Brevet FR2704072A1 — publié le 19941021

SYSTEME OPTIQUE D'OBSERVATION BINOCULAIRE L'invention conserne un système optique d'observation binoculaire et notamment un système optique binoculaire à incrustation d'image. Dans certains systèmes optiques d'observation (lunette, jumelles, etc...), on souhaite visualiser une image de synthèse (information de type alphanumérique ou graphique), soit seule (configuration dite "tête basse"), soit en superposition avec l'image naturelle (configuration dite "tête haute"). Les performances exigées de ce type de système sont les suivantes compacité, faible consommation électrique, luminosité de l'image naturelle, bonne visibilité de l'image de synthèse sous tout type d'éclairement, haute résolution de l'image de synthèse, binocularité, commutation tête haute/tête basse aisée. Une première approche a fait l'objet de la Demande de Brevet français nO 91 13491 déposée par la demanderesse. La présente demande a pour objet de proposer un nouveau type de configuration optique binoculaire qui permet une meilleure utilisation du flux lumineux naturel qui entre dans la pupille de l'objectif, afin de répondre à certaines de ces exigences. Concernant la configuration tête haute, dans la plupart des systèmes actuels, l'information est présentée sur la partie périphérique de l'image naturelle (soit à l'intérieur, soit à l'extérieur de celle-ci) ; l'affichage de cette information est effectué par exemple par des systèmes à cristaux liquides ou à diodes électroluminescentes. Pour superposer l'image de synthèse à l'image naturelle sur tout son champ, on peut utiliser les deux méthodes suivantes. La première décrite dans la Demande de Brevet nO 9113491 est de type "additive'; elle consiste à projeter l'image de synthèse (inscrite par exemple sur un écran à cristaux liquides ou électroluminescent) dans le plan image du système par l'intermédiaire d'un objectif et d'une lame semi-transparente. La seconde est de type "soustractif"; elle consiste à intercaler directement sur le trajet du flux lumineux de l'image naturelle, dans le plan image, un écran fonctionnant en transmission (écran à cristaux liquides, par exemple). Ces deux méthodes apparaissent complémentaires ; la méthode additive est plutôt adaptée aux conditions de faible luminosité et permet éventuellement la superposition d'images en couleurs, alors que la méthode soustractive, plutôt adaptée aux conditions de luminosité moyenne ou forte, ne permet pas d'envisager raisonnablement, compte-tenu de la technologie actuelle et de son évolution prévisible, la superposition d'une image couleur (en raison notamment de l'absorption des filtres colorés). Concernant la configuration tête basse, le problème semble plus simple puisque l'image est observée seule, sans superposition avec l'image naturelle. Toutefois, certaines applications exigent un écran couleur de définition élevée, difficilement réalisable compte-tenu de la technologie actuelle. D'autre part, dans les systèmes existants ou proposés, la commutation tête haute/tête basse est réalisée par des moyens mécaniques qui contribuent à augmenter le poids et la fragilité de ces systèmes. Enfin concernant la binocularisation d'un tel système, l'imagerie optique classique offre deux possibilités. La méthode la plus simple, celle employée pour les jumelles classiques, consiste à lier mécaniquement deux systèmes monoculaires ; cette méthode a certes pour avantage d'offrir une vision stéréoscopique au moins partielle de l'image naturelle; toutefois, sur des systèmes d'observation d'objets lointains (distants au moins de quelques dizaines de mètres), l'effet stéréoscopique est négligeable dans la mesure où la distance inter-objectifs reste très inférieure à la distance inter-oculaires multipliée par le grossissement du système, ce qui est le cas des systèmes compacts. De plus, dans le cadre de la présente invention, un système basé sur ce principe serait relativement lourd puisqu'il comporterait deux objets, deux systèmes redresseurs et deux systèmes de superposition de l'image de synthèse. L'autre méthode, employée pour les microscopes binoculaires, est applicable à un système mono-objectif; elle consiste à séparer le faisceau image symétriquement en deux faisceaux, par exemple à l'aide d'un biprisme. Cette méthode semble toutefois peu adaptée à la