Brevet FR2537735A1 — publié le 19840615

Collimateur crrand anaulaire Pour appareil optique ou simulateur. L'invention est relative à un collimateur grand angulaire pour appareil optique ou simulateur, du genre de ceux qui permettent de superposer à un paysage (ou analogue) vu par un observateur, l'image d.'un mobile pouvant se déplacer dans le champ observé, et qui comprennent une lame semi-transparente a travers laquelle le paysage est observé et un miroir sphérique concave projetant à l'infini l'image du mobile, des moyens étant prévus pour établir une image intermédiaire de ce mobile sur la surface focale du miroir pour la projection à l'infini. L'invention a pour but, surtout, de fournir un collimateur de ce genre qui permet de couvrir un champ angulaire important à l'aide de moyens optiques simples, tout en assurant une bonne qualité d'image. Selon l'invention, un collimateur grand angulaire du genre défini précédemment est caractérisé par le fait que,d'une part, le miroir sphérique concave est semi-transparent et est disposé entre le paysage et la lame semi-transparente de telle sorte que ltobservateur voit le paysage à travers la lame et le miroir sphérique, la pupille de l'oeil ou d'un appareil optique de visée étant située au centre ou au voisinage du centre du miroir, et que, d'autre part, les moyens pour établir une image intermédiaire sur la surface focale du miroir comprennent un système optique propre à former à partir d'un objet ou de sa représentation, l'image intermédiaire sur la surface focale du miroir, et des. moyens mécaniques de rotation propres à faire tourner ladite image intermédiaire autour du centre de la surface focale pour la déplacer sur cette surface. Ainsi, grâce à l'invention, le système optique, propre à former l'image intermédiaire,peut être d'une construction relativement simple puisqu'il lui suffit de projeter suivant un champ angulaire réduit, une image intermédiaire qui épouse, sur une zone réduite, la courbure de la surface focale du miroir , lors de la rotation assurée par les moyens mécaniques de rotation, cette image intermédiaire reste toujours sur la surface focale sphérique du miroir , la qualité de l'image projetée reste la meme et le champ du collimateur peut être largement supérieur à celui du système optique. Ce collimateur grand angulaire est avantageusement combiné avec un collimateur fixe propre à projeter un ou plusieurs réticules ou analogues, le collimateur fixe étant situé d'un coté de la lame semi-transparente, tandis que le système optique et les moyens mécaniques de rotation sont situés de l'autre côté de la lame, Le système optique a sa pupille située au point (ou au voisinage de ce point) symétrique, par rapport à la lame semi-transparente du centre de la pupille de l'oeil de licbservateur ou d'un appareil de visée, et les moyens mécaniques de rotation sont propres à faire tourner l'image intermédiaire autour de ce point symétrique. Selon un premier mode de réalisation, les moyens mécaniques de rotation sont propres à faire tourner mécaniquement l'ensemble du système optique autour du centre de la pupille confondu avec le susdit point symétrique. Selon une autre réalisation possible, notamment en vue de réduire l'inertie des moyens mécaniques de rotation, ces moyens comprennent un miroir mobile en rotation autour de deux axes orthogonaux se coupant géométriquement en un point confondu avec le susdit point symétrique, par rapport à la lame semi-transparente, du centre de la pupille de l'oeil ou de L'appareil de visée, le système optique étant monté avec son axe orienté suivant une direction fixe par rapport à celle de l'axe optique du miroir. Lorsqu'un tel collimateur est utilisé pour un simulateur pour tir comprenant des moyens pour faire déplacer le mobile notamment simulant une cible selon une trajectoire déterminée, l'observateur agissant sur des moyens de commande de l'orientation d'un dispositif de tir (lanceur d'engins ou analogues) contre la cible, on prévoit des capteurs de l'angle de site et de l'angle de gisement du dispositif de tir, des moyens de calcul propres à déduire, de la trajectoire souhaitée et des mesures fournies par les capteurs, les angles de gisement et de site de la cible projetée et des moyens de commande, sensibles à la sortie des moyens de calcul, pour agir sur les moyens de rotation mécanique selon les angles calculés. