Brevet FR2389911A1 — publié le 19781201

La présente invention concerne un dispositif optique collimateur et est destiné plus particulièrement à réaliser un viseur optique aéroporté du type collimateur de pilotage pour projeter à l'infini des informations de navigation en superposition avec le 5 monde extérieur vu par le pilote. Ces informations apparaissent sous formes de repères ou de symboles lumineux élaborés à partir d'objets lumineux disposés dans une zone focale d'un objectif optique, l'image des objets est ainsi renvoyée à l'infini et autorise une visée par le pilote 10 sans accomodation en distance. La superposition avec le monde extérieur vu à travers le pare-brise est obtenue avec une glace semi-réfléchissante inclinée sur la direction de visée de l'observateur. Les objets, fixes ou mobiles, peuvent être produits au moyen de cach.es éclairés encore appelés réticules, il peut éga-15 lement s'agir d'une image synthétique visualisée sur l'écran d'un tube cathodique. Un dispositif mélangeur optique peut être utilisé pour combiner des objets lumineux et permettre une représentation élaborée. Il est essentiel que le pilote voie la totalité des objets 20 projetés sans déplacements gênants de la tête et sans avoir à s'approcher outre mesure do la glace semi-transparente du dispositif collimateur à travers laquelle s'effectue l'observation. L'image du bord de l'objectif dans la glace agit comme une pupille optique. Le champ utile de l'appareil est constitué, en 25 vision monoculaire, par un cône centré sur l'oeil et s'appuyant sur la pupille optique et, en vision binoculaire, par l'ensemble des deux cônes centrés respectivement sur les yeux de l'observateur et s'appuyant chacun sur la pupille optique. La vision des repères selon une direction de visée considérée, reste assurée 30 pour des déplacements de chaque oeil compris dans une aire correspondant à celle de la pupille optique. Il est important d'obtenir une pupille optique de grande dimension pour accroître le confort du pilote en lui assurant une vision aisée à une distance suffisamment éloignée de la glace 2 2389911 semi-transparente. En pratique, l'accroissement des dimensions de la pupille optique s'effectue généralement au détriment des dimensions et de la compacité de l'appareil. Ce dernier est positionné dans le 5 cockpit selon le montage dit tête haute et est installé en haut ou en bas du pare brise ; il doit présenter une dimension aussi réduite que possible notamment selon le sens de la hauteur en sorte de faciliter sa mise en place et de ne procurer aucune gêne pour la vision et les mouvements du pilote. Pour des dispositifs colli-10 mateurs présentant de bonne qualités optiques et en particulier, un fonctionnement exempt de distorsions ou de parallaxe, la hauteur minimale possible du boîtier est sensiblement imposée par le diamètre de l'objectif. Suivant des techniques connues, la glace semi-transparente est 15 rendue mobile soit par translation, soit par rotation, soit les deux. La pupille reste inchangée du point de vue dimensions mais est déplacée par le mouvement imprimé à la glace d'où un agrandissement virtuel de la pupille dâ au déplacement du champ instantané, lequel conserve sensiblement la même valeur pour des 20 mouvements de faible amplitude de la glace. Suivant une autre technique connue, un prisme à double réflexion est interposé entre l'objectif optique et les objets lumineux, il comporte une petite face réfléchissante parallèle à l'axe optique et sa grande face est disposée parallèlement à 25 l'objectif optique. Pour un encombrement inchangé du corrélateur le diamètre de l'objectif et corrélativement celui de la pupille est agrandi. Un objet de la présente invention est la réalisation d'un dispositif optique collimateur qui présente une pupille de 30 dimension supérieure à celle de l'objectif tout en préservant les qualités optiques de l'appareil. Un autre objet de l'invention est d'obtenir un accroissement localisé de la pupille optique selon la direction verticale correspondant à -un accroissement en site, sans modifier le diamètre de 3 2389911 l'objectif. Les particularités et avantages de l'invention apparaîtront dans la description qui suit donnée à titre d'exemple non limitatif à l'aide des figures annexées qui représentent : 5 - la figure 1, un schéma simplifié d'un dispositif collimateur pour montrer le moyen utilisé selon l'invention ; - la figure 2, un schéma de localisation d'un collimateur de pilotage dans le cockpit selon un montage en position basse ; - les figures 3 à 6, des schémas relatifs à la réalisation 10 d'un dispositif optique collimateur selon l'invention, - la figure 7, un exemple de montage des éléments optiques sur le boîtier du dispositif collimateur ; et - la figure 8, un exemple de projection d'un symbole de grande dimension dans la pupille agrandie. 