Brevet FR2655741A1 — publié le 19910614

La présente invention est du domaine de l'optique et a plus particulièrement pour objet un dispositif essentiellement constitué de lentilles et de prismes destiné à permettre des observations endoscopiques, périscopiques et/ou panoramiques. On connait les dispositifs d'observation panoramique, dits périscopiques, comprenant un groupe de champs, un ou deux prismes à réflexion totale, et un ensemble oculaire ou des moyens de transmission électronique de 1 image. Un premier type de périscope est constitué d'un seul oculaire et d'un seul objectif, son champs de vision est de 600 ; il peut cependant tourner autour de son axe afin d'assurer l'observation dans tous les azimuts. Un second type de périscope possède deux objectifs et deux oculaires et son champs d'observations est plus vaste. Un troisième type de périscope comprend plusieurs objectifs et plusieurs oculaires de sorte que l'on peut observer dans toutes les directions. Enfin un périscope, dit panoramique, est muni d'un grand miroir sur lequel convergent toutes les images transmises par les objectifs. Le but de la présente invention est de proposer un agencement particulier de dioptres (ientilles et prismes) autorisant une observation pluridirectionnelle, voire panoramique, à grande ou à courte distance (observation endoscopique), et qui puisse en outre se prêter à une très grande miniaturisation autorisant son embarquement à bord d'engins exigeant des équipements de faible poids. Un autre but de l'invention est de proposer un système optique à plusieurs axes optiques permettant la scrutation séquentielle des observations suivant ces divers axes et le traitement électronique des images en vue de restituer un panorama. Selon la présente invention un système optique d'observation, du genre pouvant comprendre au moins un groupe optique dit de champs, au moins un prisme à réflexion totale destiné à renvoyer à angle droit l'axe optique et le faisceau lumineux issu du dit groupe de champs au moins, et au moins un groupe optique dit collecteur destiné à traiter le faisceau lumineux pour fournir soit une image virtuelle utilisable par l'oeil par exemple, soit une image réelle utilisable par un capteur photosensible, dit senseur, pour fournir indirectement une image électronique, est caractérisé d'une manière générale en ce qu' entre chacun des groupes de champs et ledit collecteur au moins est disposé un prisme dont l'angle et l'indice de réfraction (n) sont tels que le faisceau lumineux issu du groupe de champ associé au prisme et prénétrant à travers une face dite d'entrée de ce dernier, se réfléchisse en totalité sur la base du prisme formant face réfléchissante, cette face étant grosso-modo parallèle à l'axe, ou rayon médian, du faisceau arrivant sur la face d'entrée du prisme, et ressorte à travers l'autre face dite de sortie, avec une direction de sortie sensiblement paralèile à sa direction d'entrée, pour arriver sur le collecteur, et en ce qu'au moins le groupe de charnps présente un décalage de son centre optique par rapport à l'axe optique, le décalage ayant une direction opposée par rapport à la dite base réfléchissante. I1 résulte de ces deux dispositions conjointes, que pour chaque ensemble formant le système optique, le faisceau issu de chaque groupe de champs est convoyé séparément à travers le prisme associé dit, pour cette raison, séparateur, et qu'est effectuée une certaine correction de l'abération chromatique apportée par chaque élément constitutif du système optique. Suivant une autre caractéristique générale, avantageuse mais accessoire, de l'invention un organe, dit sélecteur, est interposé sur le trajet des faisceaux issus des prismes séparateurs, pour pouvoir sélectionner et ne laisser passer, alternativement, que le faisceau issu d'un seul des prismes séparateurs. Suivant une forme de réalisation, l'axe optique du groupe de champs d'au moins un des dits ensembles, est rendu perpendiculaire à l'axe de son prisme séparateur grace à l'interposition d'un prisme de renvoi (observation radiale), tandis que pour au moins un autre des dits ensembles l'axe optique de son groupe de champs est situé dans le prolongement de l'axe de son prisme séparateur (observation axiale). I1 résulte de cette disposition qu'il est possible de sélectionner alternativement l'observation radiale et l'observation axiale. Suivant un mode de réalisation, dit "intra-axial", toutes les bases des prismes séparateurs sont, par rapport aux axes des prismes séparateurs, disposées, en regard les unes des autres, c'est-à-dire situées à l'intérieur de l'ensemble des "axes optiques" de prismes séparateurs. Suivant un autre mode, alternatif du précédent, dit "extra-axial", toutes les bases des prismes séparateurs sont situées à l'extérieur de l'ensemble des axes des prismes séparateurs. Dans un troisiéme mode de réalisation, dit "mixte", certaines bases réfléchissantes