Brevet FR2981448A1 — publié le 20130419

Dispositif de détection de la direction d'un soleil caché, basé sur un dépolariseur biréfringent 1. Domaine de l'invention Les Vikings ont parcouru l'Atlantique Nord au niveau du 61e parallèle (Thirslund, S. 2007 Viking navigation: sun-compass guided Norsemen to America. The Viking Ship Museum) entre la Norvège, l'Islande, le Groenland et le Nord de l'Amérique aux 9e et 10e siècles, traversant des milliers de kilomètres en plein océan, sans l'aide de boussole seulement introduite en Europe vers le 12e siècle. De plus, on sait que toute mesure magnétique à ces latitudes ne fonctionne pas correctement. Leurs voyages allant de mai à octobre se faisaient avec des journées longues atteignant une vingtaine d'heures, ce qui rendait le secours des étoiles impossible. Il leur restait donc le recours au Soleil. Hélas à cette latitude le Soleil reste plusieurs heures sous l'horizon ou caché par des nuages ou par du brouillard sur l'horizon. Les sagas écrites notamment aux 12e et 13e siècles font état de l'utilisation d'une pierre de Soleil pour détecter la polarisation du ciel et donc la direction du Soleil, à la manière des animaux pour leur navigation, comme les abeilles par exemple (Horvàth, G.; Varjù, D. 2004. Polarized Light in Animal Vision - Polarization Patterns in Nature. Springer-Verlag, Heidelberg - Berlin - New York). On sait en effet aujourd'hui que par diffusion Rayleigh la lumière diffusée par l'atmosphère est polarisée (Hoeppe, G. 2007 Why the sky is blue. Princeton, NJ: Princeton University Press ; Coulson, K. L. 1988. Polarization and Intensity of Light in the Atmosphere. A. Deepak Publishing, Hampton, Virginia, USA) et peut donc donner la direction du Soleil lorsqu'il est couché ou inobservable directement. 2. Etat de l'art antérieur 2.1 Rappel du principe de navigation par la polarisation du ciel Pour déterminer la polarisation du ciel, les animaux disposent d'yeux qui sélectionnent une direction donnée par absorption des photons dans cette direction, donc par dichroïsme. Leurs yeux composés leur permettent de plus une détection différentielle. Pour l'homme la solution semble être l'utilisation d'un polariseur additionnel. Cette solution est celle que jusqu'ici tous les auteurs ont privilégiée (Ramskou, T. 1967 Solstenen. Skalk 2, 16-17 ; Horvàth, G., Barta, A., Pomozi I., Suhai, B, Hegedüs, R, Akesson, S., Meyer-Rochow, B. & Wehner, R. 2011. On the trail of Vikings with polarized skylight: experimental study of the atmospheric optical prerequisites allowing polarimetric navigation by Viking seafarers. Phil. Trans. R. Soc. B 366, 772-782). Le cristal, comme la cordiérite par exemple, est dichroïque : il absorbe les photons dont la polarisation est selon un axe du cristal. Le mécanisme de détection utilise alors la loi de Malus au point de fonctionnement usuel autour de l'angle entre la polarisation de la lumière et l'axe bloquant (absorbant) du polariseur , c'est-à-dire de a = 0° (voir la figure 1). La loi de Malus utilisée autour de l'angle nul a = 09 dans ce cas, donne 'transmise. 2 = Io sin a (11) représentée sur la figure la. La transmission est faible quand la polarisation est parallèle à l'axe bloquant et plus forte lorsque la polarisation est parallèle à l'axe passant. Un changement de couleur du cristal peut accompagner sa rotation. 2.2 Inconvénients des techniques de l'art antérieur La sensibilité de cette méthode est limitée par deux points essentiels. Tout d'abord, les images transmises sont observées successivement comme par exemple pour -10°, puis 0° et + 10°. L'oeil doit retenir la mémoire des intensités successives, ce qu'il fait difficilement (19). De plus, les signaux autour de 0° sont par définition faibles, variant lentement, comme le montrent la courbe de la figure 3c (17) et les observations expérimentales délicates du bas de la figure 3d (19), pour une rotation du polariseur de 5°. Par ailleurs la faible sensibilité de la loi de Malus à 0° rend la méthode inopérante pour les taux de polarisation faibles, correspondants à un ciel peu clair, hélas usuels dans les régions nordiques. A titre d'exemple pour un taux de polarisation de p = 0.1, Horvath (Horvàth, G., Barta, A., Pomozi I., Suhai, B, Hegedüs, R, Akesson, S., Meyer-Rochow, B. & Wehner, R. 2011. On the trail of Vikings with polarized skylight: experimental study of the atmospheric optical prerequisites allowing polarimetric navigation by Viking seafarers. Phil. Trans. R. Soc. B 366, 772-782.) considère qu'aucun pointé n'est possible. 