Appareil optique avec dispositif de stabilisation
On a exploité une grande variété de systèmes de stabilisation optique que l'on peut diviser en un certain nombre de catégories générales en vue d'une discussion. On peut désigner la première de ces catégories sous le nom d'approche à plateforme stabilisée, dans laquelle on stabilise un appareil pris en totalité, par exemple une caméra ou un dispositif semblable, à l'encontre du mouvement en le montant sur une plateforme commandée par gyroscope, par exemple. On pense que des difficultés variées avec cette approche du problème apparaissent facilement, en particulier la dimension physique nécessaire du système global.
Une autre catégorie générale de systèmes de stabilisation optique comprend ceux qui convertissent la lumière en quelque autre type de faisceaux, par exemple en faisceaux d'électrons, auxquels on peut faire subir ensuite des corrections dans leur direction afin de compenser les déviations angulaires d'un boîtier produites à partir d'une ligne de visée primitive. Bien que cette dernière catégorie de systèmes présente certains avantages, ces systèmes sont très complexes et tout à fait impropres à de nombreuses applications. Une autre catégorie générales de stabilisateurs optiques utilise un moyen, par exemple un gyroscope, pour analyser les déviations angulaires de l'appareil à partir d'une ligne de visée primitive et pour contraindre un élément optique à se déplacer d'une manière telle qu'il compense l'erreur.
Ces systèmes présentent en général au moins une difficulté, comme de devoir utiliser des systèmes dentraî- nement complexes et souvent difficiles à manoeuvrer et de compromettre certaines limitations de base des gyroscopes ou des systèmes optiques.
Outre ce qui précède, on a également proposé certains systèmes de stabilisation. On a exploité des systèmes à la fois réfringents et réfléchissants utilisant une propagation des rayons lumineux en les dirigeant le long de l'axe du boîtier de l'appareil pendant que se produisent des déviations angulaires de celui-ci, produites à partir d'une ligne de visée primitive. Un grand nombre de ces systèmes sont tout à fait pratiques pour une grande variété d'applications. En particulier, il est à noter que l'utilisation d'une stabilisation par inertie s'est montrée hautement avantageuse dans le domaine de la compensation optique des mouvements accidentels.
L'invention exposée ci-dessous est d'une utilité particulière dans le domaine de la compensation des mouvements accidentels. L'invention évite les limitations mécaniques et optiques des dispositifs précédents dans le domaine de la stabilisation optique, à la fois pour des caméras et pour des appareils de visée optique. En commun avec les systèmes stabilisés par inertie tels que ceux identifiés d'une façon générale ci-dessus, la présente invention est destinée à être utilisée dans tous les types de dispositifs optiques, y compris les caméras, les jumelles, les longue-vues, etc...
Avec un minimum réel de complexité et de dimension physique, la présente invention fournit une optique de très haute qualité en n'introduisant presque aucune aberration, tout en ne nécessitant qu'un minimum de précision dans la fabrication. Un grossissement de grande puissance est possible dans des systèmes optiques utilisant la présente invention du fait du pouvoir séparateur extrêmement élevé qu'elle permet d'obtenir.
La présente invention a pour objet un appareil optique avec dispositif de stabilisation, comportant un boîtier étanche à la lumière. Cet appareil est caractérisé en ce qu'il comprend une lunette afocale à renversement dont une partie traverse l'une des parois du boîtier afin de diriger la lumière à l'intérieur de celuici, cette lunette présentant un grossissement de deux environ et comprenant un nombre impair de surfaces réfléchissantes disposées de façon à intercepter la lumière pénétrant dans le boîtier et à renvoyer celle-ci en un faisceau sensiblement parallèle de rayons lumineux en direction de son origine;
un élément rcfléchis- sant stabilisé par inertie et constitué par un nombre impair de surfaces réfléchissantes montées à l'intérieur du boîtier, la stabilisation par inertie de cet élément étant assurée autour de deux axes perpendiculaires entre eux et à une ligne de visée primitive, ces surfaces étant disposées de façon à recevoir la lumière venant de cette lunette afocale et à réfléchir cette lumière en un faisceau sensiblement parallèle de rayons lumineaux comprenant un élément optique monté rigidement dans le boîtier et agencé pour recevoir la lumière réfléchie par l'élément réfléchissant pour former une image.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, plusieurs formes de réalisation de l'objet de la présente invention. Sur ce dessin:
La fig. 1 est une représentation schématique sous forme de figure au trait d'une forme de réalisation de la présente invention.
La fig. 2 est une illustration de la forme de réalisation de la fig. 1 tournée d'un petit angle O, comme cela peut se produire pendant qu'on utilise l'appareil, et représentant les trajectoires de lumière le traversant.
La fig. 3 est une illustration schématique d'un élément à triple réflexion constituant une variante et
la fig. 4 est une illustration schématique d'une variante particulièrement destinée à des appareils de visée optique.
La forme de réalisation représentée sur la fig. 1, comprend un certain nombre d'éléments optiques disposés à l'intérieur d'un boîtier 11 étanche à la lumière. Le boîtier 11 est pris ci-après comme référence, en particulier en ce qui concerne le sens dans lequel il est orienté; en outre, on supposera ci-après, sauf avis contraire, que le dispositif optique constitue une caméra. Certaines variantes, ou modifications, de la stabilisation optique sont nécessaires pour des appareils de visée, en comparaison de celles des caméras, et ceci est exposé avec quelques détails ci-après.
A l'intérieur du boîtier 11 ist disposée une lunette afocale à renversement 12 d'un grossissement de deux environ, et comprenant un nombre impair de surfaces réfléchissantes servant à renvoyer la lumière entrante à peu près vers l'avant en direction de l'objet que l'on observe. Cette lunette est représentée comme comprenant une lentille ou des lentilles 13 constituant un objectif et disposées dans une paroi du boîtier formant un prolongement de celui-ci. L'objectif 13 est à considérer comme étant fixé de facon rigide au boîtier; et à l'intérieur de ce boîtier, est disposé un élément 14 à triple réflexion qui est également fixé de façon rigide au boîtier et dans une position lui permettant d'intercepter la lumière provenant de l'objectif 13.
