Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
CA 02870922 2014-10-20
WO 2013/160613 PCT/FR2013/050907
1
VISEUR TETE HAUTE COMPACT A GRANDE PUPILLE DE SORTIE
Domaine de l'invention
La présente invention concerne un viseur tête haute,
encore appelé afficheur tête haute, collimateur tête haute ou
système de visualisation tête haute. Plus particulièrement, la
présente invention concerne un viseur tête haute compact et
présentant une pupille de sortie de taille importante.
Exposé de l'art antérieur
Les viseurs tête haute, encore connus sous l'acronyme
HUD, de l'anglais Head-Up Display, sont des systèmes d'affichage
en réalité augmentée qui permettent d'intégrer une information
sur une scène réelle vue par un observateur. En pratique, de
tels systèmes peuvent être placés dans le cockpit d'un avion ou
au sein de l'habitacle d'un véhicule. Ils sont ainsi positionnés
à une distance de quelques dizaines de centimètres des yeux de
l'utilisateur.
La figure 1 illustre, de façon schématique, le fonc-
tionnement d'un tel dispositif.
Une lame semi-transparente 10 est placée entre l'oeil
de l'utilisateur 12 et une scène à observer 14. Les objets de la
scène à observer sont généralement situés à l'infini ou à une
distance importante de l'observateur. La lame semi-transparente
10 est placée selon un angle par rapport à l'axe entre la scène
CA 02870922 2014-10-20
WO 2013/160613 PCT/FR2013/050907
2
14 et l'observateur 12, par exemple de 45 , de façon à
transmettre les informations provenant de la scène 14 à
destination de l'observateur 12, sans altérer ces informations.
Pour projeter une image vue à la même distance que
l'image réelle de la scène, et la superposer à celle-ci, un
système de projection est prévu. Ce système comprend un élément
d'affichage d'une image 16, par exemple un écran, situé au point
focal objet d'un système optique 18. L'image affichée sur
l'écran, qui est à projeter sur la scène, est ainsi collimatée à
l'infini par le système optique.
Le système de projection est placé perpendiculairement
à l'axe entre la scène et l'observateur de façon que le faisceau
issu du système optique 18 atteigne la lame semi-transparente 10
perpendiculairement à cet axe. Le faisceau issu du système
optique 18 atteint ainsi la lame semi-transparente 10 avec un
angle de 45 par rapport à sa surface.
La lame semi-transparente 10 combine l'image de la
scène 14 et l'image issue du système de projection 16-18, d'où
il résulte que l'observateur visualise, sans avoir à faire
d'effort d'accommodation, une image comprenant l'image projetée
superposée à l'image de la scène 14. Cela permet de limiter la
fatigue visuelle de l'observateur et d'améliorer sa rapidité de
prise de décision avec l'information projetée.
Pour visualiser l'image projetée par le système de
projection 16-18, l'oeil de l'observateur doit être placé dans
la zone de réflexion du faisceau issu du système optique 18 sur
la lame 10. Une contrainte importante à respecter est de tenir
compte des mouvements possibles de la tête de l'utilisateur
devant le projecteur, et donc de prévoir un faisceau en sortie
du système optique 18 le plus large possible. Autrement dit, il
faut prévoir un système optique 18 dont la pupille de sortie est
de taille importante, comprise par exemple entre quelques
centimètres et quelques dizaines de centimètres, pour que les
mouvements de tête de l'observateur n'impliquent pas une perte
de l'information projetée.
CA 02870922 2014-10-20
WO 2013/160613 PCT/FR2013/050907
3
Une autre contrainte des systèmes tête haute est de
prévoir un dispositif relativement compact. En effet, des
contraintes d'encombrement importantes pèsent sur ces dispo-
sitifs, notamment lorsqu'ils sont utilisés dans des cockpits
d'avion ou des habitacles automobiles de volume limité.
La figure 2 est un agrandissement du système de
projection de la figure 1, comprenant un écran 16 et un système
optique 18. L'écran 16 est constitué de pixels 20 agencés en
matrice. La distance séparant l'écran 16 et le système optique
18 est égale à la distance focale objet f du système optique 18.
On définit la résolution angulaire du système de
projection comme étant l'inverse de la tangente du rapport entre
la taille d'un pixel tpix et de la distance focale f du système
optique 18 dans la configuration ci-dessus (en première
approche, la résolution angulaire est égale à l'angle 0 en
figure 2). Pour une lecture correcte des informations projetées
par l'écran, la résolution angulaire doit être inférieure à
celle de l'oeil, c'est-à-dire inférieure à 1 mrad. Pour obtenir
une telle résolution angulaire, avec une taille de pixels
imposée par les technologies actuelles (dont la limite
inférieure est de l'ordre de quelques micromètres à quelques
dizaines de micromètres), on obtient des résolutions angulaires
raisonnables pour des distances focales de systèmes optiques de
l'ordre de quelques centimètres.
Pour réduire encore la résolution angulaire de
l'écran, la seule variable ajustable est la distance focale.
Cependant, pour des questions de compacité, la distance focale
ne peut être préférablement augmentée au-delà de quelques centi-
mètres.
En outre, il est connu que la complexité d'un système
optique dépend de l'ouverture de sortie de celui-ci, c'est-à-
dire du rapport entre le diamètre de la pupille de sortie du
dispositif et la distance focale objet du système. Plus
particulièrement, plus l'ouverture d'un dispositif est grande,
plus le dispositif est complexe. Plus le système optique est
CA 02870922 2014-10-20
WO 2013/160613 PCT/FR2013/050907
4
complexe, plus le nombre de lentilles qu'il contient est
important, notamment pour limiter les différentes aberrations
géométriques.
