Brevet FR2706634A1 — publié le 19941223

DISPOSITIF OPTIQUE COMPACT POUR LA VISION NOCTURNE ET SON APPLICATION A DES LUNETTES L'invention concerne un dispositif optique compact permettant de superposer à l'image visible une seconde image provenant d'un dispositif à intensification de lumière, permettant la vision nocturne. Un tel dispositif est notamment applicable à la constitution de lunettes pouvant être portées sous la visière d'un casque de pilote d'avion ou d'hélicoptère ou pour un fantassin par exemple, lui permettant d'observer le paysage de jour comme de nuit. De telles lunettes sont par exemple décrites dans la demande de brevet PCT WO 89104008. Elles comportent principalement, pour chaque oeil du pilote, un circuit optique pour la lumière directement visible par le pilote, un circuit d'intensification permettant d'intensifier la lumière infrarouge émise par une scène nocturne et de la convertir en lumière visible par l'oeil du pilote, et enfin un mélangeur optique permettant de combiner ces circuits et de diriger les deux images qu'ils produisent vers l'oeil du pilote. Les difficultés qui surviennent avec ce type de matériel sont, d'une part, sa masse, qui est un inconvénient évident pour le pilote et son volume, qui peuvent conduire à l'obligation d'utiliser des casques spéciaux dont la visière est particulièrement écartée du visage du pilote pour permettre l'insertion des lunettes, I'un et l'autre pouvant en outre poser des problèmes en cas d'éjection du pilote, et, d'autre part, I'éventuelle insuffisance de l'intensité lumineuse de l'image nocturne. L'invention a pour objet un dispositif optique permettant également la vision nocturne, dont masse et volume sont réduits et dont le rendement optique est amélioré. A cet effet, le dispositif comporte, pour chaque oeil du pilote: * un mélangeur, situé selon une première direction devant l'oeil du pilote et transmettant directement la lumière visible au pilote; * un objectif, recevant la lumière infrarouge selon une deuxième direction, parallèle à la première direction, situé par exemple au-dessus de l'oeil du pilote; * des moyens optiques pour guider la lumière reçue par l'objectif vers le mélangeur, le guidage s'effectuant dans un même plan qui ne contient pas les première et deuxième directions, ces moyens comportant: - un intensificateur de lumière, formant une image visible intensifiée à partir d'une image infrarouge; - un objectif de transport; - un nombre pair de miroirs, dans un mode de réalisation; - un oculaire; le mélangeur assurant la réflexion de l'image intensifiée selon la première direction, vers l'oeil du pilote. D'autres objets, particularités et résultats de l'invention ressortiront de la description suivante, donnée à titre d'exemple et illustrée par les dessins annexés, qui représentent: - les figures la, 1lb, et 1 c, des schémas vus de face, de profil et de dessus d'un mode de réalisation du dispositif selon l'invention; - la figure 2, une variante de réalisation de la figure 1 c; - la figure 3, un mode de réalisation d'une partie du dispositif illustré sur la figure la; - les figures 4a, 4b, 4c et 4d, différentes vues d'un mode de réalisation de lunettes de vision nocturne réalisées selon l'invention. Sur ces différentes figures, les mêmes références se rapportent aux mêmes éléments. La figure la est donc un schéma vu de face, dans un plan XOZ, du dispositif de vision nocturne selon l'invention, alors que la figure lb est un schéma vu de profil, c'est-à-dire dans un plan ZOY normal au précédent, et la figure lc, une vue de dessus dans un plan XOY, également normal aux précédents, de ce même dispositif. Le dispositif, globalement repéré 11 sur la figure la, est relatif à un seul oeil de l'observateur (du pilote), par exemple l'oeil gauche sur les figures, l'oeil, repéré O, étant sur la figure la situé devant le point B, en avant du plan de la figure. La lumière infrarouge 22 provenant d'un paysage nocturne observé, c'està-dire les longueurs d'onde comprises dans la bande spectrale 0,7 à I1pm est reçue par un objectif OIL du type objectif de prise de vues. Cet objectif OIL est destiné à former une image du paysage à l'infini, ou à une distance finie s'il existe un réglage de focalisation, sur la. face d'entrée 1 d'un dispositif IL (face 1 confondue avec le plan focal image de l'objectif OIL), transformant la lumière infrarouge reçue en lumière visible avec intensification, tel qu'un tube intensificateur de lumière. L'objectif OIL est disposé de préférence au-dessus de l'oeil du pilote, sur un axe parallèle à OZ. La lumière infrarouge 22 puis la lumière visible obtenue par l'intensification de cette lumière infrarouge est illustrée en traits continus; elle est reçue par le dispositif selon un axe OY et elle est renvoyée dans le plan XOZ selon la direction OX par un dispositif P (point A), réalisé par exemple à l'aide d'un miroir ou, de préférence, d'un