Brevet FR2812951A1 — publié le 20020215

La présente invention concerne un dispositif optique qui a pour but de délivrer sur un écran diffusant une image du soleil par rétroprojection, de dimension suffisante pour être observée par plusieurs personnes simultanément avec une finesse de détails qui permet de percevoir les taches solaires, mais surtout le passage de la planète mercure en mai 2003 et encore plus le passage de la planète vénus en juin 2004, phénomène qui ne se reproduit que tous les 110 ans et dont la médiatisation sera très forte. Le passage de vénus sur le disque solaire incitera le public à regarder le soleil avec tous les risques d'ophtalmie qu'une observation directe même protégée peut induire. Un procédé qui garantisse à la fois une visualisation parfaite du phénomène ainsi qu'une innocuité totale devait être proposée au public. Le passage de vénus devant le soleil est un événement rare qui ne se produit que par paires séparées de huit ans tous les 110 ans. Le phénomène est aisément visible à l'aide d'un petit instrument, mais le risque de détérioration de la rétine au cours d'une observation directe impose un instrument spécifique qui assure la protection de l'oeil, et donc puisse être largement diffusé grâce à un prix modique et une utilisation aisée. Le prochain passage de vénus aura lieu le 8 Juin 2004 et sera visible en Asie, Europe et Afrique et de façon marginale sur la côte Est de l'Amérique du Nord. La seconde édition en 2012 sera bien visible d'Amérique et de l'Est de l'Asie, mais seule la fin sera visible d'Europe. Le phénomène dure environ trois heures, la planète apparaissant comme un disque noir de 58" de diamètre (soit environ un trentième du diamètre solaire) qui se déplace le long d'une corde du disque solaire. La mesure du temps de transit en différents points du globe a permis au XVIIIe` e siècle une première mesure des dimensions du système solaire. Un jumelage de différents observateurs ou d'écoles de pays différents et des échanges sur Internet de mesures effectuées, permettront à chacun d'accéder à une mesure des dimensions du système solaire et de revivre ainsi les grands moments de consensus international de l'astronomie moderne en ses premières manifestations. Mais un tel instrument aura bien d'autres applications. Une répétition générale aura lieu le 7 mai 2003 à l'occasion du passage de mercure devant le soleil, phénomène plus fréquent et moins spectaculaire cependant. Les éclipses partielles du 31 avril 2003, du 3 octobre 2005 et du 29 mars 2006 justifieront l'utilisation de cet appareil. En dehors de tels événements, l'observation fréquente de taches solaires ne manquera pas de succès. D'autres observations plus ésotériques peuvent être évoquées comptage statistique des oiseaux migrateurs, observation du rayon vert, image des protubérances solaires en raie H alpha si on adjoint au système une paire de lunettes oculaires adaptées à cette radiation. Les lunettes et télescopes d'amateurs sont souvent équipés d'un système permettant de projeter une image du soleil sur un écran. Mais les lunettes et télescopes sont souvent des outils onéreux, de mise en ceuvre délicate et dont le grand public en général n'a pas l'expérience au point que certains pourraient être incités à se risquer à une observation directe du disque solaire puisque, par fonction, aucune protection ne permet de l'interdire sur ces instruments. Les jumelles, plus connues du public, présentent un danger certain, même équipées de filtres atténuateurs puisqu'elles délivrent une image directe sur la rétine de l'observateur. L'invention ici présentée résout les problèmes de sécurité évoqués : la simplicité du système optique garantit un coût de production d'un ordre de grandeur inférieur à celui d'un petit télescope d'amateur. La combinaison des éléments assure qu'il est impossible de mettre 1'#i1 en un endroit quelconque du faisceau solaire direct, assurant ainsi une protection incontournable de la rétine des observateurs. Par rapport aux autres