Brevet FR2233643A1 — publié le 19750110

La présente invention concerne les dispositifs optiques de visée. Il est bien connu que les dispositifs optiques de visée tenus à la main tels que les jumelles ou les lunettes d'approche sont limites pour ce qui coneerne-le'grossissement utile en raison du mouvement de l'image dû ah tremblement de la main, vibration qui est amplifiée dans la même mesure que l'image. ta vibration peut être considérée comme ayant deux composantes a ) tremblement linaire transversalement par rapport à la ligne de visée, b ) tremblement angulaire autour d'un axe vertical et d'un axe horizontal, transversaux par rapport à la ligne de visée. Le tremblement linéaire a peu d'importance dans la pratique et l'un des buts de la présente invention est dtobvier aux effets du tremble- ment-angulaire ou de les atténuer. La présente invention est constituée par-- un dispositif optique de visée comprenant un objectif constitué par des lentilles formant L deux ensembles espacés et une ligne de visée, un corps ayant un axe% qui a tendance à s'aligner d'une manière essentiellement parallèle à la ligne de visée, une suspension du type universel dit à la car@ dan comportant un collier ( fourche ) intérieur supportant ce' corps et étant supporté lui-même par le collier ( fourche ) extérieur du cardan, une surface réfléchissante interposée sur le trajet optique à l'intérieur du dispositif, entre les deux dits ensembles formés par les lentilles de 11 objectif et monté de manière à pouvoir pivo- ter par rapport au collier extérieur et une liaison entre la surface réfléchissante et le collier intérieur du cardan, cette liaison étant telle que les mouvements angulaires respectifs par rapport au collier extérieur soient dans le rapport I : r, la disposition adop tée étant telle que 1- 2 + 2S = t r fr m expression dans laquelle : s est la distance, prise le long de l'axe optique,entre la surfa ce réfléchissante et la partie de l'objectif faisant face à la surface réfléchissante. f est la distance focale de la partie de l'objectif faisant face à la surface réfléchissante, et m est le grossissement total du système optique complet, de sorte que limage produite par le dispositif est stabilisée con re toute vibration conduisant à un mouvement du dispositif autour d'un axe perpendiculaire à la ligne de visée. La présente invention est constituée aussi par un dispositif optique de visée comprenant un objectif constitué par des lentilles formant deux ensembles espacés et une ligne de visée, un corps ayant un axe qui a tendance à s'aligner d'une manière essentiellement parallèle à la ligne de visée, une suspension du type univer-sel dit à la cardan comportant un collier ( fourche ) intérieur supportant ce corps et étant supporté lui-même par le collier ( fourche ) extérieur à la cardan, une surface réfléchissante placée dans le trajet optique à l'intérieur du dispositif entre les deux dits ensembles formés par les lentilles d'objectif, la disposition adoptée étant telle que s/f + (1 -s/f) #2 sin #/2sin 6 [cos (#/2 - 6) - tang 6 sin (#/2 - 6)] + cos 61= 1 expression dans laquelle s est la distance, prise le long de l'axe optique, entre la sur face réfléchissante-et la partie de-l'ensemble de lentilles faisant face à la surface réfléchissante, f est la largeur focale de la partie du système de lentilles d'ob jectif qui se trouve en face de la surface réfléchissante, m est le grossissement total du système optique complet du dispo sitif, # est la déviation, à partir d'une ligne droite, de l'axe optique par la surface réfléchissante, les suspensions à la cardan étant dans leurs positions respectives non déviées, et dr est l'angle de l'axe de la suspension du collier extérieur par rapport à un axe perpendiculaire à l'axe de la suspension du collier intérieur et ' l'axe optique en face de la surface ré fléchissante, les colliers du joint à la cardan n'étant pas dé viés de sorte que l'image-produite par le dispositif est stabilisée contre toute vibration conduisant à un monvement angulaire du dispos-itif autour d'un axe perpendiculaire à la ligne de visee. On va décrire maintenant des exemples de réalisation de la présen -te invention, à titre d'exemples, en se référant au dessin annexé dans lequel - Figure 1 est une vue schématique en plan d'un dispositif optique de visée suivant la présente invention. - Figure 2 montre les détails d'un miroir monté gyroscopiquement, utilisé dans la réalisation suivant la figure 1. 