3. Objectifs de l'invention L'invention a notamment pour objectif de pallier aux inconvénients de l'art antérieur. Plus précisément un objectif de l'invention est de fournir un dispositif permettant d'améliorer la qualité de l'observation. Un autre objectif est d'utiliser la loi de Malus, non pas à 0°, mais au maximum de sa sensibilité, c'est-à-dire au maximum de sa dérivée , soit à 45°. Un autre objectif est d'utiliser deux fois la lois de Malus, toujours à la sensibilité maximale, c'est-à-dire à 45° . Un objectif supplémentaire de l'invention sera de pouvoir réaliser en permanence un contraste entre deux images pour avoir une méthode différentielle, l'oeil humain étant particulièrement sensible aux contrastes, de l'ordre de 1% selon Hubel (Hubel, D. H. 1988 Eye, brain, and vision. W. H. Freeman, New York). Encore un autre objectif de l'invention est de fournir un dispositif qui soit simple de mise en oeuvre, tout en offrant des performances accrues en terme de robustesse, de sensibilité et de détection. 4. Caractéristiques principales de l'invention On utilise une méthode différentielle à l'aide d'un cristal biréfringent qui peut fournir d'une part un faisceau dit ordinaire et d'autre part un deuxième faisceau dit extraordinaire, observables simultanément et offrant un contraste optimum pour le point d'isotropie du cristal. L'objet de la présente invention consiste à choisir un cristal dit biréfringent qui n'absorbe aucun photon et qui ne peut en aucun cas servir de polariseur dichroïque et à l'utiliser à son point d'isotropie. On peut par exemple utiliser un cristal de calcite, de calcite artificielle, ou tout autre cristal biréfringent comme le vanadate d' Ytterbium (YVO4). Le principe de fonctionnement de ce cristal est représenté sur la figure 2a. Une lumière partiellement polarisée (22) comme celle de la figure 2b tombe sur le cristal qui partage les photons en deux groupes (21). Ceux polarisés selon l'axe ordinaire se propagent en ligne droite usuelle (32) et ceux polarisés orthogonalement sont déviés, n'obéissant pas aux lois de Snell-Descartes : c'est pourquoi on appelle ce faisceau le faisceau extraordinaire (Hecht, E. 2002 Optics. Addison-Wesley, San Francisco). Si on trace les transmissions respectives (23) des deux faisceaux ordinaire et extraordinaire comme sur la figure 2c, on voit que pour ce que nous avons appelé le point d'isotropie K, atteint pour une rotation du cristal de 45°, l'égalité entre les intensités ordinaire et extraordinaire est parfaite (33, 34) et ceci I. - Imin quel que soit le degré p de polarisation (P(22) ) de la lumière incidente qui varie Imax + min de 1 pour une lumière totalement polarisée, à 0 pour une lumière non polarisée. Pour exploiter les deux images ordinaire et extraordinaire, au point d'isotropie et pointer avec une grande précision ce point d'isotropie, grâce au contraste entre les deux images, on masque l'entrée du cristal par un écran percé d'un trou carré (31) (ou rectangulaire) avec comme côté du carré, la distance séparant les faisceaux ordinaire et extraordinaire comme montré sur la figure 3 (de l'ordre de 3 mm pour un cristal de 3 cm d'épaisseur). Le point théorique important est illustré par le point de fonctionnement au point d'isotropie, c'est-à-dire à 45° comme le montre la figure la. En effet les variations d'intensité des deux faisceaux ordinaire et extraordinaire sont alors maximales comme la montre la dérivée (12) de ces deux fonctions (13) et (14) qui est maximale à 45°. Le contraste entre les faisceaux ordinaire et extraordinaire est représenté par la courbe typique (15) en forme de V de la figure lb. La comparaison avec la réponse d'un polariseur usuel est spectaculaire pour le dépolariseur comme le montre la courbe (16) de la figure 1 c. La figure 1 d montre un exemple expérimental (18) obtenu pour une simple rotation de 5°, à comparer avec la variation quasi nulle (19) obtenue avec un polariseur même parfait sur la même figure ld. La méthode utilise une double projection de la loi de Malus sur les axes ordinaire et extraordinaire en un point généralement inutilisable, c'est-à-dire à 45°, correspondant au point d'isotropie. Le contraste est alors donné par Io - le = p cos 2a Io + Ie , représenté par la réponse en V (15) de la figure lb. 5. Liste des figures D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtrons plus clairement à la lecture de la description des dessins annexés, parmi lesquels - la figure 1 illustre les potentialités de la méthode différentielle avec un cristal biréfringent. Sur . la figure 1(a) sont représentées la loi de Malus 'transmise = Io sine a (11) et sa dérivée (12). Pour la méthode standard utilisant un polariseur, le point de fonctionnement correspond à une orientation telle que l'angle entre la polarisation à détecter et l'axe bloquant du polariseur soit a=0°. Par contre, pour la nouvelle méthode utilisant un cristal biréfringent, le point de fonctionnement est a=45°, point où la pente de la courbe (11) est maximale. La