Brevet FR2922322A1 — publié le 20090417

La présente invention se rapporte à un dispositif de vision nocturne destiné à être porté sur la tête de l'utilisateur. Plus précisément l'invention est un dispositif pour une lunette de vision nocturne compacte et comportant un intensificateur de lumière standard. Les rayons lumineux émis par le paysage qui passent dans la pupille de l'oeil forment sur sa rétine une image du paysage. De nuit, la lumière émise par le paysage est de trop faible intensité pour permettre à l'oeil nu une bonne perception de son environnement, mais elle est suffisante pour qu'un intensificateur d'image réalise électroniquement une image visible du paysage. Dans un intensificateur de lumière, ou tube intensificateur d'image, les électrons émis par une photocathode soumise à des photons venant du paysage sont multipliés et accélérés avant de frapper un écran sur lequel se forme une image intensifiée du paysage. Pour réaliser un dispositif de vision nocturne, l'intensificateur est complété par un objectif qui focalise la scène observée sur la photocathode et par un oculaire qui permet de présenter à l'utilisateur une image intensifiée et collimatée de la scène. Les dispositifs de vision nocturne les plus utilisés actuellement sont les jumelles de vision nocturne (JVN) dans lesquelles l'objectif, l'intensificateur de lumière et l'oculaire sont alignés devant l'oeil de l'utilisateur. L'objectif forme une image de la scène sur la photocathode mais il lui impose simultanément une rotation de 180 degrés (sur la photocathode, le paysage est représenté � tête en bas �). Afin de présenter une image visible dont la direction est conforme à la réalité, une jumelle de vision nocturne comporte également un système permettant de retourner l'image intensifiée de 180 degrés, généralement un faisceau de fibres optiques twisté appelé faisceau de fibres inverseuses. Des intensificateurs de lumière standard sont largement commercialisés : ils comportent un faisceau de fibres inverseuses intégré. Des jumelles de vision nocturne peuvent être montées sur un casque, notamment pour pilote d'avion ou d'hélicoptère. Mais ces dispositifs présentent devant les yeux de l'utilisateur un encombrement important dont la masse et la position du centre de gravité augmentent particulièrement le risque de lésions de la tête du pilote portant ses jumelles et empêchent le pilote de réaliser une éjection non préparée hors de son véhicule. Pour réduire l'encombrement en avant des yeux de l'utilisateur, des lunettes de vision nocturne ont été proposées avec des pliages optiques. Le brevet US 4 653 879 décrit des lunettes comportant un circuit optique situé dans un plan perpendiculaire à la direction du regard et dans lequel la lumière est intensifiée ; un mélangeur permet de superposer l'image intensifiée avec la vision directe de l'utilisateur. L'ensemble de la voie optique intensifiée comporte 6 miroirs ou prismes de pliage. Ces lunettes restent lourdes et trop encombrantes pour être placées à l'intérieur d'un casque. Puis on a proposé des lunettes de vision nocturne avec 4 pliages optiques ; chaque voie intensifiée comporte un objectif avec deux pliages, un intensificateur de lumière spécifique sans fibres inverseuses, dont l'emplacement est vertical et latéral par rapport à l'oeil de l'utilisateur, et un oculaire avec deux pliages. Ces lunettes sont compactes, légères et compatibles avec les contraintes de sécurités exigées lors d'une éjection de leur utilisateur. Mais l'intensificateur de lumière spécifique conduit à des coûts élevés, notamment pour l'obtention d'un certificat de qualification nécessaire pour l'utilisation des lunettes à bord de certains aéronefs. L'intensificateur standard tout en comportant un faisceau de fibres optiques supplémentaire par rapport à l'intensificateur spécifique est globalement beaucoup moins coûteux pour le dispositif optique l'incorporant. Le remplacement dans ces lunettes de l'intensificateur spécifique par un intensificateur standard conduirait à la présentation d'une image intensifiée avec une rotation de 180 degrés par rapport au paysage ; l'ajout d'un bloc de fibres inverseuses pour remédier à cet inconvénient augmenterait trop fortement l'encombrement en hauteur de ces