10 Un dispositif de visée optiqueasuivant la figure 1 est constitué par un système de lentilles d'objectif qui comprend deux lentilles espacées 11 et 12, un système de lentilles 13 d'oculaire et une sur face réfléchissante qui est dans cette réalisation le miroir 15 com- mandé par un gyroscope 16 et placé dans le trajet optique du dispositif 10 entre les lentilles il et 12. Il est bien évident que les lentilles 11 et 12 peuvent entre des lentilles composites et que le système de lentilles d'oculaire, dont les détails n'ont rien 'a voir avec la présente invention, peuvent comprendre des parties constituantes optiques pour l'alignement, la subdivision du faisceau, etc. En outre, dans certaines circonstances, ainsi qu'il apparattra dans l'exposé qui va suivre, l'une ou l'autre des lentilles peut être sup- primée, c1 est à dire remplacée par une lentille imaginaire ayant une longueur focale infînie. Sur la figure 2, la ligne de visée 22 représente l'axe optique quand les suspensions à la cardan ne sont pas déviées et que l'axe derotation 20 du rotor de gyroscope 21 est parallèle à la ligne de visée 22 du dispositif optique 10. Le rotor 21 est monté dans une suspension à la cardan intérieure 23, qui, son tour, est montée autour alun axe 24 perpendiculaire à la ligne de visée dans une suspension à la cardan extérieure 25. La suspension à la cardan extérieure 25 est montée dans le châssis du dispositif 10 autour d'un axe 26 qui se trouve dans un-plan contenant l'axe 20 et perpendiculaire à l'axe 24 et elle est inclinée suivant un petit angle ar rapport à l'axe perpendiculaire aux axes 20 et 24. La suspension à la cardan extérieure 25 supporte le miroir 15 autour 'un axe 27 qui est parallèle 'a l'axe 24. Une liaison mécanique 28 relie le miroir 15 à la suspen- sion à la cardan intérieure 23, de sorte que leurs mouvements angularves par rapport à la suspension à la cardan extérieure 25- sont solidaires. On va considérer maintenant le fonctionnement du dispositif des figures 1 et 2, les symboles suivants étant utilisés dans l'analyse de ce fonctionnement. s est la distance, le long de l'axe optique entre le miroir 15 et le second plan principal de la lentille 11, c'est 'a dire de la partie du système de lentilles qui se trouve en face du miroir 15. 6 est la déviation, à partir d'une ligne droite, de l'axe optique par la surface réfléchissante, les suspensions à la cardan étant dans leurs positions non déviées, # est l'angle d'obliquité de l'axe 26. de est une petite déviation du dispositif autour d'un axe vertical, c'est à dire une petite giration. ## est une petite déviation du dispositif autour d'un axe horizon tal, c'est ' dire une petite inclinaison. m est le grossissement linéaire du système optique complet. r est le rapport entre le mouvement angulaire pour ce qui concerne la suspension à la cardan 25 de la suspension à la cardan inté rieure 23 et le mouvement angulaire du miroir 15 dû à la liai son / accouplement 28. f est la distance focale de la lentille 11. On considère tout d'abord un petit déplacement de de l'enveloppe dans un plan horizontal. étant donné que la suspension à la cardan intérieure 23 est maintenue immobile par le rotor 21, le miroir 15 -## tourne d'un angle par rapport au châssis du dispositif. r L'axe optique b entre la lentille 11 et le miroir 15 tourne par con - 