figure 1(b) représente les intensités ordinaire Io et extraordinaire le à la sortie du cristal biréfringent. Le point de fonctionnement à 45° correspond à l'orientation du cristal pour laquelle les intensités II Il des images ordinaire et extraordinaire sont rigoureusement égales. Le contraste I. + le en . e fonction de l'orientation a du cristal est représenté par la courbe (15) en forme de V très marqué 30 au voisinage du point de fonctionnement a=45°. Sur la figure 1(c) sont représentés le contraste (16) obtenu pour un cristal biréfringent ainsi que l'intensité transmise (17) dans le cas d'un polariseur standard, pour une rotation de quelques degrés. La figure 1(d) met en évidence la puissance de la méthode utilisant un cristal biréfringent. En effet, dans ce cas, quand on tourne le cristal seulement de 5 ° autour du point de fonctionnement de 45°, les intensités des deux images deviennent fortement différentes (18). Par contre dans le cas d'un polariseur, quand on le tourne de 5°, l'intensité transmise reste pratiquement nulle (19). - la figure 2 (a) représente un schéma de la propagation d'un faisceau large, partiellement polarisé (22), tombant sur un cristal de calcite sans orientation particulière. La figure 2(b) correspond au schéma d'une polarisation elliptique de la lumière incidente. L'angle a représente l'angle entre l'axe d'intensité maximale de la lumière incidente partiellement polarisée et l'axe ordinaire du cristal. La figure 2(c) représente les intensités respectives (23) théoriques des faisceaux ordinaire et extraordinaire en fonction de la rotation a du cristal, pour différent taux de polarisation p correspondant à des ciels dégagés et nuageux. - la figure 3 correspond à une expérience faite avec un faisceau étroit de lumière partiellement polarisée, en présence d'un écran percé d'une ouverture carrée (31) sur la face d'entrée du cristal de calcite. Le schéma des faisceaux ordinaire et extraordinaire (32) est représenté, au point d'isotropie (a=45°), à travers une ouverture carrée représentée par AB dans un écran opaque. Le côté a=AB de l'ouverture carrée est égal ici au décalage d entre les faisceaux ordinaire et extraordinaire. Comme le montre la photo, les intensités des deux images observées à la sortie du cristal sont égales au point d'isotropie (34). - la figure 4 (a) correspond à la représentations théorique (42) et expérimentale (44) du contraste entre les deux images ordinaire et extraordinaire, dans le cas d'un faible taux de polarisation p de la lumière incidente. Ici p = 0.08 correspond à un ciel plutôt nuageux. Les barres d'erreur correspondent aux fluctuations des mesures d'intensité, pour des rotations de part et d'autre du point d'isotropie a = 45°. La photo montre le cristal de calcite utilisé (43). La figure 4(b) montre des observations typiques (44) et (45) à travers le cristal de calcite (tourné à ±5° du point d'isotropie) réalisées une demie heure après le coucher du soleil, 10 minutes avant l'apparition des étoiles, le 31 juillet 2011, en un point de latitude 48°07' N et de longitude 1°41' W. Ici l'intensité du ciel est réduite par un facteur 50, comparée à celle du ciel une demi-heure avant le coucher du soleil à 21h45'. - la figure 5 montre un exemple d'utilisation de l'invention pour suivre la course du soleil même si celui-ci est sous l'horizon. La figure 5(a) montre le principe de la mesure utilisant la polarisation de la lumière émise par le ciel par diffusion Rayleigh (51). La figure 5(b) montre les résultats expérimentaux (53) correspondant aux mesures effectuées toutes les 10 minutes, pour déterminer l'azimuth (52) du soleil, même quand celui-ci est sous l'horizon, après le coucher du soleil, et même quand les étoiles commencent à apparaître. La droite (54) correspond aux valeurs données par les tables et est en parfait accord avec les valeurs expérimentales. - la figure 6 montre les différents éléments du dispositif Disque mobile (61) Aiguille de référence (62) Joint anti-frottements (63) Un exemple d'écran, avec un trou (64) Un cristal biréfringent (65) Un support de cristal (66) Une platine fixe (68) Graduations (67) Entretoises (69) Miroir de renvoi amovible à 30° (611), permettant une mesure directe ou indirecte Protection anti pollutions lumineuses (612) 6. Description d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention La figure 6 représente le schéma du dispositif. L'ajustement de l'orientation du cristal est fait dans un mécanisme réalisé dans un bois imputrescible, en if. Une aiguille (62) ajustée par temps de soleil visible, repère une fois pour toutes le point d'isotropie du cristal et donne directement la direction réelle du soleil à tout moment de la journée y compris jusqu'à l'apparition des étoiles. La platine (68) porte des graduations (67) divisées à l'ancienne en 32 secteurs, ou en 36 secteurs comme de nos jours. Le repère S indique le Sud dans l'hémisphère Nord, et doit être indiqué N dans l'hémisphère Sud. L'observation se fait grâce à deux images claires sur fond noir. L'opérateur tourne la partie mobile (61) portant le cristal (65) de dimensions de l'ordre de 3 x 3 x 3 cm. L'azimuth du Soleil caché est directement donné par l'aiguille, sans perturbation possible contrairement à une boussole magnétique. 