sont à l'intérieur du dispositif, soit encore proches d'un axe central, tandis que certaines autres sont à l'extérieur. Suivant une autre forme de réalisation, principalement applicable selon le mode intra-axial, les prismes séparateurs sont taillés, sur leurs faces latérales autres que leur face réfléchissante, pour être jointifs et former un bloc plein. Suivant une autre forme de réalisation, les prismes séparateurs sont équirépartis dans le volume d'une couronne cylindrique, un espace central formant le centre du volume permettant le passage d'un faisceau axial. Cette forme de réalisation peut être traitée aussi bien en mode intra-axial qu'en mode extra-axial. Suivant une autre caractéristique de l'invention, au moins un groupe de champs (mais de préférence tous) est formé de lentilles taillées de façon as symétrique par rapport à leur axe optique. Suivant une autre caractéristique secondaire les axes optiques de chacun des ensembles convergent vers une seule et même surface sensible, pour, grâce au selecteur, s'y succèder séquentiellement. La présente invention sera mieux comprise, et des détails en relevant apparaîtront, à la description qui va être faite de formes préférées de réalisation, en relation avec les figures et les schémas des planches annexées, dans lesquelles - la fig.l est une représentation schématique d'un dispositif conventionnel d'observation périscopique, - la fig.2 est une illustration analogue à celle de la fig.l d'un dispositif comparable à celui de cette figure, mais comportant les caractéristiques de la présente invention, - la fig.3 est un schéma simplifié permettant de comprendre l'invention dans sa généralité, dans le cas de l'observation axiale, et d'en donner des définitions, - la fig.4 complète la figure précédente en l'étendant à l'observation radiale, - la fig.5 est une illustration schématique d'une forme de réalisation, suivant un mode intra-axial, d'un dispositif de l'invention permettant les observations axiale et radiale, - la fig.6 est une illustration en perspective du même, - la fig.7 est une représentation du même vu suivant l'axe du dispositif, - la fig.8 est une illustration en coupe d'une autre forme de réalisation suivant un mode extra-axial d'un dispositif de l'invention, - la fig.9 est une représentation en vue axiale du même, - la fig.l0 est une illustration en vue axiale analogue à celle des fig.7 et 9 d'une autre forme de réalisation d'un dispositif de l'invention, - la fig.ll est une représentation axiale d'une autre forme de réalisation d'un dispositif de l'invention, et - la fig.12 est la représentation correspondante en coupe du même. La fig.l rappelle qu'un dispositif d'observation périscopique conventionnel comprend un groupe de champs 1 constitué d'un certain nombre de lentilles formant un système optique convergeant ou, alternativement, afocal, deux prismes 2, 2' à réflexion totale et un groupe optique oculaire 3 dit collecteur ; les prismes 2, 2' à réflexion totale servent à renvoyer à angle droit l'axe optique 4,4',4". Dans un tel dispositif simplifié le groupe de champ dont l'ouverture angulaire n'est en général pas supérieure à 900, tourne- autour d'une partie verticale de l'axe optique, avec comme inconvénient des moyens mécaniques et un encombrement correlatif important. Sur la fig.2 un système d'observation panoramique de l'invention comporte comme différences essentielles la présence de prismes séparateurs 5 et un organe sélecteur 6 ; on remarque aussi que des groupes de champs 8 sont des lentilles taillées de façon disymétrique. Cette comparaison avec l'art antérieur ayant été faite, on va maintenant, avec la figure suivante, donner une définition plus précise de l'invention. Sur la fig.3 un faisceau lumineux 10, provenant d'un objet situé à l'infini, rencontre un groupe de champ 11 qui le focalise, par exemple, en un point 12 ; sur le trajet du faisceau, et en aval du groupe de champs 11, est disposé un prisme 5, dit séparateur dont l'arête, fictive figurée en 13, est octogonale à l'axe du faisceau ; le prisme 5 comporte (voir aussi fig.5) une face de base 7 conformée, par argenture ou autre métallisation, en face totalement réfléchissante ; une autre face 8 est taillée parallèlement à la base ; la distance séparant ces faces est définie comme l'épaisseur du prisme ; le prisme 5 a sensiblement la forme d'un batonnet dont les faces d'extrémités, respectivement face d'entrée 15 et face de sortie 16, convergent de façon symétrique vers l'arête 13 ; en d'autres termes la section du prisme par un plan perpendiculaire à son arête 13 a sensiblement la forme d'un trapèze isocèle. On défini comme axe du prisme la droite 18 joignant les milieux de ces faces d'entrée et de sortie ; la face réfléchissante 7 est parallèle à l'axe de prisme ainsi défini. L'indice du verre constitutif du prisme et l'angle de prisme de celui-ci, c 'est-à-dire l'angle de dièdre formé par les plans