réalisation d'un système à superposition d'images, dans la mesure où la présence de certains composants, tels que polariseurs ou lame semi-transparente entraînerait une atténuation importante de l'image naturelle ou de l'image de synthèse. L'invention propose un ensemble de méthodes permettant la réalisation d'un système optique binoculaire mono-objectif de visualisation d'une image de synthèse seule (configuration tête basse) ou en superposition avec une image naturelle (configuration tête haute). Elle est basée sur la séparation de polarisations du flux lumineux composant l'image naturelle observée. L'invention concerne donc un système optique d'observation binoculaire comprenant deux oculaires, caractérisé en ce qu'il comprend un seul objectif, un séparateur de polarisations recevant le faisceau objet de lumière de l'objectif, le séparant en deux, transmettant une première partie par un premier trajet à un premier oculaire et une deuxième partie par un deuxième trajet à un deuxième oculaire. Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre et faite à titre d'exemple non limitatif et dans les figures annexées qui représentent: - les figures la, lb, un premier exemple de réalisation du système de l'invention; - les figures 2a, 2b, des diagrammes explicatifs d'un modulateur de polarisations; - la figure 3, un exemple de réalisation plus détaillé du système de l'invention. En se reportant aux figures la et lb, on va donc décrire un exemple de réalisation du dispositif selon l'invention. Le système binoculaire selon l'invention comporte principalement un seul objectif d'entrée 2, un séparateur de faisceau 4 recevant le faisceau d'entrée et le divisant en deux parties qui sont transmises aux deux oculaires 6 et 8. Le séparateur n'est pas compris entre les axes optiques des oculaires. Selen l'exemple des figures la et lb il est situé sensiblement dans un plan comprenant les axes optiques des oculaires. Les faisceaux F3, et F4 résultant de la séparation de faisceau sont compns dans ce pIan. L'un des faisceaux F3 est transmis par un parcours le plus direct possible (par le prisme 5) à l'oculaire 6 le plus éloigné du séparateur 4.Par contre, l'autre faisceau F4 est transmis à l'oculaire le plus proche du séparateur 4 par l'intermédiaire d'un système optique (prisme de Porro 7) permettant d'égaliser sensiblement les longueurs des trajets des faisceaux F3 et F4 entre le séparateur 4 et les oculaires. Le faisceau image F1 traverse l'objectif 2 puis est réfléchi par le premier prisme de Porro 3 (ou tout composant réflecteur assurant la même fonction) et séparé en deux faisceaux, l'un réfléchi et l'autre transmis, à l'aide du composant optique séparateur 4. Le faisceau réfléchi est ensuite réfléchi par le composant 5 vers l'oculaire 6. Le faisceau transmis est réfléchi par le second prisme de Porro 7 (ou tout composant réflecteur assurant la même fonction) vers l'autre oculaire 8. Ce dispositif permet donc l'égalisation des trajets optiques (c'est-à-dire plans image 9 et 10 confondus, comme présentés sur la figure lb) en ajustant par exemple la distance suivant l'axe oculaire entre l'oculaire 8 et le prisme 7. I1 permet également le réglage de la distance inter-oculaires en déplaçant simultanément suivant l'axe x d'une part le second prisme de Porro 7 d'une distance d et l'autre l'oculaire 8 dans le même sens d'une distance 2d. Ce déplacement a pour particularité de ne modifier en rien le trajet optique du faisceau collecté par l'oculaire 8. Une autre méthode consiste à déplacer l'oculaire 6 et le prisme 5 d'une distance 2d selon l'axe Ox et le prisme 7 d'une distance d selon l'axe Oz. Dans le cas où le composant séparateur 4 serait disposé de façon à renvoyer le faisceau réfléchi F3 vers la gauche, le composant 5 devrait se situer sur la gauche à proximité immédiate du composant 4 afin de respecter la distance inter-oculaire compte tenu des dimensions usuelles des composants optiques ; dans une telle configuration, la différence de trajet optique entre les deux faisceaux serait importante; elle pourrait être compensée par exemple en insérant sur le trajet du faisceau F4 entre le prisme 7 et l'oculaire 8 une optique de transport de pupille. Si le composant séparateur de faisceaux 4 est également séparateur de polarisation (par exemple cube séparateur de polarisation comme