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Systèmes de vision nocturne à intensification de lumière.
La présente invention concerne des systèmes de vision nocturne à intensification de lumière.
Elle a trait, en particulier, à des systèmes de vision nocturne à intensification de lumière d'un type propre à être monté sur un équipement de tête afin de fournir à un porteur de cet équipement une vue intensifiée d'une scène située en avant, superposée à
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la vue directe de cette scène par le porteur et en . coincidence avec celle-ci.
Un système connu de ce genre comprend un oculaire propre à intercepter une ligne de visée vers l'avant d'un observateur utilisant le système, et un sous-système optique comprenant un objectif de vision vers l'avant fixé par rapport à l'oculaire et présentant un axe optique décalé par rapport à la ligne de visée vers l'avant, et un dispositif intensificateur d'image disposé optiquement entre l'objectif et l'oculaire de telle façon que des rayons lumineux d'une image réelle intensifiée d'une scène située en avant de l'observateur, vue par l'objectif, soient dirigés dans l'oculaire via une surface d'entrée de celui-ci qui est tournée vers le haut par rapport à la ligne de visée vers l'avant, de manière à fournir à l'observateur une vue de l'image intensifiée qui soit superposée à la vue directe par l'observateur de la scène située en avant,
à travers l'oculaire, et en coîncidence avec celle-ci.
Un tel système de vision nocturne à intensification de lumière sera qualifié ci-après de système de vision nocturne à intensification de lumière du type spécifié.
Il va de soi qu'un système Je vision nocturne du type spécifié ne donne à l'observateur qu'une vue
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monoculaire de la scène distante, mais que deux systèmes de ce genre peuvent être utilisés, un pour chaque oeil de l'observateur, pour obtenir une vue binoculaire. De plus, ces deux systèmes peuvent, au moins en partie, partager un sous-système optique commun de sorte que l'observateur ne dispose que d'une vue binoculaire.
Les systèmes de vision nocturne à intensification de lumière connus qui sont supportés sur un équipement de tête, possèdent certains inconvénients qui leur sont propres lorsqu'ils sont utilisés dans des milieux tels que le cockpit d'un avion à hautes performances. Le centre de gravité du système de vision nocturne est inévitablement situé en un endroit décalé vers l'avant de la position de l'articulation du cou du porteur de l'équipement. Le poids du système de vision nocturne est généralement de l'ordre de 1 kg et, jusqu'à présent, le bras de levier par rapport à la position de l'articulation du cou était voisin de 13 cm. Dans des conditions statiques, l'utilisateur doit, par conséquent, exercer un couple compensateur d'environ 1,3 Newton par mètre.
Dans des conditions de manoeuvre engendrant une force de gravité élevée, toute masse non équilibrée même très petite peut constituer un danger pour le porteur.
L'invention a pour but de procurer un système de vision nocturne à intensification de lumière du type spécifié dans lequel ces inconvénients soient atténués.
Suivant l'invention, dans un système de vision nocturne du type spécifié, le sous-système optique est agencé de façon que le dispositif intensificateur d'image soit dirigé vers le bas par rapport à la ligne de visée vers l'avant.
L'objectif est de préférence positionné de manière à être étroitement adjacent à un côté du visage
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de l'observateur lors de l'utilisation du système, en l'arrière de l'oculaire par rapport à la ligne de visée vers l'avant, et le dispositif intensificateur d'image est de préférence positionné de manière analogue. Dans un agencement particulier, l'objectif et l'intensificateur d'image constituant deux éléments sont positionnés de telle façon que, lorsque le système de vision nocturne est monté sur un équipement de tête en vue d'être utilisé par un observateur portant cet équipement, l'un et/ou l'autre des deux éléments occupent une position en substance alignée dans la direction avant-arrière de l'équipement de tête avec une partie latérale de cet équipement.
