Brevet FR2493539A1 — publié le 19820507

La présente invention concerne un équipement de vision nocturne fixé à la tête de celui qui le porte, plus spécialement des lunettes pour vision nocturne ou des dispositifs monoculaires de vision nocturne. Par équipement de vision nocturne, on entend un instrument qui transforme un objet pratiquement invisible pour un oeil non aidé en une image visible, sans toutefois l'agrandir. Le constituant principal d'un tel équipement de vision nocturne, qu'il soit binocu- laire ou monoculaire, est un convertisseur d'image ou un tube renforçateur d'image servant à rendre plus intense le rayonnement infrarouge ou de lumière visible de niveau faible émis ou réfléchi par un objet, et qui est principalement constitué d'une cathode photo-émissive semi-transparente située à son extrémité antérieure, d'un écran luminescent placé à son extrémité postérieure, et d'un système de lentilles électrostatiquesinséré entre les deux. L'ins- trument de vision nocturne contient en outre un objectif, c'est-à- dire une lentille qui projette l'image à voir sur la cathode semi- émissive, et un oculaire, c'est-à-dire un système optique permettant de voir l'image renforcée. Dans la plupart des instruments, le tube est doté d'un système de renversement d'image constitué, en substance, d'un faisceau de fibres de verre très minces conduisant la lumière dont une extrémité est tournée vers l'écran luminescent, tandis que son autre extrémité regarde l'oculaire, le faisceau de fibres étant tordu en spirales de 180 de manière à ainsi inverser le bas et le haut de l'image. De façon avantageuse, l'instrument est fermement attaché à la tête de son porteur de manière à lui laisser le libre usage de ses mains, et la vision binoculaire est préférable parce qu'elle accroît l'intensité de perception et permet au porteur d'estimer la distance le séparant d'un objet vu. Toutefois, les instruments connus présentent certains inconvénients qui vont être expliqués ci-après en relation avec la représentation schématique d'un instrument de la technique antérieure, que-4'on peut voir sur la figure 1. Sur cette figure, chacune des deux trajectoires de visée parallèles comprend un objectif 1,1', un tube convertisseur d'image 2,2' et un oculaire 3,3'. Le tube convertisseur d'image comprend une cathode photoémissive 21 tournée vers l'objectif, un écran luminescent 22 à son extrémité postérieure, et un système de lentilles électrostatiquesdisposé entre les deux. Un système 24 de renversement d'image est fixé à l'arrière de l'écran luminescent, afin de placer dans le bon sens vertical l'image sur son extrémité 25 tournée vers l'oculaire. Les rayons issus de l'objet visé sont projetés par l'objectif sur la photocathode 21. L'énergie lumineuse est renforcée et une image visible est reproduite sur l'écran luminescent 22 pour être inversée par le système 24 de fibres de verre, si bien qu'elle apparaît dans le sens vertical correct sur la face terminale posté- rieure de l'instrument. L'image est ensuite projetée par l'oculaire 3 via le cristallin de l'oeil sur la rétine. Les deux trajectoires de visée formant le binoculaire sont d'une longueur relativement impor- tante mais nécessaire pour qu'il soit possible de loger ses consti- tuants, et l'objectif est donc très éloigné du cristallin. Par conséquent, les rayons lumineux arrivant sur l'objectif en provenance de l'objet visé ne coïncident pas avec les rayons lumineux atteignant le cristallin en provenance de l'écran luminescent via l'oculaire, mais ilsprésentent une image de l'objet qui est légèrement différente de celle qui serait vue par l'oeil sans aucune aide; l'oeil est donc trompé en ce qui concerne la position de l'objet et sa distance à l'observateur. Ainsi, à chaque fois que l'observateur tourne la tête pour regarder l'ensemble de la zone se trouvant devant lui, l'exis- tence d'une grande distance entre l'objectif et l'oculaire produit certaines contradictions dans sa perception de l'objet et dans son estimation de la distance qui le sépare de lui. Le mouvement angulaire de la tête fait basculer les yeux sur un centre M qui coïncide avec l'axe des vertèbres cervicales se trouvant en arrière du visage et des yeux. Pendant une vision normale effectuée sans -aide visuelle, derrière des lunettes ordinaires, le champ visuel est projeté sur 1s -rétines sans aucune déviation, enétant commandé par la position des pupilles et des cristallins. Une perception spatiale correcte dans le domaine statique et dans le domaine dyna- mique est donc déterminée par le mouvement de la tête et