Compensateur des mouvements fortuits pour un système optique
La présente invention concerne un compensateur de mouvements fortuits pour un système optique, comme par exemple un appareil de prise de vue ou un appareil de visée.
On a mis au point une diversité de compensateurs, s'appliquant principalement à des instruments de nivellement, ne pouvant en général fonctionner qu'en ce qui concerne un plan vertical. On peut dire de tels compensateurs que ce sont des compensateurs pendulaires. Bien que certains de ces développements de la technique antérieure se soient montrés hautement avantageux, ils sont généralement inapplicables au domaine général de l'optique. Outre ce qui précède, on a également exploité certains systèmes de stabilisation destinés à compenser les mouvements accidentels de systèmes optiques; et dans cette catégorie, on trouve par exemple des systèmes réfringents dans lesquels une partie d'un système de lentilles est stabilisé par rapport à une ligne de visée, de sorte qu'un déplacement des autres parties d'un tel système met en position un prisme correcteur pour supprimer les angles d'erreur.
On a également proposé différentes autres solutions pour résoudre le problème de la compensation des mouvements accidentels dans le domaine des appareils de visée et des caméras, par exemple.
Celles-ci consistent en une compensation électronique ou électrique dans laquelle la lumière est représentée par des faisceaux d'électrons que l'on dévie pour compenser des mouvements accidentels, de même que des servosystèmes électro-mécaniques dans lesquels on détecte les défauts d'alignement et on applique des forces correctives.
La présente invention poursuit le même but que celui des différents dispositifs de compensation de mouvements accidentels de la technique antérieure, c'est-à-dire réaliser un plan d'image stabilisé dans des dispositifs optiques, de façon que de petites variations d'angles à partir d'une ligne de visée primitive ne déplacent pas sensiblement une image mise au point sur un tel plan.
Le compensateur selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend un boîtier, une lunette redresseuse d'image à grossissement d'environ deux pouvant se mouvoir avec le boîtier, un dispositif coopérant avec la lunette pour projeter un faisceau de lumière collimatée du système optique au boîtier, un dispositif de réflexion monté dans la trajectoire du faisceau et disposé pour réfléchir la lumière collimatée du faisceau dans une direction décalée par rapport au faisceau provenant de la lunette, un dispositif d'inertie monté sur le dispositif de réflexion et agencé pour maintenir ce dernier dans une position angulaire fixe dans l'espace, indépendamment d'éventuels mouvements angulaires de faible amplitude du boîtier,
et un dispositif optique monté rigidement par rapport au boîtier dans la trajectoire du faisceau réfléchi provenant du dispositif de réflexion et agencé pour former une image dans le boîtier.
Dans la description qui suit, les termes orientation angulaire et écart angulaire sont utilisés pour se référer à des angles formés par rapport à l'axe d'une ligne de visée primitive et ne se rapportant pas à des mouvements de rotation autour d'un tel axe.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, plusieurs formes de réalisation de l'objet de l'invention.
Sur ce dessin:
La fig. 1 est un schéma montrant les propriétés de réflexion de lumière d'un prisme que l'on peut stabiliser physiquement comme constituant une partie d'une première forme de réalisation.
La fig. 2 est un schéma montrant les relations de la réflexion de la lumière pour un angle d'incidence modifié par rapport à celui représenté sur la fig. 1.
La fig. 3 est un schéma d'un second exemple d'un prisme à triple réflexion que l'on peut utiliser dans une autre forme de réalisation.
La fig. 4 est une représentation schématique d'une configuration à trois miroirs d'un ensemble que l'on peut stabiliser physiquement comme constituant une partie d'une autre forme de réalisation.
La fig. 5 est un schéma d'une forme de réalisation complète, et
la fig. 6 représente cette forme de réalisation inclinée suivant un angle 1} par rapport à une ligne de visée primitive.
On pourra mieux comprendre la présente description en considérant d'abord les caractéristiques de la géométrie d'un élément à triple réflexion que l'on utilise comme composant stabilisé par inertie. Cet élément est représenté sur la fig. 1 sous une de ses formes unique de réalisation. On voit sur la fig. 1 un prisme 11 présentant la forme d'un triangle isocèle avec un angle e égal à 300 dans cet exemple. Bien qu'il ne soit pas nécessaire que l'élément 11 soit en verre, il est dénommé ci-après prisme pour la commodité. En réalité, il n'est pas nécessaire que l'élément mobile 1 1 prenne la forme d'un prisme, mais il peut au lieu de cela être constitué par une combinaison appropriée de surfaces réfléchissantes, comme par exemple des miroirs plans.
Dans l'exemple particulier représenté sur la fig. 1, les rayons lumineux sont représentés comme pénétrant dans le prisme le long d'un axe 12 perpendiculaire à une surface antérieure plate 13 de celui-ci, et comme circulant jusqu'à l'une de deux surfaces arrière réfléchissantes 14 et 16. La lumière se réfléchit à partir de cette surface arrière 14 en revenant à la surface avant 13 d'où elle se réfléchit en arrière vers l'autre surface postérieure 16 et elle se réfléchit de celle-ci vers l'arrière pour sortir du prisme le long d'un axe 17 qui est représenté comme étant parallèle à l'axe de pénétration 12. On voit les axes de pénétration et de sortie de rayons lumineux déplacés d'une certaine distance d.
En considérant plus en détail la géométrie de cet agencement particulier et en désignant la longueur de chaque surface arrière 14 et 16 par S, on voit que cette lumière se réfléchit à partir de la surface 14 suivant un angle 21} par rapport à la lumière qui la frappe. La lumière réfléchie dans cette géométrie parcourt une distance S/2 pour se heurter à la surface antérieure 13 et se réfléchir sur celle-ci en un point déplacé de d/2 par rapport à l'axe de pénétration 12. De cette géométrie, on peut alors déduire la relation géométrique sin 2* = dis.