Le sous-système optique comprend normalement un dispositif de rotation d'image entre le dispositif intensificateur d'image et l'oculaire pour fournir à l'observateur une vue de l'image intensifiée orientée de manière correcte par rapport à la scène distante. Le dispositif de rotation comprend avantageusement un adaptateur optique en fibres raccordé optiquement par une extrémité à une face de sortie du dispositif intensificateur d'image.
Dans un agencement particulier conforme à l'invention, le sous-système optique comprend, en outre : un premier dispositif réflecteur de lumière positionné de manière à diriger la lumière reçue de la scène située en avant par l'intermédiaire de l'obJectif, vers le haut, sur une face d'entrée du dispositif intensificateur d'image, un montage de lentilles relais, un deuxième dispositif réflecteur de lumière positionné entre le dispositif intensificateur d'image et le montage de lentilles relais de manière à diriger la lumière reçue du dispositif intensificateur d'image vers l'avant, vers le bas et vers l'intérieur à travers le montage de lentilles relais,
un troisième
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dispositif réflecteur de lumière placé de manière à rediriger en substance horizontalement vers l'intérieur la lumière dirigée à travers le montage de lentilles relais par le deuxième dispositif réflecteur, et un quatrième dispositif réflecteur de lumière placé de manière à rediriger la lumière redirigée par le troisième dispositif réflecteur vers le bas sur la surface d'entrée de l'oculaire.
Dans un agencement de ce type, le deuxième dispositif réflecteur possède des propriétés de transmission et de réflexion de la lumière et le système comprend, en outre, un dispositif de visualisation destiné à diriger de la lumière représentant une visualisation par l'intermédiaire du deuxième dispositif réflecteur à travers le montage de lentilles relais, et ensuite, après réflexion par le troisième et le quatrième dispositif réflecteur, dans l'oculaire pour qu'elle soit vue par l'observateur d'une manière correspondant à l'image intensifiée.
L'invention procure également un système de vision nocturne à intensification de lumière comprenant deux systèmes proprement dits de ce genre, un pour chaque oeil de l'ooservateur.
Dans un système de vision nocturne à intensification de lumière conforme à l'invention, le ou les oculaires sont chacun de préférence du type comprenant un corps en matière réfringente comportant : une surface d'entrée supérieure en substance plane par laquelle les rayons pénètrent dans l'oculaire, des surfaces en substance planes antérieure et postérieure reliées par la surface d'entrée, et une surface interne, entre les surfaces antérieure et postérieure, qui est courbée de façon concave en direction de la surface postérieure et qui possède des propriétés de réflexion et de transmission de la lumière, les sur-
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faces d'entrée, antérieure, postérieure et interne, étant angulairement disposées les unes par rapport aux autres de telle façon que les rayons provenant de l'image réelle intensifiée,
après avoir pénétré dans le corps, soient réfléchis intérieurement vers l'avant vers la surface interne, soient réfléchis par la surface interne vers l'arrière vers la surface postérieure et soient finalement transmis à travers la surface postérieure vers une position nominale pour l'oeil de l'observateur.
Un tel oculaire est appelé ci-après oculaire du type spécifié.
Des systèmes de vision nocturne à intensification de lumière comprenant des oculaires du type spécifié sont décrits dans les brevets anglais GB-A- 2 108 702 et GB-A-2 144 558.
Dans le brevet GB-A-2 108 702, l'oculaire est en deux parties ; la surface interne a la forme d'un revêtement présentant des propriétés appropriées de transmission et de réflexion de la lumière au niveau d'une surface courbe formée par des surfaces convexe et concave complémentaires des deux parties. Dans un tel oculaire, les rayons qui pénètrent dans le corps réfringent au niveau de la surface supérieure subissent une réflexion interne totale au niveau de la surface postérieure.
