Brevet FR2391484A1 — publié le 19781215

La présente invention coeicerne un dispositif stroboscope; Le stroboscope est un appareil qui permet d'observer des objets animés d'un mouvement périodique très rapide, comme s'ils étaient au repos cu animés -dtun mouvement très -lent. Les dispositifs stroboscopes comportent généralement un générateur d'impulsions commandant une lampe à décharge ou un organe similaire. Le générateur d'impulsions est déterminé pour fonctionner à fréquence de récurrence variable. L'opérateur règle la fréquence de récurrence jusqu'à ce qu'elle coincide sensiblement avec la fréquence du phénomène à observer ou à l'un de ses sous-harmoniques. Il est connu que le mode d'observation correspondant, dit stroboscopiem est basé notamment sur la persistance des impressions lumineuses. Ainsi, lorsque l'objet observé, par example une pièce mécanique, est animé d'un mouvement périodique suffisamment rapide, et que cet objet est éclairé par des éclairs de faible durée délivrés par le système générateur de lumière en synchronisme avec son mouvement, c'est à dire que les éclairs illuminent la pièce toujours dans la même position, l'oeil voit toujours la même image et il semble pour l'opérateur que la pièce est immobile. Il est connu aussi que lorsque la fréquence F des éclairs produits par le stroboscope est légèrement différente de la fréquence F' du mouvement des la pièce, l'opérateur perçoit, à la fréquence des images très légèrement décalées du mouvement de ia pièce, et ainsi la pièce lui apparaît animée d'un mouvement à la fréquence F-F' selon que F' est plus petit que F on plus grand, l'opérateur voit le mouvement de la pièce ralenti dans le sens direct dii mouvement ou dans le sens inverse respectivement. L'intérêt présenté par les dispositifs stroboscopes est bien connu ; ces appareils permettent d'observer les pièces mécanique.s animées dans leur mouvement réel, et de pouvoir ainsi examiner soit des défaults de fonctionnement cinématique (chames, poussoirs, etc., ou des déformations (structures résonnantes, ventres et noeuds de vibration) etc... Cependant, dans de nombreux cas, la stroboscopie s'avère difficile, voir même impossible pour la raison suivante : l'éclair délivré par le stroboscope est très bref et l'énergie optique mise en jeu doit etre très grande si on veut obtenir un certain contraste contribuant à la perception d t une image nette par stroboscopie. En effet, soit 57 la durée d'un éclair, F sa fréquence de récurrence et E l'éclairement crête produit par l'éclair au niveau de la pièce à observer. L'énergie moyenne correspondant à l'observation par stroboscopie est donnée par la relation e = E x F x # # , , ou e = E en appelant T la période des éclairs. Si l'éclairement ambiant du lieu d'observation est E', le contraste C pour l'oeil de la stroboscopie est : e E # C = = x . E' E' T Comme,en général, on veut observer une image nette, il convient de diminuer#de façon à n'éclairer la pièce en mouvement que pendant un temps très court. Plus précisément, si on veut discerner des ième détails dont la dimension est le n de l'amplitude produite au cours d'une période du mouvement, on doit avoir @ 4; d'ou' E i Tn un contraste C = Er n En supposant qu'on veuille observer un détail dont l'étendue est de 1100 de tour sur une pièce en rotation uniforme, un contraste C valant seulement l est obtenu lorsque l'éclairement crête donné par la lampe du stroboscope est au moins 1000 fois plus grand que l'éclairement donné par les sources ambiantes. Ceci conduit à produire la stroboscopie en ambiance très peu lumineuse. Cette situation présente à la fois un inconfort notable pour les opérateurs, les dangers des ateliers peu éclairés, et le danger da à l'illumination de la rétine de l'oeil par des éclairs brefs de grande amplitude, alors que l'oeil est adapté à l'éclairement faible ambiant De plus, il devient quelquefois impossible de pratiquer la stroboscopie en lumière intense, en particulier, à l'extérieur avec l'éclairage solaire ambiant. Un objet de l'invention est de remédier aux inconvénients précités en utilisant une stroboscopie basée non plus sur l'éclaIrage bref et intense de l'objet de manière périodique dans le milieu lumineux ambiant, mais sur une vision discontinue