Brevet FR2512968A1 — publié le 19830318

La présente invention concerne un dispositif de correction auto matique de-mise au p3int d'un instrument optique, applicable en particulier à un instrument de visée à l'infini tel qutun periscope de sous-marin. Certains instruments optiques de vise tels que les périscopes de sous-marins sont soumis pendant leur utilisation a des variations de température importantes qui provoquent des dilatations des verres et des pièces mécaniques composant le périsccpe ainsi que des variations de pression et de température de l'air continu dans le périscope. Cela entraine des variations d'indices dde réfraction et de distances focales qui provo- quent un déplacement du plan image et donc un défaut de mise au point, par ticulièrement gênant pour la prise de photos. Il est connu d'installer sur da tels périscopes un dispositif de correction de mise au point automatique. De tels dispositifs de correction de mise au point peuvent comporter une mire canalisée à l'entrée de l'objec- tif de l'instrument optique et dont l'image parvient à un élérnent de détection lumineuse qui localise le plan image de la mire et qui commande en conséquence le déplacement d'un véhicule optique afin de maintenir constante la position selon l'axe optique de l'imaga réelle. Dans de tels dispositifs, la difficulté principale réside dans la conception des systèmes de détection lumineuse. En effets la modification dans le temps des caractéristiques des cellules sensibles à la lumière que comportent ces dispositifs peut provoquer des déréglages. La présente invention concerne donc un dispositif de correction de mise au point d'un instrument a objectif convergent dont l'image réelle est ajustée à l'aide du déplacement d'un véhicule optique ce dispositif comprenant un bloc projetant une mire à l'entrée de objectif convergent fournissant une image de mire située à la meme distance que l'image réelle du champ donnée par ledit objectif, un élément de détection lumineuse fournissant des signaux en fonction de la position de l'image de mire b un cir- cuit d'asservissement, ce circuit commandant le déplanement du véhicule optique de manière à maintenir l'image de mire à une position fixe prédétermi- née. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, l'élément de détection lumineuse est positionné dans un plan perpendiculaire à l'axe opti.- que, au voisinage du plan image de l'objectif, de fanon à intercepter l'image de la mire. I1 est prévu d'autre part un moyen de déplacement alterné du plan image de la mire par rapport à l'élément de détection, de façon que leur position relative oscille entre une position du plan image de la mire légèrement en avant et une position du plan image légèrement en arriere de l'élément de détection. Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, le moyen de déplacement alterné de la position relative du plan image de la mire par rapport à l'élément de détection lumineuse est obtenu par interposition dans le faisceau lumineux provenant de la mire d'une lame transparente mobile à faces parallèles, ayant pour effet de décaler dans la direction de llaxe optique le plan image, lors du passage de cette lame, l'élément de détection étant disposé de façon à se trouver légèrement en arrière du plan image formé lorsque le faisceau lumineux ne traverse pas la lame et en avant du plan image formé lorsque le faisceau lumineux traverse la lame, l'élément de détection fournissant à un circuit de commande, alternativement, les signaux correspondant aux deux positions relatives du plan image. Selon une autre caractéristique de l'invention, la mire est constituée d'une lame plane traversée par un faisceau lumineux provenant dune source lumineuse, cette lame ayant un coefficient de transmission qui varie sinusotdalement dans une certaine direction, et qui est constant dans la direction perpendiculaire.D'autre part, l'élément de détection lumineuse est constitué d'une cellule disposée perpendiculairement à l'axe optique, dia- phragmée par une grille formée de zones opaques parallèles, le pas de la grille étant égal au pas de l'image de la mire, et la direction des zones opaques de la grille étant parallèle à la direction