En plus de la géométrie générale de cet agencement, on peut déterminer la longueur du trajet de la lumière dans le prisme en ajoutant ensemble les quatre parties séparées de celui-ci, telles qu'elles sont indiquées sur la fig. 1, comme suit: 5%. sin µ + 5% + 5% + 5/2 sin Q. Ceci se réduit à une longueur de trajet
L=S (l+sinµ).
La considération de cet arrangement particulier montre que les rayons lumineux circulant dans la matière du prisme paraissent entrer le long de l'axe 12 et sortir le long d'un autre axe, 17, comme s'ils avaient été réfléchis par un miroir plan, mais en ayant subi un mouvement de translation sur une distance d. Pour des rayons circulant dans le verre, ou dans d'autres matières constituant le prisme, ce miroir plan apparent, ou plan de réfléchissement efficace, est situé à une distance SI (1- sin µ) derrière le sommet du prisme. On peut déduire cette relation d'une plus ample considération de la géométrie de l'agencement et en soustrayant la distance séparant le sommet du prisme et la surface antérieure 13 de la distance totale séparant la surface antérieure 13 et ce plan de réfléchissement efficace 21.
Bien que la discussion précédente ne se rapporte qu'à un rayon lumineux selon l'axe optique et déplacé de d/ par rapport au pivot P, le fait que le système agit comme un miroir plan plus une translation entraîne que d'autres rayons sont affectés de la même façon. L'effet de réfraction change légèrement la position apparente de cette surface de réfléchissement efficace; toutefois, dans l'intérêt de la simplicité de cet exemple, on considérera ci-après chacune des surfaces réfléchissantes 13, 14 et 16 comme des surfaces, ou miroirs, simplement réfléchissantes, de façon à éviter les complications dues aux effets de réfraction.
En réalité, il est tout à fait pratique de construire un système utilisant des miroirs plutôt qu'un prisme, dans lequel le miroir antérieur présente une largeur inférieure à d pour ne couvrir qu'une partie limitée des surfaces réfléchissantes postérieures voisines de son sommet.
Après la discussion générale portant sur un exemple du système, il est possible de considérer les effets des variations de l'angle incident de la lumière sur le prisme.
Le but de ces considérations apparaîtra mieux d'après la description suivante de certaines formes de réalisation pratiques. Sur la fig. 2 est représenté un prisme 1 1 qui peut être identique à celui qui est représenté sur la fig. 1; et on y voit représenté par les axes 12 et 17 le rayon lumineux central, ou son axe optique, de la lumière entrante et sortante, comme sur la fig. 1. On y voit également un axe optique 12' incliné d'un certain angle différant de 900 par rapport à la surface antérieure du prisme.
Un rayon lumineux pénétrant dans le prisme le long de l'axe 12' se réfléchit à partir de la surface arrière 14 à la surface avant 13, et il revient de là à l'autre surface arrière 16 et sort du prisme le long de l'axe 17', comme représenté. Le rayon incident 12' est représenté comme pénétrant dans le prisme suivant un angle â par rapport à la perpendiculaire, comme on peut l'attendre d'une surface réfléchissante plane. De ce fait, l'angle d'incidence est égal à l'angle d'émergence du prisme, comme cela serait le cas si le prisme était un miroir plan situé dans le plan 21. De la même façon, pour ce rayon 12', il se produit un déplacement d le long du plan efficace de réfléchissement 21 exactement comme dans le cas dans lequel le rayon lumineux pénètre perpendiculairement par rapport au prisme.
Ce qui précède reste également vrai pour des points d'incidence variés du rayon entrant le long de la surface du prisme dans les limites de l'acceptation de ses ouvertures d'entrée et de sortie.
On voit ainsi que l'on peut considérer optiquement le prisme décrit ci-dessus comme un miroir plan avec une translation prédéterminée entre les rayons incidents et réfléchis. Ces propriétés sont d'une importance particulière en ce qui concerne la compensation d'un mouvement accidentel, puisqu'un déplacement latéral du prisme par rapport aux rayons lumineux incidents n'affecte pas, dans des limites acceptables, l'angle de réflexion ou le déplacement des rayons lumineux entrant ou sortant. Il est de plus à noter qu'en commun avec la surface réfléchissante plane, le prisme décrit produit un angle de 2 b entre les rayons lumineux incidents et réfléchis, où ô est l'angle d'incidence par rapport à une perpendiculaire à la surface avant du prisme.
On a discuté plus haut les relations géométriques entre les éléments d'un ensemble réfléchissant simplifié, ou prisme, et les considérations sur l'effet résultant de la variation de l'angle de la lumière incidente qui peut être produite en faisant tourner un tel prisme. Il est toutefois à noter ici que, dans la discussion précédente de la fig. 2, il est également possible de faire tourner le prisme autour de pivots situés à toute place quelconque parmi une variété de places, pour autant que ceci imprime simplement un mouvement de translation au système de miroir qui n'est pas sensible à une translation dès l'instant qu'il se comporte comme un miroir plan.
I1 est à noter qu'il résulte une variation dans la longueur de la trajectoire du fait de la rotation du système autour des points de pivotement dans des positions variées.
I1 est possible avec un système réfléchissant du type décrit ci-dessus d'obtenir une stabilisation d'image du type exigé pour une compensation d'un mouvement accidentel, avec des caméras ou avec des dispositifs de visée optiques. Sous ce rapport, il est à noter particulièrement que, pour des applications à des caméras, les compensateurs de mouvements accidentels doivent maintenir une image provenant de l'objectif à peu près fixe, ou placée dans une position fixe, sur un film plan. De cette façon, de petits mouvements accidentels d'un boîtier de caméra auquel sont fixés l'objectif et le plan du film sont compensés de façon appropriée, de sorte qu'une image stabilisée se présente sur le film dans les plans coïncidant de l'image stabilisée et du film.
