical parameters of the optical system illustrated in Fig.5A.

[Table 3]

Figure imgf000021_0001
[Table 3]
Figure imgf000021_0001

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, ti est l’épaisseur de la première lentille 510, di est la distance entre la surface de sortie 512 de la première lentille et le diaphragme 550, d2 est la distance entre le diaphragme 550 et la surface d’entrée 521 de la deuxième lentille, t2 est l’épaisseur de la deuxième lentille 520, di est la distance entre la surface de sortie 522 de la deuxième lentille et la surface d’entrée 531 de la troisième lentille, t3 est l’épaisseur de la troisième lentille 530 et d4 est 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 ai, 2, as, 4 sont les coefficients d’asphérisation d’ordre 2i de la surface désignée (voir [Math 11]). La Fig. 5B 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 8pm - 12pm. R is the radius of curvature (in mm) of the designated surface, the thickness is the distance (in mm) measured on the optical axis, between the designated surface and the next surface; more precisely, ti is the thickness of the first lens 510, di is the distance between the exit surface 512 of the first lens and the diaphragm 550, d2 is the distance between the diaphragm 550 and the entrance surface 521 of the second lens, t2 is the thickness of the second lens 520, di is the distance between the exit surface 522 of the second lens and the entrance surface 531 of the third lens, t3 is the thickness of the third lens 530 and d4 is the distance between the exit surface 532 of the third lens and the detection surface of the detector 580. The material designates the material between the designated surface and the next surface. The material is air if not specified, k is the conicity coefficient of the designated surface, r max (in mm) is the radius of the optical surface, and ai, 2, as, 4 are the aspherization coefficients of order 2i of the designated surface (see [Math 11]). Fig. 5B shows the polychromatic modulation transfer function (MTF) of the optical system (normalized) calculated as a function of spatial frequency, in the wavelength range 8pm - 12pm.

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. Curves 561, 562 correspond to the curves calculated for the diffraction limit, respectively in tangential and sagittal. These curves therefore correspond to the best performances expected for the system.

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. Curves 563 - 568 correspond to the curves calculated for different points of the field, the field being taken on the detection surface, relative to the center of the detector positioned on the optical axis. More precisely, curve 563 is calculated at the center of the field (0 mm tangential), curve 564 is calculated at the center of the field (0 mm sagittal). Curve 565 is calculated for 1 mm tangential, curve 566 is calculated for 1 mm sagittal, curve 567 is calculated for 2.04 mm tangential and curve 568 is calculated for 2.04 mm sagittal. Here again, the curves are very close to the curves calculated for the diffraction limit, only curve 567 deviates from the curves at the diffraction limit, the system remaining very satisfactory with regard to its large field and its large aperture.

Bien sûr, l’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l’invention. 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. Of course, the invention is not limited to the examples which have just been described and numerous arrangements can be made to these examples without departing from the scope of the invention. Although described through a certain number of exemplary embodiments, the optical systems according to the present description include different variants, modifications and improvements which will be obvious to those skilled in the art, it being understood that these different variants, modifications and improvements are part of the scope of the invention as defined by the claims which follow.

Références References

Réf. 1: US20150109456 Ref. 1: US20150109456

Réf. 2: US20190170973 Ref. 2: US20190170973

Réf. 3: US20150206909 Ref. 3: US20150206909

Réf 4: US20200116979 Ref 4: US20200116979

Réf. 5: Florence de la Barrière et al. « Fabrication of concave and convex potassium bromide lens arrays by compression molding', Applied Optics, Vol. 51, No. 21, 20 July 2012Ref. 5: Florence de la Barrière et al. 'Fabrication of concave and convex potassium bromide lens arrays by compression molding', Applied Optics, Vol. 51, No. 21, 20 July 2012

Réf. 6: José Sasiân, "Field curvature aberration," Proc. SPIE 9293, International OpticalRef. 6: José Sasiân, "Field curvature aberration," Proc. SPIE 9293, International Optical

Design Conference 2014, 929322 (17 December 2014); https://doi.Org/10.l 117/12.2075938 Design Conference 2014, 929322 (17 December 2014); https://doi.Org/10.l 117/12.2075938

