Réflecteur autocollimateur, applicable en particulier pour la signalisation optique et la publicité nocturne. Comme on le sait, les réflecteurs auto- collimateurs jouissent de la propriété de réflé chir la lumière qui subit leur action, dans la direction même d'incidence, et cela quelle que soit cette direction comprise dans un certain champ, l'appareil restant orienté dans nue direction fixe.
Un réflecteur autocollimateur théorique ment parfait est constitué par le miroir triple d'Airy, lequel est constitué par la réunion dans un même support de trois miroirs plans disposés de manière à former un trièdre tri rectangle. Tout rayon lumineux qui se réflé chit successivement sur chacune des faces du trièdre subit, du fait des trois réflexions, un cbangement de direction qui le renvoie dans sa direction d'origine.
Le miroir triple présente toutefois un inconvénient fondamental du fait que le réglage de la perpendicularité des faces est très délicat et qu'il -doit être refait fréque- ment, surtout lorsque l'appareil n'est pas ins tallé à poste fixe. Cet inconvénient a été éli miné en constituant les surfaces réfléchissantes par trois des faces d'un tétraèdre trirectangle taillé dans un bloc de verre. Mais l'appareil ainsi réalisé est d'une construction difficile, coûte fort cher et est relativement très pesant. De plus la divergence du faisceau émergent, ou des faisceaux quand l'appareil est déréglé, est toujours très faible et l'appareil inutili sable pour la plupart des applications pra tiques envisagées.
Un autre appareil connu depuis longtemps est la, mire autocollimatrice de Fizeau. Cette mire consiste dans l'assemblage d'un objectif astronomique et d'un miroir plan placé au foyer de l'objectif, perpendiculairement à l'axe optique de ce dernier. Si l'appareil est éclairé par un faisceau de rayons lumineux provenant d'une source située au loin en avant de l'objectif, celui-ci en donne une image dans son plan focal; c'est-à-dire à la surface du miroir. Le miroir renvoie les rayons lumi neux. vers l'avant, et ceux-ci, après avoir traversé à nouveau l'objectif, retournent rigou reusement vers la source, même si le miroir n'est pas absolument perpendiculaire à l'axe optique.
La mire auto collimatrice, telle que l'a conque Fizeau n'est pas utilisable pour la signalisation optique à cause de son encom brement, d'une part, et à cause de la peti tesse de son champ d'utilisation, d'autre part. L'objet de l'invention est un réflecteur auto- collimateur applicable en particulier pour la signalisation optique et la publicité nocturne, se distinguant par la combinaison d'un système optique formant objectif avec un système op tique catadioptrique à surface réfléchissante cintrée disposée pour réfléchir les rayons lumi neux qui arrive sur elle par ledit système optique-objectif.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, plusieurs formes d'exécution de l'objet de l'invention qu'on décrira les unes après les autres.
La fig. i montre, comme première forme d'exécution, un réflecteur autocollimateur sys tème Fizeau établi suivant l'invention, pour le rendre applicable à la signalisation optique.
Le système optique formant objectif est constitué ici par un objectif b du type astro nomique ordinaire, à deux lentilles collées ensemble, mais dont la longueur focale est aussi réduite que possible.
Dans le cas de l'application à la signali sation optique secrète, oh la divergence doit être réduite au minimum, l'objectif devra être bien corrigé de l'aberration sphérique, pour l'utilisation sur l'axe, et de la coma, pour per mettre son utilisation hors de l'axe. D'autre part, les deux lentilles qui composent cet objectif devront être liées ensemble de façon à réduire les pertes de lumière par réflexion.
Or, on sait que l'on peut effectivement rem plir les deux conditions optiques requises avec un objectif à deux verres collés, tout en con servant l'achromatisme du système, à condi tion de choisir convenablement les pouvoirs dispersifs des verres.' D'ailleurs, vu l'action sélective de l'atmo sphère au travers de laquelle la lumière bleue et violette est rapidement absorbée, il n'est pas nécessaire de satisfaire rigoureusement à la condition d'achromatisme; on peut, pra tiquement, en employant les verres courants du commerce, obtenir un objectif corrigé de l'aberration sphérique et de la coma pour les radiations jaunes du spectre et suffisamment achromatique pour l'usage auquel il est destiné.