Par contre, des appareils de visée optiques, tels que des télescopes ou des jumelles, exigent une stabilisation modifiée, de façon que les rayons lumineux quittant l'appareil n'apparaissent pas à l'observateur comme étant déviés par les vibrations de l'appareil. On peut démontrer dans le cas envisagé ici que la stabilisation de la caméra ou le pourcentage de stabilisation, ainsi qu'on l'appelle quelquefois, doit être modifié par le facteur:
EMI3.1
pour des appareils de visée optiques dans lesquels M est le grossissement du système optique.
La fraction de stabilisation de la caméra nécessaire pour redresser des dispositifs de visée est de:
EMI3.2
et, pour inverser des appareils de visée, la fraction de stabilisation de la caméra est de:
EMI3.3
Dans la discussion suivante, il est fait mention d'une façon générale de la stabilisation de la caméra; et il va de soi que celle-ci est à modifier par le facteur précédent pour les dispositifs de visée optiques, comme par exemple des jumelles, des télescopes, etc.
On se rend compte que l'exemple décrit ci-dessus utilise trois surfaces réfléchissantes identifiées sur le dese sin par 13, 14 et 16. Bien que ces surfaces doivent avoir certaines relations les unes par rapport aux autres, comme décrit plus en détail ci-dessous, il n'est pas normalement nécessaire qu'elles présentent l'étendue physique représentée dans l'exemple précédent. C'est ainsi qu'à titre de second exemple, on se reportera à la fig. 3 sur laquelle la pointe arrière du prisme est enlevée. Dans cet exemple, et en utilisant les mêmes conventions, dans lesquelles d représente l'écart des axes entrant et sortant, * est l'angle du coin du prisme et S est la longueur des côtés postérieurs du prisme, il en résulte une relation quelque peu différente de celle déduite ci-dessus.
En supposant que l'axe d'entrée 12 frappe la surface arrière 14 en un point situé à mi-distance entre les surfaces avant et arrière du prisme, séparées par une distance h, il est alors possible, par des calculs trigonométriques simples, de déduire la relation que h = S sin * et que
S sin 6 sin 2 6
d= cos2* que l'on peut réduire à à d=Ssin6tang26. Dans cet exemple particulier, représenté sur la fig. 3, la longueur totale du trajet de la lumière dans le prisme est:
EMI3.4
et le plan de déviation 21 est également déplacé par rapport à la surface du prisme de:
EMI3.5
Dans la discussion précédente d'un système généralisé à triple réflexion, la position des surfaces réfléchissantes était déterminée en fonction d'un angle µ et d'une distance S.
Il est à noter particulièrement qu'il existe certaines limitations concernant l'angle i. I1 est évident que la lumière incidente ne doit pas frapper la première surface réfléchissante 14 sous un angle d'incidence si grand qu'elle n'est pas réfléchie pour revenir à la seconde surface réfléchissante 13. En conséquence, l'angle e ne peut pas être trop grand. En outre, il est à noter que la lumière incidente ne doit pas frapper la première surface réfléchissante 14 sous un angle d'incidence trop petit, car autrement elle sera réfléchie à peu près directement en arrière et la translation d devient trop petite pour des buts pratiques.
Dans la pratique, on a constaté que l'angle e formé entre les première et seconde surfaces réfléchissantes et, de ce fait, également entre les seconde et troisième surfaces réfléchissantes, doit être de l'ordre de 150 à 450. Pour un angle supérieur à 450, les rayons lumineux tendent à n'être pas réfléchis pour revenir à la seconde surface réfléchissante; et, par contre, pour un angle V inférieur à 150, les rayons lumineux renvoyés sont rapprochés à l'excès des rayons lumineux incidents pour la plupart des applications pratiques. I1 est avantageux de produire un déplacement très important des rayons lumineux incidents et réfléchis, de façon qu'il n'existe aucune interférence entre eux et qu'un espace approprié soit ménagé pour l'utilisation de la lumière réfléchie.
C'est ainsi que pour cette forme de réalisation du prisme, qu'elle soit construite sous la forme d'un prisme ou sous celle de trois miroirs, l'angle formé entre les première et seconde surfaces réfléchissantes devrait être de l'ordre de 150 à 450.
En plus de la limitation décrite ci-dessus concernant l'angle e existant dans le présent système à triple réflexion, il est à noter particulièrement que les plans de réflexion 13, 14 et 16 doivent être orientés de façon à contenir chacun un axe parallèle à un axe situé dans l'autre plan. On peut énoncer cela d'une autre manière en disant qu'on peut abaisser sur chacun des plans réfléchissants un axe qui lui est perpendiculaire, ces trois axes étant eux-mêmes perpendiculaires à un axe unique.
Dans le plan des dessins des fig. 1 et 3, par exemple, ceci apparaît clairement, chacun des plans pouvant être considéré comme étant vertical. En plus de la limitation précédente, il est également nécessaire que les plans réfléchissants soient orientés de façon que l'axe original de la lumière incidente 12 soit sensiblement parallèle à l'axe de la lumière sortante 17 dans la position de compensation zéro. La relation physique des plans individuels de réflexion reste fixe et un déplacement quelconque ou tous les déplacements du prisme se traduisent par un déplacement d'ensemble des plans réfléchissants.
Il est également à noter particulièrement que les surfaces réfléchissantes 13, 14 et 16 peuvent être constituées par des miroirs plans, par exemple disposés en relation fixe les uns par rapport aux autres. Dans ces circonstances, la surface réfléchissante antérieure 13 doit présenter une étendue latérale limitée de façon à ne pas gêner la lumière entrante ou sortante. Par exemple, la surface antérieure 13 peut être constituée par un miroir présentant une étendue latérale égale ou légèrement supérieure à celle de la surface postérieure du prisme représenté sur la fig. 3, auquel cas les propriétés de réflexion totale de la surface antérieure restent disponibles pour être utilisées pour la seconde réflexion de la lumière passant dans l'élément.