représenté schématiquement sur la figure lb ou encore prisme de Thompson), les faisceaux dirigés vers les oculaires 6 et 8 présentent un degré élevé de polarisation rectiligne et les directions de polarisation sont orthogonales l'une par rapport à l'autre. Ainsi les faisceaux lumineux dirigés vers les oculaires étant polarisés, il est possible d'insérer directement dans le plan image, des écrans à cristaux liquides 11, 12 ne comprenant pas de polariseur d'entrée et simplement munis chacun d'un analyseur de sortie 13, 14. Les images adressées sur ces écrans seront ainsi observées en superposition soustractive par rapport à l'image naturelle sans perte notable de flux lumineux. L'absence de polariseur d'entrée fait gagner pratiquement un facteur deux sur la puissance lumineuse transmise à chaque oculaire : en effet si ces écrans (supposés monochromes) sont adressés dans l'état transparent, la quasi-totalité de la puissance lumineuse collectée par l'objectif en direction des oculaires est transmise à l'observateur. Seules les pertes intrinsèques des composants optiques sont à prendre en compte; ces pertes peuvent être rendues très faibles dans le spectre visible par un traitement multicouche approprié des différents dioptres. En plus de la possibilité d'incrustation d'image par superposition soustractive, ce système permet l'incrustation d'image par superposition additive. En effet, une image affichée par l'écran de visualisation 16 peut être projetée dans les plans images 9, 10 par l'intermédiaire d'un second objectif 15 de focale appropriée et du composant séparateur 4 cette image est ainsi perçue par l'observateur de façon binoculaire, superposée additivement à L'image naturelle. Enfin, dans la configuration indiquée sur la figure lb comprenant un cube séparateur de polarisations, cette image peut être observée seule, par simple adressage des écrans 1 1 et 12 dans l'état non-transmissif. Ce dispositif permet donc la commutation tête haute/tête basse sans aucun déplacement mécanique. Si l'on souhaite visualiser une image de synthèse en couleur à haute définition, ce système permet de superposer une image couleur affichée sur l'écran 16 à une image monochrome affichée sur les écrans 1 1 et 12. L'image couleur affichée par l'écran 16 peut être une image à définition relativement faible. Les images monochromes des écrans 1 1 et 12 peuvent être aisément à haute définition. Ainsi par exemple, comme cela se fait pour les cartes, les informations essentielles sont affichées en monochrome et elles peuvent être mises en valeur par des zones colorées qui n'ont pas besoin alors d'une bonne définition. Un effet stéréoscopique est éventuellement réalisable en présentant des images légèrement différentes sur les écrans 11 et 12 ; cet effet stéréoscopique peut offrir un avantage de lisibilité supplémentaire à l'utilisateur, notamment pour l'observation de cartes géographiques. Dans le cas où l'on utilise un composant séparateur de polarisation, si l'image naturelle présente des régions émettant une lumière fortement polarisée, chaque oeil de l'utilisateur risque de percevoir des intensités lumineuses différentes. Ce problème peut être résolu en intercalant en amont du composant séparateur (4) un dispositif 20 qui peut être soit une lame quart d'onde centrée sur le spectre visible dont les axes optiques sont les bissectrices des axes du composant séparateur, soit un modulateur alternatif de polarisation. Le principe de fonctionnement de ce modulateur est expliqué sur les figures 2a et 2b dans lesquelles xl et x2 sont les axes du composant séparateur de polarisation; le faisceau image (supposé quasi-parallèle) présente des composantes de champ électrique a suivant x1 et ss suivant x2 (figure 2a) ; si a est notamment différent de ss, les puissances lumineuses collectées par chaque oculaire seront différentes.Si ces composantes sont interverties périodiquement (figures 2a et 2b), les puissances dirigées vers chaque oculaire moyennées sur un temps très supérieur à la période sont égales (toutes deux proportionnelles à a2 + B2). La fréquence de modulation doit être suffisamment élevée ( > 20 Hz environ), pour ne pas risquer d'engendrer un effet de scintillement désagréable pour l'observateur. Cet effet peut être obtenu à-partir d'une cellule à cristaux liquides soumise à une tension électrique