Brevet FR2842613A1 — publié le 20040123

DISPOSITIF D'OBSERVATION DE L'IMAGE RETRO-PROJETEE DU SOLEIL SUR UN ECRAN La présente invention concerne un dispositif optique qui a pour but de délivrer sur un écran diffusant une image du soleil 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 122 ans et dont la médiatisation sera très forte. Le procédé de mise au point de l'image doit rester accessible pour toutes les hauteurs du soleil au-dessus de l'horizon, compte tenu que pour la plupart des pays concernés, et compte tenu de la durée du phénomène (5 à 6 heures), le soleil restera très haut sur l'horizon. 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 proposé au public. Le passage de Vénus devant le soleil est un évènement rare qui ne se produit que par paires séparées de huit ans tous les 122 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 mardi 8 juin 2004 et sera visible en Asie, Europe et Afrique et de façon marginale sur la cote 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 six 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 point du globe a permis au XVIIIème 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 évènements, 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 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 òuvre 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. Un système de projection proche de celui décrit ici a été proposé, mais le système de réglage qui lui est associé n'est pas accessible pour toutes les positions de visée car, placé sur le miroir secondaire, il se trouve engagé dans le socle support dès que le soleil est à plus de 450 de hauteur. L'invention ici présentée résout les problèmes de sécurité évoqués et en plus permet un réglage pour toutes les positions de visée: la simplicité du système optique garantit un cot 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 l'oeil en un endroit quelconque du faisceau solaire direct, assurant ainsi une protection incontournable de la rétine des observateurs. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, se référant aux dessins annexés correspondant à un exemple non limitatif de réalisation o: - la figure 1 représente l'aspect externe du système vu du côté éclairé par le soleil. - la figure 2 décrit la combinaison optique. - la figure 3 explicite la protection de l'oeil par rapport à l'image solaire directe. - la figure 4 explicite les zones de projections de l'image solaire. - la figure 5 représente une vue en détail de l'agencement de l'équipage (13) du miroir secondaire (9) - la figure 6 représente les moyens de 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 pare5 soleil (1). Il reçoit le tube porte-objectif (7, il et 18). 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. - la figure 7 représente un aspect externe du système vu coté observateur. - la figure 8 représente une vue latérale de la lunette-boîte et positions des écrans additionnels pour le confort d'observation. - la figure 9 représente une 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 (17) et de sa rondelle de maintien (19). - la figure 10 représente une échancrure pour le passage de la lumière dans le cas o l'objectif et le miroir secondaire sont liés directement. - la figure il représente une découpe (traits gras) et pliage (traits fins) de la plaque de carton dont sera fait la "lunette-boîte" - la figure 12 représente un détail d'un procédé possible d'assemblage. - la figure 13 représente une 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 la découpe (25) formera le pied stabilisateur. - la figure 14 est une réalisation de l'embase à partir de la plaque de la figure 13. Par rapport aux autres systèmes existants, 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 boîte 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 et 18) 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. La mise au point de l'image est obtenue en réglant le tirage de l'objectif, le miroir secondaire étant désormais fixe dans la structure. 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 l'oeil nu. 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 trois tronçons de longueur a variable (partie "externe" (7) et (18), 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 l'oeil 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 par vissage du barillet (7) sur le tube porte objectif. 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 toute façon, 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. 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 boîte 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 fixé dans un barillet fixe enserré dans la plaque de carton 12 qui forme l'arrière du dispositif. Il ne sera pas réglable. 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 (coté B) et quand le soleil sera haut, on préférera la projection sur la partie inférieure (coté 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 O. 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. Il 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 les figures annexées, la plaque "ED" est une plaque de largeur c+c'. 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), des tubes (11 et 18) 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) o 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. La boîte qui contiendra l'ensemble, plié à la livraison et au rangement, pourra être transformable en un support (5) sur lequel glissera la partie circulaire de l'ensemble précédent, dénommé désormais "lunetteboîte" (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 une touche d'appui (figures 12 et 14) qui favorisera l'orientation de la visée de l'appareil quand le soleil est haut sur l'horizon. On prévoira également la place (21) pour l'introduction de galets ou autres lests stabilisateurs pour les cas o 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. Il 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 (18) et éventuellement (23) seront traités réfléchissants ou au moins de couleur blanche. Toutefois, les essais effectués avec un objectif de 38mm 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'entraîne pas un échauffement supérieur à 10 ou 200C 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-boîte (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) et (18) portée sur l'écran protecteur (1). La mise au point de l'image se fera en faisant coulisser ce tube porte-objectif (7), 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 o l'on désire former l'image solaire. La structure "lunette-boîte" 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-boîte", 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 propres à obtenir 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 VELCRO (nom commercial), 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 relatif des éléments le plus rigide et reproductible. il REVENDICATIONS 1 - Dispositif d'observation de l'image rétroprojetée du soleil sur un écran (10), caractérisé en ce que ledit écran forme en même temps protection de la lumière ambiante. 2 - Dispositif d'observation selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un objectif achromatique (8) et un miroir secondaire (9) concave ou convexe qui rétroprojette l'image agrandie du soleil sur la face postérieure de l'écran pare-soleil (10). 3 - Dispositif d'observation selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'objectif est fixé dans un barillet vissable qui assure la mise au point de l'image. 4 - Dispositif d'observation selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure de soutien des pièces optiques forme un assemblage rigide pliable orientable en hauteur vers le soleil grâce à une embase (5) à plans inclinés sur laquelle glissent des joues latérales circulaires (4). - Dispositif d'observation selon la revendication 4, caractérisé en ce que le centre des joues (4) est relié à l'embase par des tendeurs élastiques (22).