Brevet FR2891373A1 — publié le 20070330

DISPOSITIF OPTIQUE DE SUPERPOSITION D'IMAGES ELECTRONIQUES DEVANT UN OBJECTIF. Le domaine de l'invention est celui des dispositifs optiques permettant la superposition d'une image électronique à une image provenant du paysage extérieur. Pour un certain nombre d'applications, il est utile de mélanger à une image du paysage extérieur une image électronique. On citera les viseurs Tête Haute utilisés principalement dans le domaine aéronautique et plus récemment dans le domaine automobile. Dans ce cas, une image électronique donnant des informations sur la conduite du vol ou la navigation est surimposée au paysage extérieur au moyen d'un mélangeur optique placé dans le champ visuel du pilote. Les visuels de casque réalisent la même fonction. L'ensemble opto-électronique comprenant la génération d'images et le mélangeur sont, dans ce cas, placés dans ou sur le casque du pilote, la visière du casque pouvant servir de mélangeur optique. Pour effectuer des missions de nuit, les pilotes d'aéronefs disposent également de jumelles de vision nocturne. Ces dispositifs sont également connus sous les acronymes de JVN signifiant Jumelles de Vision Nocturne et de NVG signifiant Night Vision Goggles. Généralement, une JVN comporte deux corps de jumelle identiques disposés devant les yeux de l'observateur. Comme indiqué sur la figure 1, un corps de jumelles de vision de nuit comporte essentiellement 3 éléments principaux qui sont: É Un objectif de focalisation 10; É Un dispositif amplificateur 13 possédant une première surface 11 d'entrée photoémissive et une seconde surface 12 de sortie photosensible; É Un oculaire 14. L'objectif 10 forme une image du paysage extérieur sur la surface d'entrée photoémissive 11. L'image optique est alors convertie en signal électrique qui est amplifié puis converti de nouveau en image optique intensifiée sur la seconde surface de sortie photosensible 12. Cette image intensifiée est observée au moyen de l'oculaire 10 par l'oeil 15 de l'observateur. Lorsque les jumelles de vision de nuit sont utilisées pour le pilotage d'aéronefs, il est nécessaire de fournir au pilote un certain nombre d'informations sur la conduite du vol. Pour le confort du pilote et la sécurité des vols, il est souhaitable que ces informations soient superposées directement dans l'image intensifiée. Une solution possible consiste à utiliser un dispositif optique permettant de superposer l'image électronique venant de la source d'image à l'entrée de l'objectif 10. Cette solution présente l'avantage de nécessiter une image très faiblement lumineuse dans la mesure où elle est amplifiée par l'intensificateur de la jumelle. La figure 2 illustre cette conception. Le dispositif optique de superposition d'images comprend une source d'images 20, une optique de collimation 21 et un mélangeur optique 23. Dans le cas de la figure 2, le mélangeur 23 est une simple lame séparatrice de faisceaux. Le dispositif optique peut également comprendre un ou des miroirs de repli 22. Les rayons lumineux représentés par des traits pointillés venant de la source d'images après collimation par l'optique de collimation et réflexion sur le mélangeur sont ainsi superposés aux rayons lumineux venant du paysage extérieur, représentés par des traits continus fins. Une des difficultés de réalisation de ce type de dispositif est la réalisation du mélangeur optique. Il doit introduire une perturbation minimale sur le paysage extérieur. En particulier, la transmission optique du paysage à travers le mélangeur doit être excellente, supérieure à 90 %. Il faut également veiller à obtenir une profondeur de champ du dispositif importante. En effet, la scène extérieure peut comporter des objets distants de quelques mètres à quelques centaines de mètres. Le brevet américain de la société Elbit de référence US 4 818 065 divulgue un premier mode de réalisation du mélangeur. Celui-ci est formé de deux prismes assemblés par une face commune inclinée, ladite face commune comportant une surface réfléchissante de petites dimensions devant celles de la pupille de l'objectif de la JVN. Par ce moyen, la perturbation introduite dans le champ de l'objectif est minimisée. Le brevet américain de la société Honeywell de référence US 5 502 455 divulgue un second mode de réalisation