des zones d'égale intensité lumineuse de limage de la mire. I1 est enfin prévu un moyen pour créer un déplacement continu, dans un plan perpendiculaire à l'axe optique, du plan image de la mire par rapport à la grille, ce déplacement relatif ayant une composante selon une direction perpendiculaire aux zones opaque s de la grille. L'invention va maintenant être décrite avec plus de détails en se référant à un mode de réalisation donné à titre d'exemple et représenté par les dessins annexés. La figure 1 représente un diagramme donnant le contracte dune image (en ordonnée) en fonction de la distance selon l'axe optique de cette image par rapport au plan focal (en abscisse). Les figures 2, 3 et 4 sont des schémas qui montrent diverses pcsi- tions du plan focal par rapport à deux plans parallèles de mesure du degré de mise au point. Les figures 5 et 6 sont des schémas montrant la position d'un détecteur selon la présente invention, par rapport au plan focal, respectivement sans et avec interposition d'une lame transparente. Les figures 7 et 8 représentent un mode de réalisation de la cellule. La figure 9 représente un instrument de type périscope, équipé d'un dispositif de correction automatique de mise au point conforme à l'invent ion. En se référant à la figure 9, nous distinguons un périscope comprenant divers éléments optiques disposés de façon classique et comprenant en plus un dispositif de correction automatique de mise au point conforme à notre invention. Le périscope est constitué principalement d'une tête d'observation 1 reliée par un tube allongé 2 disposé généralement verticalement, à un boitier 3 comprenant les appareils dtobservation. Le faisceau lumineux 4 provenant de la zone de l'espace qui est observee' parvient dans la tête d'observation 1, est réfléchi vers le bas par un prisme 5, passe à l'intérieur du tube allongé 2, selon l'axe optique 6, en traversant une suite dtobjectifs 21, 22, 23.Ce faisceau lumineux traverse ensuite une lame semitransparente 7, d'où il ressort partagé en deux faisceaux qui suivent les directions 8 et 9. La partie du faisceau suivant l'axe optique 8 parvient à un oculaire, pour l'observation directe, et la partie du faisceau suivant l'axe optique 9 est réfléchie sur un miroir 10, puis suit les chemins 12 et 13 pour parvenir, au plan de focalisation, sur une plaque sensible 14 de prises de vues photographiques. Le dispositif de correction automatique de mise au point est constitué, d'une façon générale, d'une source lumineuse 15 dont le rayonnement est en dehors du spectre de la lumière parvenant en 4, en provenance du champ observé. Le faisceau lumineux provenant de la source 15 est projeté à l'entrée de l'objectif 22 du périscope, suit à l'intérieur du tube 2 le même chemin 6 que la lumière provenant du champ observé, passe dans le meme objectif 23, puis est séparé de la lumière provenant du champ observé et parvient à un ensemble de dispositifs (26 à 33) qui a pour but de déterminer avec précision la position du plan de focalisation de cette lumière. Si, en cours d'observation ou de prise de vues, les conditions de température du périscope se modifient, il s'ensuit des dilatations du tube 2, ainsi que des modifications des conditions de température et de pression de l'air contenu dans le périscope, ce qui modifie les indices de ré fraction au niveau des objectifs 22 et 23. Toutes ces variations de température et de pression entrainent des variations dans la position du plan de l'image réelle du champ de l'objectif, et par conséquent un défaut de mise au point. Pour corriger ce défaut de mise au point, il est possible dtin- tervenir manuellement en déplagantpn conséquence, en direction de l'axe optique, le véhicule optique 23.Après cette opération initiale manuelle de réglage de la mise au point par l'opérateur, le dispositif de réglage automatique intervient pour maintenir la mise au point quelles que soient les variations de la distance focale de l'objectif. Le dispositif de réglage automatique de la mise au point comprend essentiellement un circuit d'asservissement 33 qui reçoit des signaux électriques d'une cellule sensible à la lumière 32, traite ces signaux afin de déterminer la