prisme de renvoi, ce qui permet de diminuer l'encombrement de l'objectif OIL. Un circuit optique permet de guider la lumière issue de l'intensificateur IL, dans le plan XOZ, jusqu'à un mélangeur ME (point B) situé devant l'oeil de l'observateur. Ce mélangeur ME permet d'une part de réfléchir la lumière intensifiée 22 dans la direction OY vers l'oeil O de l'observateur; il est d'autre part transparent à la lumière visible 33 (représentée en traits pointillés) provenant du paysage à l'infini selon la direction OY. Le mélangeur ME peut être classiquement constitué de deux prismes rectangles accolés, dont la face commune (non visible sur les figures) forme un miroir semi-transparent, ou dichroïque ou holographique. Ce circuit optique de guidage est formé d'un objectif de transport 0T, par exemple constitué de trois parties OT1, OT2 et OT3, rendu nécessaire par le fait que le trajet optique pour amener l'image intensifiée devant l'oeil est long, d'un oculaire OC pour rejeter l'image reçue à l'infini, situé devant le mélangeur ME, et de quatre miroirs M1, M2, M3 et M4, qui sont disposés de sorte à renvoyer chacun la lumière à 90 de sa direction incidente. Il apparaît donc que l'oeil de l'observateur O reçoit, d'une part, directement la lumière visible 33 parallèlement à la direction OY et, d'autre part, la lumière infrarouge 22, reçue également parallèlement à la direction OY, après intensification et conversion dans un circuit optique disposé selon le plan XOZ. Dans ce mode de réalisation, le circuit de guidage de la lumière infrarouge intensifiée et convertie est disposé dans un plan parallèle au plan XOZ, normal à la direction OY du rayonnement incident. La figure 2 représente une variante de réalisation du dispositif selon l'invention, dans laquelle ce circuit de guidage est toujours disposé dans un plan mais celui-ci n'est plus perpendiculaire à la direction OY incidente: il fait un angle oc avec la direction OY, supérieur à 90 , par exemple de l'ordre de 110 . Cette disposition a pour but de diminuer l'encombrement du dispositif lorsqu'il est destiné à former des lunettes disposées sous la visière d'un casque de pilote, celles-ci pouvant alors suivre de plus près la forme du visage. La figure 3 représente un mode de réalisation de la partie du dispositif selon l'invention qui contient l'objectif de transport. Sur cette figure, on a représenté l'intensificateur de lumière IL et les différentes lentilles constituant les différentes parties OT1, OT2, OT3 de l'objectif de transport. Ces lentilles sont définies et disposées de telle sorte que l'image formée sur la face de sortie 2 de l'intensificateur de lumière IL, face 2 qui coïncide donc avec le plan focal objet de l'objectif de transport, soit transportée vers un second plan 3, plan focal image de l'objectif, qui, lui- même, coïncide avec le plan focal objet de l'oculaire OC. Dans ce mode de réalisation, une première partie OT1 de l'objectif de transport est formée de deux lentilles L1 et L2; la lumière qui est issue de la lentille L2 selon l'axe OX est réfléchie par le miroir M1 selon l'axe OZ et vient frapper un premier groupe de trois lentilles L3, L4, L5 d'une deuxième partie OT2 de l'objectif, puis un second groupe de deux lentilles L6 et L7 de cette même partie. Le miroir M2 renvoie la lumière issue de la lentille L7 dans la direction OX o elle rencontre un groupe de trois lentilles L8, Lg et L10, formant la dernière partie OT3 de l'objectif de transport. Le miroir M3 renvoie la lumière issue de la lentille L10 dans la direction OZ vers le miroir M4 qui la renvoie, lui, dans la direction OY vers l'oculaire et le mélangeur ME. Le plan focal 3 est, dans ce mode de réalisation, situé entre les miroirs M3 et M4. Les figures 4a, 4b, 4c et 4d représentent un mode de réalisation de lunettes de vision nocturne utilisant deux dispositifs tels que décrits précédemment, ces lunettes étant vues respectivement en perspective, de face, de profil et de dessus. On trouve sur ces différentes figures deux mélangeurs ME disposés respectivement devant les deux yeux du pilote, les mélangeurs recevant la lumière visible provenant du paysage selon la direction OY, et deux objectifs OIL destinés à capter le rayonnement infrarouge issu du paysage selon cette même direction OY. Chacun des dispositifs selon l'invention est inséré dans un boîtier 11, à l'exception des objectifs OIL, les intensificateurs d'images IL faisant saillie. Les lunettes comportent également une structure mécanique centrale 42, comportant des moyens 41 de fixation de l'ensemble au casque du pilote. Enfin, elles comportent classiquement des moyens de réglage 40, du type mollette, de la distance interoculaire. Selon une variante de réalisation préférée, le réglage est opéré à l'aide de deux molettes distinctes, comme représenté sur les figures 4, chacune agissant sur l'un des ensembles 11. Cette dernière variante permet de translater