lunettes en rehaussant l'objectif et les lunettes ainsi modifiées ne seraient plus compactes. Le problème consiste à réaliser, avec un intensificateur de lumière standard, des lunettes de vision nocturne compactes et compatibles d'une éjection non préparée de leur utilisateur hors de son aéronef tout en présentant un champ large d'au moins 40 degrés. C'est pourquoi l'invention propose un dispositif compact de vision 35 nocturne d'une scène comportant un objectif recevant en entrée de la lumière de la scène selon une première direction, un intensificateur de lumière, un oculaire présentant à sa sortie une image intensifiée dans une seconde direction sensiblement parallèle à la première direction et des moyens de guidage des rayons lumineux entre l'entrée de l'objectif et la sortie de l'oculaire, le guidage s'effectuant notamment selon un plan de déviation optique qui est sécant avec les première et seconde directions et contient l'axe longitudinal de l'intensificateur de lumière, ledit dispositif est caractérisé en ce que l'intensificateur de lumière est un intensificateur assurant une rotation de l'image de 180 degrés entre son entrée et sa sortie ~o et en ce que les moyens de guidage comportent 4 pliages optiques, l'un étant dans l'objectif et les trois autres dans l'oculaire. L'axe longitudinal de l'intensificateur de lumière est l'axe selon lequel les électrons émis par la photocathode sont accélérés, c'est l'axe perpendiculaire au plan tangent à la photocathode. 15 L'oculaire selon l'invention réalise une unique image intermédiaire entre son entrée et sa sortie. L'oculaire selon l'invention réalise une unique image intermédiaire entre la source d'image et l'oeil de l'utilisateur. L'intensificateur de lumière est de préférence un intensificateur de lumière standard, notamment un intensificateur certifié pour équiper un 20 dispositif embarqué à bord du véhicule de l'utilisateur du dispositif de vision nocturne. De préférence l'oculaire comporte un combineur dont l'angle a, entre le rayon moyen du champ central et le plan de pliage 58, dépend de l'indice optique n du combineur et du demi-champ 0 du dispositif. L'angle a 25 du combineur est supérieur à 45 degrés. Le dispositif compact selon l'invention présente un champ de vision large d'au moins 40 degrés. L'invention peut comprendre une source d'image supplémentaire permettant d'afficher par exemple des informations relatives au vol de 30 véhicule en superposition avec l'image intensifiée. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée suivante de réalisations particulières qui sont faites en référence aux dessins annexés suivants dans lesquels une même référence correspond à un même élément : - la figure 1 représente une vue de face de l'enveloppe du trajet des rayons lumineux dans un dispositif de vision selon l'invention pour chaque oeil de l'utilisateur ; - la figure 2 représente une vue selon le profil droit de l'utilisateur 5 des rayons déjà représentés sur la figure 1 ; - la figure 3 représente un schéma simplifié en perpective d'un dispositif selon l'invention ; - la figure 4 est une représentation pliée dans un plan d'un oculaire selon l'invention ; 10 - la figure 5 représente d'un combineur selon l'invention. Sur figure 1, la tête d'un utilisateur 1 est représentée par une vue de face avec un dispositif compact 2, 3 de vision nocturne devant chaque oeil 4, 5 ; le dispositif 2 correspondant à l'oeil droit 4 de l'utilisateur. Chaque dispositif est représenté à l'aide du contour du volume utilisé par les rayons 15 lumineux le traversant et d'un élément de forme cylindrique matérialisant l'enveloppe extérieure d'un intensificateur de lumière 6, 7 avec fibres inverseuses. L'intensificateur 6, 7 est placé au niveau du front de l'utilisateur, à l'extérieur de la verticale passant par l'oeil et son axe longitudinal est sensiblement horizontal. 