A la suite des limitations énoncées dans le paragraphe précédent, on peut se rendre compte que certaines configurations constituant des variantes sont possibles et sont, en fait, tout à fait pratiques. Dans la forme de réalisa- tion représentée schématiquement sur la fig. 4, la lumière pénétrant le long d'un axe optique frappe un premier miroir plan 22 et est réfléchie par celui-ci sur un second miroir plan 23. Ce second miroir 23 réfléchit la lumière sur un troisième miroir plan 24 qui, à son tour, réfléchit la lumière le long d'un axe de sortie 26 qui est parallèle à l'axe d'entrée 20.
Les miroirs individuels 22, 23 et 24 sont disposés de façon que chacun présente à sa surface un axe qui est parallèle à un axe placé sur les autres; et on peut supposer, par exemple, que dans la fig. 4 les miroirs individuels sont disposés verticalement pour satisfaire à cette condition. Pour ce qui concerne les angles relatifs formés entre les surfaces des miroirs, ceux-ci sont réglés ici de façon que l'axe optique émergent 26 soit parallèle à l'axe optique incident 20.
On se rend compte que ceci permet un degré important de liberté dans la détermination de la position des trois surfaces réfléchissantes. I1 est à noter toutefois particulièrement que les miroirs sont disposés selon une relation fixe les uns par rapport aux autres, en dépit du fait qu'on peut déplacer par rapport au boîtier de l'instrument l'ensemble entier constitué par les miroirs, lors de l'utilisation de l'invention.
Pendant le fonctionnement, les trois surfaces réfléchissantes sont fixées rigidement les unes aux autres et sont ensuite stabilisées par inertie par rapport à une ligne de visée, c'est-à-dire par rapport à l'axe optique d'entrée 20. On réalise cette stabilisation autour d'axes à peu près perpendiculaires mutuellement et qui sont chacun perpendiculaires à l'axe optique original, mais qui n'ont pas besoin de se couper les uns les autres.
Une combinaison d'un élément à triple réflexion telle qu'elle est décrite d'une façon générale ci-dessus et qui est monté en vue d'une stabilisation par inertie réalisée avec un système optique disposé dans la relation précédente par rapport à un tel élément est représentée à la fig. 5. Dans la discussion qui suit, les exemples se rapportent à des applications à une caméra; on doit toutefois se souvenir qu'une correction ou modification de stabilisation est nécessaire pour des appareils de visée optiques, comme exposé plus haut. En se reportant à la fig. 5, on y voit un télescope ou lunette de Galilée à image redressée grossie deux fois, montée en relation fixe par rapport à un boîtier 32 entourant le système comprenant la lunette.
Ce télescope 31, sous la forme d'une lunette de Galilée, se compose d'une lentille 33 constituant un objectif et d'une lentille 34 constituant un oculaire, disposées de façon à être écartées l'une par rapport à l'autre le long d'un axe optique et constituées pour réaliser un grossissement de deux. Dans ce type d'appareil, les foyers des deux lentilles 33 et 34 coïncident dans un plan focal 36. Les rayons lumineux sortant de la lunette de Galilée 31 sont sensiblement parallèles et on les vcit se diriger sur un élément 37 tel que celui décrit plus haut et qui sert de miroir plan placé dans un plan de réflexion efficace 38 procurant une translation entre la lumière incidente et la lumière réfléchie.
Cet élément 37 constitue un ensemble à triple réflexion formé par un prisme ou par des surfaces de miroirs, et' il est monté de façon à se déplacer librement autour de deux axes mutuellement perpendiculaires passant par un point 39. L'élément 37 est équilibré autour du point 39, par exemple au moyen d'un ensemble 41 qui peut être constitué par un gyroscope libre aidant à la stabilisation par inertie. Dans le cas où on utilise un gyroscope, il est possible de lui associer un dispositif commandé de précession, de façon à stabiliser l'élément 37 par inertie pour des déplacements du boîtier 32 suivant de petits angles et à de hautes fréquences, mais de façon à amener cet élément approximativement en alignement avec le boîtier pour les déplacements de celui-ci suivant des angles importants.
Ceci donne ainsi la possibilité de déplacer l'instrument comme il est nécessaire, pour prendre une vue panoramique avec des caméras de cinéma, par exemple. Les détails de construction, de précession et de mise à la mesure des caractéristiques de précession d'un gyroscope sont connus dans la technique et, en conséquence, ne sont pas décrits ici. I1 est à noter, toutefois, qu'un réglage assez précis de la précession d'un gyroscope est possible.
La lumière qui se réfléchit trois fois dans l'élément 37 à triple réflexion se dirige ensuite vers l'extérieur à partir de celui-ci, comme indiqué, vers une lentille 42 qui sert à concentrer la lumière sur un plan d'image stabilisé 43 placé à l'intérieur du boîtier 32, après passage à travers un prisme 44 dont les propriétés optiques sont semblables à celles du prisme 37. Il est à noter qu'on peut placer le point de pivotement 39 dans toute position voulue; et que, de plus, il n'est pas nécessaire que les axes de pivotement se coupent les uns les autres, mais qu'ils peuvent en fait être déplacés l'un par rapport à l'autre.
On se souvient, d'après la discussion ci-dessus, que l'élément 37 agit à la manière d'un miroir plan situé dans le plan efficace de réflexion 38; et il est à noter particulièrement qu'un tel miroir plan réalise un doublement de l'angle d'incidence dans la lumière réfléchie.