Cet élément 14 est représenté, dans la.forme de réalisation de la fig. 1. sous la forme d'un prisme; les propriétés générales et les variantes d'un tel élément sont exposées immédiatement ci-dessous. L'élément 14 sert à modifier la propagation de la lumière en la renvoyant en arrière vers l'objet examiné, et près de l'élément 14 se trouve disposée une seconde lentille, ou un groupe de lentilles 16. Les lentilles 13 et 16 constituent ensemble la lunette afocale à renversement 12 d'un grossissement de deux environ et elles dirigent la lumière. conjointement avec l'élément 14. en rayons parallèles sensiblement en direction de l'objet examine.
On peut monter en outre une ou plusieurs lentilles de champ 17 pour concentrer la lumière venant de l'ob- jectif 13 à l'inlerieur de l'ensemble de lentilles 16. et
on peut monter de telles lentilles de champ 17 immé
diatement en avant de l'élément réfléchissant 14, entre
celui-ci et l'objectif 13. Il est à noter en particulier que
les lentilles 13 et 16 de la lunette, de même que
l'élément réfléchissant 14 et la lentille de champ 17,
sont tous fixés de façon rigide au boîtier 11.
L'élément 14 se compose d'un nombre impair de
surfaces réfléchissantes auxquelles on peut donner une
variété de configurations différentes. Dans la représen
tation de la fig. 1, l'élément est un prisme en verre ou
en matière plastique, par exemple, présentant en éléva
tion latérale la configuration d'un triangle isocèle qui
peut être, à volonté. tronqué. Une surface antérieure
18 du prisme fait face à l'objectif 13, de sorte que la
lumière venant de l'objectif en circulant le long d'un
axe 19 pénètre dans le prisme pour être réfléchie par
une première surface postérieure 21, inclinée par rap
port à la surface antérieure.
On voit qu'ensuite une
telle lumière est réfléchie intérieurement dans le prisme
par la surface antérieure 18 pour revenir sur une
seconde surface postérieure 22, inclinée par rapport à
la surface antérieure, et qu'elle est réfléchie de là vers
l'extérieur à travers la surface antérieure pour passer à
travers la lentille 16. Les surfaces postérieures 21 et
22 sont chacune inclinées par rapport à la surface
antérieure 18 du prisme suivant un angle compris entre
150 et 450 environ. Ces limitations sont en général
imposées par la nécessité d'éviter de manquer la sur
face antérieure IS, en conservant cependant une
réflexion à peu près totale sur la surface antérieure et
intérieurement au prisme, tout en réalisant un déplace
mnt voulu entre les rayons lumineux entrant et sor
tant.
Il est commode de considérer l'élément réfléchis
sant 14 comme un miroir plan présentant des pro
priétés d'une surface, ou plan de réflexion, situé en 23
derrière le prisme. Une considération mathématique du
prisme établit que ce qui précède est bien le cas, et que
cela peut être ainsi considéré comme si la lumière inci
dente était réfléchie par ce plan de réflexion efficace
23, mais qu'elle était déplacée d'une certaine distance
à partir du point d'incidence le long de celui-ci.
L'élément particulier 14 à triple réflexion repré
senté sur la fig. 1 n'est fourni qu'à titre d'exemple d'une variété d'ensembles que l'on peut utiliser. L'une
des variantes possibles du prisme 14 de la fig. 1 est
représentée sur la fig. 3. Dans ce cas, on a recours à
trois miroirs plans 26, 27 et 28, fixés en position de
façon rigide les uns par rapport aux autres, de sorte
qu'un rayon lumineux 29 frappant la première surface
réfléchissante, ou miroir réfléchissant 26, est réfléchi
vers le second miroir 77 et de là vers le troisième
miroir 28, de facon à être réfléchi par celui-ci pour
revenir le long d'une ligne sensiblement parallèle au
rayon lumineux entrant 29, mais à être déplacé latéra
lement par rapport à celui-ci.
On se rend compte qu'on
peut disposer les surfaces réfléchissantes 26, 27 et 28
suivant une variété d'orientations relatives; toutefois, il
est nécessaire que, dans les formes de réalisation des
deux fig. 1 et 3, chacune des surfaces réfléchissantes
contienne une ligne qui soit parallèle à une ligne de
chacune des autres surfaces réfléchissantes.
En plus de la lunette afocale à renversement com
prenant un nombre impair de surfaces réfléchissantes
de façon à modificr la propagation de la lumière-en la
renvoyant en faisceaux parallèles vers l'objet que l'on
examine, la présente forme d'exécution prend un
lément réfléchissant 31 stabilisé par inertie. Cet élément 31 peut être constitué physiquement de la
même facon que le prisme 14 de la fig. 1, ou que les variantes de celui-ci décrites ci-dessus, de sorte qu'on peut considérer que la réflexion avec translation est produite par un plan de réflexion efficace 36.
On peut
réaliser la stabilisation par inertie de l'élément réflé
chissant 31 contre un mouvement de tangage et de
lacet en l'articulant autour de deux axes transver
saux mutuellement perpendiculaires, et dans un but de
commodité on représente un point de pivotement 32 comme étant situé près du sommet du prisme 31. Le
point de pivotement 32 peut être défini par l'intersection des axes de pivotement mutuellement perpendiculaires, bien qu'il ne soit pas nécessaire que ces axes se coupent réellement, ni que l'élément 31 soit articulé
autour de son sommet.
En réalité, on peut placer le point ou les axes de pivotement autour desquels l'élément 31 est stabilisé à peu près n'importe où dans des limites raisonnables, de façon que l'élément 31 conserve l'alignement primitif au cours des mouvements de tangage et de lacet par rapport à la lumière qui y pénètre, malgré de faibles déplacements
angulaires du boîtier 11 dans le sens horizontal ou vertical. On peut aider à la stabilisation par inertie de l'élément 31 en montant un petit gyroscope 33 fixé à l'élément 31 et pouvant se déplacer avec lui autour du pivot 32. On utilise un gyroscope libre pour augmenter la stabilisation par inertie de l'élément 31, et on peut utiliser avec ce gyroscope un élément de précession 34.
On peut déterminer spécialement les caractéristiques d'un tel élément de précession pour des usages particuliers; et, d'une façon générale, l'élément de précession de la fig. 1 fonctionne de façon à appliquer au gyro- scope une force dans une direction qui est à angle droit par rapport au sens de précession voulu, en fait, l'élément de précession peut fonctionner d'une manière tout à fait classique, mais il doit présenter une zone plate dans la courbe caractéristique de son fonctionnement pour permettre une gamme angulaire de compensation dans laquelle l'élément de précession est sans effet.