des globes oculaires seuls, et l'orientation spatiale est une fonction de ces mouvements et du mouvement dit de parallaxe, qui est déterminé par la distance séparant l'axe de rotation de la tête (M) et chaque oeil (a sur la figure 1). Lorsqu'une aide visuelle se présentant par exemple sous forme d'un instrument binoculaire est fixée à la tête de son utilisa- teur, les distances relatives sont altérées et il s'ensuit des modifications de la propioception de la personne portant l'instrument binoculaire, pour la raison principale que le mouvement angulaire de la tête sur un angle donné amène l'image de l'environnement à traverser la résine à une vitesse qui est plus élevée que celle qui serait obtenue en l'absence d'aide visuelle. Cette contradiction amène finalement des maux de tête, des vertiges, de la fatigue visuelle et d'autres troubles nerveux, car le corps ne peut réagir à sa manière habituelle aux impressions visuelles reçues par le cerveau. C'est donc un but de l'invention de proposer un équipe- ment de vision nocturne qui fait en sorte que la direction des faisceaux lumineux émanant d'un objet et arrivant sur l'objectif de l'équipement co!ncide avec la direction des faisceaux traversant l'oculaire pour parvenir à la pupille et au cristallin de l'obser- vateur telle que cette direction sera définie en l'absence de port d'un équipement de vision nocturne. Un autre but de l'invention est de proposer un équipe- ment de vision nocturne qui peut être fabriqué suivant une construc- tion très légère afin d'empêcher que son porteur ne soit chargé et fatigué au-delà de ce qui est nécessaire. Selon l'invention, un instrument de vision nocturne conçu pour présenter une image de rapport 1:1 d'un objet, qui serait autrement difficilement visible, qui est regardée au travers de l'instrument, consiste en un objectif, un tube renforçcateur ou convertisseur d'image de conception connue, un oculaire, un miroir d'entrée plan et un moyen optique permettant de transférer l'image venant de l'écran luminescent du tube jusqu'à l'oculaire; toutefois, par opposition aux instruments existants, l'instrument de l'invention se distingue par l'agencement spatial de ses constituants, de sorte que l'objectif et le convertisseur d'image sont disposés coaxialement à une certaine distance mutuelle et de façon que leur axe commun soit à angle droit de l'axe de l'oculaire à une distance prédéterminée par rapport à l'intersection de ces axes, le miroir d'entrée étant pour sa part placé au voisinage de l'avant de l'oculaire, son centre optique se trouvant sur l'axe de l'oculaire et sa surface étant inclinée par rapport à cet axe d'un angle de 45 , afin de diriger les rayons lumineux reçus en provenance de l'objet visé à travers l'objectif jusque sur la photocathode du tube convertisseur d'image. L'instrument de l'invention se distingue en outre par le fait que la distance séparant le centre optique du miroir principal et la pupille de l'oeil de l'observateur est égale à la distance existant entre le centre du miroir et le centre optique de l'objectif, et par le fait supplémentaire que le moyen optique permettant de transférer l'image de l'écran luminescent du tube à travers l'oculaire est dimensionné de telle manière à faire que l'image apparaisse dans l'oeil sous le même angle visuel qui serait obtenu si l'objet était vu de la même distance par l'oeil dépourvu de toute aide. On notera qu'un écran luminescent est un dispositif permettant de transformer des faisceaux électroniques venant frapper sa face postérieure en une image visible apparaissant sur sa face se trouvant du côté "oculaire". L'image apparaissant sur l'écran luminescent peut être projetée dans l'oeil par divers moyens optiques connus: l'un d'entre eux consiste en un faisceau de minces fibres conductrices de la lumière en verre ou en un autre matériau transparent placé entre l'écran luminescent et l'oculaire. Un mode de réalisation préféré comprend un système de miroirs composé de cinq miroirs plans, en plus dudit miroir d'entrée, tous inclinés à 450 par rapport à l'axe de l'oculaire ainsi que par rapport à l'axe du convertisseur d'image, o un premier miroir de déviation est placé à l'arrière du miroir d'entrée qui regarde l'oculaire, sa surface étant parallèle à la surface du miroir principal. Un trajet optique rectangulaire formé d'un groupe de quatre miroirs, chacun étant réglé à angle droit du miroir se trouvant au coin adjacent du rectangle, projette l'image apparaissant sur l'écran luminescent sur ledit premier miroir en faisant réfléchir la lumière de quatre angles