En conséquence, il est nécessaire de diviser par deux la compensation fournie par un miroir plan stabilisé ou de doubler l'angle apparent du déplacement de la lumière incidente. Alors que les dispositifs de ce type particulier de la technique antérieure fonctionnent de façon à diviser par deux la stabilisation du miroir, le présent dispositif fonctionne de façon à doubler l'angle de déplacement de la lumière incidente. Ceci est réalisé ici par la lunette de redressement 31 à grossissement de deux, car elle n'applique pas le grossissement seulement aux images observées, mais également aux déplacements. En se reportant à la fig. 6, on voit qu'une déviation réelle de l'axe optique à partir d'une ligne de visée horizontale suivant un angle e fait que la lumière frappe le prisme suivant une déviation de 2 e par rapport au boîtier.
Comme le prisme stabilisé par inertie reste vertical, la lumière le frappe alors suivant un angle * par rapport à l'horizontale. La lumière se réfléchit à partir du prisme stabilisé comme à partir d'un miroir plan et suivant un angle opposé µ par rapport à l'horizontale. Il est à noter que le prisme 44 tourne d'un angle e avec le boîtier, de sorte que la lumière le frappe perpendiculairement (en ce qui concerne l'axe du faisceau de lumière). On voit par suite la lumière se réfléchir sur le plan d'image stabilisé 43 exactement comme si on n'avait pas fait tourner le boîtier.
Dans le cas d'appareils à visée optiques, par exemple des télescopes ou des jumelles, on modifie le grossissement de la lunette 31 pour le porter à:
EMI5.1
afin d'atteindre la stabilisation indispensable pour la vision, par exemple au moyen d'un dispositif optique tel qu'il est indiqué d'une façon générale en 46 sur la fig. 5, comme décrit ci-dessous, et en utilisant les mêmes conventions.
Le dispositif décrit ci-dessus comprend une combinaison d'une lunette de Galilée, ou lunette terrestre, à grossissement de deux, précédant un élément stabilisé par inertie comportant un nombre impair de surfaces réfléchissantes afin de produire de cette façon un déplacement d'une image mise au point égal et opposé à celui qui est occasionné par des déplacements du boîtier suivant des angles limités. En utilisant la lunette de Galilée en combinaison avec un ensemble de prisme stabilisé par inertie, on réalise une collimation de lumière à travers la partie de compensation du système, de telle sorte que l'élément à triple réflexion agit sur des rayons lumineux à peu près parallèles.
Cette utilisation de lumière parallèle dans la compensation de mouvements accidentels supprime les limitations dans l'alignement initial précis et dans le maintien d'un tel alignement pendant le fonctionnement exigées par la technique antérieure. En conséquence, il est possible d'utiliser, dans des systèmes utilisant par exemple des gyroscopes, des portées relativement peu coûteuses et pouvant être imprécises. De ce fait, il est possible d'utiliser un montage amortisseur pour certaines parties du dispositif, même si cela peut se traduire par une certaine translation du prisme due à des vibrations internes. Ceci est acceptable ici avec des rayons lumineux parallèles, alors que dans les appareils de la technique antérieure, toute translation de la trajectoire optique peut aboutir à un brouillage de l'image.
Le compensateur décrit réalise un progrès important dans la technique, qui simplifie d'une manière appréciable la construction des compensateurs de mouvements accidentels, en particulier en ce qui concerne la précision de construction nécessaire. En augmentant légèrement seulement la complexité du système optique, on obtient une réduction très importame des difficultés et des prix de fabrication. I1 est à noter en outre qu'on peut incorporer dans le train optique global une grande variété d'éléments optiques supplémentaires et que l'on peut diriger la lumière émergente de toute manière voulue, en avant, en arrière, ou latéralement, par rapport à la lumière entrante.
L'illustration de la fig. 5 incorpore un élément supplémentaire à réflexions multiples uniquement dans le but de renverser la lumière afin d'obtenir une trajectoire de lumière émergente du même sens que celui de la lumière incidente. Ceci est hautement avantageux pour la plupart des dispositifs de visée optiques, mais n'est toutefois pas nécessaire pour des applications à des caméras et à des instruments semblables. En l'absence d'un prisme de renversement, ou d'un dispositif semblable, une image de caméra serait renversée: et, de ce fait, on y utilise normalement au moins un miroir pour une correction présentant une égalité parfaite.
Accidental movement compensator for an optical system
The present invention relates to a compensator for accidental movements for an optical system, such as for example a camera or a sighting device.
A variety of compensators have been developed, mainly applied to leveling instruments, which can generally only operate with respect to a vertical plane. We can say that such compensators are pendular compensators. Although some of these prior art developments have been shown to be highly advantageous, they are generally inapplicable to the general field of optics. In addition to the above, some stabilization systems have also been used to compensate for accidental movements of optical systems; and in this category, there are, for example, refractive systems in which part of a lens system is stabilized with respect to a line of sight, so that a movement of the other parts of such a system places a corrector prism to remove error angles.
Various other solutions have also been proposed for solving the problem of compensating for accidental movements in the field of sighting devices and cameras, for example.
These consist of electronic or electrical compensation in which light is represented by beams of electrons which are deflected to compensate for accidental movements, as well as electro-mechanical servo systems in which alignment errors are detected. and corrective forces are applied.
The present invention pursues the same object as that of the various accidental movement compensation devices of the prior art, that is to say to achieve a stabilized image plane in optical devices, so that small variations in angles from a primitive line of sight do not significantly displace a focused image on such a plane.
The compensator according to the invention is characterized in that it comprises a housing, an image rectifying telescope with a magnification of about two which can move with the housing, a device cooperating with the telescope to project a beam of collimated light from the optical system at the housing, a reflection device mounted in the beam path and arranged to reflect the collimated light of the beam in a direction offset from the beam from the telescope, an inertia device mounted on the reflection device and arranged to maintain the latter in a fixed angular position in space, independently of any small angular movements of the housing,
and an optical device mounted rigidly with respect to the housing in the path of the reflected beam from the reflection device and arranged to form an image in the housing.