En conséquence, le gyroscope est efficace pour augmenter la stabilisation par inertie de l'élément 31 dans une certaine petite gamme d'angles prédéterminée. Lorsau'on dépasse cette gamme de déviation angulaire, l'élément de précession entre en fonctionnement pour amener de cette façon l'élément 31 à se déplacer avec le boîtier 11. Ce déplacement de l'élément de réflexion 31 avec le boîtier pour des déviations angulaires dépassant le minimum prédéterminé est nécessaire pour les cas dans lesquels peut se produire un déplacement latéral ou panoramiaue, d'un dispositif optique. Par exemple, avec des caméras cinématographiques ou des appareils optiques tels des jumelles ou des longue-vues, il est souvent avantageux de suivre un objet mobile ou de photographier une vue panoramique en déplaçant l'appareil optique.
La présente forme d'exécution stabilise les images contre de faibles déviations angulaires se produisant à partir d'une ligne de visée primitive, comme il peut s'en produire par des mouvements accidentels d'un boîtier; cependant, elle n'empêche pas de déplacer latéralement. ou panoramiquer, un appareil optique.
Comme noté ci-dessus. la lumière émane de la lentille ou du système de lentilles 16 de la lonoue-vue en faisceaux parallèles qui sont ensuite dirigés sur l'élément réfléchissant 31 dans laquel on voit se produire un nombre impair de réflexions en traçant une
trajectoire lumineuse à travers celui-ci, de sorte que la
lumière émanant de l'élément 31 ou réfléchie par celui-ci en rayons parallèles peut être mise au point au moyen d'une lentille ou d'un système de lentilles 41, sur un plan d'image stabilisé 42. Pour des applications à une caméra, on peut disposer une porte de film dans ce plan d'image 42; toutefois, pour des appareils de vision optique, la lentille 41 dirige la lumière dans un système d'oculaire servant à la vision, comme décrit plus en détail immédiatement ci-après.
Afin de représenter graphiquement la stabilisation
fournie on se reporte à la fig. 2. Sur cette représentation, on voit que le boîtier 11 a basculé, ou tourné, d'un petit angle O par rapport à l'horizontale. Cet angle est amplifié sur le dessin simplement dans le but de la représentation, étant donné qu'en utilisation en pratique d'appareils optiques, par exemple des caméras, des jumelles, des longuevues, etc... qu'on peut maintenir à la main, une compensation des mouvements accidentels n'est nécessaire que pour des vibrations ou des déplacements angulaires d'un ordre relativement faible, comme par exemple de quelques degrés au plus.
En supposant, comme représenté sur la fig. 2, qu'on a fait tourner le boîtier vers le haut d'un angle O, on voit que la longue-vue afocale à renversement 12 et l'élément à triple réflexion 14 renvoient la lumière entrante vers l'objet, mais déviée par rapport à la ligne de visée primitive d'un angle O.
L'élément de stabilisation 31, qui est stable par inertie, conserve son orientation le long de la ligne de visée primitive. En conséquence, la lumière pénétrant dans l'élément 31 sous un angle O le quitte suivant un angle O qui correspond à l'angle de rotation du boîtier, comme on l'observe sur la fig. 2. Par suite, la lumière est réfléchie par l'élément 31 stabilisé par inertie dans la même direction par rapport au boîtier que dans le cas de la fig. 1 pour atteindre un plan d'image stabilisé 42 dans la même relation qu'il le ferait dans la position du boîtier de la fig. 1 dans laquelle on n'aurait pas fait tourner le boîtier.
On a, par conséquent, réalisé une stabilisation du dispositif optique, avec laquelle on dirige une image sur un plan d'image exactement au même endroit, que l'on ait ou non fait tourner le boîtier d'un petit angle par rapport à une ligne de visée primitive.
En considérant un peu plus en détail ce qui précède, on se rend compte qu'en utilisant des instruments optiques maintenus avec la main, par exemple des caméras ou des jumelles, il est à peu près certain que quelaues déplacements de l'appareil doivent se produire du fait du manque de sûreté inévitable de la main de la personne tenant l'appareil. Ce manque de sûreté se traduit par des déviations angulaires verticales ou transversales à partir de la ligne de visée originale ou par une certaine combinaison des précédentes. En ce qui concerne l'élément à triple réflexion 14. ou ses différentes variantes telles que celles représentées sur la fig. 3, cela ne fait aucune différence que les changements dans l'orientation angulaire soient verticaux ou horizontaux.
En ce qui concerne l'ensemble stabilisé par inertie 31, il est particulièrement à noter au'il est articulé autour d'un pivot 32 à deux dimensions. c'est-à-dire autour de deux axes nernendiculaires qui sont tous les deux sensiblement pcrpendi- culaires à une ligne ou axe de visée primitive de la longue vue afocale renversée et repliée. En conséquence, les représentations des fig. l et 2, qui ne se rapportent qu'à une déviation angulaire verticale à partir d'une ligne de visée primitive, sont également applicables à des déviations horizontales à partir d'une ligne de visée primitive. On obtient ainsi une stabilisation optique réelle et pratique d'une image, qui est hautement avantageuse dans le domaine de l'optique.
Il est à noter particulièrement que les rayons lumineux émanant de la longue-vue afocale 12 sont sensiblement parallèles, et que par conséquent les différentes limitations de la technique antérieure concernant un montage précis et un déplacement des éléments sont éliminées ici. Du fait que les rayons lumineux sont sensiblement parallèles, on agit sur chacun d'eux de la même manière au moyen de l'élément de compensation de mouvements du système. Il est de plus à noter que la situation de la pupille de sortie de la longue-vue est avantageusement placée pour des applications optiques pratiques. La lentille 16 de la fig. 1 agit sur une image réelle plutôt que sur une image virtuelle, ce qui permet d'améliorer sensiblement la dimension générale et les éléments qui en découlant ici par rapport à ceux disponibles dans la technique précédente.