15 La figure 1 représente de manière simplifiée un dispositif collimateur optique avec un objectif optique 1 symbolisé par une lentille dont on appelle 1)1 le diamètre, une glace semi-transparente 2 et des objets lumineux localisés en 3 dans une zone focale de l'objectif, F représentant le foyer sur l'axe optique. Pour 20 diminuer l'encombrement en hauteur de l'appareil, celui-ci comporte un miroir de renvoi représenté en 4 sur la figure 2 suivante, l'ensemble étant supporté par un boîtier 5. La pupille optique est limitée par le contour 6 de l'image de la lentille 1 à travers la glace 2. Pour un observateur placé en A 25 sur l'axe optique Z, le champ utile de vision des objets lumineux est un cône centré sur l'oeil en A et s'appuyant sur la pupille 6, l'angle de champ a pour valeur w pour la distance d'observation d1 considérée. Suivant l'exemple figuré, le cône de champ devrait présenter une valeur 6 supérieure à w pour une observation instan-30 tanée de tous les objets lumineux. Pour cela, l'observateur devrait être placé à la distance maximale d2 de la pupille 6, au point B. L'observateur placé en A ne peut voir instantanément que les objets répartis dans une zone focale réduite correspondant à un cercle de rayon r1, la zone globale ayant un rayon r2 plus 4 2389911 élevé. 1'observation des objets compris dans la couronne entre les cercles de rayons r1 et r2 nécessite le déplacement de la tête de l'observateur dans le plan 7 perpendiculaire à l'axe Z en A, étant entendu que la glace semi-trasparente 2 est considérée fixe. 5 Si la distance d1 représente la valeur minimale possible pour l'observation par le pilote à travers la glace dans les conditions de vol, la vision.instantanée de tous les objets nécessite d'accroître le diamètre de la pupille optique 6. Pour le cas de figure représenté ceci correspond à obtenir une pupille de 10 diamètre D2 supérieur à D1 tel que le cône de champ en A présente l'angle 0 désiré. Ainsi qu'il a été rappelé dans le préambule, l'accroissement du diamètre de l'objectif entraîne rapidement des limitations par suite de l'encombrement et du coût, les solutions à glace mobile 15 conduisent par ailleurs à des réalisations plus complexes et exigent des manoeuvres par le pilote au moment voulu. Il y a lieu de considérer d'autre part que l'accroissement de la pupille n'est généralement pas nécessaire selon le sens de la largeur mais plutôt selon celui de la hauteur, la dispersion 20 des objets lumineux étant dans la pratique plus importante selon cette dernière direction représentée en T dans le plan de la figure 1. 0 ' est le cas notamment pour visualiser une échelle graduée verticale. Pour obtenir un accroissement localisé de la pupille selon 25 cette direction préférentielle que l'on désigne par accroissement en site, on positionne selon l'invention dans le volume (v) compris entre le pare brise 13 (figure 2) et la glace 2 un dispositif optique réfléchissant 10, qui produit une deuxième pupille 8. le dispositif 10 constitue une deuxième glace parallèle à la 30 première et à une distance plus éloignée de l'objectif 1. les dimensions et le positionnement de la glace additionnelle 10 sont déterminées en sorte d'obtenir une pupille globale de forme et de dimension désirée en largeur selon X et en hauteur selon Y pour assurer la vision instantanée de tous les objets. 5 2389911 La figure 2 rappelle dans le cadre d'une application à un collimateur de pilotage des contraintes à prendre en considération pour l'installation. La droite VB indique la limite de visibilité basse du monde extérieur, elle correspond à la trace du plan allant 5 de l'oeil du pilote au bord inférieur du pare brise 13. la trace TE correspond à la trajectoire d'éjection pour délimiter dans le cockpit un volume dans lequel.ne doivent pas être placés d'instruments ou d'objets qui risqueraient de gêner une procédure éventuelle d'éjection du pilote, procédure envisagée en particulier sur 10 des appareils militaires. Sur la figure 2, le viseur 11 est monté en position basse. Les instruments sur le