position exacte du plan image provenant de la mire 16, et commande en conséquence un moteur 35 qui déplace le véhicule optique 23, afin de stabiliser la position du plan image de la mire, et par conséquent du plan de 11 image réelle du champ observé. Nous allons décrire maintenant l'ensemble du dispositif (15 à 32) qui permet d'obtenir en 33 un signal électrique qui représente la position dans l'espace du plan image de la mire, ce dispositif faisant l'objet de la présente invention. Pour comprendre le fonctionnement de ce dispositif, nous nous reporterons maintenant aux figures 1 à 8. La figure 1 représente une courbe. L'axe des abscisses représente la distance séparant, selon ltaxe optique, un plan d'une image par rapport au plan focal. L'axe des ordonnées représente le contraste, ou le degré de netteté, de l'image au niveau de ce plan. On remarque sur cette courbe, qu'au niveau du plan focal (0 des abscisses) la courbe présente une tangente horizontale, par conséquent, au voisinage de cette zone C, un déplacement donné du plan image modifie peu le degré de contraste. Par contre, la courbe présente une forte pente dans la zone a et b, et on voit que si le plan de l'image est situé au voisinage de la distance e, en avant ou en arrière du plan focal, une variation donnée de la position de ce plan modifie fortement le degré de contraste.Tenant compte de ce là, selon la presente invention, il est prévu, comme le montre la figure 2, d'effectuer une première mesure du contraste de l'image de la mire dans un plan 36 situé en arriere du plan focal 38, à une distance e, et d'effectuer une seconde mesure dans un plan 37 situé en avant du plan focal 38, à une même distance e. De cette façon, lorsque le plan focal 38 est exactement situé à mi distance des plans de me sure 36 et 37, séparés de la distance 2e, le contraste Iesure sur ccs plans 36 et 37 est identique.Si le plan focal 38 se déplace par rapport aux plans 36 et 37 (figure 3 ou figure 4) il apparats tonie différence9 positive ou néS gative, entre les indications de contraste donnees au niveau du plan 36 et celles données au niveau du plan 37. Les figures 5 et 6 montrent schématiquenent un dispositif condor me à la présente invention permettant d'effectuer presque simultanément les deux mesures suivant les deux plans 36 et 37, permettant, par comparaison des résultats, de déterminer ia position du plan focale La cellule 32 est montée fixe, légèrement en arrière du plan focal image de la mire, à une distance sensiblement égale à e. Une premiere mesure de contraste est effectuée dans cette position (figure 5).Puis, on interpose dans le faisceau lumineux une lame transparente à faces parallèles (tigure 6). Cette lame 39 a une épaisseur telle qutelle décale selon l'axe optIque le plan foc pour le ramener dans un plan 38' écarté du plan 38 de la distance 2ee La cellule fixe 32 se trouve alors en avant du plan focal 3t et délivre un autre signal de- terminant le contraste dans cette position. I1 est alors procéde a une comparaison des contrastes déterminés par la cellule 32 lorsque celle-ci redoit la lumière de la mire sans interposition de la lame 39, puis avec interposîtion de la lame 39, puis à une commande en conséquence du déplacement du véhicule optique afin de maintenir légalité en valeur absolue ds ces deux contrastes. Nous allons décrire maintenant une disposition constructive parti culièrement avantageuse d'une telle cellule 32 permettant d'obtenir une mesure fiable et précise du degré de contraste. En se reportant aux figures 7 et 8, on remarque une cellule 32 plane disposée perpendiculairement à l'axe optique, et sur laquelle vient se projeter une image 40 de la mire 16. La mire 16 est constituée dtune lame dont le coefficient de transmission varie sînusotdalaent dans une direction et est constant dans la direction perpendiculaire. Autrement dit, la mire 16 présente une suite de raies parallèles alternées sombres et claires dont le coefficient de transmission varie sinusoïdalement. Par conséquent, l'image 40 de la mire 16, qui n'est pas située exactement dans le plan focal 38, présente une suite alternée de zones parallèles sombres et claires 41 de contraste plus faible que le