Dans le orevet GB-A-2 144 558, l'oculaire est en trois parties, deux surfaces internes étant prévues dont l'une est la surface concave en direction de la surface postérieure et dont l'autre est une surface en suostance plane entre la surface interne concave et la surface postérieure. Avec cet oculaire, les rayons lumineux qui pénètrent dans le corps, au niveau de la surface supérieure, subissent une réflexion interne totale au niveau de l'autre surface interne vers la
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surface concave et sont ensuite réfléchis vers l'arrière en vue d'être transmis à travers l'autre surface interne et ensuite la surface postérieure vers l'oeil de l'observateur.
Les oculaires des systèmes de vision nocturne à intensification de lumière des brevets GB-A-2 108 702 et GB-A-2 144 558 sont fonctionnellement semblables, mais l'oculaire du brevet GB-A-2 144 558 peut être rendu sensiblement plus compact que celui du brevet GBA-2 108 702, ce dernier oculaire présentant, au moins dans le contexte des équipements de tête, un angle d'inclinaison substantiel de ses surfaces antérieure et postérieure, dû à sa construction en deux parties. Dans l'oculaire du brevet GB-A-2 144 558, un angle d'inclinaison nettement plus petit des surfdces antérieure et postérieure peut être réalisé et l'oculaire peut être rapproché de l'oeil.
Cela étant, un champ d'ooservation plus large peut ainsi être obtenu, sans modifier les dimensions générales dans les oculaires ; ou (et ceci peut être plus important) un oculaire plus petit peut être utilisé pour obtenir un champ d'observation équivalant à celui pouvant être obtenu avec un oculaire sensiblement plus grand de la construction en deux parties du brevet GB-A-2 108 702.
Un oculaire du type décrit dans le brevet GBA-2 144 558 est donc en général préféré pour un système conforme à l'invention.
On comprendra que, bien que les diverses surfaces d'un oculaire du type spécifié soient quali- fiées de surfaces en substance planes, il peut être commode ou avantageux de donner à ces surfaces ou à l'une quelconque d'entre elles un certain degré de courbure afin d'atténuer des défauts optiques nécessairement présents dans ce système. De l'astigmatisme, en particulier, doit être présent ; la nature desaxée du
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système dans lequel l'oculaire est utilisé rend ceci inévitable.
Cela étant, dans le présent mémoire, des références à des surfaces planes doivent être interprétées en tenant compte de ce qui précède, étant entendu qu'il est préférable et non essentiel que ces surfaces soient autres que planes, car des éléments optiques correcteurs pourraient être placés en d'autres endroits dans le système optique.
L'effet combiné des divers éléments utilisés dans un système de vision nocturne conforme à l'invention est tel que le système est d'un poids minimum et détermine un bras de levier minimum autour de la position de l'articulation du cou.
Un système de vision nocturne à intensi- ficateur de lumière conforme à l'invention à utiliser par le pilote d'un avion à hautes performances, monté sur le casque du pilote sera décrit ci-après, à titre d'exemple, avec référence aux dessins annexés, dans lesquels : la Fig. 1 est une vue de côté du système ; la Fig. 2 est une demi-vue de face du système ; la Fig. 3 est une demi-vue en plan du système ; la Fig. 4 est un schéma illustrant l'agencement optique du système, et la Fig. 5 est un schéma illustrant une variante d'une partie du système.
Comme le montrent les dessins, le système est monté sur un casque 11 et est un système de vision nocturne binoculaire comprenant deux systèmes de vision nocturne proprement dits 13a, 13b, un pour chaque oeil d'un porteur du casque Il.
Les systèmes de vision nocturne à intensi- ficateurs de lumière 13a, 13b sont montés chacun séparément sur le casque il, à raison d'un de chaque côté du casque, en vue de pivoter autour d'axes verti-
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caux respectifs Y-Y entre des positions active et inactive, comme décrit plus en détail ci-après. A cet effet, chaque système 13a ou 13b est monté entre des blocs-paliers supérieur et inférieur 12 fixés au casque 11 en des endroits tels qu'une partie verticale du système comprise entre les blocs 12 soit située dans l'épaisseur du casque 11, c'est-à-dire entre la surface extérieure d'une partie latérale du casque et le côté adJacent de la tête 14 du porteur du casque, comme le montre clairement la Fig. 2.