droits. Une lentille biconvexe symétrique est placée entre deux miroirs adjacents de manière à inverser l'image, afin qu'elle apparaisse pour l'oeil en position verticale correcte. La lentille n'est pas nécessaire dans le cas o le convertisseur d'image est doté d'un système de renversement à fibres de verre, mais, si elle est mise en place, elle aide à diriger les rayons suivant l'angle visuel voulu. Au lieu des quatre miroirs, on peut installer deux prismes de double réflexion à angle droit; toutefois, puisqu'un poids moindre est un avantage excessivement important, on préfère utiliser les miroirs, puisqueau total, ils pèsent moins que les prismes. La description suivante, conçue à titre d'illustration de l'invention, vise à donner une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages; elle s'appuie sur les dessins annexés, parmi lesquels: - la figure 1 est un dessin schématique d'un équipement de vision nocturne de la technique antérieure; - la figure 2 présente l'agencement simplifié d'un mode de réalisation de viseur infrarouge; - la figure 3 est une vue en coupe d'un autre mode de réalisation de viseur infrarouge; et - la figure 4 est une vue en coupe suivant A-B-C de la figure 3. Sur la figure 2, est illustrée une forme schématique d'un mode de réalisation de viseur infrarouge, qui peut être la moitié d'un instrument binoculaire ou qui peut être utilisé comme instrument monoculaire. L'instrument comprend un convertisseur d'image infrarouge ou renforçateur de lumière de niveau faible, désigné par la référence 2, qui est placé à angle droit de l'axe de visée de l'instrument, lequel est défini par l'axe d'un oculaire 33, et à une distance prédéterminée de cet axe, laquelle sera définie plus précisément ci-après. Le convertisseur d'image est constitué d'une cathode photo-émissive 21 disposée à sa partie antérieure, d'un écran luminescent 22 disposé à sa partie postérieure et d'un système de lentilles électrostatique disposé entre les deux et servant à transformer une image presque invisible projetée sur la cathode en une image visible pouvant être vue sur l'écran luminescent. A l'opposé du dispositif classique de convertisseur d'image illustré sur la figure l,aucun système d'inversion (24) n'est incorporé au présent mode de réalisation, pour des raisons qui apparaîtront ci- après. Une lentille d'objectif 32 est placée en avant de la photocathode, coaxialement à celle-ci et à une distance relativement courte de celle-ci. Les rayons issus d'un objet 0 sont réfléchis par un miroir d'entrée plan 31 sur l'objectif 32, le miroir étant centralement disposé dans l'axe de visée de l'instrument et étant incliné par rapport à celuici d'un angle de 45 . La disposition géométrique de l'objectif et du miroir principal est caractérisée par le fait que le centre du miroir d'entrée est équidistant du centre optique de l'objectif et du cristallin 41 de l'oeil, cette distance étant désignée par la référence "D". Le côté envers du miroir 31 est conformé de manière à présenter une surface réflé- chissante 35 parallèle à la surface antérieure et centrée de la même façon sur l'axe de visée, mais regardant l'oculaire 33. L'image visible apparaissant sur l'écran luminescent 22 est projetée dans l'oculaire 33 au moyen de quatre miroirs plans 51, 52, 53, 54 et du miroir 35, chacun des quatre miroirs faisant un angle de 450 avec l'axe de visée et un angle de 90 par rapport à chacun des deux miroirs adjacents, ces miroirs occupant donc les quatre coins d'un rectangle. L'image est remise à l'endroit par une lentille 56 placée entre les miroirs 52 et 53. Un diaphragme de vision 80,qui est représenté comme disposé dans le plan de l'image intermédiaire en avant de l'oculaire, est facultatif et peut être omis. L'oculaire, dont le foyer se trouve dans le plan du diaphragme, projette l'image dans l'oeil, via le cristallin 41, sur la rétine 42. Lorsqu'on suit les rayons lumineux, il apparaît clairement que l'angle visuel.,sous lequel l'objet 0 est reçu par l'objectif 32, est identique à l'angle visuel e' sous lequel l'image de l'objet pénètre dans le cristallin. La géométrie générale du système optique est conçue de façon à projeter l'objet visé 0 dans l'oeil sous l'angle visuel sous lequel il serait vu par l'oeil non aidé depuis la même distance. Dans le mode de réalisation illustré, l'image intermédiaire apparaissant sur le diaphragme de vision (s'il existe) possède la taille qui apparaît sur l'écran luminescent 22 du tube. On obtient ce résultat en plaçant la lentille 56 exactement à michemin entre le plan de l'écran