et périodique de l'objet pendant des durées braves correspondant sensiblement à celles des éclairs émis suivant le mode conventionnel. les particularités et avantages de la présente invention apparaitront dans la description qui suit, donnée à t-itre d'exemple å l'aide des figures annexées qui représentent - lafigure 1, un schéma simplifié d'un dispositif stroboscope conforme à l'invention - la figure 2, un mode de réalisation du cache utilisant une lame du type PLZT ;; - les figures 3 et 4, deux formes de réalisation du cache par dépôt sur un dioptre et sur une lame à faces parallèles - les figures 5 et 6, un exemple de réalisation du dispositif générateur d'impulsions et des foraines d'ondes si rapportant - la figure 7, un exemple de réalisation d'un stroboscope selon l'invention - la figure 8, une variante d'exploitation dans un système utilisant une stroboscopie conforme à l'invention en association avec une stroboscopie conventionnelle. En se reportant à la figure 1, le dispositif stroboscope comporte un générateur d'impulsions 1 qui délivre de manière connue un train d'impulsions périodiques dont la période de répétition T est règlable par l'opérateur pour l'amener en colncidence avec celle du phénomène à observer. Le règlage de la fréquence est représenté symboliquement par un. bouton de commande 2. le signal S1 délivré par le générateur est appliqué à un dispositif cache 3 du type opto-électrique dont la transparence est réglable par application d'un signal électrique. Le dispositif cache 3 est interposé dans le champ de vision or de l'objet A à observer vu par l'observateur placé en B. le fonctionnement est le suivant : en l'absence d'impulsion la transparence du cache 3 est nulle (ou de faible valeur déterminée comme il sera exposé ultérieurement) et durant l'application d'une impulsion, la transparence est sensiblement celle de valeurmaximale pouvant être obtenue avec le cache. le dispositif cache laisse ainsi passer le flux lumineux ambiant diffusé par la pièce A en direction de l'oeil de l'observateur seulement pendant les durées successives d'ouverture correspondant à l'application des impulsions. De ce fait l'observateur B reçoit les images rythmées par l'ouverture du cache à la période T du fonctionnement de celui-ci. L'éclairage ambiant peut consister en l'éclairage solaire et / ou un éclairage interne par une source lumineuse alimentée en courant continu. Pour réaliser le dispositif cache 3 on fait appel à des réalisations connues de modulateurs optiques. Suivant un mode de réalisation indiqué sur la figure 2, il est utilisé un dispositif modulateur à lame PLZT comportant une lame-1u et deux polariseures-analyseurs 11 et 12. les céramiques PlZT possèdent des propriétés de transparence et de biréfringeance. Lorsqu'elles sont soumises à un champ élec-trique, ces céramiques font tourner le plan de polarisation d'une lumière incidente d'un angle fonction du champ électrique localement établi. les champs électriques sont obtenus par application d'une tension continue de valeur déterminée à un circuit 13 déposé en surface sur la céramique. La lame PlZT 10 est disposée entre deux polariseurs croisés à 1T/2, un premier élément il servant de polariseur pour -la lumière incidente et le deuxième élément 12 servant d'analyseur. Selon l'application ou non d'un champ électrique le plan de polarisation de la lumière parvenant à l'analyseur 12 permet le passage ou non du rayonnement. Un tel dispositif est décrit notamment dans la revue "APPLIED OPTICS" volume 14, n 8, August 75, pages 1866 à 1873 relatives à l'article intitulé : "PLITZ - Electrooptic Shutters : Applications", de : J THOMAS CUTCHEN - FATES O HARRIS JR and GEORGE R LAGUNA". les matériaux constituant le cache selon la figure 2 sont avantageusement réalisés par dépôts de couches sur un support transparent qui peut Btre une lame à face parallèle ou un dioptre selon l'application envisagée. Une réalisation plus particulièrement envisagée est de produire~le cache sur des lunettes comme représenté sur la figure 7; dans ce concept, les lunettes peuvent entre à verre plan 14 comme dans le cas de la figure 3,ou etre adaptées à la vue de l'observateur et constituées par des verres correcteurs selon par exemple la figure 4 