Chacun des systèmes 13a, 13b comprend un oculaire 15 qui est placé devant un oeil respectif E du porteur du casque, lorsque le système se trouve dans la position active, et un sous-système optique 17.
Chacun des sous-systèmes optiques 17 comprend un objectif 19 qui, lorsqu'il se trouve dans la position active, est décalé latéralement et vers l'arrière par rapport à son oculaire associé 15 de manière à occuper une position située le long de la tempe du porteur du casque et en substance en ligne, dans les directions avant-arrière du casque 11, avec une partie latérale 21 de celui-ci, c'est-à-dire une partie du casque 11 suspendue à la partie supérieure généralement hémisphérique qui enferme la partie supérieure de la tête du porteur du casque.
Chaque sous-système optique comprend, en outre, un premier réflecteur plan 23 placé derrière l'oojectif 19 et incliné par rapport à l'axe optique de celui-ci de manière à diriger la lumière qui traverse l'obJectif 19 en provenance de la scène située en avant, vers le haut sur la face d'entrée d'un intensi- ficateur d'image 25 dirigé vers le bas, dont l'axe coïncide en substance avec l'axe Y-Y. La face de sortie de l'intensificateur d'image 25 est associée à un dispositif de rotation d'image ayant la forme d'un
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adaptateur optique en fibres cohérent 27 comportant une face d'extrémité en contact optique avec la face de sortie de l'intensificateur et fixée à celui-ci à l'aide d'une colle optique.
Au-dessus de la face d'extrémité supérieure libre de l'adaptateur 27, qui est parallèle à son autre face d'extrémité inférieure, se trouve un second réflecteur plan 29 incliné par rapport à l'axe de l'intensificateur d'image 25 de manière à diriger la lumière incidente en provenance de l'adaptateur 27 vers l'avant et légèrement vers l'intérieur et vers le bas de manière à la faire passer par l'intermédiaire d'un montage de lentilles relais 31 sur un troisième réflecteur plan 33.
Le troisième réflecteur 33 est positionné et incliné par rapport au montage de lentilles relais 31 de manière à diriger la lumière provenant du montage de lentilles relais 31, horizontalement et vers l'intérieur sur un quatrième réflecteur plan 35 qui, à son tour, est incliné et positionné de manière à diriger la lumière reçue du réflecteur 33 vers le bas et légèrement vers l'arrière de telle sorte qu'elle pénètre dans l'oculaire 15 par une surface d'entrée supérieure 37.
Chaque oculaire 15 est en matière réfringente, de préférence une matière plastique transparente, et comprend une surface interne 39 possédant des propriétés de transmission et de réflexion de la lumière.
La surface 39 est située à l'interface entre deux parties A et B de l'oculaire 15. La partie A comporte une surface supérieure optiquement plane qui constitue la surface d'entrée 37 de l'oculaire 15, une surface postérieure optlquernent plane 41 et une surface antérieure courbée de façon concave vers la surface postérieure 41, cette surface antérieure étant collée à une surface postérieure complémentaire de la partie B pour former la surface 39. La partie B comporte une surface
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antérieure optiquement plane 43 qui constitue une seconde face d'entrée de l'oculaire 15. L'oculaire l5 est achevé par une troisième partie cunéiforme C comportant une surface principale antérieure 45 parallèlement espacée de la surface 41 et une face principale postérieure 47 parallèle à la surface 43.
Les propriétés optiques requises au niveau de la surface 39 sont avantaneusement conférées par un revêtement de miroir semi-argenté ou un revêtement holographique.