Claims

REVENDICATIONS 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 Fi et une première cambrure Pi, telles que le module de Fi/F est supérieur à 4,5 et le module de Pi 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 F2 et une deuxième cambrure P2, telles que F2/F est compris entre 0,5 et 2 et P2 est 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 F3 et une troisième cambrure P3, telles que le module de F3/F est supérieur à 2 et le module de P3 est 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. 1. An optical system (101) having a given paraxial focal length F and a given aperture defined by an aperture number (F#), the optical system comprising: a diaphragm configured to receive incident radiation, said diaphragm defining the aperture of the optical system; a first lens made of a first material, comprising a first paraxial focal length Fi and a first camber Pi, such that the modulus of Fi/F is greater than 4.5 and the modulus of Pi is greater than 2, said first lens being arranged upstream of the diaphragm; a second lens made of a second material, converging, comprising a second paraxial focal length F2 and a second camber P2, such that F2/F is between 0.5 and 2 and P2 is between -1 and 3.5, said second lens being arranged downstream of the diaphragm; a third lens made of a third material comprising a third paraxial focal length F3 and a third camber P3, such that the modulus of F3/F is greater than 2 and the modulus of P3 is greater than 2, said third lens being arranged downstream of the second lens; and wherein: the first material, the second material and the third material are alkali halides. 2. Système optique selon la revendication 1, dans lequel : le module de Fi/F est supérieur à 10 et Pi est inférieur à -2,2 ; et/ou F2/F est compris entre 0,7 et 1,2 et P2 est compris entre -1 et 1,3 ; et/ou le module de F3/F est supérieur à 2,5 et le module de P3 est supérieur à 2,3. 2. Optical system according to claim 1, wherein: the modulus of Fi/F is greater than 10 and Pi is less than -2.2; and/or F2/F is between 0.7 and 1.2 and P2 is between -1 and 1.3; and/or the modulus of F3/F is greater than 2.5 and the modulus of P3 is greater than 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). 3. Optical system according to any one of the preceding claims, in which the alkalis of the alkali halides are chosen from sodium (Na), potassium (K) and 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). 4. Optical system according to any one of the preceding claims, in which the halogens of the alkali metal halides are chosen from chlorine (Cl), bromine (Br) and iodine (I). 5. Système optique selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les halogénures d’alcalins sont de structures cristallines cubiques. 5. Optical system according to any one of the preceding claims, in which the alkali halides are of cubic crystalline structures. 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’une dimension maximale de ladite lentille. 6. Optical system according to any one of the preceding claims, in which a central thickness of the first optical lens and/or the second optical lens and/or the third optical lens is greater than or equal to one fifth of a maximum dimension of said lens. 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. 7. Detection system (100) for visible and infrared imaging comprising: an imaging optical path with an optical axis and at least one first detector configured for detection in at least one first spectral band and comprising a detection surface (180); an optical system (101) according to any one of the preceding claims, arranged on said imaging path, upstream of said at least one first detector. 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. 8. Detection system according to claim 7, wherein: said at least one first detector comprises first sensitive elements in a first spectral band and second sensitive elements in a second spectral band different from said first spectral band. 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. 9. A detection system according to claim 8, wherein the first spectral band is an infrared spectral band and the first elements are thermosensitive elements. 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. 10. Detection system according to any one of claims 7 to 9, in which at least one of the useful surfaces of said first lens, second lens, third lens is vignetted to stop, in operation, rays at the edge of the field, the vignetting of at least one of said useful surfaces of the lenses being such that an illumination measured at any point of the field remains greater than or equal to approximately 70% of the illumination measured on the optical axis.
PCT/EP2024/066484 2023-06-15 2024-06-13 Wide-aperture optical systems for wide-angle detection Pending WO2024256603A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR2306138A FR3149995B1 (en) 2023-06-15 2023-06-15 Large aperture optical systems for wide-field detection
FRFR2306138 2023-06-15

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2024256603A1 true WO2024256603A1 (en) 2024-12-19

Family

ID=89427202

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2024/066484 Pending WO2024256603A1 (en) 2023-06-15 2024-06-13 Wide-aperture optical systems for wide-angle detection

Country Status (2)

Country Link
FR (1) FR3149995B1 (en)
WO (1) WO2024256603A1 (en)

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4542954A (en) * 1983-11-10 1985-09-24 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Wide angle lens for the infrared dedicatory clause
JP2011253006A (en) * 2010-06-01 2011-12-15 Fujifilm Corp Infrared imaging lens and imaging apparatus
CN104297899A (en) * 2013-11-29 2015-01-21 中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所 Large-view-field passive athermalization shortwave infrared optical system
US20150109456A1 (en) 2012-01-23 2015-04-23 Flir Systems, Inc. Tir imaging lens, image capturing system having the same, and associated methods
US20150206909A1 (en) 2012-09-05 2015-07-23 Nalux Co., Ltd. Infrared imaging system
JP2015132710A (en) * 2014-01-14 2015-07-23 コニカミノルタ株式会社 Far-infrared lens, image capturing lens system, and camera system
US20190170973A1 (en) 2012-01-23 2019-06-06 Flir Systems Trading Belgium Bvba Lwir imaging lens, image capturing system having the same, and associated method
US20200116979A1 (en) 2017-06-14 2020-04-16 Flir Commercial Systems, Inc. Lens systems and methods of manufacture
CN112869713A (en) * 2021-01-26 2021-06-01 佛山科学技术学院 Large-view-field infrared thermal imaging optical system and application thereof