2## séquent de par rapport à l'enveloppe et en conséquence de (## - ) ou ## (1 - 2/r) par rapport à sa direction primitive. Ce déplacement de l'axe optique par rapport au centre de la lentil - 2 ## s le a pour valeur et cela produit un déplacement supplér mentaire de l'axe optique lors de son passage à travers la lentille 11, déplacement ayant pour expression : - 2##s 2 ## s f r La déviation nette de l'axe optique par rapport à sa direction rimitive, dans la région se trouvant en face de la lentille 11 a par conséquent pour expression : 2##s (1 - 2/r) + fr Il résulte de ce qui précèce que la condition pour la stabilisation dans le plan horizontal est 1 - 2 + 2s = 1 (1) r m On va considérer maintenant un déplacement ## de l'enveloppe dans le plan vertical, c'est à dire une inclinaison.La déviation de l'axe optique extérieurement à la lentille 11 ( c'est à dire de la ligne de visée ) est constituée par trois parties qui sont a ) la partie due au mouvement de la suspension à la cardan extérieure 25, produite par l'angle d'obliquité #; b ) la partie dûe à ce que 6 n'est pas un angle droit c ) la partie dûe au déplacement de l'axe optique a partir du centre de la lentille 11* Pour ce qui concerne la première partie, si l'on considère pour le moment que l'axe en a, c'est à dire le trajet optique après le miroir, est fixe, on considèrera seulement la déviation verticale de l'axe en b dûe à 6 .On peut montrer qu'elle est 2 ## sin #/2 sin #[cos (#/2 - 6) - tang # sin ( #/2 - 6)] (2) Pour trouver la seconde partie, on considère le miroir 15 comme tant fixe dans l'espace et pour la commodité de l'analyse, sans que rien ne soit perdu du caractère de généralité, on considère que l'axe d'inclinaison passe par l'axe de pivotement du miroir. L'inclinaison t a produit un abaissement ( c'est à dire un abaissement au dessous de la feuille de papier ) de l'axe optique a d'un angle. ## sin ( 90 - #) ou ## cos # (3) et l'axe optique b s'élève d'un angle égal et le déplacement vertical de b à partir de sa position orimitive est le somme de (3) et (2) que l'on écrit pour des raisons de commodité (2) + (3). Pour trouver la troisième partie, on considère que l'axe d'inclinaison passe par le point de réflexion du miroir ; le déplacement de la lentille 11 à partir de sa position primitive est alors ##s. L'axe optique est par conséquent déplacé au dessous du centre de la lentille 11 d'une distance nette ## s - [(2) + (3)], ce qui a pour résultat comme précédemment une déviation de l'axe optique a la traversée de la lentille 11, ayant pour expression ##s - s [(2) + (3)] (4) f La déviation totale de la ligne de visée est (2) + (3) +(4), c'est à dire : (2) + (3) + #/f [## - (2) - (3)] Pour une stabilisation correcte dans ce plan, cette expression doit ## être égale à et l'on obtient finalement: (5) m s/f + (1 -s/f) {2 sin#/2 sin#[cos (#/2-#) - tang # sin (#/2-#)] + cos #} =1/m Les équations (1) et (5) fournissent ensemble les conditions nécessaires et suffisantes pour une stabilisation complete dans l'espace de l'image finale. La réalisation décrite peut être modifiée par une substitution au rotor du gyroscope de tout autre corps ayant tendance à maintenir son alignement dans ltespace, tel que par exemple une masse d'inertie. Cas particuliers : Cas (1) f = oo S = 900 (t) et (5) se réduisent à 2m 1 - 2/r = 1/m ou r = m-1 et #2 sin #[cos ( 45 - # ) - tang # sin ( 45 - # )] = 1/m admettant pour solutions : 6 4 5 6 7 m 14.4 11.4 9.5 8.1 Cas (2) f = # # = 0 (1) et (5) se réduisent à : 2 m r = et cos # =1/m m-1 Cas (3) # = 90 # = 0 (5) se réduit à : s/f = 1/m et par conséquent (1) devient r' = 2 Pour de faibles valeurs de m, cela pourrait permettre que l1on se passât de la lentille 12, mais pour des saleurs usuelles de m et des espacements pratiques ' s ', f devient grand pour donner cette possibilité. il y a une autre difficulté pratique qui fait l'objet de l'exposé qui va suivre. il