Brevet FR2721719A1 — publié le 19951229

L'invention concerne la vision nocturne, c'est-à-dire l'observation d'une scène dans des conditions d'éclairement très faibles, fourni par exemple par la lumière stellaire ou lunaire, et sans éclairage additionnel de la scène. Les systèmes de vision nocturne sont conçus pour être portés à la main ou pour permettre une utilisation mains libres. Dans ce dernier cas, le système de vision est fixé au visage de l'utilisateur à l'aide d'un masque de soutien équipé de sangles. Les dispositifs de vision portés à la main sont principalement destinés à une observation éloignée, et intègrent une combinaison optique capable de grossir plusieurs fois le champ observé. En revanche, les systèmes de vision nocturne de type main libre, destinés au déplacement, à la conduite de véhicule ou à la réalisation de travaux nocturnes, présentent un grossissement égal à l'unité de façon à offrir des conditions de vision naturelles. L'invention est particulièrement, mais non exclusivement, destinée à ce type d'application. Les systèmes de vision nocturne sont classiquement basés sur la mise en oeuvre d'un tube intensificateur d'images, comportant une photocathode servant de surface d'entrée, un système de transfert et de multiplication d'électrons à microcanaux, et d'un écran à phosphore servant de surface de sortie. Un objectif à grande ouverture forme une image de la scène observée sur la surface d'entrée, puis l'image est intensifiée électroniquement, et enfin restituée sur l'écran de phosphore pour être observée au travers d'un ensemble oculaire. La vision bioculaire est obtenue en répartissant le flux sortant du tube sur deux voies oculaires à l'aide d'un séparateur optique. La nécessité de fixer les équipements de conduite de nuit sur la tête entraîne la présence de contraintes ergonomiques importantes. En effet, la masse de l'équipement et sa forme protubérante, du fait de l'alignement des éléments - objectif, tube, oculaire - sur un axe de visée, entraînent un déplacement du centre de gravité de la tête et en modifient les caractéristiques d'inertie, ce qui engendre des problèmes de fatigue au niveau du cou. D'autre part, la présence de cette protubérance relativement longue (classiquement compris entre 100 et 170 mm) et fragile, réduit la mobilité de l'utilisateur, notamment pour des déplacements dans des conditions difficiles ou pour la conduite de véhicule. Pour résoudre ce probléme, il est connu du brevet US 4826302 un système optique coudé dans lequel l'objectif et l'intensificateur sont orientés selon un axe horizontal perpendiculaire à l'axe de visée. De ce fait, la dimension de l'équipement selon l'axe de visée est réduite et le centre de gravité de l'ensemble est déplacé vers l'observateur. Cependant, cette conception nécessite la mise en oeuvre d'un nombre important de réflexions sur chacune des voies optiques. L'invention vise à obtenir une jumelle de vision nocturne encore plus compacte, et mettant en oeuvre un nombre réduit d'éléments optiques. Pour atteindre ces objectifs, I'invention est basée sur la mise en place d'une voie optique principale inclinée par rapport au plan des axes optiques des oculaires et aboutissant à une première voie oculaire, sur laquelle vient se greffer une seconde voie oculaire. Plus précisément, I'invention a pour objet une jumelle de vision nocturne comportant un objectif d'entrée conjugué à un tube intensificateur de lumière pour former une image de scène à partir d'un flux lumineux provenant de la scène selon un axe de visée, L'image étant ensuite transmise, sur deux voies oculaires, à deux oculaires par l'intermédiaire d'un séparateur optique, les oculaires présentant des axes parallèles à l'axe de visée, caractérisée en ce que l'objectif, le tube, le séparateur et un premier oculaire coudé sont alignés pour constituer une voie optique principale, en ce que l'axe optique principal de la voie principale, situé dans un plan perpendiculaire à l'axe de visée, est incliné par rapport au plan des axes des oculaires, en ce que le séparateur placé de manière incliné en un point de l'axe principal transmet partiellement le flux par transmission et réflexion sur une première et une seconde voie oculaire, la première voie oculaire constituant une partie de la voie principale et la seconde voie oculaire est coudée deux fois et présente un axe situé dans le plan perpendiculaire à l'axe de visée et passant par l'axe de la voie principale. Selon un premier exemple de réalisation, la transmission de flux