systèmes existant, la disposition (figure 1) de l'écran de projection qui sert aussi d'écran de protection (1) du rayonnement solaire direct, assure un confort d'observation accru puisque l'observateur évite ainsi les effets d'éblouissement dus à la lumière solaire ambiante. Un rabat de protection (2) améliore ce confort. Enfin, la mise en station ne requiert aucun réglage délicat car l'instrument se contente d'une surface d'appui(3) à peu près plate telle qu'un plateau de table, un toit de voiture ou une surface solide peu rugueuse. L'orientation en azimut se fait en tournant l'ensemble du système sur cette surface d'appui. Le réglage en hauteur se fait grâce à la forme circulaire des joues (4) qui ferment la boite enserrant le système optique et qui glissent sur les plans inclinés enserrés dans une embase (5). La visée est obtenue à l'aide de l'ombre portée (6) du tube porte objectif (7) sur la face de l'écran tournée vers le soleil. La visée plus fine est obtenue directement par centrage de l'image solaire sur l'écran diffusant. 1-Configuration optique- Un objectif (8) (figure 2) de diamètre D compris entre 2 et 5 cm et de focale F comprise entre 30 et 50 cm, forme une image du soleil au voisinage du foyer d'un miroir secondaire (9), concave ou convexe (il est représenté convexe sur la figure 2). Celui ci projette une image du soleil agrandie sur un écran (10) dont l'autre face (1), tournée vers le soleil, assure une protection lumineuse suffisante pour que l'image formée sur la face de projection soit aisément perceptible à 1'#i1 nu. À cette fin, le diamètre de l'image solaire sera choisi entre deux et trois fois le diamètre de l'objectif. L'objectif (8) sera achromatique, soit par l'utilisation classique de deux verres minéraux ou de deux verres organiques si les optiques sont moulées, soit achromatisé par adjonction d'un réseau de zones de Fresnel sur une face si on désire ne réaliser qu'une seule pièce en verre organique moulé. L'objectif (8) est fixé dans un tube formé de deux tronçons de longueur a (partie "externe" (7)) et b, (partie "interne" (11)), qui enserrent l'écran (1) quand ils sont assemblés, de telle sorte qu'ils forment avec le support plan (12), de largeur c+c', du miroir secondaire (9), un obstacle incontournable à une observation oculaire directe du rayonnement solaire (figure 3). Le miroir secondaire (9) et son support (12) de largeur c+c' seront inséparables par construction, afin que 1'#i1 ne puisse avoir accès à l'image solaire au foyer de l'objectif, en retirant le miroir (8). La distance du miroir secondaire (9) à l'objectif (8) peut être ajustée soit par coulissement ou par vissage de l'équipage (13), qui maintient le miroir secondaire (9), dans la plaque (12). L'image solaire projetée peut être centrée sur la trace de l'axe du tube porte objectif (figure 4a), ce qui donne la qualité la plus satisfaisante, mais élimine alors le centre du disque solaire. Comme de toutes façons, le mouvement diurne écarte l'image de ce centrage idéal en quelques minutes, rien n'interdit d'observer une image hors d'axe, non occultée par le tube porte objectif (figure 4b). Les calculs optiques vérifiés par l'expérience montrent que la finesse des détails perceptibles reste excellente. 2-Structure porteuse- L'écran (1) et le support (12) du miroir secondaire (9) forment les deux faces d'un espace presque entièrement clos qui sera matérialisé par une structure en carton formant une boite rigide et orientable (figures 1 et 7). Cette structure sera dépliable à partir d'un carton plan prédécoupé et préplié que l'utilisateur n'aura qu'à mettre en forme et maintenir en forme. Le miroir secondaire (9) sera solidaire d'un support (figure 5) coulissant ou vissant dans une virole (15) solidaire de la plaque (12) de largeur c+c'. Cette plaque elle-même sera une partie d'une langue de carton ABCDEGH (figure 6) prolongeant l'écran BC (1) et repliée pour assurer la rigidité de la structure générale et de la plaque support du miroir secondaire. La surface