du mélangeur. Dans ce cas, le mélangeur est un simple miroir place sur l'axe optique de l'objectif de la JVN. Là encore, les faibles dimensions du miroir permettent de minimiser la perturbation introduite dans le champ de l'objectif. L'objet de l'invention est de proposer une solution optique alternative et compacte dont le mélangeur optique assure une très bonne transmission du paysage extérieur. Cette solution a un avantage important par rapport aux solutions de l'art antérieur. Il devient possible de confondre l'image pupillaire du dispositif optique avec la pupille de l'objectif. On évite ainsi tout vignettage de champ et on fournit ainsi une symbologie dans un champ visuel aussi large que celui de l'objectif. Plus précisément, l'invention a pour objet un dispositif optique de superposition d'images destiné à être disposé devant un module optique comprenant au moins un objectif et une surface photosensible ou photoémissive disposée dans le plan focal dudit objectif, ledit dispositif comprenant au moins une source d'images et un mélangeur optique, ledit mélangeur É étant formé de deux pièces optiques assemblées par une face commune sensiblement plane; É ayant la forme générale d'une lame à faces planes et parallèles, ladite face commune étant inclinée d'environ 45 degrés par rapport aux dites faces planes; É ayant une face d'entrée et une face opposée sensiblement perpendiculaires aux dites faces planes; caractérisé en ce que la face opposée a sensiblement la forme d'un dioptre sphérique réfléchissant et que la face commune comporte un traitement faiblement réfléchissant, le coefficient de réflexion de ce traitement étant inférieur à 10 % dans la bande spectrale d'utilisation de la surface photosensible. Avantageusement, le coefficient de réflexion de ce traitement est inférieur à 1 % dans la bande spectrale d'utilisation de la surface photosensible ou photoémissive. Avantageusement, ledit dispositif comporte une optique-relais disposée entre la source d'images et le mélangeur optique, agencée de façon à fournir une image intermédiaire de la source d'image sensiblement dans le plan focal du dioptre sphérique de la face opposée. Avantageusement, l'optique relais comporte une pupille de faibles dimensions devant celles de l'objectif. Cette pupille peut être positionnée de façon que son image se forme, après réflexion sur le dioptre sphérique, sensiblement au voisinage de la face commune. Elle peut être également positionnée de façon que son image se forme après réflexions sur le dioptre sphérique et sur la lame commune sensiblement à l'extérieur du mélangeur, de façon que, lorsque le dispositif est disposé devant l'objectif, ladite image pupillaire se forme à l'intérieur de l'objectif. L'invention concerne également des jumelles de vision de nuit comportant au moins un objectif, un dispositif à intensificateur de lumière et un oculaire, lesdites jumelles comportant un dispositif optique de superposition d'images tel que défini ci-dessus et disposé devant ledit objectif. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles: É La figure 1 représente le schéma de principe d'une jumelle à intensificateur de lumière; É La figure 2 représente la même jumelle que celle de la figure 1 mais dotée d'un dispositif optique de superposition d'images; É La figure 3 représente une première vue de principe d'un premier dispositif optique selon l'invention; É La figure 4 représente une seconde vue de principe du premier dispositif optique selon l'invention; É La figure 5 représente une troisième vue de principe d'un second dispositif optique selon l'invention, la pupille de ce second dispositif étant disposée différemment; É La figure 6 représente une vue en coupe des éléments optiques d'un premier dispositif selon l'invention. É La figure 7 représente une vue en coupe des éléments optiques d'un premier dispositif selon l'invention. Les figures 3, 4 et 5 représentent le principe du dispositif optique 5 de superposition d'images selon l'invention. Il comprend essentiellement: É une source d'images 20; É une optique-relais 21; É un mélangeur optique 23. Le dispositif optique est disposé devant un module optique 10 comprenant au moins: É un objectif 10; É une surface photosensible ou photoémissive 11 disposée dans le plan focal dudit objectif, ladite surface