In the following description, the terms angular orientation and angular deviation are used to refer to angles formed with respect to the axis of a primitive line of sight and not relating to rotational movements around such axis.
The accompanying drawing shows, by way of example, several embodiments of the object of the invention.
On this drawing:
Fig. 1 is a diagram showing the light reflection properties of a prism which can be physically stabilized as part of a first embodiment.
Fig. 2 is a diagram showing the relations of the reflection of light for an angle of incidence modified from that shown in FIG. 1.
Fig. 3 is a diagram of a second example of a triple reflection prism which can be used in another embodiment.
Fig. 4 is a schematic representation of a three mirror configuration of an assembly which can be physically stabilized as part of another embodiment.
Fig. 5 is a diagram of a complete embodiment, and
fig. 6 shows this embodiment inclined at an angle 1} with respect to a primitive line of sight.
The present description can be better understood by first considering the characteristics of the geometry of a triple reflection element which is used as a component stabilized by inertia. This element is shown in fig. 1 in one of its unique embodiments. It is seen in fig. 1 a prism 11 having the shape of an isosceles triangle with an angle e equal to 300 in this example. Although the element 11 need not be made of glass, it is hereinafter referred to as a prism for convenience. In reality, it is not necessary for the movable element 1 1 to take the form of a prism, but it may instead consist of an appropriate combination of reflecting surfaces, such as for example plane mirrors.
In the particular example shown in FIG. 1, the light rays are shown as entering the prism along an axis 12 perpendicular to a flat front surface 13 thereof, and as flowing to one of two reflective rear surfaces 14 and 16. The light reflects from this back surface 14 back to the front surface 13 from where it reflects back to the other back surface 16 and reflects back from it back out of the prism along of an axis 17 which is represented as being parallel to the axis of penetration 12. The axes of penetration and exit of light rays can be seen displaced by a certain distance d.
Considering in more detail the geometry of this particular arrangement and designating the length of each rear surface 14 and 16 as S, it is seen that this light is reflected from surface 14 at an angle 21} to the light which The strike. The light reflected in this geometry travels a distance S / 2 to collide with the anterior surface 13 and to reflect on the latter at a point displaced by d / 2 with respect to the axis of penetration 12. From this geometry, we can then deduce the geometric relation sin 2 * = dis.
In addition to the general geometry of this arrangement, the length of the path of light in the prism can be determined by adding together the four separate parts thereof, as shown in fig. 1, as follows: 5%. sin µ + 5% + 5% + 5/2 sin Q. This reduces to a path length
L = S (l + sinµ).
Consideration of this particular arrangement shows that the light rays circulating in the material of the prism appear to enter along axis 12 and exit along another axis, 17, as if they had been reflected by a plane mirror, but having undergone a translational movement over a distance d. For rays circulating in the glass, or in other materials constituting the prism, this apparent plane mirror, or effective reflecting plane, is located at a distance SI (1- sin µ) behind the apex of the prism. This relationship can be deduced from further consideration of the geometry of the arrangement and by subtracting the distance between the top of the prism and the anterior surface 13 from the total distance between the anterior surface 13 and this effective reflecting plane 21.
Although the preceding discussion relates only to a light ray along the optical axis and displaced by d / with respect to the pivot P, the fact that the system acts as a plane mirror plus a translation implies that other rays are affected in the same way. The refractive effect slightly changes the apparent position of this effective reflecting surface; however, in the interest of the simplicity of this example, each of the reflecting surfaces 13, 14 and 16 will be considered hereinafter as simply reflecting surfaces, or mirrors, so as to avoid complications due to the effects of refraction.
In fact, it is quite practical to construct a system using mirrors rather than a prism, in which the anterior mirror has a width less than d to cover only a limited part of the posterior reflecting surfaces near its top.
After the general discussion of an example of the system, it is possible to consider the effects of variations in the incident angle of light on the prism.
The purpose of these considerations will become clearer from the following description of certain practical embodiments. In fig. 2 is shown a prism 11 which may be identical to that shown in FIG. 1; and one sees there represented by the axes 12 and 17 the central light ray, or its optical axis, of the incoming and outgoing light, as in FIG. 1. There is also seen an optical axis 12 ′ inclined at a certain angle differing from 900 with respect to the anterior surface of the prism.
A light ray entering the prism along the axis 12 'reflects from the rear surface 14 to the front surface 13, and from there returns to the other rear surface 16 and exits the prism along the front surface. 'axis 17', as shown. The incident ray 12 'is shown as entering the prism at an angle α to the perpendicular, as would be expected from a planar reflecting surface. Therefore, the angle of incidence is equal to the angle of emergence of the prism, as would be the case if the prism were a plane mirror located in the plane 21. Likewise, for this radius 12 ' , there is a displacement d along the effective reflecting plane 21 exactly as in the case where the light ray penetrates perpendicularly to the prism.
The above also holds true for various points of incidence of the ray entering along the surface of the prism within the limits of the acceptance of its entry and exit openings.
It can thus be seen that the prism described above can be considered optically as a plane mirror with a predetermined translation between the incident and reflected rays. These properties are of particular importance for the compensation of accidental movement, since lateral displacement of the prism with respect to the incident light rays does not affect, within acceptable limits, the angle of reflection or the movement of incoming or outgoing light rays. It should further be noted that in common with the flat reflecting surface, the described prism produces an angle of 2 b between the incident and reflected light rays, where ô is the angle of incidence with respect to a perpendicular to the surface front of the prism.
The geometric relationships between the elements of a simplified reflecting assembly, or prism, and considerations on the effect resulting from varying the angle of incident light which can be produced by rotating such a prism have been discussed above. . It should be noted here, however, that in the previous discussion of FIG. 2, it is also possible to rotate the prism around pivots located at any one of a variety of places, as long as this simply imparts a translational motion to the mirror system which is not responsive to translation from there. moment that it behaves like a plane mirror.
