Dispositif d'optique pour faire varier, de façon prédéterminée, la direction d'un faisceau lumineux en fonction de l'orientation d'une surface ayant préalablement réfléchi ce faisceau La présente invention a pour objet un dispositif optique pour faire varier, de façon prédéterminée, la direction d'un faisceau lumineux en fonction de l'orientation d'une surface ayant préalablement réflé chi ce faisceau.
Ce dispositif permet notamment d'as surer l'amplification, la réduction ou l'annulation pré déterminée - ce que l'on appelle l'amortissement optique - de petites variations de l'angle entre le faisceau sortant et la surface réfléchissante, variations corrélatives aux petites variations d'incidence du fais ceau entrant.
Il est caractérisé en ce qu'il comporte sur le trajet du faisceau avant et après la surface réflé chissante au moins un milieu transparent formant prisme d'angle variable et agencé de façon que cet angle varie en fonction de l'orientation de la surface réfléchissante.
Ledit milieu transparent peut être un liquide, de l'eau par exemple, ou un gaz, air ou autre, ou encore un diasporamètre, c'est-à-dire un dispositif assimila ble à un prisme solide à angle variable.
Lorsque ledit milieu transparent est un milieu réfringent déformable, il peut être limité, du côté opposé à la surface réfléchissante, par une ou plu sieurs surfaces planes, celles-ci d'inclinaisons diffé rentes.
La surface plane réfléchissante, située dans un plan quelconque, peut être un miroir plan usuel ; elle peut être aussi la surface d'équilibre d'un liquide, notamment d'un bain de mercure, spécialement dans le cas où l'orientation du faisceau lumineux est liée à l'horizontalité. Elle peut être encore un miroir maintenu dans un plan déterminé par gyroscope, par flottaison ou suspension. La ou les surfaces planes limitant le milieu ré fringent déformable peuvent être réalisées par tout moyen convenable.
Ce peut être une ou des faces de lames transparentes à faces parallèles, une ou des faces de prisme, lames ou prismes étant en verre ou autre matière d'indice de réfraction convenablement choisi. Ce peut être aussi, dans le cas où le milieu déformable est un liquide transparent, la surface d'équilibre de ce liquide, sans matérialisation spéciale par un corps solide.
D'autres milieux transparents indéformables, pris mes, lames à faces parallèles, peuvent être associés au milieu réfringent déformable et le faisceau peut être soumis de plus à des réflexions simples ou mul tiples produites par des surfaces réfléchissantes soli daires de l'instrument, réflexions associées à la ré flexion sous incidence légèrement variable à l'inté rieur du milieu déformable.
Lorsque le milieu transparent formant prisme d'angle variable est un diasporamètre, c'est-à-dire un ensemble de deux prismes de même angle opposés, dont l'un peut tourner par rapport à l'autre autour d'un axe normal à leurs faces en contact, la surface réfléchissante est prévue sur la face extérieure du prisme placé du côté opposé aux rayons incidents.
Le dispositif selon l'invention peut recevoir de multiples applications dans de nombreux instruments optiques de mesure, de contrôle ou de réglage. Une forme d'exécution particulière adaptée aux appareils de mesure, permet d'assurer l'amplification des peti tes rotations du faisceau lumineux réfléchi par une surface réfléchissante, ce qui fournit une augmenta tion de la sensibilité et de la précision de la mesure de petites rotations.
Cette sensibilité peut aussi être mise à profit dans des appareils de contrôle et de réglage, notamment dans les appareils automatiques commandés par action de la lumière, par exemple par l'excitation de cellules photoélectriques au moyen d'un faisceau lumineux.
Une autre forme d'exécution est agencée pour fournir au lieu d'une amplification, une atténuation des petites rotations, ce qui permet notamment d'ob tenir une petite rotation du faisceau émergent égale à celle de la surface réfléchissante et de réaliser des amortisseurs optiques, des horizons artificiels, des appareils de nivellement automatiques, etc.