contraste de la mire 16.La cellule 32 est constituée d'une cellule plane 42 dont les caractéristiques électriques varient en fonction de son éclairement, diaphragmée par une grille 43 formée de zones opaques parallèles 44, le pas de cette grille étant égal au pas de l'image 40 de la mire. Un système optique ou mécanique quelconque crée un déplacement alternatif perpendiculaire à l'axe optique selon la di rection des flèches 45, ce déplacement étant un déplacement relatif entre limage 40 de la mire et la grille 43.De la sorte, le signal électrique délivré par la cellule 42 a une forme sinusodale, et il est compréhensible que la différence entre le niveau maxi et mini de ce signal est en relation directe avec le degré de contraste et donc en relation directe avec la distance séparant le plan de la cellule 32 du plan focal 38. On peut se reporter maintenant à la figure 9 pour décrire complètement le dispositif de correction automatique de la mise au point. Une source lumineuse ponctuelle 15 envoie un faisceau lumineux qui traverse la mire 16 constituée de raies parallèles sombres et claires alternées dont le coefficient de transmission varie sinusoidalement et dont le contraste peut être voisin de 1 entre les zones les plus claires et les zones les plus sombres. Le faisceau lumineux passe ensuite à travers une lentille convergente 17 qui forme un collimateur donnant une image à l'infini de la mire.Le faisceau d'axe optique 18 est réfléchi sur le miroir 19 puis parvient sur une lame semi-transparente à traitement dichrotque 20 disposée à 450 qui laisse par conséquent passer la lumière provenant du prisme 5 et qui réfléchit dans la mème direction 6 la lumière provenant de la source 15. Si la lumière provenant du champ observé correspond au spectre visible, la lumière de la source 15 peut par exemple etre dans le domaine de l'infrarouge. L'ensemble des deux faisceaux lumineux traverse donc les objectifs 22 et 23, sont réfléchis par le miroir 10 puis rencontrent une autre lame semitransparente à traitement dichrorque 11 qui renvoie à 450 selon le chemin 12 la lumière provenant du champ observé et qui laisse passer selon le chemin 24 la lumière provenant de la source 15.Le faisceau lumineux est ensuite réfléchi sur le miroir 25, traverse un prisme de wollaston 26, traverse ensuite un prisme 27 qui tourne continuellement autour d'un axe confondu sensiblement avec l'axe optique à l'aide d'un moteur creux 28, le faisceau lumineux traverse ensuite une lentille convergente 29 puis une lame à faces parallèles 30 qui tourne autour dtun axe parallèle à l'axe optique mais décalé d'une certaine valeur, la lame tournante étant mue par un moteur 31, puis le faisceau vient enfin former l'image de la mire en un plan situé au voisinage dtune cellule 32. La cellule 32 est formée des pièces 42, 43 telles qu'elles ont été décrites précédemment n référence à la figure 8. L'image 40 de la mire 16 a une dimension nettement inférieure à la dimension de la cellule 32. En tournant autour de lui meme, le prisme 27 déplace conti nuellement image 40, sans modifier la position du plan focal, cette image 40 décrit donc sur la cellule 32 un mouvement en Longe de cercle, sans tou tefois tourner sur elle-mEme, ctest~à-dire en gardant toujours la méme direction des zones sombres 41 par rapport au boitier du périscope.De cette façon, les zones parallèles dtéclairement maximum de 11 image 40 se déplacent devant la grille 43, en passant successivement des positions où elles cotncident exactement avec les zones opaques de la grille 43, à des positions où elles cotncident exactement avec les intervalles séparant les zones opaques de la grille 43. Le prisme de wollaston sert uniquement, lors du montage de l'appareil, au règlage initial de l'image 40 de la mire par rapport à la grille 43, de façon que les zones sombres 41 de l'image de la mire soient parfaitement parallèles aux zones opaques 44 de la grille 43.La lame à faces parallèles 30 tournante présente une forme différente d'un disque, par exemple présente la forme d'un demi-disque, de façon que, durant sa rotation continue, pendant un instant elle s'intercale dans le faisceau lumineux, et pendant un autre instant elle ne