Comme décrit ci-dessus, la longue-vue afocale repliée à renversement 12 produisant une lumière parai- lèle, ou collimatée, est représentée comme comprenant une multiplicité de lentilles en combinaison avec un élément réfléchissant comportant un nombre impair de surfaces réfléchissantes. On peut appeler cet ensemble un collimateur étant donné qu'il produit réellement une lumière parallèle. Il est à noter qu'il est de plus possible de réagencer certaines parties de la longue-vue à renversement de façon à produire des réflexions dans des positions autres que celles représentées dans l'exemple spécifique. On peut obtenir certains avantages par des changements dans la configuration physique.
Dans une majorité d'applications d'une stabilisation optique, comme par exemple des jumelles, il est très avantageux de simplifier l'optique, et de réduire à un miminum le prix de revient, la dimension, le poids, et la consommation d'énergie. Sous ce rapport, on se reportera à la fig. 4 sur laquelle le pliage de la longuevue afocale à renversement est représenté comme étant réalisé par une surface réfléchissante courbe. Comme on le voit sur la fig. 4, une partie 51 de la première lentille d'une longue-vue afocale à renversement s'étend à travers une paroi d'un boitier 52 étanche à la lumière afin de diriger les rayons lumineux incidents le long d'une trajectoire 43 sur une surface réfléchissante courbe 54 montée de façon rigide à l'intérieur du boî- tier. La surface 54 peut présenter des courbures sphériques ou cylindriques.
Il est à noter que la surface réfléchissante 54 accomplit deux tâches très importantes. Premièrement, elle sert d'élément de champ pour rassembler la lumière et, deuxièmement, elle corrige la courbure normale du champ des lentilles 51 et 56. Il est important de placer l'élément 54 près de l'image réelle pour qu'il accomplisse des tâches sans introduire d'aberrations perceptibles. On voit que le réflecteur 54 ne dirige pas la lumière complètement vers l'arrière, mais qu'au lieu de cela il la réfléchit suivant un certain angle par rapport à l'objet examine.
On voit cette lumière traverser la partie restante 56 de la lentille de la lunette afocale à renversement et se diriger sur un élément réfléchissant 31 stabilisé par inertie, tel que celui décrit plus haut. Cet élément 31 est articulé autour de deux axes mutuellement perpendiculaires qui sont à peu près perpendiculaires à l'axe de la lumière incidente. L'élément 31 est représenté comme étant articulé autour d'un point 32 situé près de son sommet; toutefois, il n'y a aucune restriction à l'emplacement du point de pivotement par rapport au prisme. Comme représenté sur la fig. 4, on peut aider la stabilisation par inertie de l'élément 31 au moyen d'un petit gyroscope 33 auquel est associé un dispositif de précession approprié 34.
Il est à remarquer que dans cette forme de réalisation, la lumière émergeant du dernier élément 56 de la lunette afocale à renversement en étant réfléchie se compose de rayons lumineux sensiblement parallèles qui sont toutefois dirigés obliquement vers le bas à l'intérieur du boîtier par une réflexion produite par le réflecteur courbe 54. Par suite, il est prévu ici que l'élément stabilisé par inertie 31 doit être disposé initialement avec son plan efficace de réflexion 36 formant un angle approprié à l'intérieur du boîtier de façon à réfléchir la lumière provenant de l'élément 31 à peu près en direction de l'arrière du boîtier.
Une lentille 57, ou un système de lentilles, est représentée comme étant montée à l'intérieur du boîtier pour concentrer la lumière provenant de l'élément 31 sur des oculaires 58 que l'on peut monter dans un prolongement formé à travers la paroi postérieure du boîtier, de façon à diriger une image stabilisée sur l'oeil 59 d'un spectateur.
La forme de réalisation représentée sur la fig. 4 est considérée comme comprenant les mêmes éléments de base que la forme de réalisation de la fig. 1 décrite plus haut. Ainsi, cette forme de réalisation comprend également une lunette afocale à renversement d'un grossissement de deux environ repliée par un nombre impair de surfaces réfléchissantes. On utilise avec les éléments qui précèdent un élément à triple réflexion 31 stabilisé par inertie; de ce fait, on se rend compte que le fonctionnement de la forme de réalisation de la fig. 4 est à peu près le même que celui de la forme de la fig. 4 est à peu près le même que celui de la forme de la fig. 1. Dans la configuration particulière représentée sur la fig.4, il est avantageux, et en général nécessaire, de monter un dispositif, par exemple un déflecteur de lumière 61, séparant la lumière d'entrée de la lumière sortante.
On se rend naturellement compte qu'aucune lumière ne doit pouvoir passer directement de l'ouverture d'entrée ménagée dans le boîtier à la partie de sortie du système, étant donné qu'une telle lumière ne serait aucunement stabilisée et qu'elle interfèrerait avec l'image résultante. Il est également à noter que pour des appareils de vision optique tels que des jumelles et des longue-vues, il est nécessaire de réaliser une stabilisation légèrement différente de celle des caméras. Dans le cas de dispositifs optiques associés à des caméras, il est avantageux de stabiliser une image dans un plan focal dans lequel une pellicule sensible à la lumière est destinée à être disposée. Par contre, l'observation d'un tel plan sur lequel se trouve une image stabilisée n'aboutirait pas à une stabilisation de l'image vis-à-vis du spectateur.
Ceci est traité plus amplement immédiatement cidessous.
Afin de mettre en relief certaines propriétés des appareils décrits et de noter que les éléments à triple réflexion utilisés ici fonctionnent à peu près comme un miroir plan avec une translation produite entre la lumière incidente et la lumière réfléchie, il est à remarquer pue la lumière en est réfléchie suivant le même angle que l'angle d'incidence. De ce fait, une variation dans l'angle d'incidence égale à O se traduit par une variation O dans l'angle de réflexion, de sorte que l'effet global d'une telle variation dans l'angle d'incidence serait de 2 O dans le réfléchissement produit par le miroir. Il s'ensuit ainsi qu'un miroir plan stabilisé par inertie produit réellement deux fois la déviation angulaire nécessaire pour stabiliser une image.
Les dispositifs décrits utilisent un grossissement de deux environ combiné avec l'équivalent du miroir plan stabilisé de façon à obtenir une variation dans l'angle de réflexion qui est exactement égale et opposée à une variation dans l'angle d'incidence de la lumière. Un grossissement, tel que celui appliqué ici, ne grossit pas seulement l'objet examiné, mais il amplifie également son déplacement angulaire. Plus précisément, l'angle formé par rapport à l'axe optique de la longue-vue, ou d'un appareil semblable, pour une compensation O d'une déviation donnée, est fourni par la relation A @ O = [P-2(P-1)] O où P est le grossissement de la longue-vue.