Plusieurs formes d'exécution particulières du dis positif selon l'invention sont plus amplement décrites ci-après à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés. Dans ceux-ci la fig. 1 est un schéma expliquant l'effet du prisme variable<B>;</B> la fig. 2 est une vue en coupe d'une forme d'exé cution dans une application à un instrument de nivel lement à niveau automatique; la fig. 3 montre en coupe une autre forme d'exé cution ;
la fig. 4 montre en coupe une autre forme d'exé cution équipant un appareil de nivellement<B>;</B> la fig. 5 montre une forme d'exécution dans son application à un astrolabe automatique; la fig. 6 est une vue en coupe du prisme d'angle variable d'une autre forme d'exécution ; la fig. 7 est une vue en coupe d'une variante de la forme d'exécution selon la fig. 4 ; la fig. 8 montre une autre variante.
A la fig. 1, 10 est une surface réfléchissante plane, susceptible de subir de légères rotations repré sentées, dans le cas de la figure, par des variations d'inclinaison.
A cette surface réfléchissante est associée une surface également plane 11, délimitant entre elle et la surface 10 un espace 12, lequel est rempli d'une substance réfringente déformable. La surface 11 est inclinée par rapport à la surface 10, de telle sorte que l'espace 12 affecte la forme d'un prisme d'angle A.
Du fait des rotations ou variations d'inclinaison de la surface 10, l'angle A est variable et pour que l'espace 12 se trouve rempli en permanence et inté gralement de la substance réfringente, celle-ci est un fluide, liquide ou gaz ou un diasporamètre. La sur face 11 limite l'espace 12 par rapport au milieu extérieur 13, lequel peut être de l'air ou un autre corps réfringent, verre ou autre.
On désignera par n1 l'indice de réfraction du milieu 13 et par n2 l'indice de réfraction de la subs tance remplissant la zone prismatique 12.
Soit 14 le rayon incident faisant avec la normale à la surface 11 un angle d'incidence il. Ce rayon se réfracte en 15, faisant avec la normale à la surface <B>Il</B> un angle r2, puis il vient rencontrer la surface réfléchissante 10 en faisant avec la normale à celle-ci un angle r., <B>+A.</B> Le rayon réfléchi 16 rencontre la surface 11 sous un angle d'incidence r2 -I- 2A et se réfracte en 17 en faisant l'angle d'émergence el avec la normale à la surface 11.
En appliquant la loi fondamentale de la réfrac tion, il apparait que les angles r2, el et A sont liés par la relation n2 sin (r2 -I- 2A) = n1 sin el Lorsque la surface réfléchissante 10 subit une petite variation d'inclinaison dA, la petite variation correspondante d'inclinaison<I>de,</I> du rayon émergent 17 est liée à celle-ci par la relation
EMI0002.0042
Cette expression
EMI0002.0043
qui sera désignée par K, donne le rapport de la rotation du faisceau émergent 17 par rapport à la rotation de la surface réfléchis sante 10.
On voit que ce rapport K, qui a invariable ment la valeur 2 dans une réflexion ordinaire simple, se trouve ici modifié par suite des réfractions à cha que traversée de la surface 11. Par le choix de valeurs appropriées de nl, n,, A, r_, et el on peut obtenir pour le rapport K toute valeur désirée et ceci de multiples façons.
En pratique, il est commode d'aménager le dis positif de façon telle qu'en sa position initiale les sur faces 10 et 11 soient parallèles et que les petites variations de l'angle A se fassent autour de la posi tion initiale où A = 0. En ce cas, le dispositif est symétrique, l'angle d'émergence initial el est égal à l'angle d'incidence il. En outre, lorsque la lumière n'est pas monochromatique, les effets de dispersion sont évités. La valeur du rapport K est alors expri mée de façon plus simple par
EMI0002.0048
On peut encore, même dans ce cas particulier, obtenir, en choisissant les valeurs de n1, n., et il toute valeur désirée du rapport K supérieure ou infé rieure à 2.
