Brevet FR2665267A1 — publié le 19920131

Dispositif optique destiné à l'introduction d'une image collimatée dans le champ visuel d'un observateur et permettant la vision nocturne et casque muni d'au moins un tel dispositif La présente invention concerne un dispositif optique pou- vant être utilisé en vision diurne et en vision nocturne et permettant d'introduire, en surimpression dans le champ visuel d'un observateur, une image collimatée. Il est connu, en utilisant un combineur optique, d'intro- duire, en surimpression dans le champ visuel d'un observateur, une image collimatée qui, par exemple, donne à un pilote, des informations relatives aux paramètres de vol de son avion L'op- tique combinatoire utilisée à cette fin, est placée devant l'oeil de l'observateur et permet à cet observateur de voir le paysage extérieur, généralement par transparence à travers un bloc optique, et de voir l'image collimatée grâce à un trajet optique comportant des réflexions à l'intérieur du bloc optique. Un dispositif optique réalisé de cette façon, lorsqu'il est monté sur un casque, constitue ce qui est appelé un visuel de casque; il permet d'effectuer une observation nocturne à l'aide, par exemple, de jumelles de vision de nuit, c'est-à-dire de jumelles comportant un amplificateur de lumière; l'image donnée par les jumelles est regardée, comme l'était le paysage lors d'une vision diurne, c'est-à-dire par transparence à tra- vers le bloc optique de manière à conserver, en surimpression, l'image collimatée Mais l'emploi des jumelles est rendu diffi- cile du fait de la présence du bloc optique; de plus la qualité de l'observation nocturne est dégradée car les pupilles de sor- tie des jumelles ne sont pas aussi proches des yeux de l'observa- teur qu'elles devraient l'être pour une bonne observation, tou- jours en raison de la présence du bloc optique. La présente invention a pour but d'éviter ou, pour le moins, de réduire ces inconvénients; ceci est obtenu, en parti- culier, en traitant de la même façon l'image collimatée et l'image fournie par l'amplificateur de lumière. Selon l'invention il est proposé un dispositif optique pour la vision diurne et nocturne, comportant en série un géné- rateur d'images, une optique de collination pour fournir une image collimatée et une optique combinatoire de sortie destinée à permettre à un observateur de regarder simultanément ce qui se trouve normalement dans son champ visuel et, en surim- pression, l'image collimatée et comportant une optique d'observa- tion nocturne, suivie d'un intensificateur de lumière, caractérisé en ce qu'il comporte une optique combinatoire auxiliaire disposée, au moins lorsque le dispositif est utilisé en vision nocturne, entre le générateur d'images, l'intensifi- cateur de lumière et l'optique de collimation pour permettre un couplage optique simultané du générateur d'images et de l'inten- sificateur de lumière à l'optique de collimation. La présente invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques apparaîtront à l'aide de la description ci-après et des figures s'y rapportant qui représentent: les figures 1 et 2, deux schémas d'un même dispositif optique selon l'invention, la figure 3, un schéma d'un autre dispositif optique selon l'invention, les figures 4 à 8, des courbes représentatives de carac- téristiques d'éléments du dispositif optique selon la figure 3. Sur les figures les éléments correspondants sont désignés par les mêmes reperes. Les quelques rappels techniques qui suivent vont permet- tre, si besoin, de mieux comprendre l'invention. Les dispositifs optiques, tels par exemple que les visuels de casque, fonctionnent de la façon suivante: les informations à transmettre à l'utilisateur sont produites, par un générateur d'images lumineuses, par exemple sur un écran de tube cathodi- que ou sur un écran matriciel; l'image ainsi formée est prise en compte par un ensemble optique qui permet à l'utilisateur de voir le paysage extérieur et, en surimpression, l'image qui est, au préalable, collimatée à l'infini de manière qu'elle soit nette quand l'utilisateur regarde et accommode à grande distance. Les systèmes de vision nocturne comportent en série un premier ensemble optique qui forme une image du paysage extérieur très peu lumineux, un tube intensificateur d'image qui reçoit l'image formée par le premier ensemble optique et en amplifie la luminance, et un second ensemble optique qui reçoit l'image amplifiée en luminance et la collimate à l'infini afin de rendre l'observation de l'image agréable d'un point de vue physiologique, c'est-à-dire en ce qui concerne la convergence et l'accommodation des yeux. L'image que fournit, dans un visuel de casque, le généra- teur d'images à l'optique de collimation, a à peu près la même taille que les images que fournit, dans des jumelles de vision de nuit, chacun des deux intensificateurs de lumière à l'ensem- ble optique de sortie auquel il est couplé Cette similitude de taille facilite la réalisation des dispositifs selon les figures I à 3 o la combinaison