tableau de bord symbolisé en 1 2 imposent une limite YI de vision des instruments dont il doit être'tenu compte pour l'implantation du viseur 11. Celui-ci se situe dans le volume disponible (V) limité entre les plans VB, 15 YI et TE. Le plan de l'objectif indiqué par sa trace PO est généralement parallèle à l'axe longitudinal de l'avion et l'objectif est positionné dans la position la plus haute possible compatible avec la limite de visibilité basse VB, en sorte que la pupille 6 est inférieurement tangente à la trace VB. 20 Une réalisation d'un dispositif collimateur est maintenant décrite à l'aide des figures 3 à 6. Les figures 3 et 4 représentent les trajets lumineux dans-le. plan de figure correspondant au plan formé par l'axe optique et la direction Y, ce plan étant orthogonal à celui PO de la lentille 1. La génératrice inférieure du 25 cône de visée, c'est-à-dire le rayon inférieur du champ instantané est considérée coïncidant avec la limite de visibilité basse VB. La direction moyenne de visée Z peut être déplacée pour correspondre à l'axe de symétrie de la pupille observable, il n'en a pas été tenu compte sur les représentations par souci de simpli-30 fication en considérant que le décalage peut être faible et que l'accroissement de la pupille est localisée en direction. Les figures 3a et 3b sont destinées à montrer la variation de la pupille en fonction du positionnement de la glace additionnelle 10. Celle-ci est représentée en deux positions diffé- 6 2389911 rentes 10a et 10b sur la figure 3a donnant lieu aux pupilles 8a et 8b respectivement. La figure 3b représente la pupille globale obtenue comportant pour chaque position a (b) la pupille additionnelle 9a (9b) qui correspond à la pupille 8a (8b) ramenée dans 5 le plan de la pupille originelle 6. On remarque que l'accroissement de la pupille selon la direction Y est plus important lorsque le miroir 10 est plus éloigné de l'objectif 1 mais le diamètre de la partie additionnelle 9 diminue, la position 10b est une position limite suivant laquelle les deux pupilles 9b et 6 10 sont tangentes ; compte-tenu d'une certaine dispersion selon la direction X des images des objets lumineux, une position inter-' médiaire telle que 10a est préférée pour obtenir une certaine largeur de la pupille globale à l'intersection des cercles 9a et 6. Les rayons lumineux représentés font apparaître que l'accrois-15 sement de la pupille en site produit par la glace 10a est le même que celui qui proviendrait d'un objectif de plus grand diamètre EG- = D2 au lieu de EF = D1. Ces rayons correspondant à la zone hachurée doivent traverser la première glace 2 avant de se réfléchir sur la glace additionnelle 10. Pour obtenir notamment 20 une luminosité sensiblement de même valeur des objets lumineux dans le champ global, certains aménagements sont réalisés et décrits à l'aide des figures suivantes. Le traitement semi-transparent de la glace 2 est arrêté supérieurement selon une ligne M (figure 6) de trace P (figure 4a) 25 en sorte de produite la pupille 6 (figure 4b) délimitée supérieurement par une corde KS ayant la largeur désirée selon X. la glace 10 est positionnée en sorte que son bord inférieur QR de trace S correspond pour l'observateur à la corde EH et que la pupille formée est celle représentée en 9 et limitée inférieurement à 30 cette corde. les traitements semi-transparents des glaces 2 et 10 sont déposés du côté observateur, comme représenté en traits gras sur la figure 4a. la glace 10 est traitée unifornement. les autres faces des glaces 2 et 10, côté monde extérieur, sont traitées anti- 7 2389911 réf léchissantes, le bord inférieur de la glace 10 est usiné poli optique pour éviter de produire des images parasites sous forme de barres parallèles de cette face inférieure vue à travers les glaces semi-5 transparentes 10 et 2, surtout lorsque l'ambiance lumineuse devient intense. En outre, le bord inférieur ST est découpé de manière particulière comme représenté plus en détail sur la figure 6. les décalages dus à la glace 2 ont été négligés par souci de simplification. l'angle io est formé entre la normale à la glace 10 et la 10 droite SA joignant l'arête S à l'oeil de l'observateur. Cet angle est choisi sensiblement égal à la demi-somme des deux angles indiqués il et i2 qui définissent un lièdre (D) dans l'espace où. la face TS de la glace 10 est vue par l'observateur avec une largeur nulle, suivant une ligne (QR, figure 5). A l'extérieur de 