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui suit de modes de réalisation particuliers, non limitatifs, avec référence aux dessins annexés. La figure 1,de ces dessins,est un schéma d'un premier mode de réalisation d'un collimateur grand angulaire conforme à l'invention. La figure 2 est un schéma d'un autre mode de réalisation du collimateur. La figure 3 est une représentation schématique du paysage et du mobile superposés vus par un observateur utilisant le collimateur. La figure 4 est un schéma de simulateur pour tir, notamment anti-aérien. La figure 5 représente schématiquement un détail de montage. La figure 6, enfin, est un schéma d'une variante de réalisation. Eh se reportant-aux dessins, notamment - aux figures 1 et 2, on peut voir un collimateur grand angulaire C combiné avec un collimateur fixe 1. Une lame semi-transparente 2 (ou semi-réfléchissante) est prévue pour servir à la fois avec le collimateur grand angulaire C et le collimateur fixe 1. La lame semi-transpa rente 2 est inclinée sur l'axe de visée de l'oeil 3 d'un observateur suivant un angle, par exemple de 45 , comme représenté sur les figures 1 et 2. Le collimateur C comprend, en aant de la lame semi-transparente 2, un miroir sphérique concave 4, semi-transparent (c'est-à-dire semiréfléchissant) ou dichroïque. Le centre du miroir 4 est confondu avec l'oeil 3. Le paysage observé L est situé en avant, suivant le sens d'observation, de la portion de sphère formée par le miroir 4. L'axe optique de ce miroir passe par l'oeil 3.L'observateur voit donc le paysage L à travers la lame 2 et à travers le miroir 4. Il est à noter qu'au lieu de placer la pupille de l'oeil 3 au centre du miroir 4, il est également possible de placer la pupille d'un appareil optique de visée (non représenté) l'oeil se trouvant alors placé derrière ltoc ulaire de cet appareil de visée. -Le miroir 4 a son foyer F situé à mi-longueur R/2 du rayon R de la sphère joignant le centre du miroir 4 au sommet 5 de ce miroir. La surface focale du miroir 4 est constituée par une surface sphérique 6 ayant même centre que le miroir 4 et un rayon égal à la moitié de celui du miroir 4 ; cette surface focale 6, schématiquement représentée, passe par le point F. La lame semi-transparente 2 peut passer par le foyer F, comme représenté sur les fig. 1 et 2, ou ne pas passer par F comme représenté sur la fig. 6. Des moyens M sont prévus pour établir une image intermédiai- re d'un objet A ou de sa représentation, sur la surface focale 6 du miroir 4, qii projette cette image à l'infini et permet sa -superposi- tion au paysage L vu par l'observateur. Les moyens M comprennent, d'une part, un système optique 7 notamment formé par un objectif et des moyens mécaniques de rotation T propres à faire tourner ladite image intermédiaire autour du centre 3 de la surface focale 6. Selon le mode de réalisation de la figure 1 le système optique 7 a sa pupille située au point O (ou au voisinage de ce point O) symétrique, par rapport à la lame semi-transparente 2, du centre de la pupille de l'oeil 3. Les moyens mécaniques de rotation T, selon le mode de réalisation de la figure 1, sont propres È faire tourner l'ensemble du système optique 7 autour du centre de la pupille confondu avec le point 0. Ces moyens T comprennent, par exemple, une rotule sphérique b ou analogue supportant le bâti du système optique 7 et autorisant une rotation autour du point O confondu avec le centre de la rotule sphérique.Des moyens de commande, par exemple formés par des vérins mécaniques v (notamment mécanismes à vis) sont prévus pour commander les mouvements du bâti du système 7 . deux vérins disposés suivant deux directions orthogonales permettent de déplacer le bâti suivant toutes les directions d'un angle solide dont le sommet est en 9. Selon une autre solution avantageuse, schématiquement représentée sur la fig. 5, l'objectif 7 est monté au centre d'une suspension à la cardan ; les axes de rota tion