des faces d'entrée et de sortie, sont tels qu'un rayon lumineux se propageant suivant l'axe du prisme se réfléchisse vers environ le milieu de ia face réfléchissante et ressorte du prisme dans le prolongement de lui même. On a représenté par 17 le pinceau lumineux qui rencontre la totalité de la face d'entrée et l'on voit comment ce pinceau s'inverse en traversant le prisme ; l'axe 14 du pinceau ou rayon médian, qui est aussi l'axe du faisceau, coïncide avec l'axe 18 du prisme. Un groupe de champs, figuré en tirets par 11' comme, et assimilé à, une lentille mince, serait, conformément à l'art antérieur, centré sur l'axe 4. Cependant, conformément à une caractéristique de l'inven tion, cette lentille est décalée parallèlement à elle même et perpendiculairement à l'axe du pinceau pour venir occuper la position figurée en 11 en trait épais, la distance d de décalage étant telle que le bord du pinceau 17 rencontre encore le bord de la lentille. On a représenté par des hachures croisées la partie utile 18 de la lentille qui après décalage est traversée par le pinceau 17. il ressort bien que le décalage de la lentille par rapport à l'axe du prisme a été effectué à l'opposé, par rapport à cet axe, de la face réfléchissante, ou encore que le déplacement correspond à un éloignement du centre optique 0',0 de la lentille par rapport à la face réfléchissante 7. I1 en sera toujours ainsi, conformément à l'invention, quelle que soit la disposition du prisme et de sa face réfléchissante dans l'ensemble du système optique. D'une autre façon on peut dire que la lentille et le prisme séparateur sont décalés transversalement l'un par rapport à l'autre et perpendiculairement par rapport au trajet des rayons de manière telle qu'un rayon ayant un chemin optique long dans le prisme, ait un chemin optique court dans la lentille (ou dans le groupe de champs) et inversement. On a esquissé en tirets sur la fig.3 la présence d'une surface réfléchissante 2 inclinée à 450 sur l'axe du prisme pour renvoyer sur ce dernier un pinceau 17' perpendiculaire au pinceau 17. La fig.3, qui illustre ce dernier-cas, montre qu'en appliquant la règle de symètrie par rapport à un plan, le décalage du centre optique de la lentille procède toujours de son éloignement par rapport à la face réfléchissante du prisme. On doit évidament comprendre que c'est le décalage du centre optique O de la lentille qui suffit à caratériser l'invention, le taillage disymétrique apportant l'avantage supplémentaire d'un gain de poids et/ou d'encombrement. Sur les figures suivantes on donnera toujours les mêmes références à des éléments analogues; ainsi on désignera par 2,2',2"... un prisme de renvoi, par 3,3' un collecteur, par 5,5' un prisme séparateur, par 6,6' un sélecteur, par 7,7' la face réfléchissante d'un prisme séparateur, par 8,8'un un groupe de champs, par 14,14' un axe, ou rayon central d'un pinceau lumineux, par 18,18' 1' "axe" d'un prisme séparateur tel qu'un tel axe a été défini plus haut, par 19 un axe central d'un dispositif, paralèlle aux faces réfléchissantes et passant grosso modo par le centre de gravité du dispositif, par 20 une surface sensible telle que photocathode par exemple. Sur les fig.5,6 et 7, un disposif de type intr-axial est comparable à celui de la fig.2, à ceci pres qu'il comporte un axe 14' de vision axiale, que le collecteur 6 est perpendiculaire à l'axe central 19, et qu'il possède, au lieu d'un oculaire, une plaque sensible 20. La fig.6 permet de bien comprendre, en leur offrant une correspondance tridimensionnelle, la signification des fig.5 et 7. Dans le cas du dispositif de ces figures, deux prismes séparateurs 5,5' sont accolés par leurs bases réfléchissantes 7,7'. Sur les fig.8 et 9 un dispostif de type extra-axial est assez comparable à celui de la fig.2, à ceci près que les prismes séparateurs 5,5' sont accolés par leurs faces opposées aux bases réfléchissantes 7,7' ; on observera que les groupes de champs 8,8' sont inversés par rapport à ceux de la fig.2. Dans le cas de la figure on a représenté le collecteur 3 comme un 'zoom' à focale largement variable. Sur la fig.l0, le dispositif est lui aussi de type extra-axial mais il comporte quatre prismes séparateurs, chacun étant taillé comme un prisme triangulaire, à section de triangle isocèle rectangle et à faces d'extrémité convergeant vers l'arête rectangulaire; les prismes sont accolés par leurs faces adjacentes à l'arête retangulaire ; ces arêtes se confondent avec l'axe central 19 ; la section transversale de l'ensemble perpendiculaire à l'axe 19 est un carré; une coupe par un plan passant par l'axe 19 et par le milieu d'une des faces réfléchissantes serait comparable à la fig.8 ; la face réfléchissante de chacun des prismes est la face opposée à l'arête rectangulaire ; les quatres grioupes de champs, ouverts à 900, couvrent, si l'axe 19 est vertical la totalité de l'horizon. Sur les fig.ll et 12, un