Avec n. .> n1, en prenant par exemple de l'eau pour la substance remplissant l'espace 12, le milieu 13 étant l'air, on réalise une valeur K donnant une amplification de la variation d'orientation du rayon émergent 17. Cette amplification est d'autant plus grande que le cosinus de l'angle d'incidence il est plus petit, notamment si il est voisin de 100 grades, l'angle r, devenant alors l'angle limite de réfraction. Une telle amplification du rapport K procure une augmentation notable de la sensibilité du dispositif optique, se traduisant par une meilleure précision, s'il s'agit d'un instrument de mesure ou d'une com mande automatique.
Par contre, si l'on a n., G n1, en constituant par exemple le milieu 13 par du verre, l'espace 12 se trouvant rempli d'air, on réalise une réduction du rapport K. En particulier, cette réduction peut être déterminée de façon à avoir K = 1, ce qui permet d'obtenir une rotation du rayon émergent 17 égale à celle de la surface réfléchissante. Cette égalité trouve une application avantageuse dans les instruments dits à horizon artificiel .
On remarquera que l'amplification ou la réduc tion de la rotation de la surface réfléchissante est obtenue de façon simple, sans aucun grossissement, sans organes optiques à lentilles ou autres. Le dis- positif qui permet de la réaliser utilise la surface réfléchissante la plus simple et ne présente aucune difficulté d'exécution.
La surface réfléchissante 10 peut être constituée par un miroir plan usuel. Elle peut aussi être formée de la surface libre d'un liquide en équilibre, notam ment de mercure. Bien entendu, au lieu de prévoir la surface 10 mobile et la surface 11 fixe, les mêmes effets peuvent être obtenus avec la surface 11 mobile, la surface 10 étant fixe.
Le dispositif peut être utilisé horizontalement, ce qui est nécessairement le cas lorsque la surface 10 est la surface libre d'un bain de mercure ou autre liquide. Mais il peut aussi être prévu pour fonction ner verticalement avec un miroir 10 solide ou encore en toute position oblique.
Lorsque l'on recherche une amplification de la rotation du faisceau, on est amené à employer un milieu déformable ayant un indice de réfraction élevé. Ce milieu déformable peut être un liquide réfringent ou un diasporamètre constitué par un ensemble de deux prismes solides identiques ayant un angle au sommet (3, mobiles l'un par rapport à l'autre par rotation autour d'un axe perpendiculaire à leurs faces en contact, ensemble permettant de réaliser un sys tème optique équivalent à un prisme variable d'angle compris entre zéro et 2 (3.
Dans ce cas, la face extérieure de l'un des deux prismes du diasporamètre peut être rendue réfléchis sante, et l'angle du prisme équivalent au diaspora- mètre est ainsi assujetti à la position de la surface réfléchissante.
La fig. 2 montre comment la forme d'exécution de la fig. 1 qui vient d'être décrite s'applique à un instrument à niveau automatique.
Cet instrument dont l'objectif de focale F est désigné par 35 et dont l'oculaire est désigné par 36, est établi de façon que le réticule situé dans le plan principal 37 des systèmes objectif-oculaire, soit cons titué par l'image mobile d'un réticule 38 fixé à l'ins trument, image mobile obtenue par réflexion sur un dispositif réfléchissant à surface réfléchissante hori zontale stable, par exemple, à bain de mercure 30 surmonté d'air.
Le faisceau auxiliaire fourni par le collimateur 33 va, après réflexion sur le bain de mercure 30 et double réflexion dans le prisme 39, passer dans le système optique 40 de focale f pour former l'image du réticule dans le plan principal 37.
Lorsque l'instrument est légèrement incliné d'un angle a, l'angle d'incidence du faisceau auxiliaire sur le bain de mercure est modifié de cet angle a et le faisceau auxiliaire réfléchi fait avec l'instrument un angle double 2 a. Die ce fait, l'image du réticule se déplace dans le plan principal 37 d'une quantité égale à 2 a f, proportionnelle à a et à la focale f du sys tème optique 40.
Pour que la ligne de visée, définie à l'intérieur de l'instrument par le point nodal de l'objectif 35 et par le réticule image, reste horizontale malgré l'in clinaison a de l'instrument, il faut que le réticule image se déplace exactement de a F quantité pro portionnelle à a et à la focale F de l'objectif 35. On doit donc avoir 2 a f a F, soit
EMI0003.0029
En adjoignant un fluide réfringent dans l'espace 32 entre le bain de mercure 30 et la lame à faces parallèles 31, on modifie le rapport des rotations du faisceau incident et du faisceau émergent.