alternative, par exemple de nématique en hélice tel que x1 et X2 soient les directions d'alignement, ou encore de type smectique ferroélectrique. La figure 3 représente un exemple de réalisation plus détaillé de l'invention. Cette réalisation est appliquée par exemple à une jumelle à incrustation d'image et configuration tête haute/tête basse commutable par effet électrooptique. Le système de la figure 3 est représenté dans un repère orthogonal x, y, z. Le faisceau image 1 traverse l'objectif 2 puis est réfléchi par un premier prisme de Porro. I1 est séparé en deux faisceaux, l'un réfléchi et l'autre transmis, à l'aide d'un cube séparateur de polarisations 4. Le faisceau réfléchi est ensuite réfléchi par le prisme 5 vers l'un des oculaires 6. Le faisceau transmis est réfléchi par un second prisme de Porro 7 vers l'autre oculaire 8. Le faisceau transmis est polarisé selon une direction 25 parallèle à l'axe x et le faisceau réfléchi (par le séparateur 4) est polarisé selon une direction 24 parallèle à l'axe y. Les dimensions et positions des différents composants sont ajustées de façon que les plans images des deux faisceaux soient confondus dans un plan parallèle au plan x, y et que l'écartement inter-oculaire ait une valeur réaliste (5,5 à 7,5 cm) correspondant à la gamme interpupillaire des utilisateurs; set écartement est réglable par déplacement simultané du prisme 7 d'une distance d suivant la direction x du repère orthogonal et de l'oculaire 8 dans le même sens d'une distance 2d. Le prisme 7 est choisi de dimension suffisante pour collecter la totalité du flux image issu du cube 4 sur toute sa plage de déplacement. Chaque oculaire 6, 8 est mobile suivant l'axe z du repère orthogonal afin de pouvoir adapter le réglage de mise au point du système à la vue de l'utilisateur. L'objectif est également mobile suivant z afin d'effectuer la mise au point de l'image naturelle. Des écrans de visualisation matriciels monochromes à cristaux liquides 11, 12 sont insérés dans le plan image 9, 10 de chaque faisceau; ces écrans ne nécessitent en plus chacun qu'un analyseur de sortie 13, 14, les flux incidents étant déjà polarisés. Une autre image de synthèse qui peut être une image couleur est présentée sur un écran matriciel à cristaux liquides 17 placé entre un polariseur et un analyseur 18, 19 dont les axes sont les bissectrices des axes du cube séparateur de polarisation. Le flux lumineux de cette image provient directement de la lumière naturelle ou bien d'une source de lumière artificielle 20, par l'intermédiaire d'un prisme 21 et d'un second objectif 15 ; il est ensuite séparé en deux faisceaux de même puissance par le cube séparateur de polarisation 4. Ces deux faisceaux suivent ensuite le même trajet que les deux faisceaux de l'image naturelle, mais leurs polarisations 22, 23 sont orthogonales dans chaque trajet aux polarisations 24, 25 de ces derniers.La distance focale et la position du second objectif 15 sont choisies de telle sorte que l'image de l'écran 17 soit projetée dans le plan-image de l'objectif 2, plan contenant les plans 9, 10 avec un grandissement adéquat afin d'être observable directement par les oculaires 6, 8. Un dispositif central de commande CC fournit des signaux de commande pour commander les écrans de visualisation 11, 12, 17 et l'objectif 2. Quatre types principaux de fonctionnement sont possibles, deux en configuration tête haute et deux en configuration tête basse. En configuration tête haute, l'image présentée par l'écran couleur 17 peut être observée en superposition additive avec l'image naturelle lorsque les points image des écrans monochromes 11, 12 sont adressés dans l'état inverse des points image correspondants de l'écran 17. Pour cela l'affichage commandé par le signal CC17 est complémentaire de ceux commandés par les signaux CC11 et Cl 12. Si l'écran couleur 17 est adressé dans l'état non-transmissif par le signal CC17, les images adressées sur les écrans monochromes 1 1 et 12 sont observées soustractivement avec l'image du faisceau 1. En configuration tête basse, L'image présentée par l'écran couleur 17 peut être observée seule lorsque les écrans monochromes 1 1 et 12 sont adressés dans l'état non transmissif par les signaux CC11 et CC12. Si enfin le flux de l'image naturelle du faisceau 1 est nul, ce qui peut être obtenu en