orthogonaux al, a2 sont entrainés par les moteurs ml (gisement) et m2 (site). Des capteurs d'asservissement c1,c2, sont prévus. On m2 obtient ainsi directement les angles de projection recherchés. Le système optique 7 forme l'image de 1 objet A sur une zone 8 de l'image 61 de la surface focale 6 à travers la lame 2. Le point P de l'objet A situé sur l'axe du système 7 a son image formée en F. I1 est à noter que la surface focale 6 et son image 61 à travers la lame 2 sont équivalentes optiquement ; on peut donc dire que le système 7 forme de l'objet A une image intermédiaire sur la surface focale. Le miroir 4 projette cette image intermédiaire à l'infini et 1 'oeil 3 voit donc l'image de l'objet A superposée au paysage L dans une direction déterminée qui dépend de l'orientation du système optique 7. Dans le cas où la lame 2 est inclinée à 450 sur l'axe op tique du miroir 4, comme représenté sur la figure 1, le mobile est projeté à l'infini suivant la direction de l'axe optique du miroir 4 lorsque l'axe optique du système 7 lui est orthogonal et passe par le foyer F. Lorsque les moyens de rotation T font tourner l'ensemble constitué par le système optique 7 et l'objet A autour du centre O de la pupille, d'un angle e (voir fiaure 1), la direction dans laquelle l'image de A est est projetée à l'infini tourne également de O par rapport à la direction précédente l'oeil 3 devra regarder dans cette direction tournée de e pour voir-l'image A. La pupille du système 7 reste toujours sur l'oeil 3 et garde toujours la même dimension. La lame semi-transparente 2 est utilise deux fois, une première fois en réflexion et une seconde fois en transmission. Le miroir semi-transparent 4 permet, en transmission,la vision du paysage par l'oeil 3 et,en réflexion,la projection à l'infini de l'objet A. Le système optique 7 peut projeter une image dans un champ a ( figure 1) qui est beaucoup plus faible que l'angle e maximum dont peut tourner le système optique 7 autour du point O. A titre d'exemple, l'angle a peut être de l'ordre de 50 alors sue l'angle e en gisementreut être db+ 400 et, (angles + 150. La surface site/ + image 8 projetée par le système optique 7 dans l'angle réduit a doit être sphérique de rayon R/2, comme déjà expliqué précédemment. Du fait que cette exigence de courbure de l'image ne concerne qu'un champ a réduit, le système optique 7 est d'une fabrication relativement simple et beaucoup plus économique que si cette exigence de courbure de l'image devait s 'appliquer à un champ supérieur à a. Dans le mode de re'elisation de la fig. 2, les moyens mé caniques de rotation T comprennent un miroir 9 mobile en rotation autour de deux axes orthogonaux se coupent géométriquement au point O symétrique par rapport à la lame 2 du centre de la pupille de l'oeil 3; ces deux axes se coupent donc (par équivalence optique) au centre de la sphère.L'un des axes de rotation du miroir 9 est orthogonal au plan de la figure 2 et correspond, par exemple aux variations de l'angle de site?; l'autre axe de rotation est situé dans le plan de la figure 2 Is ---------------------------------------- rotatiorsdu miroir 9 autour de cet axe correspondant à des variations de l'angle de gisement O. Le système optique 7a a son axe orienté suivant une direction parallèle à l'axe optique du miroir 4. Le système optique 7a reste immobile par rapport à la lame 2 et au miroir 4 ; le déplacement do l'imdge dans le paysage observé est assuré par la rotation au miroir 9. L'intérêt d'une telle solution réside dans la faible inertie du miroir 9, mais la pupille du système optique 7a ne se trouvant plus/au point 0 symétrique de l'oeil, il y aura un léger décalage, qui n'est pas véritablement genant,entre l'image de cette pupille à travers 2 et la pupille de l'oeil 3. Une réalisation possible du miroir 9 mobile autour des deux axes consiste à prévoir un support de ce miroir solidaire d'un axe mécanique de rotation 10 situé dans le plan de la fiqure 2 ; les extrémités opposées de cet axe 10 peuvent coulisser dans des glissières circulaires centrées sur le point 0 et situées également dans le plan de la figure 2, ce coulissement déterminant une rotation autour d'un