représentant une lentille bi-convexe 15. Il va de soi que plusieurs formes de réalisations peuvent être produites, en particulier les dépôts des couches polariseur 11, lame PLZT 10 avec son circuit d'électrodes 13 et analyseur 12 peuvent être distribuées de part et d'autre de la lame 14 ou du dioptre support 15. La figure 5 représente une forme de r-éalisation du générateur d'impulsions 7 de la figure 4. le générateur comporte un oscillateur 20 à fréquence réglable par un-réglage R1 qui fait varier la période T des oscillations receuillies à la sortie S2 (figure 6a). Ce dernier est appliqué à un comparateur à seuil 21 dont le seuil Vs est réglable par un organe R2 pour faire varier dans une plage prédéterminé la phase 9 (figure 6c). La sortie S3 (figure 6b) du comparateur 21 est appliquée à un circuit monostable 22 qui comporte un réglage R3 pour faire varier la largeur T des impulsions. Le signal de sortie du monostable dûment amplifié dans un circuit 23 constitue le signal S1 ayant l'amplitude désirée pour commander. le cache 3. Il y a lieu de remarquer dans une réalisation binoculaire qu'en l'absence de tension S1 le cache 7 est généralement opaque. Pour augmenter le confort de l'observation et permettre plus aisément les réglages, l'opérateur peut disposer d'un réglage du fond continu, indiqué en P.4 sur la figure 5, pour maintenir une tension non nulle U1 (figure 6d) pendant les intervalles séparant deux impulsions et produire corrélativement une transparence réduite,alors que durant les impulsions on applique une tension U de commande ayant le niveau désiré. la figure 7 représente une réalisation du stroboscope où le générateur est constitué par un coffret de commande muni de réglages R1 à R4 précité comportant également une borne d'entrée 25 d'une synchronisation extériéure SO qui dans ce cas remplace le signal de sortie S2 fourni par l'oscillateur 20, cet oscilIateur étant mis hors circuit par une commutation non représentée. En outre une borne de sortie 26 permet d'alimenter un autre dis positif cache Le cache est représenté sous forme d'une lunette 27.La lampe 28 procure un éclairage continu additionnel qui est mis en place si l'éclairage ambiant s'avère insuffisant; cet éclairage est raccordé à une alimentation continue 29. le réglage R3 peut titre aménagé pour indiquer directement la valeur du rapport cyclique #/# moyennant une liaison mécanique avec l'organe de réglage R1 de la période T.Dans le cas d'une réalisation avec des céramiques PLZT, on cite ci-après quelques caractéristiques - Composition : plomb, lanthane, Zirconium, Titane, Pb1~x La x (Zr Ti ) 03 Zr 65 avec = en poids, x = 0,09 environ Ti 35 - coefficient de transmission de l'ensemble 10-11-12 à l'état transparent : 25% environ, pour une incidence normale ; ce coefficient dépend de la qualité de polariseur employé, il ne peut guère dépasser actuellement 30% - taux d'extinction, variable avec la nature des polariseurs supérieur à 100 usuellement pour. toute la bande visible, sauf à l'extrémité bleue du spectre visible, où les performances sont limitées par le polariseur. - temps d'ouverture optique et temps de fermeture optique 1 us à qqs - tension de commande : environ 1 V / pm, pour une distance interélectrode de 500 m,la tension est d'environ 500 volts-. -capacité: voisine de 10 pF/cm2 - commande par générateur de tension - temps de décharge électrique : environ 1 s. Deux céramiques utilisées en montage binoculaire sur une paire de lunette sont commandés simultanément. Il est possible d'envisager un montage monoculaire pour certaines applications, par exemple,en horlogerie. Le générateur 1 permet de délivrer des signaux à fréquence variable entre 10 hz et 8000 Ez. le rapport cyclique #/T peut être réglé par l'opérateur à une valeur comprise entre 0,1 % et 10 % par exemple, par une commande à variation logarithmique. le me me coffret peut alimenter plusieurs paires de lunettes, ce qui permet à plusieurs observateurs de regarder la même scène. Il peut ê- e déclanché par une synchro extérieure SO et il peut fournir un signal synchronisé sur les ouvertures du modulateur qui permet de synchroniser un élément- extérieur, par exemple un stras boscope classique 30 à éclairs (fig. 8). On dispose alors, pour des cas d'observations