Pour des applications telles qu'à des caméras dans lesquelles il est avantageux d'établir une image stabilisée dans un plan de film, il est clair qu'alors L O doit être égal à zéro et qu'en consé- quence P = 2. Ceci s'applique particulièrement à la forme de réalisation représentée sur la fig. 1, dans laquelle le plan 42 d'image stabilisé est destiné à ce qu'on y place une porte de film ou un dispositif semblable. Par contre, les appareils de vision, par exemple les longue-vues, les jumelles, etc..., nécessitent une modification de la stabilisation.
Il est possible de déduire la modification nécessaire d'une considération attentive des éléments optiques incorporés, et le résultat consiste en un facteur de modification
1 (1 +)
M qui, dans le cas présent, est utilisé comme facteur de modification du grossissement de la lunette afocale à renversement 12. De ce fait, pour des appareils de vision tels que des lunettes ou des jumelles, la lunette 12 comporte ici une puissance égale à 2:(1+1/M). Le terme M représente le grossissement de la lunette 12, c'est-à-dire le grossissement de l'image quand elle entre dans l'élément 31. On notera que, dans le facteur de modification précédent, on utilise le signe (+) avec un système à image renversée, et le signe (-) avec un système à image redressée.
C'est à propos de ce qui précède que l'on emploie ici le terme grossissement de deux environ .
On notera en outre à propos de la forme de réalisation représentée sur la fig. 4 que la lumière incidente est réfléchie par un nombre impair de surfaces réfléchissantes, mais suivant un angle quelque peu faible par rapport à la lumière incidente. De ce fait, la lumière n'est pas entièrement renvoyée en arrière, mais elle l'est d'une façon importante. Cette simplification de la structure physique n'occasionne qu'une très légère diminution de la qualité qui est tout à fait tolé- rable pour la plupart des applications. Cette forme de réalisation est en particulier applicable aux lunettes et aux jumelles. On peut utiliser à volonté dans des jumelles comportant un dispositif optique approprie servant à diriger la lumière à travers deux oculaires.
un ensemble unique, tel que celui représenté schématiquement sur la fig. 4, de façon à n'avoir à utiliser qu'un unique compensateur de mouvements accidentels.
On a décrit ci-dessus deux formes de réalisation préférées de la présente invention. il est toutefois à noter qu'il est possible de leur apporter diverses variantes. En ce qui concerne la lunette afocale à renversement comportant une trajectoire de lumière repliée, on remarquera qu'on peut bien placer des lentilles en avant du nombre impair de surfaces réfléchissantes à volonté, ou entre ces surfaces. De même, on peut placer la lentille de champ dans la trajectoire optique à tout emplacement qui est commode et qui est compatible avec sa fonction. On remarquera en parti- culier que les appareils décrits surmontent certaines difficultés de la technique antérieure concernant la position et la dimension voulues de la pupille de sortie de la lunette afocale.
En utilisant une lunette à renversement dans laquelle la distance focale du second élément de lentille est d'une façon générale égale à la moitié de la distance focale du premier, et dans laquelle les points focaux des deux parties coïncident à peu près, il est possible de placer la pupille de sortie de la lunette (en faisant varier la puissance de la lentille de champ) à une distance importante par rapport à ceux-ci, du fait que la dimension du faisceau de lumière stabilisé est réduite à un minimum dans le dispositif optique stabilisé. Ceci procure un avantage considérable en ce qui concerne le mode de construction des instruments optiques. De plus, la lumière parcourt sensiblement la ligne de visée primitive à mesure qu'elle quitte le dispositif optique stabilisé, ce qui simplifie les dispositifs optiques qui suivent pour la plupart des applications.
En ce qui concerne les emplacements possible des éléments optiques, on remarquera que la lumière incidente peut être d'abord réfléchie avant de traverser l'objectif. Dans un système tel que celui représenté sur la fig. 3, on peut placer l'objectif entre les miroirs 26 et 27, à volonté; en outre, le miroir 28 peut être courbe à la façon de l'élément 54 de la fig. 4, afin de concentrer la lumière sur une seconde lentille de la lunette qui, à son tour. fournit une lumière sensiblement parallèle à un élément stabilisé par inertie comportant une ou trois surfaces réfléchissantes. On peut en autre appliquer avantageusement des variantes telles que celles qui précèdent pour adapter spécialement la trajectoire de la lumière pour des applications particulières.
Optical device with stabilization device
A wide variety of optical stabilization systems have been exploited which can be broken down into a number of general categories for discussion. The first of these categories may be referred to as the stabilized platform approach, in which an apparatus taken as a whole, for example a camera or similar device, is stabilized against movement by mounting it on a controlled platform. by gyroscope, for example. It is believed that various difficulties with this approach to the problem arise easily, in particular the necessary physical dimension of the overall system.
Another general category of optical stabilization systems includes those which convert light to some other type of beam, for example electron beams, which can then be corrected in their direction in order to compensate for angular deviations of a beam. casing produced from a primitive line of sight. Although the latter category of systems has certain advantages, these systems are very complex and quite unsuitable for many applications. Another general category of optical stabilizers uses a means, for example a gyroscope, to analyze the angular deviations of the apparatus from a primitive line of sight and to force an optical element to move in such a way that it compensates for the error.
These systems generally present at least one difficulty, such as having to use complex and often difficult to maneuver drive systems and compromising some basic limitations of gyroscopes or optical systems.
In addition to the above, certain stabilization systems have also been proposed. Both refractive and reflective systems have been exploited using propagation of light rays by directing them along the axis of the camera body while angular deviations from the camera occur, produced from a primitive line of sight. Many of these systems are quite practical for a wide variety of applications. In particular, it should be noted that the use of stabilization by inertia has been shown to be highly advantageous in the field of optical compensation for accidental movements.
The invention set out below is of particular utility in the field of compensation for accidental movements. The invention avoids the mechanical and optical limitations of the previous devices in the field of optical stabilization, both for cameras and for optical sighting devices. In common with inertial stabilized systems such as those generally identified above, the present invention is intended for use in all types of optical devices, including cameras, binoculars, spotting scopes, etc ...