luminescent 22 et le plan de l'image intermédiaire qui apparaît sur le diaphragme 61. La distance existant entre le convertisseur ou tube renforçateur et la lentille d'objectif 32 est donnée par l'angle visuel maximal qui peut être reçu par la photocathode 21. On choisit le grandissement de l'oculaire de manière à reproduire l'objet O avec l'angle e sous lequel il apparaîtrait à l'oeil non aidé. Les figures 3 et 4 illustrent un instrument construit selon le schéma de la figure 2, o, toutefois, pour rendre l'ins- trument plus compact, on a placé le trajet optique, allant de la surface antérieure du miroir d'entrée au côté envers de ce miroir d'entrée, via le renforçateur d'image, dans un plan vertical qui coupe perpendiculairement le trajet reliant l'objet visé à l'oeil. Dans le but de faciliter la compréhension de ce mode de réalisation de l'invention, on utilise des chiffres identiques pour désigner les parties se correspondant dans le schéma de la figure 2 etl'instrument réel des figures 3 et 4. L'instrument, qui représente la moitié d'un viseur binoculaire, comprend un boîtier extérieur, lequel consiste en deux côtés sensiblement plans 60 et 61 et en un couvercle périphérique 63 ayant, en coupe, la forme d'un hexagone non régulier. Le côté plat 61 est doté d'une ouverture de visée cylindrique 64 qui est fermée par une plaque de verre 65. Le côté plat 60 est doté d'une monture d'oculaire cylindrique 66, sensiblement opposée à l'ouverture de visée. Les constituants optiques sont montés à l'intérieur du bottier, mais, afin de présenter clairement et sans obstacle chacun des constituants, on a omis sur le dessin presque tous les moyens de fixation, et seuls les constituants eux-mêmes sont présentés. Si l'on suit la lumière venant de l'objet visé qui entre dans le bottier par la plaque de verre 65, les constituants sont disposés dans l'ordre suivant: la lumière qui entre dans l'instrument en a est déviée vers le bas sur une lentille d'objectif 32 par la surface antérieure d'un miroir d'entrée 31, lequel est incliné d'un angle de 45 par rapport au plan du boîtier. La lumière sortant de l'objectif est envoyée dans un convertisseur ou renforçateur d'image 2 via un prisme 70 et une lentille biconvexe 71. L'image renforcée apparaissant sur l'écran luminescent 22 du convertisseur est renvoyée, par un miroir 51 disposé à 45 par rapport à l'axe du convertisseur d'image, suivant la direction verticale remontante via une lentille d'inversion 56 jusque dans un double prisme 72. Ce prisme retourne la lumière de 1800 et la projette sur une première lentille oculaire 33a, puis, de là, sur une deuxième lentille oculaire 33b, en la déviant sensiblement à angle droit par l'intermédiaire d'un prisme à angle droit 73. En passant par l'oculaire, la lumière entre dans la pupille 41 de l'oeil de l'observateur. On effectue la mise au point de l'image en modifiant la position axiale de la lentille d'inversion 56. Le trajet de la lumière passant dans le viseur est en principe identique à celui représenté et décrit dans le diagramme de la figure 2; mais, alors que le trajet lumineux du diagramme se trouve dans un seul plan horizontal, le trajet lumineux passant dans l'instrument optique décrit sur les figures 3 et 4 se trouve dans un plan vertical qui est perpendiculaire à l'axe de visée. Les avantages sont évidents, car la dimension axiale de l'instrument est alors relativement courte, et les rayons lumineux ne se coupent en aucun endroit, alors que cela se produit dans l'instrument théorique montré sur le diagramme. Un grand nombre de variantes permettent d'obtenir le même but. En fonction de la dimension de la cathode photo-émissive et de l'écran luminescent, il est possible d'augmenter ou de diminuer la taille de l'image intermédiaire en plaçant la lentille 56 à une distance appropriée entre lesmiroirs52 et 53. D'autre part, la taille de l'image intermédiaire dépend du grossissement de l'oculaire, ce qui permet un nombre infini de variations de paramètres. Pour obtenir un instrument léger et confortable, il est naturellement impératif de réduire au minimum la distance séparant les différents consti- tuants sans toutefois réduire l'intensité et la clarté de l'image. Ainsi, il faut maintenir la distance D séparant le miroir principal 31 du cristallin de l'oeil aussi courte que la longueur de l'ocu- laire le permet. D'autre part, l'ouverture de la cathode photo- émissive doit être d'une taille suffisante pour recevoir un maximum d'énergie lumineuse. Cette condition détermine la distance séparant la lentille 32 et la cathode photo-émissive, tandis que la distance D est commandée par la taille et les propriétés optiques de l'oculaire. Des considérations analogues s'appliquent relativement à l'utilisation de prismes à la place de miroirs. Lorsque l'on utilise des fibres de verre pour transférer l'image de l'écran luminescent au plan se trouvant en avant de l'oculaire en coïncidence avec son foyer, il est clair que la dimension de l'image n'est pas modifiée et que l'oculaire doit être conçu pour projeter l'objet O dans l'oeil sous l'angle correct e. Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'imaginer, à partir de l'instrument dont la description vient d'être donnée à titre simplement illustratif et nullement limitatif, diverses variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention. R E V E N D I C A T I O N S 1. Instrument de vision nocturne comprenant un oculaire (33; 33a, 33b) définissant l'axe de vision de l'instrument, un miroir d'entrée (31), une lentille d'objectif (32) et un convertisseur ou renforçateur d'image (2) de type connu se trouvant à une certaine distance de la lentille sur le même axe que celle-ci, un moyen optique destiné à transférer l'image apparaissant sur l'écran lumi- nescent (22) du convertisseur d'image jusque dans le plan de l'image intermédiaire se trouvant en avant de l'oculaire, l'instrument étant caractérisé en ce que ledit objectif (32) et ledit convertisseur d'image (2) sont disposés coaxialement à angle droit par rapport à l'axe de l'oculaire et en ce que ledit miroir d'entrée (31) est disposé de manière que son centre optique soit dans l'axe de visée en avant de l'oculaire (33) et incliné d'un angle de 45 par rapport à l'axe de visée afin de réfléchir l'image de l'objet visé via la lentille d'objectif sur la photocathode du convertisseur d'image, et en outre en ce que la distance (D) séparant le centre optique du miroir d'entrée de la pupille (41) de l'oeil de l'observateur est égale à la distance séparant le centre du miroir du centre optique de la lentille d'objectif (32) et en ce que le moyen optique destiné à transférer l'image de l'écran luminescent du convertisseur d'image via l'oculaire jusque dans l'oeil présente des dimensions telles que l'image apparaisse dans l'oeil sous le même angle visuel que si elle était observée de la même distance par l'oeil non aidé. 2. Instrument selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen destiné à transférer l'image de l'écran luminescent en un plan situé en avant de l'oculaire se présente sous la forme d'un faisceau de fibres de verre transmettant la lumière ou d'un matériau équivalent, les premières extrémités de toutes les fibres se trouvant dans un plan jointif à l'écran luminescent, et les autres extrémités des fibres se trouvant dans le plan de l'image intermédiaire en avant de l'oculaire, l'oculaire ayant des dimensions telles que l'image est projetée dans l'oeil sous le même angle visuel que si elle était observée par l'oeil non aidé depuis la même distance. 3. Instrument selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen destiné à transférer l'image de l'écran luminescent jusqu'en un plan se trouvant devant l'oculaire se présente sous la forme d'un système de miroirs placé entre l'écran luminescent et l'oculaire, ledit système de miroirs comprenant un premier miroir (35) placé à l'arrière du miroir d'entrée du c8té de l'oculaire et présentant sa surface parallèlement à la surface du miroir d'entrée, et comprenant en outre quatre miroirs (51 à 54), chacun étant placé à angle droit par rapport au plan du miroir suivant et étant incliné d'un angle de 450 par rapport à l'axe de visée, les quatre miroirs étant disposés de manière à réfléchir l'image de l'écran luminescent sur ledit premier miroir. 4. Instrument selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'une lentille biconvexe (56) est placée entre deux miroirs consé- cutifs (52, 53). 5. Instrument selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'un diaphragmede vision (80) est placé dans le plan de l'image intermédiaire en avant de l'oculaire. 6. Instrument selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen destiné à transférer l'image de l'écran luminescent jusqu'en un plan se trouvant devant l'oculaire comprend un miroir (35) disposé à l'arrière du miroir d'entrée (31) du côté de l'ocu- laire et possédant une surface parallèle à la surface du miroir d'entrée, et deux doubles prismes (51, 72, 73) disposés entre l'écran luminescent et ledit premier miroir de manière à réfléchir l'image de l'écran luminescent sur ledit premier miroir.