Avantages de l'utilisation des lentilles ménisques

Comparées à de nombreuses autres formes de lentilles optiques, les lentilles à lune courbées sont rarement proposées comme produits finis. Les lentilles à lune courbée sont principalement utilisées pour focaliser de petits points ou pour des applications de collimation, tandis que les lentilles plan-convexe offrent généralement un rapport prix/performance supérieur. Cependant, il existe certains cas où une lentille à lune courbée offre des performances nettement supérieures à un prix légèrement plus élevé.

En raison de la nature sphérique de la lentille, les aberrations sphériques font que les rayons parallèles à l'axe optique, à différentes distances, n'intersectent pas au même point (Figure 1). Bien que plusieurs lentilles puissent être utilisées pour corriger l'aberration sphérique, pour de nombreux systèmes infrarouges où le coût des matériaux est beaucoup plus élevé que pour les matériaux visibles, il est souhaitable de minimiser le nombre de lentilles. Au lieu d'utiliser plusieurs lentilles, l'aberration sphérique d'une seule lentille peut être minimisée en façonnant la lentille à la forme optimale.

Fig. 1 : Aberration sphérique

Pour un indice de réfraction et une épaisseur de lentille fixes, il existe une infinité de combinaisons de rayons, qui peuvent être utilisées pour créer des lentilles d'une longueur focale spécifique. Ces combinaisons de rayons produisent différentes formes de lentilles, qui entraînent directement des aberrations sphériques et des aberrations de coma dues à la courbure de la lumière lorsqu'elle traverse la lentille.

La forme de la lentille peut être décrite par le facteur de forme de Coddington C (Équation 1 et Figure 2).

En utilisant l'équation d'aberration des lentilles minces (avec l'objet à l'infini et la position du diaphragme de la lentille), nous pouvons dériver les conditions qui produisent l'aberration sphérique minimale (Équation 2).

En supposant qu'une longueur d'onde constante puisse être maintenue, la relation entre l'exposant et le facteur de forme qui produit l'aberration sphérique minimale peut être visualisée (Fig. 3).

Lorsque l'on travaille dans l'environnement visible, l'indice de réfraction du verre est généralement compris entre 1,5 et 1,7 et la forme de l'aberration sphérique minimale est presque plan-convexe. Cependant, dans l'environnement infrarouge, des matériaux à indice de réfraction plus élevé comme le germanium sont souvent utilisés. Le germanium, avec une spécification de 4,0, offre le grand avantage d'une conception de lentille en croissant (bent-moon) en réduisant considérablement l'aberration sphérique.

L'aberration sphérique minimale se produit lorsque la lumière se réfracte uniformément aux deux interfaces. Alors que la première surface d'une lentille en croissant en germanium réfractera la lumière légèrement plus qu'une lentille PCX similaire, la seconde surface d'une lentille PCX provoquera une réfraction de la lumière encore plus importante, entraînant une augmentation globale de l'aberration sphérique.

Comme le montre la figure 4, qui compare les performances d'une lentille PCX en germanium de 25 x 25 mm à celles d'une lentille de flexion lunaire en germanium de 25 x 25 mm, il est facile de constater comment la lentille PCX dévie la lumière plus significativement par rapport à la surface de la lentille qu'une lentille de flexion lunaire. L'augmentation de la courbure entraîne une augmentation de l'aberration sphérique. La lentille lunaire courbée en germanium présente une diminution spectaculaire de la taille du point, la rendant plus adaptée aux applications infrarouges exigeantes.

Tableau 1 : Comparaison des tailles de points entre les lentilles lunaires plan-convexe et courbées pour les applications visibles et infrarouges

Bien que les lentilles à lune courbée ne procurent pas d'avantages dans toutes les applications, elles peuvent offrir des avantages significatifs en termes de coût et de performance pour de nombreuses applications infrarouges, y compris la spectroscopie et l'imagerie thermique.