s'intercale pas dans le faisceau lumineux, afin de réaliser alternativement le montage optique tel que représenté en figure 5 et le montage optique tel que représenté en figure 6.Pendant l'instant où la lame tournante ne traverse pas le faisceau lumineux, la cellule 32 délivre un premier signal électrique en forme de sinusoïde dont ltécart entre la valeur maximale et la valeur minimale est représentatif d'une première distance entre la cellule et le plan focal, et pendant ltinstant suivant durant lequel la lame intercepte le faisceau lumineux, la cellule délivre un second signal électrique en forme de sinusoi- de dont l'écart entre la valeur maximale et la valeur minimale est représentatif d'une seconde distance entre la cellule et l'autre plan focal.Un circuit électronique compare ensuite les valeurs représentant ces deux distances, et commande en conséquence le moteur 35 pour déplacer le véhicule optique 23 afin de ramener le plan focal dans une position telle que les deux distances mesurées se retrouvent identIques. Ce dispositif de correction automatique de la mise au point présente l'avantage qu'il n1 existe qutune seule cellule sensible à la lumière, disposée fixement, et qu'une seule source lumineuse. Toutes les mesures sont effectuées selon un mode différentiel, ce qui élimine complètement le déréglage de l'appareil par une modification de l'intensité lumineuse provenant de la source ou par une modification des caractéristiques de la cellule sensible à la lumière. D'autre part, les seules pièces mobiles sont le prisme tournant et la lame tournante, or ces deux seuls éléments mobiles ne nécessitent pas une grande précision dans leur déplacement.L'appareil présente donc une grande fiabilité et une grande précision, il conserve toutes ses qualités lors de son vieillissement, meme si les caractéristiques optiques de la source lumineuse ont changé, si les caractéristiques .élec- triques de la cellule ont changé et si une légère usure des pièces mécaniques en mouvement s'est produite. La cellule peut comporter aussi quatre cadrans reliés électriquement de façon indépendante au dispositif électronique, ce dispositif électronique annule la commande de modification du réglage lorsque l'un au moins des cadrans délivre un signal dont la valeur correspond à un éclai- rement de ce cadran anormalement faible, la position du réglage de mise au point restant ainsi bloquée dans la position qu'elle occupait avant la détection de la condition anormale, pendant tout le temps que cette condition anormale subsiste. Cette disposition est utile dans le cas d'un périscope de sous-marin. En effet, dans la houle, la flexion du périscope peut décaler temporairement l'image de la mire, et la faire sortir complètement ou partiellement de la cellule. Celle-ci délivre alors des signaux anormaux qu'il est préférable de ne pas traiter électroniquement, tant que le décalage excessif de l'image subsiste. I1 est bien entendu que l'on peut sans sortir du cadre de llinven- tion imaginer des variantes et perfectionnements de deails et de même envisager l'emploi de moyens équivalents. PEVENDICATIONS 1.- Dispositif de correction automatique de la mise au point d'un instrument à objectif convergent dont 1' imgo réelle est ajustée a l'aide du déplacement d1un véhicule optique, comprenant un bloc projetant une mire à l'entrée de IVobjectif convergent fournissant une image de mire située à la même position que l'image réelle du champ donné par ledit objectif, un élément de détection lumineuse fournissant des signaux en fonction de la position de l'image de mire à un circuit d'asservissement, ce circuit commandant le déplacement du véhicule optique de manière à maintenir limage de mire à une position fixe prédéterminée, caractérisé par le fait que l'élément de détection lumineuse est positionné dans un plan perpendiculaire à l'axe optique au voisinage du plan image de l'objectif, de façon à intercepter l'image de la mire, et outil est prévu un moyen de déplacement alterné du plan image de la mire par rapport à l'élément de détection, de façon que leurs positions relatives oscillent entre une position du plan image de la mire légèrement en avant et une position du plan image de la mire légèrement en arrière de l'élément de détection 2.