15 ce dièdre 1* observateur voit séparément les arêtes passant par S et T. l'angle il est défini par les rayons R1, R2 de direction TS, l'angle i2 par le rayon R3 qui se réfracte selon TS et le rayon R4 de même direction que R3 passant par S. les angles il, i2, io et l'angle oC de découpe du bord TS de la glace 10 sont liés par 20 les relations : sin i2 = n cosoC (n étant l'indice de réfraction de la glaee 10) il = f - 25 D'où, la valeur de en fonction de io donnée par ï K - Arc sin (n cos °C ) = ^ - 2io la valeur io pouvant être aisément déterminée à partir de la situation du pilote et celle du viseur dans l'avion. la découpe de la glace 10 ayant été effectuée en conséquence, la 30 limite MEN" du traitement de la glace 2 est déterminé en sorte que la ligne MEN" se trouve dans le plan défini par la position A prévue pour l'observateur et par la ligne QSR, en tenant compte du décalage faible introduit par le passage dans la lame trans 8 2389911 parente à face parallèle formée par l'élément 2. les taux de transmission T et de réflexion R des glaces 10 et 2 peuvent être déterminés pour obtenir une luminosité sensiblement de même ordj-e pour les images d'objets lumineux dans la 5 partie additionnelle du champ relatif à la pupille 9 que pour ceux vus dans le champ originel relatif à la pupille 6. A titre d'exemple les taux pour la glace 2 peuvent être choisis tels que T = 0,6 et R = 0,4 et pour la glace 10 : T = 0,4 et R = 0,6, ce qui donne le coefficient 0,4 pour un rayon réfléchi par la glace 2 10 vers l'observateur (zone 01, figure 4a) et 0,6 x 0,6 = 0,36 pour un rayon réfléchi par la glace 10 après avoir traversé la glace 2 (zone C2) ; les rayons provenant de l'objectif et traversant la glace 2 dans la partie supérieure non réfléchissante ne subissent pratiquement pas de pertes lors de la traversée et présente le 15 coefficient 0,6 après réflexion en 10 (zone C3). Suivant ce même exemple, le monde extérieur est vu par l'observateur avec les coefficients de transmission 0,6 pour la zone C1 et 0,4 pour les zones 02 et 03. Ainsi, dans le cas d'un collimateur de pilotage, le sol et les objets du monde extérieur de site bas sont vus 20 avantageusement avec une luminosité plus grande que ceux de site . plus élevé., tandis que les symboles lumineux sont vus avec une luminosité sensiblement du même ordre de grandeur. Compte tenu des nombreux paramètres existants : positionnement prédéterminé de l'observateur (point A, distance minimale dl), 25 limite de visibilité basse VB, trajectoire d'éjection TE, diamètre D1 de l'objectif, angle de champ global Q à obtenir, forme de la pupille agrandie etc., il ne peut être établi de formules simples du dimensionnement et du positionnement du miroir 10. 30 le montage des glaces 2 et 10 peut être avantageusement déterminé fixe sur le boîtier 5 du dispositif collimateur comme symbolisé sur le schéma figure 7 par des organes mécaniques de liaison 20 et 21 extérieurs au champ, l'élément 20 permet de rendre les glaces solidaires du bâti 5 ; l'élément 21 est latéral 9 2389911 et permet le montage parallèle des glaces, il y a un élément 21 de chaque côté. Il est entendu que des montages plus élaborés peuvent être produits pour permettre le rabattement des glaces durant des phases de non exploitation et/ou réaliser un montage 5 réglable de la glace 10 ; ces montages doivent toutefois préserver un positionnement parallèle précis des deux miroirs 2 et 10 ce qui peut être obtenu par exemple avec un montage du type parallélogramme déformable et des butées de fin de course. les dimensions du miroir 10 et en particulier sa largeur QR 10 est déterminée de préférence selon la description faite à l'aide des figures 5 et 8 en sorte que les pupilles 9 et 6 se recoupent selon une corde EH suffisamment large. Ainsi la pupille résultante présente selon la direction X des dimensions suffisantes pour permettre la projection d'objets lumineux mobiles qui peuvent être 15 assez éloignés de l'axe vertical de symétrie T. Il est représenté sur la figure 8, à titre d'exemple de projection de symbole de grande dimension, une échelle graduée verticale 16. la forme du miroir semi-réfléchissant 10 n'est pas limitée à une forme rectangulaire, les arêtes latérales peuvent être 20 façonnées à un format désiré pour la pupille 8. Par souci de simplification le champ de vision du pilote a été assimilé à un cône alors qu'en fait il comporte deux cônes dus à la vision binoculaire mais ceci ne modifie en rien le procédé mis en oeuvre selon l'invention pour accroître la pupille du 25 dispositif collimateur sans modifier les dimensions de l'objectif et du boîtier. 