difficiles d'une très forte luminosité sans risque pour l'opérateur. le dispositif stroboscope décrit présente-un certain nombre d'avantages :il donne des images de qualité égale indépendante de l'environnement lumineux, il permet R'observation en plein jour ou dans une ambiance très lumineuse, en disposant d'un réglage de fond continu l'observateur peut voir la scène en permanence et régler en particulier le contraste à une valeur optimale. L'observateur effectue dans l'ordre les réglages de la période T (R1) puis du rapport cyclique #/T (R3), et éventuellement ceux de phase # (R2) et du fond continu U1 (R4) lorsqu'ils existent, pour obtenir les conditions d'observation les plus agréables. Le cache peut être réalisé sous forme de lunettes qui peuvent inclure une correction de défauts de la vue de l'observateur, ou monté dans un système d'optique particulier tel que téléloupe ou loupe car exemple pour une application à l'horologerie le dispositif cache peut être monté a demeure sur un socle ou un support pour permettre une observation plus lointaine de la part de plusieurs observateurs simultanément. R EXV E g D I C A ? I O N S 1. Dispositif stroboscope comportant un générateur d'impulsions périodiques dontla période T de répétition est réglable, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif cache (3) dont la transparence est réglable sur réception d'un- signal de commande (S1) et qui est interposé dans lue champ de vision (#) de l'objet (A) à observer, lesdites impulsions formant ledit signal de commande en sorte que le coefficientwde transmission du-cache varie entre deux valeurs et qu'il présente sensiblement sa valeur maximale durant ltapplication d'une impulsion et une valeur inférieure dans l'intervalle restant de ladite période. 2. Dispositif stroboscope selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif cache est constitué par un commutateur électro-optique formé par une lame en céramique ?lZT (10) interposée entre un polariseur (11) et un analyseur (12), ledit signal de commande étant appliqué à un circuit (13) déposé sur la lame PLZT. 3. Dispositif stroboscope selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le dispositif cache est réalisé par des dépôts de matériaux en couches sur au moins une face d'une lame à faces parallèles (14 fig. 3)- ou d'un dioptre (15 fig. 4). 4. Dispositif stroboscope selon la revendlcation 3, carac-térisé en ce que le cache est doublé pour être réalisé sous forme de lunettes (27) permettant la vision binoculaire, le signal de commande étant appliqué simultanément. sur les dispositifs cache déposés sur les verres de lunettes. 5. Dispositif stroboscope selon la revendication 3, caractérisé en ce que le cache est déposé sur une loupe en vue notamment d'une application à l'horlogerie. 6. Dispositif stroboscope selon l'une quelconque des reven dictions I à 5, caractérisé en ce que le générateur d'impulsions comporte outre le réglage (R1) de la période T de répétition, un réglage (R3) de la durée # (ou du rapport cyclique t), et un réglage (R4) d'un niveau du fond continu permettant à l'observateur d'ajuster le signal de commande (S1) à une valeur (U1) non nulle durant les intervalles de temps extérieurs aux impulsions. 7. Dispositif stroboscope selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le générateur d'impul- sions comporte en outre une entrée (25) de signal de synchronisation extérieure (SO), une sortie (26) de signal de commande de dispositif stroboscope annexe, et un réglage (R2) de phase du signal de commande. 8. Dispositif stroboscope selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu il comporte des moyens additionnels (28) d'éclairage alimentés à partir d'une source continue (29) remédiant à une insuffisance de l'éclairage ambiant. 9. Système comportant une pluralité de dispositifs stroboscopes selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les dispositifs stroboscopes sont commandés en synchronisme permettant une observation simultanée par plusieurs personnes. 10. Système comportant un dispositif stroboscope selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un dispositif stroboscope conventionnel à éclairs (30) commandé en synchrolisme avec le dispositif stroboscope à cache (1+3).