appartenant, par exemple, à un dispositif amplificateur 13. La sources d'images peut être classiquement un tube à rayons cathodiques ou encore un écran plat qui peut être: É à cristaux liquides, connu sous l'acronyme LCD, signifiant Liquid Crystal Display. É à diodes électroluminescentes organiques connu sous l'acronyme OLED, signifiant Organic Light-Emitting Diode. Il est important que les caractéristiques optiques de la source d'images soient adaptées aux caractéristiques de la surface photoémissive. Ainsi, dans le cas où la surface photosensible est celle d'un dispositif à intensificateur de lumière, il est important que la source d'images vérifie les 3 points suivants: É Résolution équivalente à celle de la surface photosensible; É Répartition spectrale dans la plage de sensibilité spectrale de la surface photosensible; É Niveau de luminance émis dans la plage de luminance acceptable par la surface photosensible. Le mélangeur optique 23 est formé de deux pièces optiques 230 35 et 231 de même indice optique assemblées par une face commune 28 sensiblement plane. Il a la forme générale d'une lame à faces 24 et 25 planes et parallèles. Cette lame est disposée devant l'objectif 10, sensiblement perpendiculairement à son axe optique. La face commune 28 est inclinée d'environ 45 degrés par rapport aux dites faces planes. La face commune 28 comporte un traitement faiblement réfléchissant, le coefficient de réflexion de ce traitement étant très inférieur à 10 % dans la bande spectrale d'utilisation de la surface photosensible 11. Le mélangeur optique 23 comporte une face d'entrée 27 et une face opposée 26 sensiblement perpendiculaires aux dites faces planes 24 et 25. La face d'entrée 27 peut être plane ou sphérique. La face opposée 26 a sensiblement la forme d'un dioptre sphérique réfléchissant. Cette surface peut éventuellement être rendue asphérique pour améliorer la correction des aberrations géométriques optiques. Le mélangeur 23 fonctionne de la façon suivante. Les rayons lumineux venant de l'optique-relais 21 pénètrent par la face d'entrée 27, passent une première fois à travers la face commune 28 qui est semi-réfléchissante, sont collimatés par le dioptre sphérique 26 et réfléchis par la même face commune 28 semiréfléchissante. Le rendement photométrique du mélangeur 23 ne dépasse pas quelques pour cents, mais cela n'a pas une grande importance dans la mesure où pour les applications de nuit, l'image peut être très faiblement lumineuse. L'optique-relais 21 est disposée entre la source d'images 20 et le mélangeur optique 23. Elle comporte un ou plusieurs modules optiques 210 et 211 regroupant une ou plusieurs lentilles simples. Elle est agencée de façon à fournir une image intermédiaire 200 de la source d'image dans le plan focal du dioptre sphérique de la face opposée 26. L'optique relais comporte une pupille 29 de faible dimension. Dans le premier dispositif représenté en figures 3 et 4, la pupille 29 est positionnée de façon que son image pupillaire 290 se forme, après réflexion sur le dioptre sphérique 26, sensiblement au voisinage de la face commune 28. Dans le second dispositif représenté en figure 5, la pupille est positionnée de façon que son image se forme après réflexions sur le dioptre sphérique 26 et sur la lame commune 28 sensiblement à l'extérieur du 2891373 7 mélangeur, de façon que, lorsque le dispositif est disposé devant l'objectif, ladite image pupillaire se forme à l'intérieur de l'objectif. Cette disposition est particulièrement avantageuse dans la mesure où, dans cette configuration, il peut y avoir concordance ou quasiconcordance entre cette image pupillaire et la pupille de l'objectif. On évite ainsi tout problème de vignettage du champ optique fourni par la sources d'images et dans ce cas, il devient possible de présenter une image électronique dans un champ visuel aussi grand que celui de l'objectif. Sur les figures 3, 4 et 5, les axes optiques communs à l'optique-relais et au combineur sont figurés en tirets cadratin-points. Les tracés des rayons lumineux émis sont figurés en traits continus fins. Par souci de clarté, sur la figure 3, les rayons lumineux issus du champ central sont uniquement représentés et sur les figures 4 et 5, les 15 rayons lumineux issus des champs extrêmes sont uniquement représentés. Les