Brevet FR2622307A1 — publié le 19890428

DISPOSITIF DE RATTRAPAGE DE LA DISTORSION TOTALE ENGENDREE PAR LA FORME D'UNE PAROI TRANSPARENTE. L'invention concerne un dispositif de rattrapage de la distorsion résultant de l'observation d'un champ de vue à travers une paroi transparente dans une certaine bande spec- trale et dont la forme engendre une distorsion dépourvue de symétrie de révolution, ledit dispositif consistant en un sys- tème optique de structure modulaire-utilisé en faisceaux pa- rallèles, disposé à l'avant d'un récepteur et déterminé de fa- çon que la distorsion résultant de la courbure et de la varia- tion de longueur des raies introduites par ledit système opti- que soit de sens opposé à la distorsion totale causée par la- dite paroi pour obtenir une valeur approchée de correction donnant une distorsion résiduelle acceptable, ladite variation de longueur et ladite courbure étant réalisées respectivement au moyen d'une fonction d'anamorphose suivant une direction et d'une fonction déviatrice suivant le sens d'une autre direc- tion perpendiculaire à la précédente. Un tel dispositif trouve une application par exem- ple en aviation lorsque ladite paroi transparente constitue le hublot de l'avion et ledit récepteur est une caméra embarquée à bord de cet avion et enregistrant la scène. Ce hublot est habituellement de forme conique et les faisceaux optiques qui le traversent subissent de ce fait une forte distorsion qu'il est nécessaire de corriger ou du moins de réduire. Le dispositif précité apporte une correction de na- ture optique qui satisfait aux conditions suivantes: - Le système n'altère pas la résolution de l'image. - Il est de conception simple, compact et de réglage facile. Un dispositif de ce genre a déjà fait l'objet, de la part de la demanderesse, d'une demande de brevet français N0 86 16 234 déposée le 21 novembre 1986 non encore publiée, dans laquelle il s'agissait de corriger une distorsion diffé- rentielle entre l'observateur (l'oeil du pilote) et le récep- teur (la caméra d'observation). Le dispositif de l'invention a pour but de corriger la distorsion totale de l'image au niveau de la caméra. Le problème à résoudre est un peu plus difficile car la place disponible est plus réduite et les champs de vue sont plus importants. La courbure à compenser est donc ici beaucoup plus forte.et varie très rapidement avec le champ. Le système optique proposé pour pallier ces diffi- cultés supplémentaires est remarquable en ce qu'il comporte un prisme unique constitué de deux parties accolées, d'indices de réfraction différents, formant un ensemble achromatique, ledit prisme réalisant ladite fonction déviatrice et ladite fonction d'anamorphose étant réalisée par un léger changement de la fo- cale dudit récepteur combiné à la dilatation des raies produi- tes par ledit prisme suivant ladite direction déviatrice. La description suivante en regard des dessins anne- xés, le tout donné à titre d'exemple fera bien comprendre com- ment l'invention peut être réalisée. La figure 1 présente les données du problème. La figure 2 représente les formes de la distorsion à corriger et de celles introduites par la correction. La figure 3 montre une vue en perspective du dispo- sitif de l'invention. La figure 4 est une coupe suivant un plan vertical dudit dispositif. Le schéma de la figure 1 représente la coupe d'une portion du pare-brise 1 de forme conique d'un avion, constitué d'une substance transparente dans une bande spectrale détermi- née. Une caméra vidéo enregistre le paysage 2 en vol à travers ce parebrise dont la traversée engendre sur l'image de la scène formée dans le plan focal 4 de la pupille de sor- tie 3 de la caméra, une distorsion d'allure asymétrique que l'on se propose de rattraper, l'axe X de la caméra faisant un angle de - 7,5 avec une direction de référence RFH liée à l'avion. La figure 2 montre la forme de la distorsion totale os05 produite par le hublot de l'avion et de celles qui doivent être introduites par le dispositif de rattrapage. Un carré abcd est distordu par le hublot en a'b'c'd'. Les raies a'd' et b'c' restant perpendiculaires au côté ab du carré, on peut proposer dans le cas de cet exemple un dispositif correcteur réalisant une anamorphose des raies à gisement constant et une courbure des raies à site constant. Ainsi ce dispositif transforme le carré d'origine en un rectangle a"b"c"d" et la courbure introduite en a"'b"' et c"'d"' devra être de sens opposé à celle produite par la traversée du hublot. Selon l'invention, le rattrapage est effectué au moyen d'un système optique de structure modulaire monté devant la caméra et dont une vue en perspective est représentée sur la figure 3 montrant le cheminement d'un rayon issu de la pu- pille de sortie 3 de la caméra. Le système correcteur achroma- tique est composé d'un ensemble de deux prismes déviateurs ac- colés 5 et 6 disposés entre la pupille 3 et le pare-brise 1. Ox étant l'axe optique de la caméra, les coordon- nées de tout point de l'espace sont ramenées aux systèmes d'axes rectangulaires oxyz entre la caméra et les prismes ac- colés et o'x'y'z' après déviation par lesdits prismes. Pour une déviation de vecteur unitaire I d'origine o, la projection de ce vecteur sur le plan horizontal xoy dé- termine l'angle de gisement g avec l'axe ox et l'angle de site s avec le vecteur u. De même, le vecteur unitaire u' d'origine o' déter- mine les angles de gisement g' et de site s' dans le système o'x'y'z'. Les débattements en site et en gisement par rapport à la direction de référence RFH sont les suivants: s = 4 et - 18 g = 15 La fonction anamorphose est réalisée par un