chacun des ensembles 11 selon son propre plan, qui fait un angle cc avec la direction OY, et par là de limiter encore l'encombrement des lunettes. Sur la vue de dessus de la figure 4d, il apparaît que ce mode de réalisation utilise la variante illustrée figure 2. Il a été ainsi décrit un dispositif optique pour la vision nocturne très compact, et tout particulièrement ne nécessitant pas de dispositif supplémentaire de rotation d'image. En effet, ainsi qu'il est connu, d'une part les dispositifs optiques du type objectif inversent les images qu'ils forment (rotation de 180 ); d'autre part, les repliements multiples des circuits optiques dans un espace limité peuvent amener également des rotations d'images. Il est connu de compenser ces diverses rotations à l'aide d'un (ou plusieurs) dispositif de rotation d'image, chacun étant formé d'un faisceau de fibres optiques torsadées. Selon l'invention, le circuit optique est conçu pour éviter l'utilisation d'un tel faisceau de fibres, ce résultat étant atteint en maintenant le circuit optique, entre le prisme P et le mélangeur ME, dans un même plan qui ne contient pas la direction OY d'arrivée des rayons 22 et 33, en disposant dans ce plan un nombre n de miroirs de renvoi, n dépendant du nombre d'objectifs utilisé dans le dispositif; dans le mode de réalisation décrit ici, on utilise deux objectifs (OIL et OT), ce qui conduit à un nombre pair de miroirs; bien entendu, en tant que besoin, il est possible d'ajouter un objectif de transport supplémentaire, le nombre de miroirs étant alors impair. Il est à noter que les positions relatives des miroirs, de l'objectif de transport et de l'intensificateur de lumière sont interchangeables, le seul critère étant la recherche de la compacité. Il en est de même pour la direction de renvoi de chacun des miroirs, qui n'est pas nécessairement normale à la direction incidente mais qui doit toutefois rester dans le même plan. Enfin, ce pliage préférentiel pour le circuit optique entre les éléments P et ME permet de rapprocher l'objectif OIL de l'oeil et ainsi de ne pas avoir d'effet de parallaxe important entre la perception directe (lumière 33) et celle donnée par l'intensificateur de lumière IL (lumière 22). En outre, le fait d'éviter l'utilisation d'un faisceau de fibres optiques permet d'éviter une substantielle diminution du rendement optique. En effet, la transmission d'un tel système de fibres est faible (environ 50%). Or le facteur de transmission est prépondérant pour les besoins opérationnels o un gain maximum est recherché. L'économie d'un faisceau de fibre est également important dans le bilan de masse du système. REVENDICATIONS 1. Dispositif optique de vision nocturne d'un paysage comportant, disposé devant un oeil d'un observateur: * un mélangeur, situé selon une première direction devant l'oeil (O) de l'observateur et transmettant directement la lumière visible (33) à l'observateur; * un objectif (OIL) recevant la lumière infrarouge (22) selon une deuxième direction, parallèle à la première; * des moyens optiques pour guider la lumière reçue par l'objectif vers un mélangeur (ME), le guidage s'effectuant dans un même plan ne contenant pas les première et deuxième directions, ces moyens optiques comportant: - des moyens (IL) pour former une image visible intensifiée à partir d'une image infrarouge reçue; - un objectif de transport ( OT1, OT2, OT3); - un nombre n de miroirs, n dépendant du nombre d'objectifs du dispositif; - un oculaire; le mélangeur assurant la réflexion de l'image intensifiée selon la première direction, vers l'oeil de l'observateur. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le plan des moyens de guidage est sensiblement normal aux première et deuxième directions. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le plan des moyens de guidage fait un angle supérieur à 90 avec les première et deuxième directions. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le plan des moyens de guidage fait un angle de l'ordre de 110 avec les première et deuxième directions. 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le nombre n de miroirs est pair. 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les miroirs des moyens de guidage sont au nombre de quatre. 7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre des moyens optiques de renvoi de la lumière infrarouge issue de l'objectif vers les moyens pour former une image visible intensifiée. 8. Lunettes de vision nocturne, caractérisées par le fait qu'elles comportent deux dispositifs selon l'une des revendications précédentes, un dispositif pour chaque oeil de l'observateur, et des moyens de réglage de la distance interoculaire. 9. Lunettes selon la revendication 8, caractérisées par le fait que les moyens de réglage de la distance interoculaire assurent la translation de chacun des dispositifs selon un axe contenu dans le plan des moyens de guidage.