est réalisée à l'aide d'une optique de transport d'image composée d'un premier élément situé entre le tube et le séparateur et d'un second élément situé sur chacune des voies oculaires. Cette combinaison optique forme donc deux optiques de transport d'image, un transport par transmission à travers le séparateur et un transport par réflexion sur le séparateur, respectivement sur la premiére et la seconde voie oculaire. Chaque transport d'image forme avec l'oculaire conjugué un ensemble oculaire, de préférence de type microscope. Avantageusement, la transmission du flux sur la seconde voie oculaire est réalisée soit à l'aide d'éléments optiques constituant un seul transport d'images couplé à deux prismes en toit, soit à l'aide de deux transports d'images couplés à deux réflecteurs plans. Selon un deuxième exemple de réalisation, le tube intensificateur est à fibres inverseuses d'image. Avantageusement, les prismes en toit de la seconde voie oculaire sont alors remplacés par des réflecteurs plans. De plus, la transmission du flux sur la première voie oculaire peut être réalisée par un ensemble ;oculaire constituant une optique de type loupe qui reprend directement l'image de l'écran du tube. D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui suit, accompagnée des figures annexées qui représentent respectivement: - la figure 1, un premier exemple de réalisation de la jumelle de vision nocturne selon l'invention - la figure 2, un deuxième exemple de réalisation de la jumelle selon l'invention. Le premier exemple de réalisation, illustré par la figure 1, montre l'agencement de base proposé par l'invention . une voie optique principale d'axe XAOBX', coudé en A et B et articulé autour de trois axes, I'axe de visée Ax de la jumelle, I'axe optique AB de révolution de l'intensificateur du lumière 2, et l'axe optique BX' d'un premier oculaire 3, de l'oculaire de l'oeil gauche dans l'exemple illustré. Un objectif d'entrée 1 peut être disposé soit sur l'axe de visée AX soit sur l'axe du tube 2. Il peut également, comme illustré, être composé de deux éléments 1a et 1b, le premier étant situé sur l'axe de visée AX, et le second sur l'axe du tube 2. L'objectif et l'oculaire sont coudés, respectivement - en A à l'aide d'un réflecteur plan 4 disposé entre les éléments optiques d'entrée 1a et lb constituant alors un objectif coudé - en B à l'aide d'un second réflecteur plan 5, parallèle au premier réflecteur 4, de sorte que les deux réflecteurs forment un rhomboèdre, I'axe optique BX' de l'oculaire étant alors parallèle à l'axe de visée AX. Entre l'intensificateur de lumière 2 et l'oculaire 3, il est prévu une combinaison optique à transport d'image pour la transmission du flux de lumière provenant de la scène observée. Dans ce premier exemple de réalisation, ce transport d'images est composé de deux éléments optiques 6 et 7, les éléments optiques 6 et 7 et l'oculaire 3 étant optiquement calculés pour former par exemple un ensemble oculaire de type microscope, c'est-àdire avec formation d'une image intermédiaire. Afin de constituer une seconde voie optique oculaire allant vers l'autre oeil, I'oeil droit dans le cas de l'exemple illustré, il est prévu au point 0 du tronçon central AB de la voie principale, un séparateur de voies incliné 8 qui dévie une moitié du flux de lumière incident vers un second oculaire 9, en l'occurrence l'oculaire de l'oeil droit. Deux voies oculaires sont ainsi créées à partir du séparateur 8 : une première voie oculaire d'axe OBX', pour l'oeil gauche dans l'exemple illustré à la figure 1, et une seconde voie oculaire d'axe OCDY pour l'oeil droit. La première voie oculaire, constitué par le transport d'image 6, 7 et l'oculaire3, prolonge la voie principale et le flux lumineux est transmis partiellement sur cette voie à travers le séparateur de voie. La seconde voie est empruntée par le flux lumineux réfléchi par le séparateur 8. Afin de transmettre la lumière jusqu'au second oculaire, la seconde voie oculaire comporte une optique de transport d'images par exemple des éléments optiques 10 et 11 sont placés entre le séparateur 8 et le second oculaire 9, et sont calculés de sorte que les éléments optiques 6, 10 et 11 constituent une seule optique de transport d'image. Le transport d'image 6, 10, 11 forme également avec l'oculaire 9 un ensemble oculaire de type microscopique. Dans ces conditions, les deux voies oculaires sont constituées chacune d'un transport d'image ayant un élément commun, I'élément 6, et d'un oculaire. Le terme "élément optique" utilisé