léger changement de la focale de la caméra d'observation combinée à la dilatation des raies à site constant produites par l'ensem- ble prismatique 5 et 6. Le programme de calcul utilise les conventions sui- vantes pour l'étude du cheminement des rayons lumineux: - l'origine des site et gisement en entrée de programme coïn- cide avec l'axe ox (axe caméra), - l'origine en sortie coïncide avec ox', ox' coïncidant avec l'axe optique caméra en sortie du prisme déviateur. Compte tenu de ces conventions, la direction en en- trée est comprise dans les limites suivantes: - 15 Pour un site s et un gisement g en sortie de la ca- méra, le pare-brise distord l'image, de sorte qu'au niveau du paysage, les site et gisement deviennent s+6s et g+6g. Le système de correction situé entre la caméra et le pare-brise doit donc changer une direction (s,g) issue de la caméra en une direction (s-6s, g-6g). Pour calculer l'anamorphose dans le sens gisement, on effectue tout d'abord un changement de focale au niveau de la caméra. La distance focale f devient f+ f. Un format linéaire de dimension y étant vu sous un angle 8 du point nodal de l'objectif de la caméra, on a y = f tg 8 avant changement de focale et y = (f+ f)tg(8+68) après changement de focale. Dans le cas d'un objectif complexe, l'écart sur y a une distorsion du troisième ordre en fonction du champ. Il en résulte une distorsion du second ordre pour la focale effecti- ve. Le rapport d'homothétie de la focale varie donc en fonc- tion du champ, c'est-à-dire en fonction de s et de g et doit s'écrire f-r- (s,g). f+bf En sortie de la caméra, le direction visée est don- née par s' et g' telles que: - tgs' = f (s,g)tgs pour g = 0; f+6 f tgs' = ff (s,g) cosg' tgs pour g # O f+ôf cosg f et tgg' = ff (s,g)tgg quel que soit g. s et g étant comptées à partir de l'axe caméra. Avant correction, l'objectif de la caméra présente les caractéristiques suivantes: Focale: 11,2 mm Diamètre pupille d'entrée = 10 mm. Le domaine spectral d'étude (pour la correction du chromatisme) est le suivant: Amin= 405 nm, Xmoy= 656 nm, Amax= 850 nm. Les déviations ont été calculées pour kmoy. A gisement constant, il faut élargir les interval- les séparant les raies; on a donc g'>g et f une valeur de distance focale plus faible. Les calculs montrent que l'on doit réaliser une anamorphose de ces raies de l'ordre de 1,064. La nouvelle focale f' en fonction de l'ancienne vaut donc: f= f =11,2 1,064 1,0164 = 10,526 mm. Pour créer la courbure des raies à site constant, on utilise la propriété d'un prisme déviateur de produire sur l'image d'une fente parallèle à son arête une courbure dont la concavité est tournée vers la base du prisme. La courbure étant ici très importante, le prisme 5 placé en tête doit être à forte déviation. Mais l'inconvénient d'un tel prisme est de créer dans le sens site une variation de l'espacement des raies à site constant. Le moyen de réduire cette variation consiste à pla- cer tête bêche derrière le prisme 5 un autre prisme déviateur 6 répondant aux conditions suivantes: - la déviation produite par ce prisme doit être beaucoup plus faible pour ne pas annuler la courbure induite par le prisme , - il doit travailler au voisinage du minimum de déviation vers le haut du champ. La correction totale résulte de la combinaison de tous ces effets: - anamorphose dans le sens gisement par modification de la fo- cale, - déviation et anamorphose dans le sens site produites par l'ensemble prismatique. Sur la figure 4 représentant une coupe du disposi- tif suivant le plan xoz on a indiqué la valeur de déviation de l'axe optique caméra égale à - 6,108 vers le bas, l'angle au sommet du prisme 5 étant de 20 et l'angle au sommet du prisme 6 étant de 5,4 . On doit donc basculer l'ensemble caméra+prisme de 6,108 vers le haut par rapport à la position de référence. Une telle combinaison permet l'achromatisation si les prismes accolés 5 et 6 sont réalisés respectivement dans des verres d'indices 1,508(K7) et 1,796(SF6) par exemple. Le dispositif de l'invention présente les avantages d'un encombrement réduit et donc d'une diminution des coûts puisqu'il ne comprend que deux pièces optiques. Par contre, les déviations plus importantes de l'axe optique entraînent un basculement plus grand de l'ensem- ble correcteur+caméra. REVENDICATION: 1. Dispositif de rattrapage de la distorsion résultant de l'observation d'un champ de vue à travers une paroi trans- parente dans une certaine bande spectrale et dont la forme en- gendre une distorsion dépourvue de symétrie de révolution, le- dit dispositif consistant en un système optique de structure modulaire utilisé en faisceaux parallèles, disposé à l'avant d'un récepteur et déterminé de façon que la distorsion résul- tant de la courbure et de la variation de longueur des raies introduites par ledit système optique soit de sens opposé à la distorsion totale causée par ladite paroi pour obtenir une va- leur approchée de correction donnant une distorsion résiduelle acceptable, ladite variation de longueur et ladite courbure étant réalisées respectivement au moyen d'une fonction d'ana- morphose suivant une direction et d'une fonction déviatrice suivant le sens d'une autre direction perpendiculaire à la précédente, caractérisé en ce qu'il comporte un prisme unique constitué de deux parties accolées, d'indices de réfraction différents, formant un ensemble achromatique, ledit prisme réalisant ladite fonction déviatrice et ladite fonction d'ana- morphose étant réalisée par un léger changement de la focale dudit récepteur combiné à la dilatation des raies produites par ledit prisme suivant ladite direction déviatrice.