Il convient alors de modifier et de déplacer le système optique 40 pour que l'image mobile du réticule se forme bien dans le plan principal 37 et pour que cette image reste à l'horizontale du point nodal de l'objec tif 35 malgré de petites inclinaisons de l'instrument.
La focale correspondante du système 40 devra être dans ces conditions
EMI0003.0032
les valeurs il et i3 étant les incidences du faisceau dans l'air et dans le fluide 32 et n3 l'indice de réfrac tion de celui-ci. Par exemple, avec il = grades et
EMI0003.0038
(in dice de l'eau) la focale f' du système optique 40' serait : .
EMI0003.0040
au lieu de sans eau. En effet,
EMI0003.0041
sin il = n3 sin 13.
Avec une inclinaison a, l'incidence du faisceau auxiliaire sur la lame à faces parallèles ne change pas mais, à cause de la variation de l'incidence sur le bain de mercure le faisceau réfléchi a une varia tion d'incidence 2 a sur la lame à faces parallèles et une variation dil d'émergence.
Comme a est petit, on peut écrire 2 a n3 cos i3 = cos <I>il</I> dil <I>.</I>
Le déplacement de l'image du réticule sera f'dil et devra être égal à F a. D'où
EMI0003.0053
Cette disposition présente divers avantages. En choisissant un fluide neutre, le pouvoir réfléchissant du mercure est mieux conservé. En outre, le dispo sitif de réflexion peut être disposé au voisinage de l'axe vertical de l'instrument, ce qui donne à celui-ci un meilleur équilibrage et réduit les mouvements du mercure 30, lorsque l'instrument est dirigé successi vement dans diverses directions. Enfin, si le fluide 32 est un liquide de viscosité convenable, il amortit les oscillations du bain de mercure 30.
Dans la forme d'exécution représentée en fig. 3, la surface réfléchissante d'inclinaison variable 41 est combinée avec un prisme 42 fixe solidaire du colli mateur 43, avec interposition d'un milieu réfringent déformable 44, présentant la forme d'un prisme d'an gle A légèrement variable.
Par le choix des indices n., du prisme 42 et n3 du milieu interposé 44, des angles B et C du prisme, on peut obtenir tel rapport désiré K de la variation Ai,; de l'angle d'émergence i5 par rapport à la variation de A.
Il est possible de donner au rapport K la valeur 1. Le dispositif permet alors d'obtenir que le rayon émergent tourne par rapport au prisme 42 du même angle que la surface réfléchissante 41. Dans ces con ditions, l'angle du faisceau émergent avec la surface réfléchissante reste fixe, tout au moins pour de petites variations au voisinage de la position de repos. Le dispositif 4l-44 joue alors le rôle d'amortisseur opti que, c'est-à-dire que le faisceau optique émergent conserve une direction invariable, malgré de petites rotations ou vibrations de l'ensemble collimateur prisme.
Une variation d'angle entre la base de prisme 42 et la surface réfléchissante 41 peut être due à un défaut accidentel de réglage ou provenir d'oscillations de l'ensemble collimateur-prisme autour de la posi tion d'équilibre sous l'action de forces extérieures pesanteur, magnétisme, etc. Le dispositif annule l'effet de ces petites variations.
Ce rôle d'amortisseur optique trouve une appli cation utile dans le cas où les faisceaux incident et émergent doivent rester parallèles à la surface réflé chissante, malgré de petites rotations de l'ensemble du collimateur et du prisme.
Par exemple, le dispositif décrit peut servir à réaliser un horizon artificiel automatique. Appliqué à un ensemble collimateur-prisme fournissant le fais ceau incident, il suffit de prévoir une surface réflé chissante se mettant automatiquement à l'horizontale, telle que, par exemple, la surface libre d'un bain de mercure, pour obtenir l'horizontalité automatique du faisceau émergent.
Le parallélisme peut encore être recherché dans des instruments se référant à une direction déter minée autre que l'horizontale, par exemple celle don née par un champ magnétique, le Nord magnétique ou géographique, etc.