dans cet exposé signifie groupe optique ou lentille composée d'un nombre adapté de lentilles minces (au moins une) dont les caractéristiques géométriques et optiques sont calculées afin d'obtenir les effets optiques voulus (convergence, correction des aberrations optiques). Le calcul optique relève de la compétence de l'Homme de l'Art. La voie optique secondaire qui vient se greffer au point 0 sur la voie optique principale X'OX présente dans l'exemple de réalisation, à partir du séparateur de voies 8, un axe optique OCDY également coudé deux fois autour de trois tronçons. L'axe optique du second oculaire 9, qui coïncide avec le tronçon DY de la voie optique secondaire, est parallèle à l'axe optique BX' du premier oculaire 3. Dans ces conditions, les axes des oculaires BX' et DY sont parallèles et sont alignés avec les axes de vision des yeux de l'observateur Y1 et Y2. Les axes BX' et DY définissent ainsi un plan de vision de référence pour l'utilisateur, en général horizontal. Pour obtenir une orientation correcte de l'image en sortie des oculaires, I'intensificateur est un tube sans inversion d'image Dans l'exemple de réalisation illustré, le premier coudage optique C de la voie seconde oculaire est réalisé à l'aide d'un prisme en toit 12, situé entre les deux éléments 10 et 11 du transport d'images, et le second coudage D à l'aide d'un second prisme en toit 13, situé entre le dernier élément 11 de ce transport d'images et le second oculaire 9. Les axes optiques des portions finales des voies principale et secondaire, BX' et DY, qui coïncident avec les axes optiques de révolution des oculaires, sont ainsi rendus parallèles à l'axe de la visée AX et définissent un plan horizontal. Dans cet exemple de réalisation, les réflecteurs et les prismes sont disposés à 45" sur les axes optiques, de sorte que les coudages optiques forment chacun un angle de 90" Le séparateur de voies 8 est disposé de manière inclinée sur la portion centrale AB , de sorte que l'axe optique OC du flux lumineux dévié par le séparateur 8 est perpendiculaire à l'axe AB de l'intensificateur 2, et que les portions d'axe AB et OC sont dans un même plan perpendiculaire à l'axe de visée AX. La séparation de voies, réalisée par division du flux lumineux, peut être obtenue soit par séparation de pupilles, par exemple en utilisant un élément réfléchissant sur une demi-pupille de la voie optique principale, soit en mettant en oeuvre un traitement semi-réfléchissant ou séparateur de bandes spectrales, déposé sur une lame plane ou un cube séparateur. Les réflecteurs plans sont, quant à eux, réalisés à partir de toute technique connue de l'Homme de l'Art, par exemple à partir de lames planes ayant subi un traitement réfléchissant (métallique, diélectrique ou holographique), ou à partir de prismes en demi cube, utilisés en réflexion totale ou ayant subi un traitement réfléchissant du même type. L'architecture optique qui vient d'être décrite est réalisée de sorte que le tronçon principal AB de l'axe optique principal est incliné d'un angle d'environ 30 au-dessus du plan horizontal formé par les axes optiques des oculaires. C'est cette inclinaison qui permet de dégager un espace suffisant pour insérer, sous la voie optique principale couplée au premier oculaire, une seconde voie optique couplée au second oculaire. Cette inclinaison permet ainsi de gérer au mieux l'espace de manière à obtenir un encombrement minimal. Selon une variante de réalisation de la voie oculaire droite couplée à l'oculaire droit, les prismes en toit sont remplacés par des réflecteurs plans et le transport d'images, constitué par les trois éléments 6, 10 et 11 est remplacé par deux transports d'image. Un premier transport composé des éléments 6 et 10, qui forme au niveau du réflecteur 12 une image intermédiaire de l'écran de l'intensificateur, et un second transport composé par l'élément 11 qui reprend cette image pour fournir une image redressée à l'oculaire droit 9. Un autre exemple de réalisation, illustrée à la figure 2, où les éléments communs avec ceux de la figure 1 sont indiqués par les mêmes signes de référence, est basé sur l'utilisation d'un intensificateur à inversion d'image. Cette inversion, qui correspond à une rotation de l'image de 1800 dans son plan, est obtenue grâce à des fibres optiques dites inverseuses, intégrées à l'intensificateur, selon des techniques. Dans ces conditions, et afin de fournir des images redressées aux oculaires , le réflecteur plan 5 de la figure 1 est remplacé par un pentaprisme