Le miroir de Fi .eau est constitué ici par un miroir concave a. d'un rayon de courbure égal à la longueur focale de l'objectif. Dans ces conditions, la totalité du corse incident sera réfléchie à travers l'objectif. De plus, le miroir sera formé par une lentille, en forme de ménisque divergent, métallisé sur sa face bombée, de façon à y présenter la surface réfléchissante, la face creuse étant tournée vers l'objectif b. La face bombée aura un rayon de courbure égal à la longueur focale de tout le système et son sommet sera amené en coïncidence avec<B>le</B> foyer de l'ensemble.
Le rayon de courbure de la face concave sera déterminé par la condition de donner à la courbure de la surface-image la même va leur qu'à la surface réfléchissante.
Au lieu du dispositif catadioptrique qui vient d'être décrit, on peut employer quelque fois avec avantage un dispositif purement catoptrique, dans lequel le rôle de l'objectif est joué par un miroir b, de dimensions con venables. L'appareil présente alors la dispo sition représentée sur la fig. ?. Pour que la divergence soit réduite au minimum, le mi roir b devra être exempt d'aberration sphé rique (miroir parabolique ou miroir Mangin, par exemple).
Le diamètre du miroir a est déterminé par le champ d'utilisation à donner à la mire; il sera choisi le plus petit possible, de ma nière à ne pas obturer une trop grande frac tion de la lumière incidente. Il arrivera d'ail leurs très souvent que le champ des positions que peut occuper la source c est plus étendu angulairement, dans un sens (horizontal) que dans l'autre (vertical). On profitera de cette circonstance pour réduire les dimensions du miroir a à ce qui est strictement nécessaire pour couvrir toute l'étendue du champ de l'image c'. L'est ainsi que le contour des mi roirs a, au lieu d'être circulaire, pourra être rectangulaire.
Dans- certains cas, ils pourront même être constitués par de simples lames cylindriques réfléchissantes.
Chaque fois qu'il ne s'agit pas de signa lisation à très grande distance, il est néces saire d'introduire systématiquement dans le faisceau lumineux réfléchi une certaine diver gence, de manière à rendre les signes facile ment visibles à des observateurs placés un peu sur le côté de la source. Comme la lumi nosité du signal sera d'autant moindre que la divergence introduite sera plus grande, cette divergence sera fixée pour chaque appli cation particulière.
Quand on emploie le trièdre d'Airy, la divergence sera obtenue soit en laissant une imperfection volontaire dans la planéité des faces, soit en plaçant une lentille faiblement divergente ou convergente devant chaque élé ment, soit encore quand le trièdre est cons titué par trois des faces d'un tétraèdre en donnant à la quatrième face une forme légère ment convexe ou concave, ou même simplement irrégulière, telle qu'on l'obtient directement par moulage.
Quand on emploie l'élément autocollimateur dérivé de la mire de Fizeau, la divergence s'obtient en plaçant le miroir systématiquement en avant ou en arrière de la surface focale du système objectif, d'une quantité facile à déterminer par le calcul ou empiriquement.
On peut encore obtenir une divergence faible en laissant subsister des aberrations optiques, notamment de l'aberration sphérique, dans les éléments autocollimateurs, ce qui présente, en outre, l'avantage de réduire con sidérablement leur prix de revient.
Comme exemple d'éléments autocollimateurs dans lesquels l'aberration sphérique n'est pas spécialement corrigée, l'on peut indiquer: 1 Les éléments catoptriques précédem ment décrits, mais dans lesquels les niiroirs- objectifs sont entachés d'aberration sphérique; on prendra, par exemple, de simples miroirs sphériques, dont la qualité n'aura pas besoin d'être très bonne, tels que ceux qu'on obtient par bombage (verre) ou estampage (métal).