It should be noted that there results a variation in the length of the trajectory due to the rotation of the system around the pivot points in various positions.
It is possible with a reflecting system of the type described above to obtain image stabilization of the type required for compensation of accidental movement, with cameras or with optical sighting devices. In this connection, it should be noted in particular that, for camera applications, the accidental motion compensators must maintain an image coming from the lens approximately fixed, or placed in a fixed position, on a flat film. In this way, accidental small movements of a camera housing to which the lens and the film plane are attached are appropriately compensated, so that a stabilized image appears on the film in the coinciding planes of the film. stabilized image and film.
On the other hand, optical sighting devices, such as telescopes or binoculars, require modified stabilization, so that the light rays leaving the device do not appear to the observer to be deflected by the vibrations of the device. . It can be demonstrated in the case considered here that the stabilization of the camera or the percentage of stabilization, as it is sometimes called, must be modified by the factor:
EMI3.1
for optical sighting devices in which M is the magnification of the optical system.
The camera stabilization fraction needed to straighten sighting devices is:
EMI3.2
and, to reverse sighting devices, the camera stabilization fraction is:
EMI3.3
In the following discussion, general reference is made to camera stabilization; and it goes without saying that this is to be modified by the preceding factor for optical sighting devices, such as for example binoculars, telescopes, etc.
It will be appreciated that the example described above uses three reflective surfaces identified on the drawing as 13, 14 and 16. Although these surfaces should have certain relationships to each other, as described in more detail below. below, they do not normally need to have the physical extent shown in the previous example. Thus, as a second example, reference will be made to FIG. 3 on which the rear tip of the prism is removed. In this example, and using the same conventions, where d represents the deviation of the incoming and outgoing axes, * is the angle of the corner of the prism and S is the length of the posterior sides of the prism, a relation of some little different from that deduced above.
Assuming that the input axis 12 hits the rear surface 14 at a point midway between the front and rear surfaces of the prism, separated by a distance h, it is then possible, by simple trigonometric calculations, to deduce the relation that h = S sin * and that
S sin 6 sin 2 6
d = cos2 * which can be reduced to d = Ssin6tang26. In this particular example, shown in FIG. 3, the total length of the path of light in the prism is:
EMI3.4
and the deflection plane 21 is also moved relative to the surface of the prism by:
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In the previous discussion of a generalized triple reflection system, the position of the reflecting surfaces was determined as a function of an angle µ and a distance S.
It should be noted in particular that there are certain limitations concerning the angle i. Obviously, incident light should not strike the first reflecting surface 14 at such a large angle of incidence that it is not reflected back to the second reflecting surface 13. Accordingly, the angle e cannot. not be too tall. Further, it should be noted that the incident light should not strike the first reflecting surface 14 at too small an angle of incidence, otherwise it will be reflected roughly directly back and the translation d becomes too small for purposes. practice.
In practice, it has been found that the angle e formed between the first and second reflecting surfaces and, therefore, also between the second and third reflecting surfaces, must be of the order of 150 to 450. For a greater angle at 450, the light rays tend not to be reflected back to the second reflecting surface; and, on the other hand, for an angle V less than 150, the returned light rays are brought too close to the incident light rays for most practical applications. It is advantageous to produce a very large displacement of the incident and reflected light rays, so that there is no interference between them and a suitable space is provided for the use of the reflected light.
Thus, for this embodiment of the prism, whether it is constructed in the form of a prism or that of three mirrors, the angle formed between the first and second reflecting surfaces should be of the order of 150 to 450.
In addition to the limitation described above regarding the angle e existing in the present triple reflection system, it should be particularly noted that the reflection planes 13, 14 and 16 must be oriented so as to each contain an axis parallel to an axis located in the other plane. We can state this in another way by saying that we can lower on each of the reflecting planes an axis which is perpendicular to it, these three axes being themselves perpendicular to a single axis.
In the plan of the drawings of FIGS. 1 and 3, for example, this becomes clear, each of the planes can be considered as being vertical. In addition to the foregoing limitation, it is also necessary that the reflecting planes be oriented such that the original axis of incident light 12 is substantially parallel to the axis of outgoing light 17 in the zero compensation position. The physical relationship of the individual planes of reflection remains fixed and any displacement or all the displacements of the prism results in an overall displacement of the reflecting planes.
It should also be noted in particular that the reflecting surfaces 13, 14 and 16 may consist of plane mirrors, for example arranged in a fixed relationship with respect to one another. Under these circumstances, the anterior reflecting surface 13 must have a limited lateral extent so as not to obstruct the incoming or outgoing light. For example, the anterior surface 13 can be constituted by a mirror having a lateral extent equal to or slightly greater than that of the posterior surface of the prism shown in FIG. 3, in which case the total reflection properties of the anterior surface remain available to be used for the second reflection of light passing through the element.
As a result of the limitations stated in the previous paragraph, it can be realized that certain configurations constituting variants are possible and are, in fact, quite practical. In the embodiment shown schematically in FIG. 4, light penetrating along an optical axis strikes a first plane mirror 22 and is reflected therefrom onto a second plane mirror 23. This second mirror 23 reflects light onto a third plane mirror 24 which in turn , reflects light along an output axis 26 which is parallel to the input axis 20.
The individual mirrors 22, 23 and 24 are arranged so that each has on its surface an axis which is parallel to an axis placed on the others; and it can be assumed, for example, that in fig. 4 the individual mirrors are arranged vertically to satisfy this condition. As regards the relative angles formed between the surfaces of the mirrors, these are set here so that the emerging optical axis 26 is parallel to the incident optical axis 20.
It will be appreciated that this allows a large degree of freedom in determining the position of the three reflecting surfaces. It should be noted, however, particularly that the mirrors are arranged in a fixed relationship with respect to each other, despite the fact that it is possible to move relative to the housing of the instrument the entire assembly formed by the mirrors, when the use of the invention.