20 Dans le dispositif 2, l'entrée 8 de l'objectif 9 est située au niveau du front de l'utilisateur, au dessus de l'oeil 4. La lumière émise par le paysage est reçue selon une première direction d'observation Dl qui est perpendiculaire à la surface d'entrée 8. La direction de repos naturelle du regard de l'utilisateur est dirigée selon une seconde direction D2 différente 25 de la première direction Dl ; la seconde direction D2 est de préférence parallèle à la première direction Dl et l'écart entre ces directions est limité. Dans la largeur de la tête de l'utilisateur, l'écart est réduit à quelques millimètres ce qui permet à un utilisateur muni d'un dispositif de vision nocturne pour chaque oeil d'observer une image intensifiée du paysage sans 30 être perturbé par des défauts de parallaxe sur l'horizontale. L'oculaire 10 présente à l'oeil 4 l'image intensifiée produite par l'intensificateur 6, il comporte de préférence un combineur qui est transparent pour les rayons lumineux émis par le paysage selon la direction D2 et qui assure le pliage des rayons venant de l'intensificateur ; l'oeil reçoit alors une image intensifiée, observée par l'objectif selon la direction Dl, superposée à la vision directe du paysage selon la direction d'observation D2. Sur la figure 2, l'écart entre les directions d'observation Dl et D2 est représenté par rapport à hauteur de la tête de l'utilisateur, il est limité à une valeur proche de 4 centimètres. Cet écart permet notamment de dégager la vue directe dont dispose l'utilisateur dans la direction D2 si l'oculaire comporte un combineur 11 placé devant l'oeil 4, tout en conservant une prise de vue de la voie intensifiée proche de l'oeil. La position de la prise de vue du dispositif compact est notamment compatible avec les dimensions ~o réduites d'un poste de pilotage comme celui d'un avion d'arme dans lequel une prise de vue qui serait trop élevée par rapport à l'oeil ne permettrait pas d'acquérir une vue étendue du paysage à travers le pare-brise, mais serait perturbée par la structure supérieure de maintien de ce pare-brise. Sur la figure 3, un dispositif compact selon l'invention est 15 représenté schématiquement en perspective. Le rayon moyen du champ central de vue du dispositif y est représenté par une ligne brisée formée de 5 segments rectilignes 30 à 34 tels que deux segments successifs ne sont pas parallèles. Ce rayon lumineux, orienté selon la direction d'observation Dl, entre dans le dispositif par le point 35 au centre de l'entrée de l'objectif et 20 suit le premier segment rectiligne 30 puis il subit un pliage 36 pour être guidé dans un plan de déviation optique sécant avec la direction d'observation Dl de la lumière à intensifier, il y suit le segment suivant 31 le long duquel est situé l'axe longitudinal 37 de l'intensificateur de lumière. A la sortie de l'objectif, le rayon lumineux moyen du champ central pénètre dans 25 l'intensificateur en frappant la photocathode en un point 38 du segment courant 31. L'objectif forme une image du paysage dans le plan de la photocathode de l'intensificateur qui est perpendiculaire au second segment 31 au niveau du point 38. La photocathode est située dans le plan focal de l'objectif. Le plan optique de déviation est perpendiculaire au plan 30 de la photocathode. L'intensificateur affiche d'abord une image intensifiée du paysage (observé dans la direction Dl) par exemple sur l'écran d'un tube cathodique puis il applique à cette image une rotation de 180 degrés selon son axe longitudinal 37 aligné avec le segment courant 31. Dans un intensificateur de 35 lumière standard, la rotation est réalisée au moyen d'un faisceau de fibres optiques torsadé (ou twisté), également nommé faisceau de fibres inverseuses. L'image affichée à la sortie de l'intensificateur présente un plan tangent sensiblement perpendiculaire au segment courant 31 en un point 39 et le rayon lumineux moyen du champ central tracé dans la figure 3 entre à ce point 39 dans l'oculaire du dispositif optique. L'oculaire est la partie du dispositif située entre la sortie de l'intensificateur de lumière et l'oeil 4 de l'utilisateur, il présente à l'utilisateur une image qui est de préférence collimatée. Dans l'oculaire, le rayon lumineux étudié est affecté d'un premier pliage 40 le renvoyant par exemple ~o vers le bas du visage de l'utilisateur selon le troisième segment rectiligne 32. Les second et troisième segments 31 et 32 sont dans le plan de déviation optique qui est sécant avec la direction d'observation Dl, et dans lequel le rayon lumineux subit un second pliage 41 le dirigeant selon un quatrième segment rectiligne 33 sensiblement