esttout à fait souhaitable que la plus grande partie de la surfa ce de la lentille sqit derrière le miroir plutôt que d'être en face de ce dernier si I système est destiné à avoir une aptitude au pivotement étant doué que l'axe de rotation et décalé alors derrière le ligne de visée et que l'axe optique passe à travers la len avec tille Il / ltangle de décalage pouvant atteindre ( suivant une ap- proximation poussée ) une valeur d'environ 70, ce qui nécessite une lentille corrigée pour ces conditions. D'un autre côté, la lentille 11 peut être sans désavantage une lentille simple très faible si l'on considère que les lentilles peuvent être fabriquées à meilleur marché que des fenêtres plates ayant la qualité nécessitée. Le cas (3) est par conséquent regardé comme ne constituant pas en général un bon choix. Le cas(1) présente l'inconvénient que,même dans la condition centrale, le tremblement de l'enveloppe autour d'un axe horizontal nécéssite un certain mouvement angulaire de la suspension à la cardan extérieure, l'accélération de la suspension à la cardan produisant un couple de rotation sur l'axe de rotation du gyroscope. Naturellement, l'inertie de la suspension à la cardan doit toujours accoupler la vibration de l'enveloppe à l'axe de rotation , même quand # = 0 si l'axe de rotation est excentré , ce qui est habituellement le cas ; @outefois, il parait sage de maintenir cet accouplement à un minimum en choisissant # = 0 Le cas (2) n'a ni l'un ni l'autre des défauts mentionnés ci-dessus et il est considéré comme constituant le choix le meilleur. il nécessite toutefois un miroir un peu plus grand et meilleur en raison de l'incidence plus oblique. Lorsque m augmente, l'objection qui précède devient joint sérieuse. Avec la disposition décrite, une inclinaison dans le plan vertical donne une rotation correspondante de l'image. 'n ce qui concerne les vibrations, l'effet est imperceptible et il est théoriquement nul au- centre du champ de visée. Il sera habituellement commode d'appliquer à l'axe de tournoiement du gyroscope une faible contrainte de telle sorte qu'il ait tendance d'une manière continue à revenir i sa position centrale ou à ce qu'il ait tendance à une précession. Cela permet de suivre une cible mobile avec un gyro-retard correspondant, et dans un plan de mouvement la rotation de limage sera à peu près égale à l'angle de yroretard. Quand la stabilisation est obtenue au moyen d'une masse inerte ( qui peut être une roue de gyroscope non tournante ) on peut utiliser un faible ressort de centralisation. Pour les cibles au-sol se déplaçant horizontalement, l'orientation décrite ne donne aucune rotation de sorte-que, normalement, elle doit être préférée. il y-a toutefois une rotation lorsqu'on suit des cibles se déplaçant verticalement mais étant donné que ces cibles sont habituellement bien au dessus de lthorizon, le anc,ue d'une donnée d'arrière-plan dissimule dans la pratique la rotation. Application aux caméras de cinéma et aux caméras de télévision Dans ces instruments, il est exigé que l'image réelle soit stabilisée par rapport à la plaque sensible c'est à dire par rapport au boitier de l'instrument et non par rapport à l'espace d'inertie. Ainsi qu'on peut s'en rendre compte aisément à partir des premiers principes, cela revient à poser m = # dans l'analyse qui précède et avec cette modification, les équations,(1) et (5) deviennent les équations (1') et (5'). La géométrie la plus vraisemblable pour de telles applications est un tiroir stabilisé en face d'un instrument standard, ce miroir étant l'un des miroirs dune paire de miroirs disposés comme dans un périscope. Comme il n'y a pas de lentilles en face du miroir stabilisé, la situation est la suivante : f = # # = 90 et à partir des équations (1') et (5'), on obtient r = 2 et # = 0, aInsi qu'on s'y attendait. S'il est exigé que soit évité un désiquilibrage du dispositif, il faut