dispositif, de type extra-axial, comprend huit prismes taillés en forme de pyramides tronquées à bases rectangulaires, et accolés par leurs faces latérales pour s'inscrire dans une couronne cylindrique et ménager autour de l'axe central 19 un espace creux 25 qui peut être utilisé pour permettre le passage d'un faisceau axial de lumière qui pourra être reçu sur un système à grande ouverture de type grandangulaire. L'espace central creux pourrait aussi être utilisé pour loger un dispositif à quatre prismes séparateurs tels que celui de la fig.l0 mais montés pour l'observation axiale (absence de prismes de renvoi et axe central confondu avec l'axe optique d'un unique groupe de champs). Les exemples non limitatifs qui viennent d'être donnés, illustrent l'extrême diversité des possibilités offertes pour l'application de la règle fournie par l'invention, et il doit être compris que la portée de cette dernière n'est pas limitée aux exemples donnés, mais qu'elle s'étend à la définition générale plus haut. REVENDICATIONS 1.- Système optique d'observation périscopique du genre pouvant comprendre au moins un groupe optique dit de champs, au moins un prisme à reflexion totale destiné à renvoyer à angle droit l'axe optique et le faisceau lumineux issu du dit groupe de champs au moins, et au moins un groupe optique dit collecteur destiné à traiter le faisceau lumineux pour fournir soit une image virtuelle utilisable par l'oeil par exemple, soit une image réelle utilisable par un capteur photosensi ble, dit senseur, pour fournir indirectement une image électronique, caractérisé :: en ce qu' entre chacun des groupes de champs (8,8'...) et ledit collecteur (3) au moins est disposé un prisme dit séparateur (5,5'...) dont l'angle (13,13'...) et l'indice de réfraction (n) sont tels que le faisceau lumineux (17,17'...) issu du groupe de champ associé au prisme et prénétrant à travers une face dite d'entrée (15) de ce dernier, se réfléchisse en totalité sur la base du prisme, formant face réfléchissante (7) et ressorte à travers l'autre face (16) dite de sortie pour arriver sur le collec teur, et en ce qu'au moins le groupe de champs a son centre optique (O) décallé par rapport à l'axe du faisceau (17), à l'opposé de la dite base réfléchissante, d'où il résulte à la fois que se trouve réalise, pour chaque ensemble, une certaine correction de l'abération chromatique apportée par chaque élément constitutif de l'ensemble, et que le faisceau issu de chaque groupe de champs est convoyé séparément à travers le prisme associé dit, pour cette raison, séparateur (fig.3,4) 2.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un organe, dit sélecteur (6), est interposé sur le trajet des faisceaux issus des prismes séparateurs, pour pouvoir sélectionner et ne laisser passer, alternativement, que le faisceau issu d'un seul de ces prismes (fig.2,5,8) 3.- Dispositif selon la revendication 2, caractérisé-:: en ce que pour au moins un des dits ensembles l'axe optique de son groupe de champs (8) est rendu perpendiculaire à l'axe (18) de son prisme séparateur associé (5), grâce à l'interposition d'un prisme de renvoi (2) (observation radiale), tandis que pour au moins un des dits ensembles l'axe (18') optique de son groupe de champs (8') est situé dans le prolongement de l'axe de son prisme séparateur (5') (observation axiale), d'où il résulte qu'il est possi ble de sélectionner alternativement l'observation radiale et l'observation axiale (fig.5 à 7) 4.- Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que toutes les bases réflé chissantes (7,7'...) de prismes séparateurs sont, par rapport aux axes (18,18'...) des prismes, disposées en regard les unes des autres, c'est-à-dire situées à l'intérieur de l'ensemble des axes des prismes sépa rateurs (fig.5) 5.- Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que toutes les bases réflé chissantes (7,7'...) des prismes séparateurs sont, par rapport aux axes des prismes, disposées à l'opposé les unes des autres, c'est-à-dire situées à l'extérieur de l'ensemble des axes des prismes séparateurs (fig.8,10,12) 6.- Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les prismes séparateurs sont taillés, sur leurs faces latérales autres que leur face réfléchissante (7,7'...), pour être jointifs et former un bloc plein (fig.5 à 10) 7.- Dispositif selon la revendication 4, caractérisé : : en ce que les prismes séparateurs sont équirépartis dans le volume d'une couronne cylin drique, un espace central (25) formant le centre d'un volume permettant le passage d'un faisceau axial (fig.11,12) 8.- Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'au moins un dit groupe de champs est formé de lentilles taillées de façon as symétrique par rapport à leur axe (fig.5 à 12) 9.- Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les axes des faisceaux traversant chacun des ensembles, convergent vers une seule et même surface sensible (20) (fig.8).