With a real minimum of complexity and physical dimension, the present invention provides very high quality optics by introducing almost no aberration, while requiring only a minimum of precision in manufacture. High power magnification is possible in optical systems using the present invention because of the extremely high resolving power it achieves.
The present invention relates to an optical device with a stabilization device, comprising a light-tight housing. This apparatus is characterized in that it comprises an afocal reversing telescope, part of which passes through one of the walls of the case in order to direct the light inside the latter, this telescope having a magnification of approximately two and comprising a number odd number of reflecting surfaces arranged so as to intercept the light entering the housing and to reflect the same in a substantially parallel beam of light rays towards its origin;
a reflecting element stabilized by inertia and constituted by an odd number of reflecting surfaces mounted inside the housing, the stabilization by inertia of this element being ensured around two axes perpendicular to each other and to a primitive line of sight, these surfaces being arranged so as to receive the light coming from this afocal telescope and to reflect this light in a substantially parallel beam of light rays comprising an optical element mounted rigidly in the housing and arranged to receive the light reflected by the reflecting element to form a picture.
The accompanying drawing shows, by way of example, several embodiments of the object of the present invention. On this drawing:
Fig. 1 is a schematic representation in the form of a figure in outline of an embodiment of the present invention.
Fig. 2 is an illustration of the embodiment of FIG. 1 rotated at a small angle O, as can happen while using the device, and showing the trajectories of light passing through it.
Fig. 3 is a schematic illustration of a triple reflection element constituting an alternative and
fig. 4 is a schematic illustration of a variant particularly intended for optical sighting devices.
The embodiment shown in FIG. 1, comprises a number of optical elements arranged inside a light-tight housing 11. The housing 11 is taken as a reference below, in particular as regards the direction in which it is oriented; furthermore, it will be assumed below, unless otherwise stated, that the optical device constitutes a camera. Certain variations, or modifications, of optical stabilization are necessary for sighting devices, as compared to those for cameras, and this is discussed in some detail below.
Inside the housing 11 is disposed an afocal reversing telescope 12 with a magnification of approximately two, and comprising an odd number of reflecting surfaces serving to return the incoming light approximately forwards towards the object. that we observe. This telescope is shown as comprising a lens or lenses 13 constituting an objective and arranged in a wall of the housing forming an extension of the latter. The lens 13 is to be considered as being rigidly fixed to the housing; and inside this housing is arranged a triple reflection element 14 which is also rigidly fixed to the housing and in a position allowing it to intercept the light coming from the lens 13.
This element 14 is shown in the embodiment of FIG. 1. in the form of a prism; the general properties and variations of such an element are set forth immediately below. The element 14 serves to modify the propagation of the light by returning it back towards the examined object, and near the element 14 is disposed a second lens, or a group of lenses 16. The lenses 13 and 16 constitute together the afocal reversing telescope 12 with a magnification of about two and they direct the light. together with the element 14. in parallel rays substantially in the direction of the object examined.
One or more field lenses 17 can also be mounted to concentrate the light coming from the objective 13 inside the lens assembly 16. and
one can mount such field lenses 17 immediately
diatly in front of the reflecting element 14, between
this and objective 13. It should be noted in particular that
the lenses 13 and 16 of the telescope, as well as
the reflecting element 14 and the field lens 17,
are all rigidly attached to the housing 11.
Element 14 consists of an odd number of
reflective surfaces which can be given a
variety of different configurations. In the represen
tation of fig. 1, the element is a glass prism or
made of plastic, for example, showing in elevation
lateral tion the configuration of an isosceles triangle which
can be, at will. truncated. An anterior surface
18 of the prism faces the objective 13, so that the
light coming from the lens as it travels along a
axis 19 enters the prism to be reflected by
a first posterior surface 21, inclined by rap
port on the anterior surface.
We see that then a
such light is reflected internally in the prism
by the anterior surface 18 to return to a
second posterior surface 22, inclined with respect to
the anterior surface, and that it is reflected from there to
outside through the anterior surface to pass through
through the lens 16. The posterior surfaces 21 and
22 are each inclined relative to the surface
front 18 of the prism at an angle between
150 and 450 approximately. These limitations are generally
imposed by the need to avoid missing the
anterior face IS, while retaining a
almost total reflection on the anterior surface and
internally to the prism, while moving
mnt wanted between the incoming and outgoing light rays
so much.
It is convenient to consider the item reflected
sant 14 like a plane mirror presenting
properties of a surface, or plane of reflection, located at 23
behind the prism. A mathematical consideration of
prism establishes that the above is indeed the case, and that
this can thus be regarded as if the light inci
dente was reflected by this effective thinking plan
23, but was moved a certain distance
from the point of incidence along it.
The particular element 14 with triple reflection represented
felt in fig. 1 is provided only as an example of a variety of assemblies that can be used. Moon
possible variants of the prism 14 of FIG. 1 is
shown in fig. 3. In this case, we use
three plane mirrors 26, 27 and 28, fixed in position of
rigidly in relation to each other, so
than a ray of light 29 striking the first surface
reflective, or reflecting mirror 26, is reflected
to the second mirror 77 and from there to the third
mirror 28, so as to be reflected by it to
return along a line substantially parallel to the
incoming light ray 29, but to be moved laterally
Lement in relation to it.
We realize that we
can arrange the reflective surfaces 26, 27 and 28
following a variety of relative orientations; however, he
is necessary that in the embodiments of
two fig. 1 and 3, each of the reflective surfaces
contains a line that is parallel to a line of
each of the other reflective surfaces.
In addition to the afocal reversing telescope com
taking an odd number of reflective surfaces
so as to modify the propagation of the light
sending back in parallel beams towards the object which one
examines, this embodiment takes a
reflective element 31 stabilized by inertia. This element 31 can physically consist of the
the same way as the prism 14 of FIG. 1, or the variants thereof described above, so that the reflection with translation can be considered to be produced by an efficient reflection plane 36.
We can
achieve inertial stabilization of the reflected element
chissant 31 against a movement of pitching and
lace by articulating it around two transverse axes
mutually perpendicular, and for the purpose of
For convenience, a pivot point 32 is shown as being located near the top of the prism 31. The
pivot point 32 can be defined by the intersection of mutually perpendicular pivot axes, although these axes need not actually intersect, nor that element 31 be articulated
around its top.