parallèle au deuxième segment 31 suivit 15 lors de l'entrée dans l'oculaire. Dans l'exemple de réalisation des figures 1 et 2, le plan optique de déviation est sensiblement vertical. A l'issue du quatrième segment rectiligne 33, le rayon lumineux moyen du champ central est encore dans l'oculaire et il est affecté d'un troisième pliage 42 le renvoyant en dehors du plan de déviation optique, en 20 direction de l'oeil 4 et suivant le cinquième segment rectiligne 34 dont la direction D2 est sensiblement parallèle à la direction Dl d'entrée du rayon lumineux dans l'objectif. En figure 4, un oculaire selon l'invention est représenté ; il est aplati dans le plan de la figure 4 qui correspond au plan de déviation optique 25 contenant les second, troisième et quatrième segments rectilignes 31, 32 et 33 décrits précédemment à l'aide de la figure 3. Le cinquième segment rectiligne 34, dans la direction D2 et voisin de l'oeil 4, n'appartient pas au plan de déviation optique mais il est représenté rabattu dans le plan de la figure 4 sous la forme d'un segment 44 issu du troisième point 42 de pliage 30 de l'oculaire. Sur la figure 4, ce segment 44 est perpendiculaire à un segment 43 qui correspond à une représentation rabattue de la pupille de l'oeil 4. L'intensificateur de lumière assure une intensification et une rotation de 180 degrés autour de son axe longitudinal, c'est un intensificateur 35 inverseur. Sa sortie présente une surface dont le plan tangent est perpendiculaire au second segment rectiligne 31. Cette surface est également la surface d'entrée 45 dans l'oculaire. Dans l'oculaire, le rayon optique entrant suivant le segment 31 subit un premier pliage 40 d'environ 90 degrés dans le plan de la figure 4 à l'aide d'un premier moyen de pliage 46 plan et sensiblement perpendiculaire au plan de la figure 4. Le premier moyen de pliage 46 de l'oculaire est par exemple un miroir plan. Dans une variante de réalisation le premier moyen de pliage 46 est un cube combineur 47 permettant de superposer une autre image affichée sur une de ses faces 48 avec l'image intensifiée obtenue sur la face 45 d'entrée de l'oculaire placée en sortie de l'ensemble composé de l'objectif et de l'intensificateur d'image inverseur. L'autre image comporte par exemple des informations sous forme de symboles. Le cube combineur 47 présente l'avantage d'être assez éloigné de l'oeil 4, il ne gêne pas le champ de vue direct de l'utilisateur tout en permettant l'affichage supplémentaire d'informations assurant par exemple l'aide au pilotage. Après le premier pliage 40, les rayons lumineux, issus de l'image intensifiée affichée sur la surface de sortie de l'intensificateur, traversent une premier groupe de lentilles 49 ; puis ils sont pliés par une second pliage 41 d'environ 90 degrés juste après lequel le rayon central du champ de l'objectif, qui était entré dans l'oculaire selon le second segment 31, est parallèle et en sens inverse sur le quatrième segment 33. Le premier groupe de lentilles 49 est centré sur le troisième segment 32 du dispositif, il réalise une image intermédiaire 50 de l'image intensifiée affichée sur la surface 45 d'entrée dans l'oculaire. Un second groupe de lentilles 51 permet, à l'aide d'un troisième pliage 42, de présenter l'image intensifiée à l'oeil de l'utilisateur. Le second groupe 51 assure de préférence une collimation de l'image intermédiaire. L'oculaire selon l'invention réalise une unique image intermédiaire 50 située entre la surface 45 d'entrée de l'oculaire, sur laquelle se trouve la source d'image, et la sortie de l'oculaire au niveau de laquelle l'utilisateur place la pupille 43 de son oeil 4 ; en combinaison avec un objectif, l'oculaire permet la présentation à l'utilisateur d'une image intensifiée conforme à la géométrie du paysage et élaborée par un intensificateur inverseur. Les lentilles du premier groupe 49 présentent un diamètre réduit par rapport à la surface d'entrée 45 de l'oculaire et par rapport au second groupe de lentilles 51 assurant la collimation, elles n'alourdissent pas notablement le dispositif de vision nocturne de l'invention. De préférence, le troisième pliage 42 de l'oculaire est formé par un combineur assurant à la fois le pliage des rayons de lumière intensifiée vers