obturant l'objectif 2 par le signal CC2 les images monochromes présentées sur les écrans 1 1 et 12 sont alors observées en superposition soustractive avec l'image couleur présentée par l'écran 17, ce qui permet d'obtenir, par exemple, une image à haute définition monochrome superposée à une image couleur de moins bonne définition. De plus, un tel système permet également de superposer l'image naturelle à différentes images de synthèse présentées sur les écrans 11, 12 et 17 par modulation temporelle de l'intensité de ces images. Cette modulation peut être directement effectuée par les signaux d'adressage des écrans respectivement les écrans 1 1 et 12 ou 17. Cette modulation doit être effectuée à une fréquence suffisamment élevée afin qu'aucun scintillement désagréable ne soit perçu par l'oeil de l'observateur. Un modulateur alternatif de polarisation, constitué d'une cellule a' cristaux liquides ferroélectriques stabilisés en surface (SSFLC) 26 est placé devant l'objectif 2. Cette cellule agit sur le flux lumineux visible comme une lame demi-onde dont l'axe optique tourne d'un angle de 45" dans le plan de la lame sous l'action d'une tension électrique; les conditions d'ancrage de surface et d'orientation du cristal liquide sont choisies de telle sorte que dans l'un des états ses axes optiques correspondent aux axes du cube séparateur de polarisation 4 et que dans l'autre état, ils correspondent à leurs bissectrices. La fréquence de modulation choisie est d'environ 100 Hz. Le système de l'invention permet d'envisager la réalisation d'une jumelle compacte et légère qui donne une bonne luminosité dans les fonctions "tête haute" et "tête basse". Dans la configuration à séparation de polarisations, la présence de cellules à cristaux liquides pour l'incrustation d'images de synthèse n'introduit pratiquement aucune perte de luminosité pour l'image naturelle; en revanche, dans les dispositifs basés sur des configurations classiques de l'art antérieur, ces pertes atteignent environ 50 % à cause notamment du polariseur d'entrée et de la lame semi-transparente. D'autre part, le changement de configuration tête haute/tête basse peut être effectué sans aucun système mécanique, par simple adressage des cellules. L'incrustation d'images de synthèse dans l'image naturelle est réalisée au choix de façon soustractive ou additive par l'adressage des cellules. REVENDICATIONS 1. Système optique d'observation binoculaire comprenant deux oculaires (6, 8), caractérisé en ce qu'il comprend un seul objectif (2), un séparateur de polarisations (4) recevant le faisceau objet de lumière de l'objectif, le séparant en deux, transmettant une première partie par un premier trajet à un premier oculaire (6) et une deuxième partie par un deuxième trajet à un deuxième oculaire (8). 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier oculaire (6) est plus éloigné du séparateur de polarisations que le deuxième oculaire (8) et en ce qu'il comporte un système optique pour allonger le deuxième trajet et le rendre sensiblement égal au premier trajet. 3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'égalisation des trajets optiques est réalisée à l'aide d'une optique de transport de pupille placée en série sur l'un des trajets. 4. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un premier écran d'affichage par transparence (11, 12) situé dans le plan image d'un oculaire. 5. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte un premier et un deuxième (11, 12) écrans d'affichage par transparence situés chacun dans le plan image d'un oculaire. 6. Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que les premier et deuxième écrans d'affichage (11, 12) sont des écrans à cristaux liquides et qu'un analyseur de polarisations (13, 14) est associé à chaque écran. 7. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le séparateur (4) est cube un séparateur de polarisations. 8. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte entre l'objectif (2) et le séparateur (4) soit une lame quart d'onde soit un modulateur alternatif de polarisations. 9. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un troisième écran d'affichage (17) émettant un faisceau image secondaire qui est couplé au faisceau objet de l'objectif (2) par un dispositif de couplage (4). 