In fact, one can place the pivot point or axes around which element 31 is stabilized almost anywhere within reasonable limits, so that element 31 maintains the primitive alignment during the movements of. pitch and yaw in relation to the light entering it, despite small displacements
angles of the housing 11 in the horizontal or vertical direction. The inertial stabilization of the element 31 can be helped by mounting a small gyroscope 33 attached to the element 31 and able to move with it around the pivot 32. A free gyroscope is used to increase the inertial stabilization of the element. element 31, and a precession element 34 can be used with this gyroscope.
The characteristics of such a precession element can especially be determined for particular uses; and, in general, the precession element of FIG. 1 works in such a way as to apply a force to the gyro- scope in a direction which is at right angles to the desired direction of precession, in fact the precession element can function in a quite conventional manner, but it must present a flat area in the characteristic curve of its operation to allow an angular range of compensation in which the precession element has no effect.
Accordingly, the gyroscope is effective in increasing the inertial stabilization of element 31 within a certain small predetermined range of angles. When this angular deflection range is exceeded, the precession element comes into operation to thereby cause the element 31 to move with the housing 11. This movement of the reflecting element 31 with the housing for deflections angular angles exceeding the predetermined minimum is necessary for those cases in which lateral or panoramic displacement of an optical device may occur. For example, with motion picture cameras or optical devices such as binoculars or spotting scopes, it is often advantageous to follow a moving object or to photograph a panoramic view by moving the optical device.
The present embodiment stabilizes the images against small angular deviations occurring from a primitive line of sight, such as can occur by accidental movements of a housing; however, it does not prevent lateral displacement. or pan, an optical device.
As noted above. the light emanates from the lens or lens system 16 of the long-view in parallel beams which are then directed onto the reflecting element 31 in which an odd number of reflections are seen to occur by tracing a
light path through it, so that the
light emanating from or reflected by element 31 in parallel rays can be focused by means of a lens or a lens system 41, on a stabilized image plane 42. For applications in a camera, a film gate can be placed in this image plane 42; however, for optical vision devices, lens 41 directs light into an eyepiece system for vision, as described in more detail immediately below.
In order to graphically represent the stabilization
provided we refer to fig. 2. In this representation, it can be seen that the housing 11 has tilted, or rotated, by a small angle O with respect to the horizontal. This angle is amplified in the drawing simply for the purpose of representation, since in practical use of optical devices, for example cameras, binoculars, spotting scopes, etc. hand, compensation for accidental movements is only necessary for vibrations or angular displacements of a relatively small order, such as for example a few degrees at most.
Assuming, as shown in fig. 2, that the housing has been rotated upwards at an angle O, it can be seen that the afocal reversing telescope 12 and the triple reflection element 14 return the incoming light towards the object, but deflected by relative to the primitive line of sight at an angle O.
The stabilization element 31, which is inertially stable, maintains its orientation along the original line of sight. Consequently, light entering element 31 at an angle O leaves it at an angle O which corresponds to the angle of rotation of the housing, as seen in FIG. 2. As a result, the light is reflected by the inertially stabilized element 31 in the same direction with respect to the housing as in the case of FIG. 1 to achieve a stabilized image plane 42 in the same relationship as it would in the position of the housing of FIG. 1 in which we would not have rotated the housing.
A stabilization of the optical device has therefore been achieved, with which an image is directed on an image plane in exactly the same place, whether or not the housing has been rotated at a small angle with respect to a. primitive line of sight.
Considering the foregoing in a little more detail, one realizes that by using hand-held optical instruments, for example cameras or binoculars, it is almost certain that some movements of the apparatus must take place. occur due to the inevitable lack of safety of the hand of the person holding the device. This lack of safety results in vertical or transverse angular deviations from the original line of sight or in some combination of the previous ones. As regards the triple reflection element 14 or its various variants such as those shown in FIG. 3, it makes no difference whether the changes in angular orientation are vertical or horizontal.
As regards the assembly stabilized by inertia 31, it is particularly noted au'il is articulated around a pivot 32 in two dimensions. that is, around two nernendicular axes which are both substantially perpendicular to a primitive line or line of sight of the reversed and folded afocal spotting scope. Accordingly, the representations of Figs. 1 and 2, which relate only to a vertical angular deviation from a primitive line of sight, are also applicable to horizontal deviations from a primitive line of sight. There is thus obtained a real and practical optical stabilization of an image, which is highly advantageous in the field of optics.
It is particularly noted that the light rays emanating from the afocal telescope 12 are substantially parallel, and therefore the various limitations of the prior art regarding precise mounting and movement of the elements are eliminated here. Because the light rays are substantially parallel, each of them is acted on in the same way by means of the movement compensation element of the system. It should further be noted that the location of the exit pupil of the spotting scope is advantageously placed for practical optical applications. The lens 16 of FIG. 1 acts on a real image rather than on a virtual image, which makes it possible to appreciably improve the general dimension and the elements which result therefrom here compared to those available in the previous technique.
As described above, the overturned folded afocal telescope 12 producing parallel, or collimated, light is shown to include a multiplicity of lenses in combination with a reflective element having an odd number of reflective surfaces. We can call this set a collimator since it actually produces parallel light. It should be noted that it is also possible to rearrange certain parts of the reversing spotting scope so as to produce reflections in positions other than those represented in the specific example. Some advantages can be obtained by changes in the physical configuration.
In a majority of applications of optical stabilization, such as for example binoculars, it is very advantageous to simplify the optics, and to reduce to a minimum the cost price, the size, the weight, and the consumption of. energy. In this regard, reference will be made to FIG. 4 on which the folding of the long reversing afocal view is shown as being achieved by a curved reflective surface. As seen in fig. 4, a portion 51 of the first lens of an afocal reversing spotting scope extends through a wall of a light-tight housing 52 in order to direct incident light rays along a path 43 on a curved reflective surface 54 rigidly mounted inside the housing. The surface 54 can have spherical or cylindrical curvatures.
Note that the reflective surface 54 performs two very important tasks. Firstly, it serves as a field element to gather light and, secondly, it corrects the normal curvature of the field of lenses 51 and 56. It is important to place element 54 close to the real image for it to accomplish tasks without introducing perceptible aberrations. It can be seen that the reflector 54 does not direct the light all the way back, but instead reflects it at an angle to the object being examined.