2 Un élément catadioptrique dans lequel. l'objectif b .et le .miroir a sont constitués d'un seul tenant (fig. 3) par une lentille dont les faces terminales b et a sont des sphères concentriques en d et opposées par leurs faces utiles. Si r désigne le rayon de courbure de la surface-objectif <I>b,</I> n l'indice de réfraction de la substance dont la lentille est formée, le rayon R à donner à la face réfléchissante a sera
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Par le choix d'une substance d'indice très élevé, qui théoriquement devrait être égal à 2, mais qui pratiquement peut encore différer notablement de cette limite (verres denses au plomb, strass, etc.),
on peut rapprocher la valeur de R de celle de r et constituer l'élé ment autocollimateur par une simple bille sphérique rendue réfléchissante sur une de ses hémisphères (fig. 4).
Pour accroître la puissance lumineuse des réflecteurs autocollimateurs, on peut en aug menter les dimensions. Cette méthode pré sente toutefois des inconvénients graves, qui sont les suivants: 1 Le prix de revient, à partir d'un cer tain diamètre, augmente beaucoup plus rapide ment que la surface; 2 Le poids de l'instrument augmente comme la puissance 3/2 de la luminosité ; 3 L'absorption de la lumière dans les lentilles croît très rapidement avec l'épaisseur de celles-ci, qui est proportionnelle à leur diamètre, d'où résulte une diminution de la luminosité.
4 Enfin, dans des conditions de fonction nement optiques arrêtées d'avance, la longueur de l'instrument est proportionnelle à son diamètre.
La méthode préconisée conformément à l'invention consiste à augmenter la luminosité des réflecteurs, en constituant des surfaces réfléchissantes d'étendue et de forme quel conques, parle groupement des éléments auto- collimateurs précédemment décrits, et ayant chacun la dimension la plus économique. Dans ces conditions, le prix et le poids de l'instru ment sont proportionnels à la luminosité dé sirée, l'épaisseur de l'instrument restant cons tante.. Les éléments peuvent être réunis de façon à couvrir uniformément des surfaces plus ou moins étendues, de manière à former des écrans réfléchissants, ou encore de façon à former des lettres, des dessins ou des signes quel conques.
Pour obtenir cette juxtaposition, on peut monter les objectifs individuellement avec leur miroir au moyen d'un tube de réunion, chaque miroir étant fixé ait foyer de son objectif ; les éléments sont ensuite réunis en faisceau.
On peut encore monter tous les objectifs sur un même support et tous les miroirs sur un autre, les deux supports étant réunis par des entretoises de longueur convenable pour que les miroirs se trouvent aux foyers de leurs objectifs respectifs, condition dont on peut parachever l'accomplissement par un réglage individuel. On peut évidemment régler les distances des objectifs aux miroirs de manière à introduire de la divergence convenable dans le faisceau réfléchi.
Des surfaces . autocollimatrices catadiop- triques peuvent encore être obtenues, comme le montre la fig. 5, en fixant sur chaque face d'une lame transparente e d'épaisseur conve nable, deux lentilles plan-convexe b et a, jouant le rôle, l'une d'objectif et l'autre de miroir, cette dernière lentille étant métallisée sur sa face postérieure.
On peut procéder de même pour l'obten tion de surfaces catoptriques, en donnant aux deux lentilles des rayons de courbure conve nable et en les métallisant toutes les deux sur leurs faces courbes (fig. 6).
On pourra disposer les éléments autocolli- mateurs sur les glaces de fermeture des bou tiques, de manière à former des lettres ou des dessins quelconques. La fig. 6 représente, à titre d'exemple, des éléments catoptriques filés sur une glace de boutique e, d'épaisseur ordinaire.
Les surfaces externes des miroirs b sont recouvertes d'un vernis protecteur quelconque; celles des miroirs a tournées vers l'extérieur des boutiques, sont protégées avantageuse ment, au point de vue de la visibilité pen dant le jour, soit par une dorure, soit par un vernis transparent incolore, blanc ou de cou leur vive.