latérale ABCDEGH sera enserrée entre deux joues (4) à contour en partie circulaire qui serviront à la mise en station (figure 1,7 et 8). L'observation de l'image solaire se fera en regardant l'écran de projection (10) à travers l'ouverture AE (figure 8). Quand le soleil sera bas, on formera son image sur la partie supérieure de l'écran BC (côté B) et quand le soleil sera haut, on préférera la projection sur la partie inférieure (côté C). Mais on améliorera le confort d'observation en ajoutant dans la partie inférieure un écran léger complémentaire IJ mieux disposé par rapport à la position de l'observateur. On améliorera la qualité des images en incurvant cet écran léger pour le rendre cylindrique selon un axe parallèle à IJ passant au voisinage du foyer de l'objectif. On améliorera aussi l'image projetée dans la partie supérieure de l'écran en ajoutant un écran incurvé IKL proche du cylindre d'axe normal au plan de figure et passant par le foyer de l'objectif 0. Pour un modèle plus sophistiqué, on peut prévoir (figure 9) un écran de projection sphérique (18), en plastique blanc diffusant, dont le centre sera voisin du foyer de l'objectif et le rayon égal à F-a. I1 viendra doubler la face postérieure de l'écran pare-soleil (1). On améliore ainsi la qualité des images les plus écartées du centre tout en améliorant le confort de l'observation. Dans une option plus sophistiquée, on pourra aussi réunir en un seul ensemble (figure 10) le tube (11) et le miroir secondaire (9) dont le réglage à la bonne distance sera alors réalisé à la construction, ce qui évitera les tâtonnements de réglage pour les usagers peu habitués aux réglages optiques. Cette liaison (23) sera assurée en allongeant la pièce (11) à la longueur b=F-a et en prévoyant une ou plusieurs échancrures latérales qui laisseront passer la lumière vers l'écran de projection. L'ensemble solidaire formé alors de l'objectif (8), du tube porte objectif (7), du tube (11) et du miroir secondaire (9) pourra tourner dans le trou circulaire percé au centre de l'écran (1) afin de pouvoir orienter l'échancrure du tube (11) vers la zone de l'écran (10) où l'on souhaite former l'image solaire. La partie postérieure de ce tube (11) ainsi allongé sera soutenue en étant engagée dans un trou circulaire de la plaque (12). L'extrémité moletée permettra l'orientation en rotation de l'échancrure. 3-Base d'appui- La boite qui contiendra l'ensemble, plié à la livraison et au rangement, sera transformable en un support (5) sur lequel glissera la partie circulaire de l'ensemble précédent, dénommé désormais "lunette-boite" (20) selon le schéma représenté sur la figure 9. On veillera à ce que les joues circulaires (4) ne puissent s'engager entre les plans inclinés et les faces latérales de la base d'appui (5). Des pattes engagées ou remontées le long de celles-ci peuvent éviter ce problème (figure 14). Sous l'embase (5) on prévoira trois touches d'appui (figures 13 et 14) qui assureront la stabilité. On prévoira également la place (21) pour l'introduction de galets ou autres lests stabilisateurs pour les cas où le vent serait trop fort. Dans ce cas (figures 1, 7 et 9), des tendeurs élastiques (22) joindront le centre des joues circulaires aux points de la base d'appui judicieusement choisis. Les faces internes des joues seront teintées en noir ou bleu nuit ou autre couleur foncée pour assurer un contraste optimum de l'image solaire en atténuant ainsi les rayonnements diffusés. I1 en ira de même des faces internes de AB et CD ou CG. La face EG sera diffusante de couleur métallisée afin d'empêcher son échauffement par le rayonnement solaire provenant de l'image primaire quand elle est mal centrée, c'est-à-dire en cours de pointage et surtout quand on abandonne l'instrument après une visée solaire. Les joues latérales seront plus écartées que c+c' afin de ne pas avoir d'image solaire directe qui puisse se former sur elles et ainsi risquer leur carbonisation. Dans le même esprit de sécurité, l'intérieur des tubes (7), (11) et