This light is seen to pass through the remaining part 56 of the lens of the afocal reversing telescope and to direct itself on a reflecting element 31 stabilized by inertia, such as that described above. This element 31 is articulated around two mutually perpendicular axes which are approximately perpendicular to the axis of the incident light. Element 31 is shown as being articulated around a point 32 located near its top; however, there is no restriction on the location of the pivot point relative to the prism. As shown in fig. 4, the inertial stabilization of the element 31 can be helped by means of a small gyroscope 33 which is associated with an appropriate precession device 34.
It should be noted that in this embodiment, the light emerging from the last element 56 of the afocal reversing telescope while being reflected consists of substantially parallel light rays which are however directed obliquely downwards inside the housing by a reflection produced by the curved reflector 54. As a result, it is provided here that the inertia stabilized element 31 must be initially disposed with its effective plane of reflection 36 forming an appropriate angle inside the housing so as to reflect the light. from element 31 roughly towards the rear of the housing.
A lens 57, or lens system, is shown to be mounted within the housing to focus light from element 31 onto eyepieces 58 which can be mounted in an extension formed through the posterior wall. of the housing, so as to direct a stabilized image onto the eye 59 of a spectator.
The embodiment shown in FIG. 4 is considered to include the same basic elements as the embodiment of FIG. 1 described above. Thus, this embodiment also comprises an afocal reversing telescope with a magnification of approximately two folded by an odd number of reflecting surfaces. With the preceding elements, a triple reflection element 31 stabilized by inertia is used; therefore, it will be appreciated that the operation of the embodiment of FIG. 4 is approximately the same as that of the shape of FIG. 4 is approximately the same as that of the shape of FIG. 1. In the particular configuration shown in fig.4, it is advantageous, and in general necessary, to mount a device, for example a light deflector 61, separating the input light from the outgoing light.
It is naturally realized that no light should be able to pass directly from the inlet opening in the housing to the outlet part of the system, since such light would not be stabilized in any way and would interfere with it. the resulting image. It should also be noted that for optical vision devices such as binoculars and spotting scopes, it is necessary to achieve stabilization that is slightly different from that of cameras. In the case of optical devices associated with cameras, it is advantageous to stabilize an image in a focal plane in which a light sensitive film is intended to be placed. On the other hand, the observation of such a plane on which there is a stabilized image would not lead to stabilization of the image with respect to the viewer.
This is dealt with more fully immediately below.
In order to highlight certain properties of the devices described and to note that the triple reflection elements used here function more or less like a plane mirror with a translation produced between the incident light and the reflected light, it should be noted that the light in is reflected at the same angle as the angle of incidence. Therefore, a variation in the angle of incidence equal to 0 translates into a variation O in the angle of reflection, so that the overall effect of such a variation in the angle of incidence would be 2 O in the reflection produced by the mirror. It follows that an inertia stabilized plane mirror actually produces twice the angular deviation necessary to stabilize an image.
The devices described use a magnification of about two combined with the equivalent of the stabilized plane mirror so as to obtain a variation in the angle of reflection which is exactly equal and opposite to a variation in the angle of incidence of light. Magnification, such as the one applied here, not only magnifies the examined object, but also amplifies its angular displacement. More precisely, the angle formed with respect to the optical axis of the telescope, or of a similar device, for a compensation O of a given deviation, is provided by the relation A @ O = [P-2 (P-1)] O where P is the magnification of the telescope.
For applications such as cameras in which it is advantageous to establish a stabilized image in a film plane, it is clear that then LO must be equal to zero and that therefore P = 2. This particularly applies to the embodiment shown in FIG. 1, in which the stabilized image plane 42 is intended for a film gate or the like to be placed therein. On the other hand, vision devices, for example spotting scopes, binoculars, etc., require a modification of the stabilization.
The necessary modification can be deduced from careful consideration of the incorporated optical elements, and the result is a modification factor.
1 (1 +)
M which, in the present case, is used as a factor for modifying the magnification of the afocal reversal telescope 12. Therefore, for vision devices such as glasses or binoculars, the telescope 12 here comprises a power equal to 2: (1 + 1 / M). The term M represents the magnification of the telescope 12, that is to say the magnification of the image when it enters element 31. Note that, in the previous modification factor, the sign (+ ) with a reversed image system, and the (-) sign with a rectified image system.
It is in connection with the above that the term magnification of about two is used here.
It will be further noted with respect to the embodiment shown in FIG. 4 that the incident light is reflected from an odd number of reflective surfaces, but at a somewhat small angle to the incident light. Therefore, the light is not entirely reflected back, but it is in an important way. This simplification of the physical structure results in only a very slight decrease in quality which is quite tolerable for most applications. This embodiment is particularly applicable to glasses and binoculars. It can be used at will in binoculars having a suitable optical device for directing light through two eyepieces.
a single assembly, such as that shown schematically in FIG. 4, so as to only have to use a single compensator for accidental movements.
Two preferred embodiments of the present invention have been described above. however, it should be noted that it is possible to provide them with various variants. As regards the afocal reversing telescope comprising a folded light path, it will be noted that lenses can be placed in front of the odd number of reflecting surfaces at will, or between these surfaces. Likewise, the field lens can be placed in the optical path at any location which is convenient and compatible with its function. In particular, it will be appreciated that the apparatuses described overcome certain difficulties of the prior art regarding the desired position and size of the exit pupil of the afocal telescope.
By using a reversing telescope in which the focal length of the second lens element is generally equal to half the focal length of the first, and in which the focal points of the two parts roughly coincide, it is possible to place the exit pupil of the telescope (by varying the power of the field lens) at a significant distance from them, because the dimension of the stabilized light beam is reduced to a minimum in the device stabilized optics. This provides a considerable advantage as regards the mode of construction of optical instruments. In addition, light travels substantially the primitive line of sight as it leaves the stabilized optical device, simplifying the optical devices that follow for most applications.
With regard to the possible locations of the optical elements, it will be noted that the incident light can first be reflected before passing through the objective. In a system such as that shown in FIG. 3, the objective can be placed between the mirrors 26 and 27 at will; furthermore, the mirror 28 may be curved like the element 54 of FIG. 4, in order to focus the light on a second lens of the bezel which in turn. provides light substantially parallel to an inertia stabilized element having one or three reflective surfaces. In addition, variants such as those above can advantageously be applied to specially adapt the path of the light for particular applications.