During operation, the three reflecting surfaces are rigidly fixed to each other and are then stabilized by inertia with respect to a line of sight, that is to say with respect to the input optical axis 20. It is carried out this stabilization around axes which are roughly mutually perpendicular and which are each perpendicular to the original optical axis, but which do not need to intersect each other.
A combination of a triple reflection element as generally described above and which is mounted for inertial stabilization achieved with an optical system arranged in the foregoing relation with respect to such element is shown in fig. 5. In the following discussion, the examples relate to one-camera applications; It should be remembered, however, that a stabilization correction or modification is necessary for optical sighting devices, as discussed above. Referring to fig. 5, there is seen a telescope or Galileo's telescope with rectified image magnified twice, mounted in fixed relation with respect to a housing 32 surrounding the system comprising the telescope.
This telescope 31, in the form of a Galileo telescope, consists of a lens 33 constituting an objective and a lens 34 constituting an eyepiece, arranged so as to be spaced apart from one another on the along an optical axis and formed to achieve a magnification of two. In this type of apparatus, the foci of the two lenses 33 and 34 coincide in a focal plane 36. The light rays exiting the Galileo telescope 31 are substantially parallel and are seen to be directed at an element 37 such as that described above. high and which serves as a plane mirror placed in an effective reflection plane 38 providing a translation between the incident light and the reflected light.
This element 37 constitutes a triple reflection assembly formed by a prism or by mirror surfaces, and it is mounted so as to move freely around two mutually perpendicular axes passing through a point 39. The element 37 is balanced around of point 39, for example by means of an assembly 41 which may be constituted by a free gyroscope helping stabilization by inertia. In the case where a gyroscope is used, it is possible to associate a controlled precession device with it, so as to stabilize the element 37 by inertia for displacements of the housing 32 at small angles and at high frequencies, but in a manner to bring this element approximately in alignment with the housing for the movements of the latter at significant angles.
This thus gives the possibility of moving the instrument as necessary, for taking a panoramic view with cinema cameras, for example. The details of construction, precession and measurement of the precession characteristics of a gyroscope are known in the art and, therefore, are not described herein. It should be noted, however, that a fairly precise adjustment of the precession of a gyroscope is possible.
Light which reflects three times in the triple reflection element 37 then travels outward from it, as shown, to a lens 42 which serves to focus the light on a stabilized image plane 43 placed inside the housing 32, after passing through a prism 44 whose optical properties are similar to those of the prism 37. It should be noted that the pivot point 39 can be placed in any desired position; and that, moreover, it is not necessary that the pivot axes intersect with each other, but that they can in fact be moved with respect to each other.
It will be remembered from the above discussion that element 37 acts like a plane mirror located in the effective plane of reflection 38; and it should be particularly noted that such a plane mirror achieves a doubling of the angle of incidence in the reflected light.
Accordingly, it is necessary to halve the compensation provided by a stabilized plane mirror or to double the apparent angle of displacement of the incident light. While devices of this particular type of the prior art operate to halve the stabilization of the mirror, the present device operates to double the angle of displacement of incident light. This is done here by the two-magnification rectifying telescope 31, since it does not apply the magnification only to the observed images, but also to the displacements. Referring to fig. 6, it can be seen that an actual deviation of the optical axis from a horizontal line of sight at an angle e causes the light to strike the prism at a deviation of 2 e with respect to the housing.
As the prism stabilized by inertia remains vertical, the light then strikes it at an angle * to the horizontal. The light is reflected from the stabilized prism as from a plane mirror and at an opposite angle µ from the horizontal. Note that the prism 44 rotates at an angle e with the housing, so that the light hits it perpendicularly (with respect to the axis of the light beam). The light is therefore seen to reflect on the stabilized image plane 43 exactly as if the housing had not been rotated.
In the case of optical sighting devices, for example telescopes or binoculars, the magnification of the telescope 31 is modified to bring it to:
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in order to achieve the stabilization essential for vision, for example by means of an optical device such as is generally indicated at 46 in FIG. 5, as described below, and using the same conventions.
The device described above comprises a combination of a Galileo telescope, or terrestrial telescope, at magnification of two, preceding an inertial stabilized element having an odd number of reflecting surfaces to thereby produce a displacement of an image. Focus equal and opposite to that caused by movements of the housing at limited angles. Using Galileo's telescope in combination with an inertia stabilized prism assembly, light collimation is achieved through the compensation portion of the system, such that the triple reflection element acts on light rays roughly parallels.
This use of parallel light in compensating for accidental movement removes the limitations in precise initial alignment and in maintaining such alignment during operation required by the prior art. Accordingly, it is possible to use, in systems using, for example, gyroscopes, relatively inexpensive and possibly imprecise ranges. As a result, it is possible to use a damper assembly for certain parts of the device, although this may result in some translation of the prism due to internal vibrations. This is acceptable here with parallel light rays, whereas in the prior art apparatus any translation of the optical path can result in interference of the image.
The disclosed compensator achieves a significant advance in the art, which appreciably simplifies the construction of accidental movement compensators, in particular with regard to the necessary construction precision. By only slightly increasing the complexity of the optical system, a very significant reduction in manufacturing difficulties and costs is obtained. It should be further noted that a wide variety of additional optical elements can be incorporated into the overall optical train, and that the emerging light can be directed in any desired manner, forward, backward, or sideways, with respect. to incoming light.
The illustration in fig. 5 incorporates an additional multi-reflection element only for the purpose of reversing the light to obtain an emerging light path in the same direction as that of the incident light. This is highly advantageous for most optical sighting devices, but is however not necessary for applications to cameras and similar instruments. In the absence of a reversing prism, or similar device, a camera image would be reversed: and, therefore, at least one mirror is normally used therein for a correction having perfect equality.