axe passant par 0 et perpendiculaire au plan de la figure 2. L'objet A ou sa représentation peut matérialiser une cible par exemple un avion. Dans ce casZl'objet A peut etre formé par l'image de la cible proprement dite évoluant au centre d'un mini-moniteur ou autre dispositif de visualisation, et dont l'attitude et la taille peuvent varier. L'objet A peut également etre constitué par une maquette animée à l'aide d'un zoom qui permet d'assurer les variations de taille (correspondant à des variations de distance d'observation). Le collimateur rixe 1 est classique; il est formé par un ou plusieurs objectifs comportant dans chaque plan focal un ou plusieurs réticules tels que 10 qui sont projetés à l'infini : la lame 2 renvoiesuivant la direction de l'axe optique du miroir 4,vers l'oeil 3, le faisceau parallèle issu du collimateur 1. Ce collimateur 1 est généralement destiné à matérialiser la direction de tir d'un dispositif de tir tel qu'un lanceur d'engins ou un canon. Lorsque l'observateur 3 agit sur la direction de tir pour la modifier en baisement e ou en site # , la direction de l'axe du collimateur 1 et donc la direction de l'axe ontique du miroir 4 subit une variation correspondante en gisement et en site ; au cours d'un tel déplacement de l'ensemble, le collimateur 1, la lame 2, le système optique 7 ou 7a et le miroir 4 se déplacent en bloc en restant immobiles les uns par rapport aux autres. Le collimateur grand angulaire schématiquement représenté sur les figures 1 et 2 est avantageusement utilisé pour un simulateur de tir qui comprend des moyens de commande 11 agissant sur les vérins v (fig. 1) pour faire déplacer le mobile, qui apparat dans le paysage selon une trajectoire déterminée. Sur la figure 3, on a représenté schématiquement par un rectangle 12 le champ dégagé par la lame 2. Ce champ a, par exemple, une étendue angulaire de 900 en gisement et de 300 en site. Dans ce champ , des repères ou plusieurs tels que 10a correspondant a' reticulesî0 sont pro- jetés et correspondent, dans l'espace, à une direction déterminée par rapport à la direction de tir. A l'intérieur du rectangle 12 figure un petit rectangle 13 correspondant au champ du système optique 7 ou 7a. L'image lo simulant la cible est située à l'intérieur de ce rectangle 13. Pour reprendre l'exemple numérique évoqué précédemment, l'étendue angulaire en gisement de ce rectangle 13 correspond à 50 (valeur indiquée pour l'angle a précédemment) en gisement et 3,70 en site. La rotation du système optique 7 autour du point A (fig. 1) ou du miroir 9 autour de ce meme point O (fig. 2) permet de faire déplacer une image 14 dans le rectangle 12. On a schématisé par une ligne 15 la trajectoire simulée que l'on veut assigner à la cible 14. Chaque point 16 de cette trajectoire correspond à une direction qui peut être définie par un angle de gisement e et un angle de site s à partir du centre de la pupille de l'oeil 3. Cette trajectoire 15 est déterminée par rapport au paysage L. Lors de l'opération de simulation, l'observateur va déplacer la direction du dispositif de tir de manière qu'au moment où le tir sera simulé, il existe un écart, entre cette direction et la direction de la cible,prédéterminé compte tenu de la traJectoire, de la vitesse de la cible et des caractéristiques du dispositif de tir. Il est possible, par exemple, que l'observateur doive s'efforcer de faire colncider le repère îQa avec la cible 14 au momcnt où il déclenche le tir. Les modifications de la direction du tube de tir engendrent undéplacement de l'axe optique du miroir 4 de 1 'en semble du système collimateur, ainsi qu'un déplacement du rectangle 12 par rapport au paysage observé. Pour compenser ces variations et faire décrire à la cible 14 la trajectoire 15 souhaitée par rapport au paysage L, on commande des variations compensées de l'orientation du système optique 7 ou du miroir 9. La rotation sera gale à A e = e trjctoire - e direction du tube (gisement) A Sur la figure 4, on a représenté schématiquement un lanceur d'engins 16 comprenant un tube lanceur 17 dont l'angle de. site peut etre modifié par rotation autour d'un axe horizontal 18, supporté par la colonne