éventuellement (23) seront traités réfléchissants ou au moins de couleur blanche. Toutefois, les essais effectués avec un objectif de 38 mm de diamètre utile et de 450 mm de focale, ont montré que les échauffements sont faibles et sans effet car en raison de la rotation diurne, les images du soleil ne restent pas assez longtemps en un point pour y provoquer un échauffement dangereux. Cette remarque vaut également pour l'échauffement du miroir secondaire (9) qui absorbe quatre à cinq fois plus de puissance solaire qu'un corps noir exposé directement au soleil mais cela n'entraine pas un échauffement supérieur à 10 ou 20 C pendant un passage solaire de une ou deux minutes. L'embase (5) du système sera posée sur une surface assez régulière, plane de préférence, sur laquelle on pourra faire l'orientation en azimut. L'orientation en hauteur sera obtenue en faisant tourner la lunette-boite (20) sur sa partie circulaire dans l'embase d'appui (5). L'image directe du soleil apparaîtra quelque part sur la face EG. Le centrage sur le miroir secondaire sera alors aisé et le centrage final sur la portion d'écran désiré aussi. L',acquisition grossière de l'image solaire sera obtenue en observant l'ombre du tube porte-objectif (7) portée sur l'écran protecteur (1). La mise au point de l'image se fera en faisant coulisser le tambour (14), soit par rotation si c'est un réglage par vis, soit par translation, si c'est un coulissement, jusqu'à obtention de l'image satisfaisante. Si on utilise la version préréglée, cette dernière opération n'est plus nécessaire il ne faut alors qu'orienter l'échancrure du tube vers la partie de l'écran où l'on désire former l'image solaire. La structure "lunette-boite" et son embase peuvent être réalisées à partir d'une planche de carton fort prédécoupée et pliée, livrées en insérant la structure pliée, qui sera dépliée en "lunette-boite", à l'intérieur de l'embase qui formera emballage de livraison et de rangement. Les figures 11, 12, 13 et 14 illustrent cette possibilité sans exclure d'autres solutions de découpage et de pliage ou de collage propres à assurer le même résultat. Il en va de même du système d'assemblage par chevilles représenté sur la figure 13 qui peut être remplacé par d'autres procédés, tels velcrau, boutons pression, rivets à deux queues avec rondelles etc. On préférera les procédés réversibles qui permettent un démontage aisé pour rangement et transport faciles et assurent un positionnement relatifs des éléments le plus rigide et reproductible. - Figures et légendes Figure 1 : représente l'aspect externe du système vu du côté éclairé par le soleil. Figure 2 : décrit la combinaison optique. Figure 3 : explicite la protection de 1'#i1 par rapport à l'image solaire directe. Figure 4 . explicite les zones de projections de l'image solaire. Figure 5 . Détail de l'agencement de l'équipage (13) du miroir secondaire (9) 12- Plaque "ED" de largeur c+c' 14- Tambour support du miroir secondaire (9) 15- Virole de coulissement ou de vissage pour mise au point de l'image solaire par déplacement du miroir secondaire (9) 16- Anneau de protection du miroir secondaire (9), collé sur le tambour (14) afin d'interdire l'extraction de l'équipage qui supporte le miroir secondaire(9). 17- Prise moletée pour réglage du miroir secondaire (9), inséparable du tambour (14). Figure 6 Rigidification par la structure continue en carton ABCDEGH. : AB forme écran pare-soleil, BC est écran de projection (10) de l'image sur sa face interne et pare- soleil (1). Il reçoit le tube porte-objectif (7 et 11). CD forme plancher rigidificateur, DE (12) supporte l'équipage du miroir secondaire (9), EG assure la rigidité de ce dernier et laisse passer la lumière dans sa partie centrale, GH assure la fixation par un procédé réversible. Figure 7 : aspect externe du système vu côté observateur. Figure 8 : Vue latérale de la lunette-boite et positions des écrans additionnels pour le confort d'observation. Figure 9 : Vue en coupe de l'ensemble sur sa base d'appui, avec