que l'ensemble gyroscopique soit au dessus ou au dessous de a camé- ra et cela implique une rotation de l'image lors d'un arrêt. Il reste à voir s cel est suffisamment sérieux pour interdire de telles prises de vue. il y a lieu de remarquer que la rotation de l'image eut être rédui- te en même temps que le retard du gyroscope au moyen d'une contrainte plus forte exercée en direction de la position médiane. Toutefois, cela tend à accou pler l'axe de rotation avec le mouvement de l'enveloppe et cela dégrade la stabilisation. il faut donc trouver un taux d'échange optimum entre les deux effets. Variation de lentilles à distance focale variable Avec la disposition décrite ci-dessus pour les caméras de cinéma et de télévision, on peut se servir d'une lentille à distance focale variable ou d'un autre dispositif, placé derrière le stabiliseur Dans le cas d'une lunette d'approche, il n'est pas considéré comme étant possible de régler la géométrie pour une stabilisation correcte à tous les m. il paraîtrait meilleur d'opérer au voisinage de valeurs supérieures de m et d'accepter une certaine dégradation aux valeurs plus basses. il y a une petite perte, disons pour m entre 10 et 20. Compensation de l'inertie On remarquera sur la figure 2 que meme lorsque l'axe de rota-' tjon est dans sa position centrale et même avec des suspensions à la cardan " droites r (# = = ), le gyroscope n'est pas complètement libre lorsqu'il doit commander le miroir 15. En d'autres termes, lorsqu'une accélération angulaire est imposée à l'enveloppe, il est nécessaire que le miroir accélère de moitié autant environ, et son inertie impose un couple perturbateur au gyroscope par l'intermédiaire de la liaison avec la suspension à la cardan intérieure. Il est possible en principe d'obtenir une annulation complète de ce couple perturbateur au moyen d'un " volant OU ou d'une partie constituante supplémentaire no-vant pivoter comme le miroir sur la suspension à la cardan extérie-re, mais reliée à la suspension à la cardan intérieure dans le sens inverse. Suivant son 1 rapport d'engrenage " et ses proportions, ce pourrait être une partie constituante beaucoup plus légère que le miroir. Toutefois, indépenda---:rni-ent de la complication, l'augmentation associée dans le moment d'inertie des suspensions à la cardan extérieure a des propriétés nuisant à l'efficacité et dans la pratique, il vaut mieux mettre plus de puissance dans le gyroscope si l'effet doit être réduit. Il y a naturellement toujours une grande incitation à maintenir le moment dtinertie du miroir aussi petit que possible. R E V-E N I) I C A T I O N S 1 - Dispositif optique de visée comprenant un système de lentilles dtobiectif ayant deux parties espacées et une ligne de visée, un corps ayant un axe qui a tendance a s'aligner d'une manière essentiellement parallèle à la ligne de visée et une suspension intérieure à la cardan supportant ce corps et étant supportée elle-meme dans une suspension extérieure à la cardan, dispositif caractérisé par une surface réfléchissante placée dans le trajet optique à travers le dispositif entre les parties du système de lentilles d'ob jectif et montée de manière à pouvoir pivoter sur la suspension à la cardan extérieure, et par une liaison entre la surface réfléchissante et la suspension à la cardan intérieure de telle sorte que leurs mouvements angulaires respectifs par rapport à la suspension à la cardan intérieure sont dans le rapport 1 @ r, la disposition adoptée étant telle que 1 2 * 2s = 1 r fr m équation dans laquelle s est la distance, le long de l'axe optique, entre la surface ré fléchissante et la partie du système de lentilles d'objectif qui se trouve en face de la surface réfléchissante ;; f est la distance focale de la partie du système de lentilles d'ob jectif qui se trouve en face de la surface réfléchissante, et m est le grossissement total du système optique complet du disposi- tif, de sorte que l'image produite par le dispositif est stabilisée contre toute vibration du dispositif conduisant à un mo-vea-ent perpendiculaire à la ligne de visée. 