l'oeil 4 de l'utilisateur et la transmission des rayons lumineux provenant directement du paysage selon la direction D2. Avec le combineur, l'image intensifiée acquise dans la direction Dl est superposée à la vue directe dans la direction D2. Dans l'invention, le troisième pliage 42 est par exemple un pliage à angle droit renvoyant le rayon lumineux du quatrième segment rectiligne 33 selon la normale au plan de déviation optique ; ledit plan étant également perpendiculaire à la direction d'observation Dl. Ce pliage peut être réalisé par un miroir incliné de 45 degrés par rapport au quatrième segment 33, ou par un combineur classique d'angle égal à 45 degrés. Cependant dans la réalisation représentée sur la figure 4, le troisième pliage 42 de l'oculaire est différent d'un angle droit : l'angle entre le quatrième segment 33 qui précède le troisième pliage 42 de l'oculaire et le cinquième segment 34 qui le suit est strictement inférieur à 90 degrés ; cet angle est représenté sur la figure 4 par l'angle B de même valeur et situé entre le quatrième segment 33 et la représentation rabattue 44 du cinquième segment 34. Ce pliage est réalisé par le combineur 52. La figure 5 représente une coupe du combineur 52 dans le plan contenant le quatrième segment rectiligne 33 et perpendiculaire au plan de déviation optique. Le combineur 52 présente une première face d'entrée 53 pour les rayons lumineux qui sont transmis par le combineur ; cette face est perpendiculaire aux rayons venant directement du paysage selon la direction du regard D2. Une seconde face d'entrée 54, pour les rayons de lumière intensifiée qui sont pliés par le combineur, est perpendiculaire au quatrième segment 33 du dispositif de vision nocturne. Une face de sortie 55 fait face à l'oeil 4 de l'utilisateur, elle est perpendiculaire au regard orienté suivant la direction D2, elle est parallèle à la première face d'entrée 53. Dans un combineur classique d'angle 60 égal à 45 degrés, la seconde face d'entrée 61 serait perpendiculaire à la première face d'entrée 53. Le champ visuel perçu par l'oeil 4 de l'utilisateur du dispositif 35 optique est limité en largeur par les rayons de bord de champ 56 et 57 ayant une inclinaison 0 de part et d'autre du rayon moyen du champ central sur le segment 34 suivant la direction D2. L'angle d'inclinaison 0 est appelé le demi-champ du dispositif. Le double de l'angle d'inclinaison 0 est le champ du dispositif. Dans le combineur selon l'invention, la seconde face d'entrée 54 est parallèle au trajet dans le combineur du rayon 56 de bord du champ. Le combineur 52 est caractérisé par un angle de pliage a, entre le rayon moyen du champ central et le plan de pliage 58, dépendant de l'indice optique n du combineur et du demi-champ 0 du dispositif selon l'équation suivante exprimée en radians : 4a = t + 2Aresin( sin ° ) n L'angle a du combineur est strictement supérieur à 45 degrés, d'une valeur c non nulle selon la relation suivante : a=7/4+g Le combineur 52 est par exemple réalisé dans un verre de type crown d'indice optique n égal à 1.5 avec un angle a de 51.6 degrés ; il permet une large ouverture de champ de 40 degrés assurant notamment une vision nocturne confortable pour le pilotage. Dans cet exemple particulier, l'angle C entre la voie directe selon la direction D2 et la voie intensifiée selon le quatrième segment 33 n'est pas un angle droit de 90 degrés mais il vaut 103.6 degrés. L'angle C de la figure 5 est lié à l'angle B de la figure 4 par la relation : B + C = 2it Le combineur 52 présente l'avantage de former un plan de déviation optique plus proche de la tempe de l'utilisateur que celui dû à un combineur classique. La masse des éléments optiques du dispositif équipé de ce combineur 52 présente un centre de gravité plus favorable pour l'utilisateur car le bras de levier par rapport au centre de gravité de la tête nue est réduit dans cette implantation. Le combineur 52 selon l'invention présente également l'avantage d'être un peu moins volumineux et un peu plus léger qu'un combineur classique dont l'angle 60 serait égal à 45 degrés entre le rayon moyen du champ central et son plan de pliage 59 et qui présenterait une seconde face d'entrée 61 plus éloignée du rayon moyen du champ central que la seconde