des images du générateur d'image et du système de vision nocturne s'effectue dès la production de ces images, grâce à une optique combinatoire. Les figures 1 et 2 représentent un dispositif selon l'in- vention, respectivement en position d'observation diurne et nocturne Ce dispositif comporte un générateur d'image, 1, dont les images qu'il produit sont collimatées à l'infini par une optique de collimation 2, pour être transmises à l'oeil, V, d'un observateur par une optique combinatoire, 3, à travers laquelle l'observateur peut également voir directement le paysage extérieur, P, du moins lorsque les conditions d'éclairage le permettent. Quand les conditions d'éclairage ne permettent plus de voir suffisamment le paysage extérieur directement à travers l'optique combinatoire 3, un miroir semi-réfléchissant esca- motable, 7, est intercalé à 45 degrés dans le trajet optique entre le générateur d'images I et l'optique de collimation, 2. Ce miroir, quand il est placé en position nocturne, c'est-à-dire comme sur la figure 2, joue un rôle d'optique combinatoire: il laisse passer vers l'optique de collimation 2 les rayons lumineux provenant du générateur d'images 1 et réfléchit vers l'optique de collimation 2 les rayons lumineux provenant d'un ensemble destiné à la vision nocturne L'ensemble destiné à la vision nocturne comporte une optique d'observation 4, 5 suivie d'un intensificateur de lumière 6; l'optique d'observation est constituée d'un objectif 4 et d'un miroir de renvoi 5 qui forment, du paysage extérieur une image sur l'intensificateur de lumière 6 et ce dernier amplifie la luminance de cette image. Les rayons lumineux correspondant à cette image amplifiée sont envoyés en direction du miroir semi-réfléchissant escamotable 7. En utilisation diurne, c'est-à-dire selon la figure 1, le maximum de flux lumineux est transmis du générateur d'images en direction de l'optique de collimation 2 permettant la colli- mation et le mélange de l'image provenant du générateur 1 avec la vision que l'observateur a du paysage extérieur P, directement à travers l'optique combinatoire, 3. Le miroir semi-réfléchissant escamotable 7, dans l'exemple décrit, présente un coefficient de réflexion de 95 % et un coefficient de transmission de 5 % Ceci permet, en utilisation nocturne c'est-à-dire selon la figure 2, de favoriser la trans- mission de l'image fournie par l'intensificateur de lumière dont la luminance est faible puisqu'elle n'est généralement que de quelques candelas par mètre carré alors que celle de l'image fournie par le générateur peut être réglée au niveau désiré pour que les informations qu'elle contient soient visibles dans de bonnes conditions, de l'observateur. La mécanique, non représentée sur les figures 1 et 2, qu'implique l'utilisation de ce mélangeur escamotable augmente certes l'encombrement le poids du dispositif, mais se justifie par sa simplicité technique: elle est analogue à celle des miroirs escamotables des appareils photographiques réflex. Dans le cas de l'exemple décrit cette mécanique est entraî- née manuellement; c'est l'observateur qui met en place, lui-même, le miroir semi-réfléchissant au moment o il veut utiliser le dispositif en vision nocturne, et le retour en position diurne se fait de manière semi-automatique grâce à un ressort tendu lors de la mise en place du miroir. Un entraînement motorisé du miroir 7 est également possi- ble afin d'obtenir, dès la mise sous tension de l'intensifi- cateur d'image ou par action de l'observateur, le basculement du miroir. La figure 3 représente un autre dispositif selon l'inven- tion, qui se distingue du dispositif selon les figures 1 et 2 par le fait que le rôle d'optique combinatoire que jouait le miroir 7 est maintenant joué par un cube mélangeur 7 ' Le dispo- sitif selon la figure 3 comporte les mêmes éléments 1 à 6 que le dispositif selon les figures 1 et 2; mais, à l'inverse du mi- roir 7, le cube mélangeur 7 ' travaille en transmission pour la lumière provenant de l'intensificateur de lumière 6 et en réflexion pour la lumière provenant du générateur d'image 1, si bien que l'optique de collimation 2 se distingue de celle des figures 1 et 2 par son implantation dans le dispositif et par la position de son entrée relativement à sa sortie. Le cube mélangeur 7 ' est un cube dichroique dans l'exem- ple décrit, c'est-à-dire qu'il est constitué de deux prismes accolés dont les faces en regard sont traitées pour constituer une surface, 70, réfléchissante autour d'une longueur d'onde donnée de la lumière, prise ici égale à 545 nanomètres; un traitement holographique des faces en regard des prismes aurait permis d'obtenir le même résultat La figure 4 montre comment varie le coefficient de réflexion R de la surface 70 en fonction de la longueur d'onde de la lumière; la valeur du coeffi- cient de transmission T de la surface 70 se déduit facilement de la courbe selon la figure 4 étant donné que R + T = 1. Les luminophores utilisés dans l'intensificateur de lumière 6 sont, comme dans la majorité des