Les divers éléments optiques de chaque soussystème optique 17 et l'oculaire 15 associé sont logés dans un boîtier protecteur 49 et supportés par celui-ci (voir Fig. 1, 2 et 3).
Pendant le fonctionnement du système de vision nocturne binoculaire, des rayons provenant d'une scène distante vers l'avant, représentés par la lettre F, sont reçus au niveau de l'objectif 19 de chacun des systèmes de vision nocturne constitutifs 13a et 13b et sont focalisés, sous la forme d'une image de la scène, sur un plan image coïncidant avec la face d'entrée de l'intensificateur d'image 25 par réflexion sur le premier réflecteur 23.
Une représentation intensifiée de cette image est développée au niveau de la face de sortie de l'intensificateur 25 et est transmise par l'adaptateur optique en fibres cohérent 27.
Les réflecteurs 29,33 et 35 et le montage de lentilles relais 31 servent à produire, sur un plan 0, une image réelle de l'image apparaissant sur la face d'extrémité supérieure de l'adaptateur optique en fibres 27.
Le plan image as coïncide avec le plan focal de la surface concave 39 dans l'oculaire 15. Des rayons provenant du plan image 01 pénètrent dans l'oculaire 15
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par la surface 37 et subissent une réflexion interne totale sur la surface 41 de l'oculaire en direction de la surface courbe 39. Les rayons frappant la surface 39 en provenance de la surface 41 sont réfléchis vers l'arrière en vue d'être transmis à travers la surface 41, puis à travers la partie postérieure C de l'oculaire 15 vers l'oeil E du porteur du casque.
Etant donné qu'en ce qui concerne l'oculaire 15, Les rayons proviennent du plan focal principal de cet oculaire 15, c'est-à-dire de la surface 39, une image collimatée virtuelle intensifiée de la scène située en avant vue à travers l'objectif 19 est observée par l'oeil E.
L'adaptateur optique en fibres 27 est d'une construction tordue, l'angle de torsion étant tel que l'effet optique combiné du sous-système optique 17 et de l'oculaire 15 sur des rayons provenant de la scène distante vers l'avant F soit tel qu'une représentation intensifiée virtuelle de la scène distante, présentant l'orientation correcte, soit vue par l'oeil E. De plus, grâce à la relation parallèle des surfaces antérieure et postérieure d'ensemble 43 et 47 de l'oculaire, l'image intensifiée virtuelle aperçue par l'oeil E coïncide avec la vue, à partir de la position de l'oeil E, de la scène distante vers l'avant directement à travers l'oculaire 15, fournie par des rayons lumineux de la scène traversant l'oculaire 15 par l'intermédiaire des surfaces 43,39, 41,45 et 47, successivement.
En pratique, la rotation d'image requise dans l'adaptateur 27 est de l'ordre de 90 , l'angle précis étant déterminé par la configuration détaillée.
Le système peut, en outre, comprendre un dispositif de visualisation destiné à présenter, aux yeux E du porteur du casque, d'autres données optiques
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superposées sur les vues directes et intensifiées de la scène distante.
A cet effet, comme le montre la Fig. 4, dans chacun des systèmes de vision nocturne 13a et 13b, le deuxième réflecteur plan 29 est réalisé de manière à servir de diviseur de faisceau et un dispositif de visualisation supporté par le casque 11 produit une image visualisée claire dans un plan 02, dont la position par rapport au montage de lentilles relais 31 correspond à celle de l'extrémité de sortie de l'adaptateur optique en fibres 27. Par conséquent, la lumière provenant de l'image visualisée claire précitée transmise par le réflecteur 29 associé est focalisée par la lentille relais au plan as de l'image réelle afin d'être vue par l'oeil E à travers l'oculaire 15.