10 238991 1 REVENDICATIONS 1. Dispositif optique collimateur destiné plus particulièrement à réaliser un collimateur de pilotage projetant à l'infini des informations de navigation en superposition avec le mode extérieur vu par l'observateur, comportant des objets lumineux représentant 5 lesdites informations, un objectif optique renvoyant à l'infini une image desdits objets, une glace formée par un miroir plan semi-transparent pour observer ladite image en superposition avec le monde extérieur et des moyens optiques agrandissant la pupille de sortie initiale délimitée par le contour de l'image de 10 l'objectif vue à travers la glace, caractérisé en ce que lesdits moyens optiques produisent une pupille optique additionnelle (8) qui forme, en combinaison avec la pupille optique initiale (6), une pupille résultante agrandie (6 + 9), lesdits moyens comportant une deuxième glace plane semi-réfléchisante (10) disposée paral-15 lèlement à ladite première glace (2) et à une distance plus éloignée de l'objectif (1) et produisant un agrandissement en site de la pupille initiale. 2. Dispositif collimateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites glaces (2-10) sont traitées semi-transparentes 20 sur la face orientée côté objectif (1), le traitement semi-transparent étant réparti sur toute l'étendue de la deuxième glace et arrêté supérieurement dans le cas de la première glace en sorte que la surface non traitée de celle-ci ainsi que la deuxième glace sont situées dans le champ de visée (C2, 03) s'appuyant sur la pupille 25 optique additionnelle (9). 3. Dispositif collimateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le traitement semi-transparent de la première glace est délimité selon une ligne (MECT) de direction (X) parallèle au bord inférieur (QSR) de la deuxième glace et perpendiculaire à celle 30 (Y) d'accroissement en site, la position de cette ligne étant prédéterminée en fonction notamment du positionnement de l'observateur et de la pupille additionnelle envisagée en sorte d'être sensiblement située dans le plan passant par ledit bord inférieur 11 2389911 et l'oeil de l'observateur. 4. Dispositif collimateur selon la revendication 3» caractérisé en ce que ladite ligne et ledit bord inférieur sont positionnés en sorte que la pupille circulaire additionnelle (9) se raccorde avec 5 la pupille initiale (6) selon une corde (EEï) de largeur déterminée. 5. Dispositif collimateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les faces des glaces orientées côté monde extérieur sont traitées anti-réfléchissantes sur toute leur étendue. 10 6. Dispositif collimateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le bord inférieur de la deuxième glace est usiné poli optique. 7. Dispositif collimateur selon l'ensemble des revendications 2 et 6. caractérisé en ce que ledit bord inférieur est découpé de 15 manière particulière en sorte que son plan forme avec celui de la deuxième glace un angle de découpe cC dont la valeur est donnée sensiblement par la relation oC - ire sin (n cos ci ) = ^ - 2io où. io est l'angle entre la normale à la deuxième glace et le plan 20 passant par l'arête inférieure (QSR) de la deuxième glace côté traitement serai-transparent et l'oeil de l'observateur. 8. Dispositif collimateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les taux de transmission et de réflexion des glaces sont déterminés en sorte que lesdits objets 25 présente une luminosité sensiblement égale selon qu'ils sont observés dans la zone de champ (01) s'appuyant sur la pupille initiale ou dans la zone de champ (C1, C3) complémentaire s'appuyant sur la pupille additionnelle. 9. Dispositif collimateur selon la revendication 8, caractérisé en 30 la première glace présente un taux de transparence sensiblement de 0,4» celui de la seconde glace étant sensiblement de 0,6. 10. Collimateur de pilotage réalisé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, ledit collimateur étant monté de manière que la pupille optique est tangente inférieurement avec le plan limite 12 2389911 de visibilité basse (VB) pour le pilote, caractérisé en ce que le montage des glaces est déterminé fixe (figure 7) du point de vue de leur positionnement relatif pour correspondre à une pupille agrandie de forme prédéterminée.