verticale 19 d'un trépied 20; cette colonne 19 peut tourner autour d'un axe vertical et permet des variations d'angle de gisement.Les variations de l'angle de gisement et de l'angle de site du tube lanceur 17 sont commandées, par l'observateur, à partir d'une poignée 21; la direction de projection du collimateur fixe 1 suit la direction du tube 17. Un capteur 22 est prévu pour détecter l'angle de gisement (ainsi que ses variations) du lanceur 17; un capteur 23 est prévu pour angle de site et ses variations. Les informations fournies par les capteurs 22 et 23 sont envoyés à une unité centrale de commande 24. Cette unité 24, à partir de la trajectoire désirée (dont les paramètres sont stockés en mémoire) et des informations fournies par les capteurs 22, 23 va déduire les variations d'orientation. e et A à commander autour du point O pour le système optique 7 ou le miroir 9 et envoie des instructions au moyen de commande il pour l'exécution de ces changements d'angle. Le champ du système correspondant au rectangle -12 de la figure 3 n'est limité que par les dimensions de la lame séparatrice 2 ; ce champ est égal à celui vu par l'oeil 3 à travers la lame 2. Cette lame semitransparente 2 peut avoir un angle d'inclinaison différent de 459 notamment pour permettre une augmentation du champ en site. Lorsque le collimateur grand angulaire conforme à l'invention est destiné à servir dans un simulateur de tir, on prévoit son adaptation sur le collimateur de tir réel (formé par le collimateur fixe 1, le réticule 10 et une lame semi-transparente telle que 2) associé au dispositif de tir sur lequel l'entrainement doit avoir lieu Le collimateur grand angulaire en tant que système de génération de cible peut être utilisé pour tout type de simulateur, la visée pouvant etre effectuée par l'oeil, ou à l'aide d'une lunette ou d'un dispositif opto-électronique.Le collimateur grand angulaire de l'invention peut également etre utilisé comme dispositif de désignation d'objectif ou d'orientation,au lieu de servir de système de génération de cible; dans le cas de l'utilisation en dispositif de désignation d'objectif, l'observateur s'efforcede maintenir le réticule ou symbole projeté par le collimateur grand angulaire, sur l'objectif ; les mouvements angulaires imprimés par l'observateur au collimateur grand angulaire pour suivre l'objectif permettent d'acquérir les données relatives à la cible et de déterminer et d'afficher un but de tir futur. On peut donner l'exemple suivant d'une solution numérique selon laquelle on projette une image dans un champ, dégagé par la lame séparatrice, de 900 x 300. Le miroir sphérique semi-transparent 4 a un rayon R de 122 mm. Un micro-moniteur de surface d'écran 12,8 x 9,8 mm projette une image dans un champ de 50 x 3,70 à l'aide d'un doublet (formant le système optique 7 de la figure 1 ou 7a de la figure 2)de distance focale43,3 mm et de diamètre 20 mm. L'écran du moniteur est situé à 150 mm du doublet. L'image de cet écran est formé à 61 mm du doublet sur la sphère focale 6 (par réflexion sur la lame semi-transparente 2) de rayon R/2 = 61 mm. La courbure de 1 image du moniteur donnée par le doublet s'adapte parfaitement à la portion 8 de surface focale de là sphère. L'ensemble collimateur constitué par le doublet et le micro-moniteur peut être mobile en rotation (+ 450 en gisement) autour du centre O de la pupille du doublet selon It réalisation de la figure 1. Toutefois, la solution de la figure 2 avec miroir 9 tournant autour de deux axes perpendiculaires permet de conserver imobile le système optique 7a et le mini-moniteur par rapport à la lame 2 et au miroir 4,ce qui réduit l'inertie du système. Le système optique 7 ou 7a travaille à faible ouverture et à faible champ, 'où une excellente qualité d'image. I1 convient de noter que le centre du miroir 4 et le point O (image du centre à travers la lame 2) sont équivalents optiquement, ainsi la rotation de l'image 8 autour du point O doit être considérée comme une rotation de l'image intermédiaire autour du centre du miroir 4. Dans le cas du mode de réalisation de la figure 2, il faut noter qu'il y a lieu de compenser le dévers de l'image introduit