10. Système selon la revendication 9, caractérisé en ce que le dispositif de couplage est le séparateur (4). 11. Système selon la revendication 10, caractérisé en ce que le séparateur possède deux entrées recevant le faisceau objet de l'objectif sur l'une d'elles et le faisceau image secondaire sur l'autre, et deux sorties aiguillant la lumière vers le premier et le deuxième trajets, la lumière du faisceau objet de l'objectif polarisée selon une première direction et celle du faisceau image secondaire polarisée selon une deuxième direction perpendiculaire à la première direction étant transmises vers le premier trajet tandis que la lumière du faisceau objet de objectif polarisée selon une deuxième direction et celle du faisceau image secondaire polarisée selon la première direction étant transmise vers le deuxième trajet. 12. Système selon la revendication 11, caractérisé en ce que le deuxième écran d'affichage (17) est un écran à cristal liquide compris entre un polariseur (18) et un analyseur (19) dont les axes sont orientés à 45" de la direction du faisceau transmis au séparateur de polarisation (4) de telle façon que la lumière émise par le troisième écran d'affichage (17) soit répartie sur le premier et le deuxième trajet. 13. Système selon la revendication 12, caractérisé en ce que sur chaque trajet, la polarisation de la lumière provenant du troisième écran d'affichage (17) est perpendiculaire à celle de la lumière provenant de l'objectif (2). 14. Système selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte également un circuit de commande (CC) fournissant des premiers signaux de commande (CC11) commandant le premier écran d'affichage (11), des deuxièmes signaux de commande (CC12) commandant le deuxième écran d'affichage (12), des troisièmes signaux de commande (CC17) commandant le troisième écran de visualisation (17), de telle façon que les éléments images des premier et deuxième écrans soient commandés en inverse des éléments images correspondants du troisième écran. 15. Système selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte également un circuit de commande (CC) fournissant des premiers signaux de commande (CC11) commandant le premier écran d'affichage (11) des deuxièmes signaux de commande (CC12) commandant le deuxième écran d'affichage (12), des troisièmes signaux de commande (CC17) commandant le troisième écran d'affichage (17), caractérisé en ce que les troisièmes signaux de commande (CC17) commande l'état non transmissif du troisième écran de telle façon que le faisceau (1) de l'objectif (2) soit observé de façon soustractive avec les images affichées par les premier et deuxième écrans (11, 12). 16. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte également un circuit de commande (CC) fournissant des premiers signaux de commande (CC11) commandant le premier écran d'affichage (11) des deuxièmes signaux de commande (CC12) commandant le deuxième écran d'affichage (12), des troisièmes signaux de commande (CC17) commandant le troisième écran d'affichage (17), caractérisé en ce que les premiers signaux de commande (CC11) et les deuxièmes signaux de commande (CCL2) commandent l'état non transmissif vis-à-vis des polarisations des faisceaux de lumière provenant de l'objectif (2) de façon que l'image du troisième écran soit observée seule. 17. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte également un circuit de commande (CC) fournissant des premiers signaux de commande (CC11) commandant le premier écran d'affichage (11) des deuxièmes signaux de commande (CC12) commandant le deuxième écran d'affichage (12), des troisièmes signaux de commande (CC17) commandant le troisième écran d'affichage (17), un quatrième signal de commande (cri) commandant le faisceau objet de lumière (1) de l'objectif caractérisé en ce que le troisième signal de commande (CC1) commande l'interruption par un obturateur (20), du faisceau provenant de l'objectif (2), de telle façon que l'image affichée par le troisième écran (17) soit observée de façon soustractive avec les images affichées par les premier et deuxième écrans. 18. Système selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte également, situé entre l'objectif (2) et le séparateur (4), soit un modulateur alternatif de polarisations (20) soit une lame quart-d'onde dont les axes optiques correspondent aux axes optiques du séparateur (4).