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4542954A (en) * 1983-11-10 1985-09-24 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Wide angle lens for the infrared dedicatory clause
JP2011253006A (en) * 2010-06-01 2011-12-15 Fujifilm Corp Infrared imaging lens and imaging apparatus
US20150109456A1 (en) 2012-01-23 2015-04-23 Flir Systems, Inc. Tir imaging lens, image capturing system having the same, and associated methods
US20190170973A1 (en) 2012-01-23 2019-06-06 Flir Systems Trading Belgium Bvba Lwir imaging lens, image capturing system having the same, and associated method
US20150206909A1 (en) 2012-09-05 2015-07-23 Nalux Co., Ltd. Infrared imaging system
CN104297899A (en) * 2013-11-29 2015-01-21 中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所 Large-view-field passive athermalization shortwave infrared optical system
JP2015132710A (en) * 2014-01-14 2015-07-23 コニカミノルタ株式会社 Far-infrared lens, image capturing lens system, and camera system
US20200116979A1 (en) 2017-06-14 2020-04-16 Flir Commercial Systems, Inc. Lens systems and methods of manufacture
CN112869713A (en) * 2021-01-26 2021-06-01 佛山科学技术学院 Large-view-field infrared thermal imaging optical system and application thereof

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
FLORENCE DE LA BARRIÈRE ET AL.: "Fabrication of concave and convexpotassium bromide lens arrays by compression molding", APPLIED OPTICS, vol. 51, no. 21, 20 July 2012 (2012-07-20), XP001576902, DOI: 10.1364/AO.51.004936
JOSÉ SASIÀN: "Field curvature aberration", PROC. SPIE 9293, INTERNATIONAL OPTICAL DESIGN CONFERENCE, 17 December 2014 (2014-12-17), pages 929322, XP060044764, Retrieved from the Internet <URL:https://doi.org/10.1117/12.2075938> DOI: 10.1117/12.2075938

Also Published As

Publication number Publication date
FR3149995B1 (en) 2025-05-09
FR3149995A1 (en) 2024-12-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2697677B1 (en) Imaging system comprising a fresnel lens
FR2741725A1 (en) LENS SYSTEM FOR VISIBLE AND INFRARED, AND METHOD FOR DETECTING VISIBLE AND INFRARED IMAGES
EP3673648A1 (en) Focus plane equalizer apparatus with prismatic focus corrector
EP3336595B1 (en) Compact telescope having a plurality of focal distances compensated by a deformable mirror
EP3336594B1 (en) Compact telescope having a plurality of focal distances compensated by non-spherical optical components
FR2477727A1 (en) SYSTEM FOR EYEWEAR OBJECTIVES
FR2936878A1 (en) INFRARED IMAGING SYSTEM WITH A DARK CHAMBER INTEGRATING A LENS
EP3237860B1 (en) Wide-field infrared imaging system
FR2484657A1 (en) &#34;ZOOM&#34; AFOCAL SCREEN
FR2491635A1 (en) AFOCAL TELESCOPES WITH REFRACTION
FR2681439A1 (en) VARIABLE FOCAL LENS SYSTEM
EP3084507B1 (en) Optical imaging module having a hyper-hemispherical field and controlled distortion and compatible with an outside environment
WO2024256603A1 (en) Wide-aperture optical systems for wide-angle detection
BE898150A (en) Infrared radiation detection system.
EP3339932A1 (en) Optical zoom with mobile pupil
FR2885703A1 (en) UNIT OPTICAL ELEMENT
EP3899458B1 (en) Instrument with a plurality of optical channels
EP1231497A2 (en) Astronomical telescope
EP1131951B1 (en) Optical adapter for mounting camera lenses on a video camera
FR2897165A1 (en) WIDE ANGLE OPTICS IN THE INFRARED SPECTRUM
FR2930049A1 (en) Lens for use in infrared radiation field, has optical group with athermalisation lens whose index variation according to temperature is negative and whose optical power sign is identical to determined sign
FR3032039A1 (en) ATHERMALIZED ANAMORPHOSER OPTIC SYSTEM
FR2895525A1 (en) ADDITIONAL OPTICAL FOR INFRARED SPECTRAL RANGE
FR3155317A1 (en) Two-lens Cassegrain-type catadioptric optical system
WO2024089367A1 (en) Schmidt telescope with improved performance, associated detecting devices and method

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 24732991

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1