figuration du lest (21) des tendeurs de maintien (22) et de l'option écran sphérique de projection (18) et de sa rondelle de maintien (19). Figure 10 : Echancrure pour le passage de la lumière dans le cas où l'objectif et le miroir secondaire seraient liés directement. Figure 11 : Découpe (traits gras) et pliage (traits fins) de la plaque de carton dont sera faite la "lunette-boite" Figure 12 : Détail d'un procédé possible d'assemblage. Figure 13 : Découpe (traits gras) et pliage (traits fins) de la plaque de carton dont sera faite l'embase. Les échancrures (24) permettront le chargement du lest éventuel qui stabilisera l'embase et les découpes (25) formeront les pieds stabilisateurs. Figure 14 : Réalisation de l'embase à partir de la plaque de la figure 13. REVENDICATIONS 1) Dispositif optique qui a pour but de délivrer sur un écran diffusant (10) une image du soleil par rétroprojection, caractérisé en ce que l'écran de projection sert en même temps de pare-soleil (1) et que la structure porteuse dite "boite- lunette" (20) assure une protection incontournable contre les risques d'ophtalmie par éclairement direct de la lumière solaire collectée. 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte un objectif achromatique (8) de 2 à 5 cm de diamètre et de 30 à 50 cm de focale, associé à un miroir secondaire (9) concave ou convexe, de courte focale, qui rétroprojette l'image solaire sur l'écran (10). 3) Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2 caractérisé en ce que l'objectif achromatique peut être formé de verres minéraux polis ou de verres organiques moulés mais aussi d'un seul verre organique moulé comportant sur une face un traitement d'achromatisation par zones de Fresnel. 4) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le tube porte objectif (7) ne peut se fixer sur l'écran pare-soleil que s'il est associé au tube intérieur (11) tel que l'ensemble ne laisse passer la lumière que si elle rencontre le miroir secondaire (9) ou sa plaque support (12), interdisant par-là toute possibilité de mettre l'oeil en un point quelconque du faisceau de lumière solaire. 5) Dispositif selon la revendication (1) ou la revendication (3) caractérisé en ce que le miroir secondaire (9) peut coulisser ou se visser dans une virole (15) afin d'obtenir la meilleure mise au point de l'image solaire, mais sans qu'il soit possible d'enlever l'équipage (13) pour effectuer une observation oculaire directe dangereuse pour la rétine, grâce à un anneau collé (16). 6) Dispositif selon la revendication (1) ou la revendication (3) caractérisé en ce que l'ensemble optique formé de l'objectif (8) et du miroir secondaire (9) peut être associé en un ensemble rigide préréglé grâce aux tubes (7) et (11) en ajoutant un tube (23) échancré de telle sorte qu'il laisse passer la lumière vers l'écran de projection (10). L'ensemble ainsi formé est susceptible de tourner autour de son axe. 7) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la structure porteuse (20) sera constituée d'une planche de carton rigide prédécoupé et plié que l'utilisateur pourra déplier et assembler de façon rigide et réversible. 8) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'orientation de la structure porteuse (20) sera assurée par la forme circulaire des joues (4) qui glisseront sur les plans inclinés de l'embase (5) en carton plié, cette embase servant éventuellement de boite de livraison et de rangement de la structure porteuse (20). Des orifices (24) pratiqués dans l'embase (5) permettront l'introduction d'un lest stabilisateur. Des tendeurs élastiques (22) assureront le lien entre la "lunette-boite" (20) et son embase (5). Trois petites pattes dépliables (25) prédécoupées dans le carton de l'embase (5) permettront une orientation en azimut par glissement sur un support régulier. 9) Dispositif selon la revendication 1 qui permet de façon facultative d'obtenir une image plus facile à observer en ajoutant des écrans cylindriques ou même un écran sphérique (18) en matériau moulé.