Enfin, des surfaces réfléchissantes auto- collimatrices de dimensions et de formes quel conques peuvent être encore obtenues par moulage ou gaufrage des faces des éléments autocollimateurs d'un type quelconque sur des lames de matière transparente ; verre, cellu loïd, collophane, etc.
Dans le cas du trièdre d'Airy par exemple, la divergence nécessaire pour son utilisation sera introduite, soit par l'imperfection laissée volontairement dans la planéité de l'autre face, soit en moulant sur celle-ci, au droit de chaque trièdre de la face opposée, une sur face convexe ou concave de rayon de cour bure approprié à la divergence à obtenir.
Dans le cas des éléments catadioptri- ques, les surfaces sont obtenues (fig. 7) en moulant ou en gaufrant des plaques de sub stances transparentes f; de manière à faire venir sur chacune des faces des calottes sphé riques ayant les rayons 7, <I>et</I> P indiqués pré cédemment, et opposés deux à deux. On donne à l'épaisseur entre bosses la valeur r <B><I>+</I></B> P, qui assure la concentrieité des sphères.
La surface ondulée qui constitue l'ensemble des miroirs a est rendue réfléchissante par un dépôt métallique ad hoc.
Dans le cas des éléments catoptriques, la surface qui constitue les miroirs a est métal lisée sur des petites étendues, sur l'axe des miroirs-objectifs b, ou bien toute la surface peut recevoir un dépôt métallique semi-trans- parent.
De très grandes surfaces autocollimatrices pourront être constituées par la juxtaposition de surfaces de dimensions plus petites et plus faciles à obtenir, comme on procède pour les carrelages et revêtements de toutes sortes. La fig. 8 montre une disposition de ce genre, oit sur titi plateau y, l'on a assemblé une série de systèmes objectif-miroir b-a.
Self-limiting reflector, particularly applicable for optical signage and night advertising. As we know, self-collimating reflectors have the property of reflecting the light which undergoes their action, in the same direction of incidence, and that whatever this direction included in a certain field, the apparatus remaining oriented. in a fixed direction.
A theoretically perfect self-adhesive reflector consists of the Airy triple mirror, which is formed by the union in the same support of three plane mirrors arranged so as to form a tri-rectangle trihedron. Any light ray which is reflected successively on each of the faces of the trihedron undergoes, because of the three reflections, a change of direction which returns it in its original direction.
However, the triple mirror has a fundamental drawback owing to the fact that the adjustment of the perpendicularity of the faces is very delicate and that it must be remade frequently, especially when the apparatus is not installed in a fixed position. This drawback has been eliminated by constituting the reflecting surfaces by three of the faces of a trirectangle tetrahedron cut from a block of glass. But the apparatus thus produced is of difficult construction, is very expensive and is relatively very heavy. In addition, the divergence of the emerging beam, or of the beams when the apparatus is out of adjustment, is always very low and the apparatus useless for most of the practical applications envisaged.
Another device that has been known for a long time is the Fizeau self-aligning target. This target consists of the assembly of an astronomical objective and a plane mirror placed at the focal point of the objective, perpendicular to the optical axis of the latter. If the apparatus is illuminated by a beam of light rays coming from a source situated far in front of the objective, the latter gives an image of it in its focal plane; that is, on the mirror surface. The mirror reflects light rays. forward, and these, after having crossed the objective again, return rigorously towards the source, even if the mirror is not absolutely perpendicular to the optical axis.
The self-collimating staff, such as the Fizeau conch, cannot be used for optical signaling because of its size, on the one hand, and because of its small field of use, on the other hand. go. The object of the invention is a self-collimating reflector applicable in particular for optical signaling and night advertising, distinguished by the combination of an optical system forming an objective with a catadioptric optical system with a curved reflecting surface arranged to reflect. the light rays which arrive on it by said optical-objective system.
The appended drawing represents, by way of example, several embodiments of the object of the invention which will be described one after the other.
Fig. i shows, as a first embodiment, a Fizeau system self-limiting reflector established according to the invention, to make it applicable to optical signaling.