1) La principale qualité de ce que nous appelons le compas du Viking (Viking Sunstone Compass) peut être obtenue par exemple par l'utilisation d'une simple calcite (43) comme celle de la figure 4. Cette calcite, commune en Islande, se trouvant dans de nombreuses mines et même sur les plages, était très accessible aux Vikings. La figure 4a montre les grandes possibilités de cette méthode car elle fonctionne ici à un taux de polarisation très bas, correspondant à un temps couvert ( un temps dégagé correspondant à un degré de polarisation dépassant 0.6 alors qu'ici il n'est que de seulement 0.08). 2) Soleil sous l'horizon - ciel crépusculaire Dans ce cas la méthode différentielle est idéale. En effet au zénith, le taux de polarisation peut alors atteindre 0.8 et comme l'absorption est nulle, l'observation (44) et (45) à l'oeil nu est très facile comme le montre la figure 4b. La reproductibilité de la mesure atteint le degré. 3) La méthode comme suiveur du Soleil (" Sun follower ") La grande sensibilité du dispositif différentiel permet de suivre le soleil disparu à l'horizon avec une grande précision comme le montre la figure 5. L'exactitude des relevés expérimentaux (53) est de l'ordre de ± 1°. Notons que la polarisation du ciel étant insensible à toute perturbation, contrairement aux mesures magnétiques venues plus tard, cette méthode du Viking Sunstone Compass a pu garder un intérêt pour la navigation jusqu'au 16e siècle donnant des mesures absolues. D'ailleurs le seul cristal connu retrouvé aujourd'hui dans le monde a été récupéré sur un navire de la période Elisabéthaine, coulé en 1592 au large d'Aurigny, dans la Manche (Bound, M. & Monaghan, J. 2001 A ship cast away about Alderney: investigations of an Elizabethan shipwreck. Alderney Maritime Trust, Alderney). 20 25 8 REVENDICATIONS1. Dispositif de détection pour repérer la direction du Soleil caché, grâce à la polarisation du ciel, comprenant 1) Une platine tournante graduée 2) Un cristal biréfringent solidaire du disque central tournant, ajouré de façon à laisser passer la lumière du ciel. 3) Un écran opaque percé d'un trou donnant deux images ordinaire et extraordinaire séparées spatialement à la sortie. 4) Une aiguille de référence ajustée pour pointer la direction du Soleil au point d'isotropie du cristal. 5) Une réalisation en bois dur et imputrescible (if) à feuilles croisées pour éviter les déformations et munie d'un joint en téflon pour faciliter la rotation et l'ajustage. 6) Un miroir plan de renvoi, amovible, incliné à 30° pour la lecture des contrastes. 7) Une protection latérale absorbante pour éviter les pollutions lumineuses parasites. 2 Dispositif de détection de la polarisation du ciel selon la revendication 1 caractérisé en ce que le cristal biréfringent soit un spath d'Islande ou calcite d'environ 3 x 3 x 3 cm. 3 Dispositif de détection de la polarisation du ciel selon la revendication 1 caractérisé en ce que le cristal biréfringent utilisé puisse être une calcite artificielle, ou tout autre cristal biréfringent comme le vanadate d'Ytterbium (YVO4). 4. Dispositif de détection de la polarisation du ciel selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que l'écran solidaire du cristal soit équipé d'un trou carré dont le côté est égal à la séparation entre les faisceaux ordinaire et extraordinaire.. Dispositif de détection de la polarisation du ciel selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'écran soit équipé d'un trou rectangulaire ou d'une fente, ou d'une autre forme ou disposition. 6. Dispositif de détection de la polarisation du ciel selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que la lecture se fait soit en transmission directe, soit à l'aide d'un miroir orienté à 30° ou tout autre inclinaison. 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que la platine extérieure soit graduée en 32 secteurs à l'ancienne ou en 36 secteurs, comme de nos jours. 8. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le matériau utilisé puisse être non en bois, mais métallique, la polarisation du ciel étant indépendante de toute perturbation magnétique ou en matières plastiques. 9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que les graduations soient inversées et adaptées à l'hémisphère Sud.