face d'entrée 54 du combineur 52. Pour éviter des réflexions parasites sur la seconde face 35 d'entrée 54 du prisme combineur 52 qui se produisent par exemple par réflexion totale dans le prisme d'un rayon légèrement à l'extérieur du champ couvert par le combineur, une variante de réalisation consiste à ajouter une lentille 62, représentée sur la figure 4, dont une première face coïncide avec la seconde face d'entrée 54 du prisme. La lentille 62 est de préférence collée à la seconde face d'entrée 54 du combineur. La lentille 62 présente une seconde face dont la surface sphérique évite la réflexion totale. La lentille 62 fait partie du second groupe de lentilles 51 de la figure 4. De préférence, un pliage en correspondance avec celui de l'oculaire est réalisé dans l'objectif et ainsi une paire de lunettes assure un 1 o recouvrement total des champs de chaque oeil de l'utilisateur. Le pliage adapté est réalisé par un prisme pour le pliage 36 de l'objectif. L'objectif présentant un diamètre d'environ 18 millimètres, la masse du prisme de l'objectif est relativement faible par rapport à la masse du combineur de l'oculaire dont le diamètre est plus important avec une valeur d'environ 30 15 millimètres. La masse supplémentaire dans l'objectif n'augmente pas la masse globale du dispositif selon l'invention qui comporte un combineur allégé d'angle a supérieur à 45 degrés dans l'oculaire. REVENDICATIONS 1. Dispositif compact de vision nocturne d'une scène comportant un objectif (9) recevant en entrée (8) de la lumière de la scène selon une première direction (D1), un intensificateur de lumière (6), un oculaire (10) présentant à sa sortie une image intensifiée dans une seconde direction (D2) sensiblement parallèle à la première direction et des moyens de guidage des rayons lumineux entre l'entrée (8) de l'objectif et la sortie de l'oculaire, le guidage s'effectuant notamment selon un plan de déviation optique qui est sécant avec les première (Dl) et seconde (D2) directions et contient l'axe longitudinal de l'intensificateur de lumière (6), ledit dispositif est caractérisé en ce que l'intensificateur de lumière (6) est un intensificateur assurant une rotation de l'image de 180 degrés entre son entrée et sa sortie et en ce que les moyens de guidage comportent 4 pliages optiques, l'un étant dans l'objectif et les trois autres dans l'oculaire. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'oculaire réalise une unique image intermédiaire qui est située entre son 20 entrée (45) et sa sortie (43). 3. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'intensificateur (6) de lumière est un intensificateur standard à fibres inverseuses. 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'oculaire comporte un combineur (11) qui transmet de la lumière reçue directement de la scène selon la seconde direction et lui superpose l'image intensifiée. 30 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que dans le combineur (52) l'angle de pliage (a), entre le rayon moyen (34) du champ central et le plan de pliage (58), dépend de l'indice optique n du combineur et du demi-champ 0 du dispositif. 25 35 6. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que dans le combineur (52) l'angle de pliage (a), entre le rayon moyen (34) du champ central et le plan de pliage (58), dépend de l'indice optique n du combineur et du demi-champ 0 du dispositif selon l'équation suivante exprimée en radians : 4a = ir + 2Arcsin( sine ) n 7. Dispositif selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que l'angle de pliage (a), entre le rayon moyen (34) du champ central et le plan de pliage (58), du combineur (52) est strictement supérieur à 45 degrés. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le combineur reçoit de la lumière directement de la scène par une première face d'entrée (53), qu'il reçoit l'image intensifiée par une seconde face d'entrée (54) et qu'il comporte une lentille (62) dont une face coïncide avec la seconde face d'entrée (54) du combineur et l'autre face est sphérique. 9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il présente un champ large d'au moins 40 degrés. 10. Paire de lunettes compacte de vision nocturne comportant deux dispositifs selon l'une des revendications précédentes.