en toit 14, le coudage B étant alors obtenu à l'aide d'une triple réflexion en B1, B2 et 83 pour retourner l'image, et les prismes en toit 12 et 13 de la voie oculaire secondaire sont remplacés par deux réflecteurs plans, respectivement 12' et 13'. Selon une variante de ce second exemple de réalisation et afin de réduire l'encombrement, le pentaprisme 14 peut être remplacé par un réflecteur plan, tel que le réflecteur 5 de la figure 1. D'autre part, le transport d'images de la voie principale, constitué par les éléments 6 et 7, est calculé de sorte que les éléments 6, 7 et 3 forme un seul ensemble oculaire de type loupe, c'est-à-dire sans formation d'image intermédiaire et sans apparition d'anneaux oculaires. Cette solution devient extrêmement compacte car les éléments 3, 6 et 7 sont alors de dimensions très réduites en épaisseur. L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et illustrés: il est possible d'inverser les voies droite et gauche par rapport aux solutions précédemment décrites ; il est également possible de disposer l'axe optique principal sous le plan horizontal des axes des oculaires, en réalisant une combinaison optique de même type, mais symétrique par rapport à ce plan. REVENDICATIONS 1.-Jumelle de vision nocturne comportant un objectif d'entrée coudé(1,4) conjugué à un tube intensificateur de lumière (2) pour former une image de scène à partir d'un flux lumineux provenant de la scène selon un axe de visée (AX), L'image étant ensuite transmise, sur deux voies oculaires, à deux oculaires (3, 9) par l'intermédiaire d'un séparateur optique (8), les oculaires présentant des axes parallèles à l'axe de visée, caractérisée en ce que l'objectif (1), le tube (2), le séparateur (8) et un premier oculaire coudé (3,5) sont alignés pour constituer une voie optique principale, en ce que l'axe optique principal (AB) de la voie principale, situé dans un plan perpendiculaire à l'axe de visée (AX), est incliné par rapport au plan des axes (BX', DY) des oculaires (3, 9), en ce que le séparateur (8), placé de manière incliné en un point (O) de l'axe principal, transmet partiellement le flux par transmission et réflexion respectivement sur une première voie oculaire, qui constitue une partie de la voie principale, et sur une seconde voie oculaire, qui est coudée deux fois et qui présente un axe (OCD) situé dans le plan perpendiculaire à l'axe de visée (AX) et passant par l'axe (AB) de la voie principale. 2.-Jumelle selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'image formée par le tube (2) est transmise sur chacune des voies oculaires (OBX', OCDY) comportant un oculaire (3, 9) et un transport d'image (6, 7; 6, 10,6,10,11), les transports d'image comportant un premier élément optique commun (6) situé entre le tube (2) et le séparateur de voies (8) et deux seconds éléments (7 , 10 , 10,11) situés sur chacune des voies oculaires, le séparateur de voies (8) étant disposé entre le premier et les seconds éléments. 3 - Jumelle selon la revendication 2, caractérisée en ce que le tube (2) est un tube intensificateur sans inversion d'image et en ce que le coudage du premier oculaire (3) est réalisé par un réflecteur plan (5). 4.-Jumelle selon la revendication 3, caractérisée en ce que le flux est transmis sur la seconde voie oculaire (OCDY) à l'aide d'éléments optiques (6, 10, 11) constituant un seul transport d'image optiquement couplé à deux prismes en toit (12, 13). 5.-Jumelle selon la revendication 3, caractérisée en ce que le flux est transmis sur la seconde voie oculaire (OCDY) à l'aide d'éléments optiques constituant deux transports d'image (6, 10; 11) optiquement couplés à deux réflecteurs plans. 6 - Jumelle selon la revendication 1, caractérisée en ce que le tube (2) est un tube intensificateur inverseur d'image et en ce que le flux est transmis sur la seconde voie oculaire (OCDY) par des éléments optiques (6, 10, 11) constituant un seul transport d'image optiquement couplé à deux réflecteurs plan (12', 13'). 7.-Jumelle selon la revendication 6, caractérisée en ce que le coudage optique est réalisé sur la première voie oculaire (OBX') par réflexion sur un réflecteur en toit (14) de type pentaprisme. 8- Jumelle selon la revendication 6, caractérisée en ce que le flux est transmis sur la première voie oculaire (OBX') à l'aide d'éléments optiques (3, 6, 7) constituant un oculaire de type loupe pour une transmission directe de l'image formée par le tube (2) et en ce que le coudage oculaire est réalisé par un réflecteur plan sur cette première voie.