Le dispositif de visualisation comprend un tube à rayons cathodiques 51, une lentille relais 53, un diviseur de faisceau cubolde 55 composé de quatre
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sormnell-s, les faces prismes droits 57 opposés par les sommets, les faces opposées des prismes étant collées l'une à l'autre par une colle optique et un revêtement semi-réfléchissant étant appliqué chaque fois sur une de ces faces opposées. Deux faisceaux optiques de fibres cohérents 59a, 59b, respectivement, comportent des faces d'extrémité placées chacune près de deux côtés parallèles opposés 61a, 61b du diviseur de faisceau 55 dans des plans coïncidant respectivement avec des plans d'image réelle de la lentille relais 53 par rapport au plan d'objet défini par l'écran 63 du tuoe à rayons cathodiques 51.
Les plans des extrémités des faisceaux optiques de fibres 59a, 59b éloignés du diviseur de faisceau cubolde 55 coïncident avec les plans 02.
Etant donné que les rayons doivent traverser deux revêtements optiques pour produire, dans les oculaires 15, des images virtuelles de même luminosité
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de l'image visualisée claire du tube à rayons cathodiques, les revêtements optiques sur les faces internes du diviseur de faisceau 55 ont un pouvoir de réflexion de 70% et un pouvoir de transmission de 30%.
Dans une variante de dispositif de visualisation, deux réflecteurs plans 65 et 67 inclinés à angle droit l'un par rapport à l'autre peuvent être utilisés en lieu et place du diviseur de faisceau cuboïde 55, comme le montre la Fig. 5, un réflecteur 65 étant semi-argenté, c'est-à-dire 50% réflecteur, 50 transmetteur, et l'autre réflecteur 67 étant un réflecteur total.
Dans une autre variante de dispositif de visualisation (non représenté), deux tubes à rayons cathodiques, qui dirigent chacun de la lumière sur l'extrémité d'un faisceau optique de fibres 51ja, 51b respectif, peuvent être utilisés. A cet effet, les extrémités des faisceaux 51a et 51b sont, de préférence, directement en contact avec les écrans des tubes à rayons cathodiques.
Les deux systèmes de vision nocturne 13a, 13b sont montés sur charnière sur le casque Il et peuvent pivoter vers l'extérieur autour des axes de pivotement Y-Y vers une position de repos indiquée par la ligne en traits interrompus 1 de la Fig. 3 afin de faciliter la mise et l'enlèvement du casque. Le mouvement de pivotement des deux systèmes 13a, 13b est provoqué par une traction vers l'avant ou une poussée vers l'arrière exercée sur un organe d'accouplement 69 qui s'étend entre les deux systèmes 13a, 13b près de la partie frontale supérieure du casque 11. En variante, un mécanisme à came et suiveur (non représenté) peut être prévu et provoque le pivotement des systèmes 13a, 13b lorsqu'une visière (non représentée), fixée au casque, est relevée et abaissée.
Ces systèmes font l'ooze de
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la demande de brevet anglais n 87 06 943.
La configuration d'un système de vision nocture binoculaire conforme à l'invention, en particulier en ce qui concerne la particularité de l'orientation vers le bas du ou de chaque intensificateur d'image et de la position résultante du ou de chaque objectif, lors de l'utilisation d'un ou de plusieurs oculaires du type en trois parties décrit plus haut, offre la possibilité d'atteindre une position optimale du centre de gravité par rapport à la position de l'articulation du cou d'un utilisateur du système. De plus, le poids du système est faible par comparaison avec celui des systèmes connus offrant un champ d'observation angulaire semblable.
Bien entendu, alors que le système décrit à titre d'exemple est un système de vision nocturne à intensification d'image binoculaire, d'autres systèmes conformes à l'invention peuvent comprendre un système de vision nocture binoculaire ou un système de vision nocture monoculaire laissant à l'autre oeil de l'utilisateur une vue ininterrompue de la scène distante vers l'avant. De même, un dispositif de visualisation pour des données optiques ne doit pas être incorporé dans un système de vision nocturne à intensification de lumière conforme à l'invention.