2 - Dispositif optique de visée comprenant un système de lentilles d'objectif ayant deux parties espacées et une ligne de visée, un corps ayant un axe qui a tendance à s'aligner d'une manière essentiellement parallèle à la ligne de visée et une susepnsion intérieu- re à la cardan supportant ce corps et étant supportée elle-meme dans une suspension extéiieure à la cardan, dispositif caractérisé jar une surface réfléchis@ante placée dans le trajet optique à travers le dispositif entre les partie s du système de lentilles d'objectif et montée de manière à pouvoir pivoter sur la suspension extérieure à la cardan, la disposition adoptée étant telle que s/f + (1 - s/f) {2 sin #/2 sin#[cos (#/2 -#) - tang # sin (#/2-#)] + cos #}= 1/m équation dans laquelle : s est la distance, prise le long de l'axe optique, entre la surfa ce réfléchissante et la partie du système de lentilles d'objec- tif qui se trouve en face de la surface réfléchissante f est la longueur focale de la partie du système de lentilles d'ob jectif qui se trouve en face de la surface réfléchissante ; m est le grossissement total du système optique complet du dispo sitif i # est la déviation, à partir d'une ligne droite, de l'axe optique, par la surface réfléchissante, les colliers ( fourche ) du joint à ia cardan étant dans leurs positions non déviées, et # est l'angle de l'axe du collier extérieur par rapport à un axe perpendiculaire au collier intérieur et à la surface optique fai sant face à la surface réfléchissante, les colliers du joint à la cardan n'étant pas déviés de sorte que l'image produite par le dispositif est stabilise contre toute vibration conduisant à un mouvement du dispositif autour d'un axe perpendiculaire à la ligne de visée. 3 - Dispositif optique de visée suivant la revendication t, caråcté- risé en ce que le lispositif est aussi tel que s/f + (1 - s/f){2 sin #/2 sin #[cos (#/2-#) - tang # sin(#/2-#)]+ cos#}=1/@ équation dans laquelle I est la déviation, à partir d'une ligne droite, de l'axe optique, de la surface réfléchissante, les colliers du joint à-la cardan étant dans leurs positions non déviées, et v est l'angle de l'axe du collier extérieur par rapport ' un axe perpendiculaire au collier intérieur et " l'axe optique faisant face à la surface réfléchissante, les colliers étant dans leurs positions non déviées, de sorte tie l'image produite par le dispositif est stabilisée contre toute vibration conduisant à un mouvement du dispositif autour de deux axes perpendiculaires entre eux, chacun de ces axes étant perpendiculaire à la ligne de visée. 4 - Dispositif optique de vise suivant la revendication 1 ou la re2m vendication 3, caractérisé en ce que r =. m-1 5 - Dispositif optique'de vise suivant 'une des revendications 1, 3 ou 4, caractérisé en ce que r = 2 6 - Dispositif optique de visée suivant la revenication 2 ou la revendication -3, caractérisé on ce que #2 sin #[cos ( 45 -#) - tang # sin (45 -#)] = 7 - Dispositif optique de visée suivant la revendication 2 ou la revendication 3, caractérisé en ce que cos # =1/m 8 - Dispositif optique 'e visée suivant la revendication 2 ou la revendication 3, caractérisé en ce que #/f =1/m 9 - Dispositif optique de visée suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le corps est le rotor d'un oyros- cope. 10 - Dispositif optique de visée suivant la revendication 9, caractérisé en ce que à l'axe de rotation du gyroscope est appliquée une contrainte dynamique telle que cet axe ait tendance d'une manière continue -1 revenir à sa position centrale ou à ce qu'il ait tendance précession, quand le rotor tourne. il - dispositif optique de visée suivant les revendications 9 ou 10, caractérisé en ce qu'est adapté au rotor un ressort de rappel @@ible.