figures 6 et 7 représentent deux combinaisons optiques simulées comprenant à la fois un dispositif optique de superposition d'images selon l'invention et l'objectif du module optique devant lequel le mélangeur est disposé. Ces simulations ont été réalisées en utilisant le logiciel de calcul optique Code V. Sur chaque figure, 4 faisceaux de rayons lumineux sont représentés en teintes de gris, le premier représente le champ central pris au centre de la source d'images, le second et le troisième les champs extrêmes pris en bord de source d'images, le quatrième un champ moyen. Dans le premier dispositif de la figure 6, l'image pupillaire 290 est située au voisinage de la face commune 28. Dans le second dispositif de la figure 7, l'image pupillaire 290 est située à l'intérieur de l'objectif 10. Caractéristiques essentielles du dispositif optique de la figure 6 La source d'image 20 a un diamètre utile de 12 millimètres. L'optique relais a les caractéristiques suivantes: É Combinaison optique à 6 lentilles réparties en 2 groupes de 3 lentilles notées 212 à 217 disposées de part et d'autre de 35 la pupille 29; É Grandissement image: 0.75 É Grandissement pupillaire: 1 É Longueur totale: 40 millimètres É Diamètre: 15 millimètres É Diamètre pupillaire: 1 millimètre Le mélangeur optique 23 a les caractéristiques suivantes: É Longueur totale: 30 millimètres; ^ Epaisseur: 10 millimètres É Rayon de courbure du dioptre sphérique: 40 millimètres É Transmission optique sur la voie paysage > 90% É Transmission optique sur la voie source d'images 90% É Transmission optique sur la voie source d'images REVENDICATIONS 1. Dispositif optique de superposition d'images destiné à être disposé devant un module optique comprenant au moins un objectif (10) et une surface photosensible ou photoémissive (11) disposée dans le plan focal dudit objectif, ledit dispositif comprenant au moins une source d'images (20) et un mélangeur optique (23), ledit mélangeur É étant formé de deux pièces optiques (230, 231) assemblées par une face commune (28) sensiblement plane; É ayant la forme générale d'une lame à faces planes (24, 25) et parallèles, ladite face commune étant inclinée d'environ 45 degrés par rapport aux dites faces planes; É ayant une face d'entrée (27) et une face opposée (26) sensiblement perpendiculaires aux dites faces planes; caractérisé en ce que la face opposée (26) a sensiblement la forme d'un dioptre sphérique réfléchissant et que la face commune (28) comporte un traitement faiblement réfléchissant, le coefficient de réflexion de ce traitement étant inférieur à 10 % dans la bande spectrale d'utilisation de la surface photosensible (11). 2. Dispositif optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le coefficient de réflexion de ce traitement est inférieur à 1 % dans la bande spectrale d'utilisation de la surface photosensible ou photoémissive (11). 3. Dispositif optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit dispositif comporte une optique-relais (21) disposée entre la source d'images (20) et le mélangeur optique (23) agencée de façon à fournir une image intermédiaire (200) de la source d'image (20) dans le plan focal du dioptre sphérique de la face opposée (26). 4. Dispositif optique selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'optique relais (21) comporte une pupille (29) de faible dimensions devant celles de l'objectif. 5. Dispositif optique selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite pupille (29) est positionnée de façon que son image (290) se forme, après réflexion sur le dioptre sphérique (26), sensiblement au voisinage de la face commune (28). 6. Dispositif optique selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite pupille est positionnée de façon que son image (290) se forme après réflexions sur le dioptre sphérique (26) et sur la lame commune (28) sensiblement à l'extérieur du mélangeur (23), de façon que, lorsque le dispositif est disposé devant l'objectif (10), ladite image pupillaire se forme à l'intérieur de l'objectif. 7. Jumelle de vision de nuit comportant au moins un objectif (10), un dispositif à intensificateur de lumière (13) et un oculaire (14), caractérisé en ce qu'un dispositif optique de superposition d'images selon l'une des revendications précédentes est disposé devant ledit objectif.