The optical system forming an objective here consists of an objective b of the ordinary astro nomic type, with two lenses bonded together, but the focal length of which is as short as possible.
In the case of application to secret optical signaling, where the divergence should be minimized, the lens should be well corrected for spherical aberration, for on-axis use, and coma, to allow its use outside the axis. On the other hand, the two lenses that make up this objective must be linked together so as to reduce the loss of light by reflection.
Now, it is known that the two optical conditions required can effectively be fulfilled with an objective with two glued glasses, while retaining the achromatism of the system, on condition that the dispersive powers of the glasses are properly chosen. Moreover, given the selective action of the atmosphere sphere through which blue and violet light is rapidly absorbed, it is not necessary to rigorously satisfy the condition of achromatism; it is practically possible, by employing common commercial glasses, to obtain an objective corrected for spherical aberration and coma for the yellow radiations of the spectrum and sufficiently achromatic for the use for which it is intended.
The mirror of Fi .eau is constituted here by a concave mirror a. with a radius of curvature equal to the focal length of the lens. Under these conditions, all of the incident Corsica will be reflected through the lens. In addition, the mirror will be formed by a lens, in the form of a divergent meniscus, metallized on its domed face, so as to present the reflecting surface there, the hollow face being turned towards the objective b. The domed face will have a radius of curvature equal to the focal length of the whole system and its vertex will be brought into coincidence with <B> the </B> focal point of the whole.
The radius of curvature of the concave face will be determined by the condition of giving the curvature of the image surface the same as that of the reflecting surface.
Instead of the catadioptric device which has just been described, a purely catoptric device can sometimes be employed with advantage, in which the role of the objective is played by a mirror b, of suitable dimensions. The apparatus then has the arrangement shown in FIG. ?. So that the divergence is reduced to a minimum, the mirror b must be free from spherical aberration (parabolic mirror or Mangin mirror, for example).
The diameter of the mirror a is determined by the field of use to be given to the staff; it will be chosen as small as possible, so as not to block too large a fraction of the incident light. It will very often happen that the field of positions that the source c can occupy is more angularly extended, in one direction (horizontal) than in the other (vertical). We will take advantage of this circumstance to reduce the dimensions of the mirror a to what is strictly necessary to cover the entire extent of the field of the image c '. The east thus that the outline of the mirrors a, instead of being circular, could be rectangular.
In certain cases, they could even be constituted by simple reflecting cylindrical blades.
Whenever it is not a question of signaling at a very great distance, it is necessary to systematically introduce a certain divergence into the reflected light beam, so as to make the signs easily visible to observers placed at a distance. bit on the side of the source. As the luminosity of the signal will be all the less as the divergence introduced is greater, this divergence will be fixed for each particular application.
When the Airy trihedron is used, the divergence will be obtained either by leaving a voluntary imperfection in the flatness of the faces, or by placing a weakly divergent or convergent lens in front of each element, or even when the trihedron is constituted by three of the faces of a tetrahedron by giving the fourth face a slightly convex or concave, or even simply irregular, shape, as obtained directly by molding.
When the self-adhesive element derived from the Fizeau pattern is employed, the divergence is obtained by placing the mirror systematically in front of or behind the focal surface of the objective system, in an amount easy to determine by calculation or empirically.
It is also possible to obtain a low divergence by leaving optical aberrations, in particular spherical aberration, in the self-limiting elements, which also has the advantage of considerably reducing their cost price.
As an example of sticker elements in which the spherical aberration is not specially corrected, the following can be indicated: 1 The catoptric elements described above, but in which the objective mirrors are marred by spherical aberration; we will take, for example, simple spherical mirrors, the quality of which need not be very good, such as those obtained by bending (glass) or stamping (metal).