par la rotation du miroir, selon l'angle de gisement 0. Cela peut être réalisé de plusieurs façons: - rotation du mini-moniteur autour de son axe - prisme de Péchan entrainé en rotation ; - rotation électronique de l'image sur l'écran du moniteur. On peut aussi simuler plusieurs cibles dans le rectangle ou champ 13 (fig. 3) et les trajectoires des projectiles tirés dans le champ 13 REVENIT1ONS 1. Collimateur grand angulaire pour appareil optique ou simulateur, permettant de superposer à un paysage (ou analogue) vu par un observateur, l'image d'un mobile pouvant se déplacer dans le champ observé, et qui comprend une lame semi-transparente à travers laquelle le paysage est observé et un miroir sphérique concave projetant à l'infini l'image du mobile, des moyens étant prévus pour établir une image intermé diaire de ce mobile sur la surface focale du miroir pour la projection à l'infini, caractérisé par le fait que, d'une part, le miroir sphérique concave (4) est semi-transparent et est disposé entre le paysage (L) et la lame semi-transparente (2) de telle sorte que l'observateur voit le paysage à travers la lame et le miroir sphérique, la pupille de l'oeil (3) ou d'un appareil optique de visée étant située au centre ou au voisinage du centre du miroir (4), et que, d'autre part, les moyens (M) pour établir une image intermédiaire sur la surface focale (6, 61) du miroir (-4) comprennent un système optique (7, 7a) propre è former à partir d'un objet (A) ou de sa représentation l'image intermédiaire sur la surface focale (6, 61) du miroir, et des moyens mécaniques de rotation (T) propres à faire tourner ladite image intermédiaire autour du centre de la surface focale pour la déplacer sur cette surface. 2. Collimateur selon la revendication 1, ca ractérisé par le fait qu'il est combiné avec un collimateur fixe (1) propre à projeter un ou plusieurs réticules (10) ou analogues, le collimateur fixe étant situé d'un côté de la lame semi-transparente (2), tandis que le système optique (7, 7a) et les moyens mécaniques de rotation (T) sont situés de l'autre côté de la lame. 3. Collimateur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que le système optique (7, 7aY a sa pupille située au point (O) (ou au voisinage de ce point (O)) symétrique, par rapport à la lame semi-transparente (2) du centre de a pupille de l'oeil (3) de l'observateur ou d'un appareil de visée, et les moyens mécaniques de rotation (T) sont propres à faire tourner l'image intermédiaire (8 > autour de ce point symétricrue (O). 4. Collimateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les moyens mécaniques de rotation (T) sont propres à faire tourner mécaniquement l'ensemble du système optique (7) autour du centre de la pupille confondu avec le susdit point symétrique (O). 5. Collimateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les moyens mécaniques de rotation (T) comprennent un miroir (e) mobile en rotation autour de deux axes orthogonaux se coupant géométriquement en un point confondu avec le susdit point (o) symétrique, par rapport à la lame semi-transparente (2), du centre de la pupille de l'oeil (3) ou de l'appareil de visée, le système optique (7a) étant monté avec son axe orienté suivant une direction fixe par rapport à celle ae l'axe optique du miroir (4), notamment parallèle à cet axe optique. 6. Collimateur selon l'une quelconque des re vendications~précédentes pour simulateur de tir ou analogue comprenant des moyens pour faire déplacer le mobile, notamment simulant une cible selon une trajectoire déterminée, l'observateur agissant sur des moyens de commande de l'orientation d'un dispositif de tir (lanceur d'engins ou analogues) contre la cible, caractérisé par le fait qu'il est combiné avec des capteurs (22, 23) de l'angle de site et de l'angle de gisement du dispositif de tir , des moyens de calcul (24) propres à déduire, de la trajectoire (15) souhaitée et des mesures fournies par les capteurs (22, 23), les angles de gisement et de site de la cible projetée et des moyens de commande (11), sensibles à la sortie des moyens de calcul (24) pour agir sur les moyens de rotation mécanique (T) selon les angles calculés.