- Dispositif de correction automatique de la mise au point, selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le moyen de dép lace- ment alterné de la position relative du plan image de la mire par rapport à l'élément de détection lumineuse est obtenu par une lame transparente mobi- le, à faces parallèles, stintercalant de façon intermittente dans le faisceau lumineux de l'image de la mire, ayant pour effet de décaler dans la direction de l'axe optique le plan image lors de son intarposition dans le faisceau lumineux, l'élément de détection étant disposé de façon à se trouver légèrement en arrière du plan image forme lorsque le faisceau lumineux ne traverse pas ladite lame, et en avant du plan image forme lorsque le faisceau lumineux traverse ladite lame, l'élément de détection fournissant alternativement les signaux correspondant aux deux; positions relatives du plan image. 3.- Dispositif de correction automatique de la mise au point, selon l'une des revendications 1 ) 2, caractérisé par le fait que la mire est constituée d'une lame dont le coefficient de transmission varie sinusoïdalement dans une direction et est constant darus la direction perpendicula ire, que l'élément de détection lumineuse s constitué d'une cellule disposée perpendiculairement à l'axe optique, diaphragmée par une grille forme de zones opaques parallèles, le pas de la grille était égal au pas de ltimage de la mires et la direction les zones opaques sle la grille étant parallèle à la direction des zones d'égale intensité lumineuse de l'image de la mire, et qu'un moyen est prévu pour créer un déplacement continu dans un plan perpendiculaire à l'axe optique du plan image de la mire par rap- port à la grille. 4.- Dispositif de correction automatique de la mise au point, selon la revendication 3, caractérisé par le fait que l'élément de détection lumineuse délivre un premier signal indiquant l'écart entre la position de l'élément de détection et le plan image, lorsque le plan image est situé en arrière de ltélément de détection, et un second signal lorsque le plan image est situé en avant de l'élément de détection, et que le circuit d'as- servissement compare ces deux signaux et commande le déplacement du véhicule optique de façon à maintenir égale la valeur absolue des deux signaux. 5.- Dispositif de correction automatique de la mise au point selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le moyen de déplacement du plan image de la mire par rapport à la grille est obtenu à l'aide dtun prisme tournant disposé dans le faisceau lumineux provenant de la mire, l'axe de rotation du prisme étant sensiblement confondu avec l'axe optique. 6.- Dispositif de correction automatique de la mise au point, selon la revendication 3, caractérisé par le fait qu'il est prévu un moyen de réglage, dans un plan perpendiculaire à l'axe optique, de la position du plan image de la mire par rapport à la grille de façon à avenir le parallélisme des zones opaques de la grille par rapport aux zones dtégale intensité lumineuse de limage de la mire, ce moyen de réglage étant constitué dtun prisme de wollaston disposé dans le faisceau lumineux et ajustable par une rotation autour dlun axe confondu avec l1axe optique. 7.- Dispositif de correction automatique de la mise au point selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que la mire est éclairée par une source de lumière dont la composition spectrale est distincte de la composition spectrale de la lumière entrant dans l'objectif en provenance du champ observé. 8.- Dispositif de correction automatique de la mise au point, selon la revendication 4, caractérisé par le fait que la cellule comporte quatre cadrans reliés électriquement de façon indépendante, et quril est prévu un dispositif électronique qui annule la commande de réglage lorsque l'un au moins des cadrants délivre un signal dont la valeur correspond à un éclaj- rement de cadran anormalement faible, la position du réglage de mise au point restant ainsi bloquée dans la position qu'elle occupa t avant la détection de la condition anormale, pendant tout le teriss que cette condition anormale subsiste.