2 A catadioptric element in which. the objective b. and the .mirror a are made in one piece (fig. 3) by a lens whose end faces b and a are concentric spheres at d and opposite by their useful faces. If r denotes the radius of curvature of the objective surface <I> b, </I> n the refractive index of the substance from which the lens is formed, the radius R to be given to the reflecting face a will be
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By choosing a substance with a very high index, which theoretically should be equal to 2, but which practically can still differ significantly from this limit (dense lead glasses, rhinestones, etc.),
we can bring the value of R closer to that of r and constitute the self-adhesive element by a simple spherical ball made reflective on one of its hemispheres (fig. 4).
To increase the luminous power of the self-limiting reflectors, their dimensions can be increased. However, this method has serious drawbacks, which are as follows: 1 The cost price, from a certain diameter, increases much faster than the surface area; 2 The weight of the instrument increases as the power 3/2 of the brightness; 3 The absorption of light in lenses increases very quickly with their thickness, which is proportional to their diameter, resulting in a reduction in luminosity.
4 Finally, under pre-determined optical operating conditions, the length of the instrument is proportional to its diameter.
The method recommended in accordance with the invention consists in increasing the luminosity of the reflectors, by constituting reflective surfaces of any extent and shape, by grouping the self-collimating elements described above, and each having the most economical dimension. Under these conditions, the price and the weight of the instrument are proportional to the desired luminosity, the thickness of the instrument remaining constant. The elements can be brought together so as to uniformly cover more or less extensive surfaces. , so as to form reflective screens, or even so as to form letters, designs or signs whatever.
To obtain this juxtaposition, the objectives can be mounted individually with their mirror by means of a meeting tube, each mirror being fixed to the focus of its objective; the elements are then united in a bundle.
We can also mount all the objectives on the same support and all the mirrors on another, the two supports being joined by spacers of suitable length so that the mirrors are at the focal points of their respective objectives, a condition of which we can complete the accomplishment by individual adjustment. Obviously, the distances from the objectives to the mirrors can be adjusted so as to introduce suitable divergence into the reflected beam.
Surfaces. Reflective stickers can still be obtained, as shown in fig. 5, by fixing on each face of a transparent plate e of suitable thickness, two plano-convex lenses b and a, playing the role, one of objective and the other of mirror, the latter lens being metallized on its posterior surface.
The same can be done for obtaining catoptric surfaces, by giving the two lenses radii of suitable curvature and by metallizing them both on their curved faces (fig. 6).
The self-adhesive elements could be placed on the shop closing windows, so as to form any letters or designs. Fig. 6 shows, by way of example, catoptric elements spun on a shop glass e, of ordinary thickness.
The external surfaces of the mirrors b are covered with any protective varnish; those of the mirrors facing the outside of the shops are advantageously protected, from the point of view of visibility during the day, either by gilding or by a transparent colorless, white or bright varnish.
Finally, self-collimating reflective surfaces of any size and shape can also be obtained by molding or embossing the faces of the self-collimating elements of any type on transparent material strips; glass, cellulose, rosin, etc.
In the case of the Airy trihedron for example, the divergence necessary for its use will be introduced, either by the imperfection left voluntarily in the flatness of the other face, or by molding on it, to the right of each trihedron of the opposite face, a convex or concave face with a radius of curvature appropriate to the divergence to be obtained.
In the case of catadioptric elements, the surfaces are obtained (fig. 7) by molding or embossing plates of transparent substances f; so as to bring on each of the faces of the spherical caps having the radii 7, <I> and </I> P indicated previously, and opposite two by two. The thickness between bumps is given the value r <B><I>+</I> </B> P, which ensures the concentricity of the spheres.
The corrugated surface which constitutes the set of mirrors a is made reflective by an ad hoc metallic deposit.
In the case of the catoptric elements, the surface which constitutes the mirrors a is metal smoothed over small areas, on the axis of the objective mirrors b, or else the entire surface may receive a semi-transparent metallic deposit.
Very large adhesive surfaces may be formed by the juxtaposition of surfaces of smaller dimensions and easier to obtain, as is done for tiles and coatings of all kinds. Fig. 8 shows an arrangement of this kind, oit on a titi plate y, we have assembled a series of lens-mirror systems b-a.