amplificateurs de lumière actuels, des luminophores P 20 dont la courbe de luminance en fonction de la longueur d'onde en nanomètres est représentée sur la figure 6; cette courbe représente la luminance, Li, avec des valeurs comprises entre O et 1, la valeur 1 étant atteinte pour la longueur d'onde de 560 manomè- tres qui correspond au maximum d'énergie transmise par le lumi- nophore P 20; la largeur de la bande spectrale du luminophore P 20 est de 150 nanomètres pour la valeur 0,2 de la luminance. Compte tenu des courbes selon les figures 4 et 5, la courbe de la luminance, Li', correspondant à la lumière issue de l'intensificateur de lumière et qui arrive sur l'optique de collimation 2 après avoir traversé la surface 70 du cube 7 ', se présente, en fonction de la longueur d'onde, comme il est indi- qué sur la figure 6; comme la bande spectrale du luminophore P 20 est relativement large, la perte d'énergie qu'entraîne à 545 nanomètres la traversée de la surface 70, est faible et sans effet notoire sur la qualité de l'image que délivre l'intensificateur de lumière 6. Le générateur d'images 1 du dispositif selon la figure 3 utilise des luminophores P 43 qui sont des luminophores à bande étroite centrée sur 545 manomètres; la courbe de la luminance Lg de ces luminophores en fonction de la longueur d'onde est représentée sur la figure 7. Compte tenu des courbes selon les figures 4 et 6, la courbe de la luminance, Lg', correspondant à la lumière issue du générateur d'images 1 et qui arrive sur l'optique de collimation 2 après réflexion sur la surface 70 du cube 7 ', se présente, en fonction de la longueur d'onde, comme il est indiqué sur la figure 8, c'est-à-dire que la quasi-totalité de l'énergie lumineuse provenant du générateur d'images 1 est réfléchie vers l'optique de collimation 2. Il est à noter que le dispositif selon la figure 3 fonc- tionne avec des sources de lumière à bande large dans la voie de l'intensificateur de lumière et à bande étroite dans la voie du générateur d'images; il est également possible de le faire fonctionner avec des sources de lumière à bande étroite dans la voie de l'intensificateur de lumière et à bande large dans la voie du générateur d'image, ou à bandes étroites mais distinctes dans les deux voies; il suffit de choisir le traitement de la surface 70 du cube 7 en fonction des bandes de fréquences à réfléchir et à transmettre. La présente invention ntest pas limitée aux exemples dé- crits ou mentionnés, c'est ainsi que, si dans le dispositif selon les figures 1 et 2 l'optique combinatoire constituée par le miroir 7 est escamotable et si dans le dispositif selon la figure 3 l'optique combinatoire constituée par le cube mélangeur 7 ' est fixe mais sélective en fréquences, il est également possible de réaliser un dispositif selon l'invention, duquel sont retirés, en vision diurne, l'optique d'observation noc- turne, l'intensificateur de lumière et l'optique combinatoire qui, en vision nocturne, permet d'envoyer à l'optique de collimation, à la fois l'image provenant du générateur d'images et l'image provenant de l'intensificateur de lumière. Il est également à noter que, au prix d'une perte de lu- mière en ce qui concerne l'image fournie par le générateur 1 et reçue par l'oeil V de l'observateur, le dispositif selon les figures 1 et 2 peut fonctionner avec le miroir 7 fixe à condi- tion que la position fixe soit celle selon la figure 2. La présente invention concerne tout particulièrement les visuels de casques utilisés par les pilotes d'avions et d'héli- coptères. REVENDICATIONS 1 Dispositif optique pour la vision diurne et nocturne, comportant en série un générateur d'images ( 1), une optique de collimation ( 2) pour fournir une image collimatée et une optique combinatoire de sortie ( 3) destinée à permettre à un observateur de regarder simultanément ce qui se trouve normalement dans son champ visuel et, en surimpression, l'image collimatée et comportant une optique d'observation nocturne, ( 4, 5) suivie d'un intensificateur de lumière ( 6), caractérisé en ce qu'il comporte une optique combinatoire auxiliaire ( 7; 7 ') disposée, au moins lorsque le dispositif est utilisé en vision nocturne, entre le générateur d'images ( 1), l'intensificateur de lumière ( 6) et l'optique de collimation ( 2) pour permettre un couplage optique simultané du générateur d'images ( 1) et de l'intensificateur de lumière ( 6) à l'optique de collimation ( 2). 2 Dispositif optique selon la revendication 1, caractéri- sé en ce que l'optique combinatoire auxiliaire est constituée par un miroir semi-réfléchissant ( 7). 3 Dispositif optique selon la revendication 2, caractéri- sé en ce que le miroir semi-réfléchissant ( 7) est escamotable. 4 Dispositif optique selon la revendication 1, caractéri- sé en ce que l'optique combinatoire ( 7 ') comporte une surface ( 70) ayant subi un traitement pour la rendre sélective en fré- quences. Casque de pilote, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un dispositif selon l'une des revendications précédentes.