La îig. 4 représente une autre forme de réalisa tion. Devant un objectif 55, et solidaire de celui-ci, est disposé un prisme 56 associé à un bain de mer cure 57 avec interposition d'un fluide 58.
Avec cet instrument, il suffit de dégrossir l'hori zontalité de la lunette pour obtenir une ligne de visée automatiquement horizontale.
II est à remarquer que si l'instrument est équipé d'un moyen permettant d'amener le mercure 57 au contact de la face inférieure du prisme 56, on peut utiliser l'appareil à la façon d'un appareil ordinaire. On peut naturellement ajouter une ou plusieurs ré flexions pour obtenir, à la demande, une image droite ou renversée.
La fig. 5 représente une forme d'exécution dans son application à un astrolabe automatique. Au théo dolite 59 est associé de façon solidaire le prisme 60. Celui-ci surmonte le récipient 61 contenant le mer cure 62, dont il est séparé par un fluide 63, de l'air par exemple. En donnant aux angles à la base du prisme 60 les valeurs égales à 3011, on obtient l'amor tissement optique et, par suite, l'automatisme, avec des visées de distance zénithale 30 , l'incidence et l'émergence étant sensiblement perpendiculaires aux faces obliques du prisme 60, avec une valeur de 1,8 environ pour l'indice du prisme. D'autres varian tes sont possibles avec d'autres incidences et d'autres indices.
Dans ce qui précède, on a supposé que la surface du prisme déformable opposé à la surface réfléchis sante était plane. Il y a intérêt dans certains cas à constituer cette surface par plusieurs faces d'inclinai sons différentes, comme le montre la fig. 6. La sur face réfléchissante 65 est surmontée du prisme défor- mable 66 limité d'autre part par deux faces 68, 69 d'inclinaisons opposées.
Pour une même incidence i, la distance C du trajet d'un rayon est sensiblement raccourcie, ce qui est avantageux au point de vue encombrement des instruments. Les inclinaisons des faces 68 et 69 peuvent être inversées. Elles sont en général symétriques pour éviter la dispersion.
Un autre moyen de raccourcir le trajet des rayons dans le dispositif à prisme déformable consiste à disposer sur le trajet des rayons des milieux trans parents multiples traversés sous des incidences diver ses, comme le montre la fig. 7 qui représente une variante de l'instrument suivant la fig. 4. En avant de l'objectif 55 de l'instrument est placé l'ensemble comprenant deux jeux symétriques de prismes 72 à 75 en flint d'indice 1,72, et bain de mercure 78. Entre les prismes et le mercure est interposée de la glycérine d'indice de réfraction 1,474, remplissant les espaces 76 et 77.
Le prisme 72 peut "être placé de telle façon que sa face avant soit perpendiculaire à l'axe de l'instru ment. Son angle Pl est de 33,5 gr. Le prisme 73 est écarté du premier prisme 72 par un espace 79. Cet espace est avantageusement obturé par une paroi 80 empêchant la pénétration de glycérine, constituant en quelque sorte prisme intermédiaire d'air (indice : 1). Le prisme 73 présente un angle P, de 59,45 gr.
Avec cette disposition, on obtient un dispositif d'amortisse ment optique dont la longueur L est d'environ trois fois la hauteur utile H, alors qu'avec un seul prisme il aurait fallu une longueur égale à sept fois la hau teur utile. On remarquera au surplus que le bac recevant le bain de mercure 78 est raccourci nota blement. Il peut l'être d'ailleurs davantage encore tant que la courbure de la surface du mercure au contact des parois ne se fait pas sentir à l'intérieur de l'intervalle M des arêtes inférieures des prismes 73 et 74.
Au lieu de la disposition symétrique de la fig. 7, on peut prévoir une disposition dissymétrique, telle que par exemple, celle de la fig. 8. Dans celle-ci, un prisme 87 à face inférieure inclinée, est associé à un prisme 88 pentagonal également à face inclinée. Cette disposition peut permettre d'assurer, par réflexions multiples, le redressement de l'image.