La relation entre ouverture et complexité est décrite
dans l'ouvrage de Warren J. Smith intitulé "Modern Lens Design"
(SPIE Press, 2005, p42), dont la figure en page 42 est reprise
en figure 3.
La figure 3 est un graphique montrant des systèmes
optiques connus classés en fonction de l'inverse de leur
ouverture (F/#) et en fonction du l'angle de champ de vision
("Full Field Angle") souhaité. Dans ce graphique, on peut voir
que, pour un angle de champ de vision donné, plus l'ouverture
est grande, plus la complexité du système optique est
importante. Par exemple, pour des champs de vision faibles et
des ouvertures faibles, des systèmes de lentilles paraboliques
simples ("ACHROMATIC DOUBLET") sont adaptés. Pour des systèmes
tête haute, on souhaite généralement obtenir un angle de champ
de vision total compris entre 20 et 30 . Les systèmes optiques
actuels complexes (par exemple les lentilles de Petzval ou de
type "DOUBLE GAUSS") permettent d'obtenir une ouverture maximale
de l'ordre de 1.
Dans les viseurs tête haute, on cherche à obtenir un
système très compact (distance focale objet inférieure à
quelques centimètres) avec une pupille de sortie du système de
taille importante (quelques centimètres à quelques dizaines de
centimètres). Un tel système présente donc une ouverture très
grande, supérieure à 1. Cependant, comme nous venons de le voir
avec le graphique de la figure 3, une telle configuration ne
peut être obtenue, en pratique, même en utilisant un très grand
nombre de systèmes optiques élémentaires.
En outre, même si des systèmes optiques permettaient
d'obtenir une telle ouverture, la formation d'un tel système
optique 18 très complexe, donc comprenant de nombreuses optiques
élémentaires, serait incompatible avec la compacité demandée
d'un viseur tête haute.
CA 02870922 2014-10-20
WO 2013/160613 PCT/FR2013/050907
Ainsi, il n'existe actuellement pas de dispositif
simple présentant une pupille de sortie de taille importante
tout en étant compact.
Résumé
5 Un objet d'un mode de réalisation de la présente
invention est de prévoir un viseur tête haute compact présentant
une pupille de sortie de taille importante.
Un objet d'un mode de réalisation de la présente
invention est de prévoir en outre un tel dispositif dont la
fabrication est aisée.
Ainsi, un mode de réalisation de la présente invention
prévoit un viseur tête haute, comprenant un élément adapté à
superposer une première image d'une scène et une deuxième image
issue d'un système de projection, le système de projection
comprenant un écran et un système optique, l'écran étant divisé
en sous-écrans affichant chacun la deuxième image, le système
optique comprenant un ensemble de sous-systèmes optiques placés
en regard de chaque sous-écran, l'écran étant placé dans le plan
focal objet de chaque sous-système optique.
Selon un mode de réalisation de la présente invention,
chaque sous-écran associé à un sous-système optique corres-
pondant forme un sous-module de projection, les sous-modules de
projection présentant une résolution angulaire et un champ de
vision identiques.
Selon un mode de réalisation de la présente invention,
l'élément adapté à combiner les première et deuxième images est
une lame semi-transparente ou un filtre interférentiel.
Selon un mode de réalisation de la présente invention,
l'écran comprend une matrice de pixels formés sur un même
support, les sous-écrans étant constitués de portions de
l'écran.
Selon un mode de réalisation de la présente invention,
chaque pixel de l'écran comprend une diode électroluminescente
organique.
CA 02870922 2014-10-20
WO 2013/160613 PCT/FR2013/050907
6
Selon un mode de réalisation de la présente invention,
le viseur présente une ouverture inférieure ou égale à 1,5.
Selon un mode de réalisation de la présente invention,
des éléments des sous-systèmes optiques les plus éloignés des
sous-écrans sont jointifs, à 2 mm près.
Selon un mode de réalisation de la présente invention,
des éléments des sous-systèmes optiques les plus éloignés des
sous-écrans présentent des formes hexagonales et sont agencés en
nid d'abeille.
Selon un mode de réalisation de la présente invention,
des éléments des sous-systèmes optiques les plus éloignés des
sous-écrans présentent des formes carrées et sont agencés en
matrice.
Selon un mode de réalisation de la présente invention,
chaque sous-système optique comprend un premier et un second
dioptre.
Selon un mode de réalisation de la présente invention,
le premier dioptre possède un rayon de courbure compris entre 8
et 8,5 mm et un coefficient d'asphérisation compris entre -0,8
et -0,9, et le second dioptre du système optique possède un
rayon de courbure compris entre -45 et -46 mm et un coefficient
d'asphérisation inférieur à 0,2.
Un mode de réalisation de la présente invention
prévoit en outre un procédé de fabrication d'un viseur tête
haute tel que ci-dessus, comprenant les étapes : définir une
résolution angulaire et une taille des pixels de l'écran ;
calculer la distance focale de chacun des sous-systèmes optiques
à partir de la résolution angulaire définie ; définir le nombre
de pixels par sous-écran et le nombre de sous-modules de
projection en fonction d'une taille de pupille de sortie
souhaitée ; et définir la structure des sous-systèmes optiques
en fonction de la distance focale désirée et du champ de vision
total.
CA 02870922 2014-10-20
WO 2013/160613 PCT/FR2013/050907
7
Brève description des dessins
Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que
d'autres seront exposés en détail dans la description suivante
de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif
en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :
la figure 1, précédemment décrite, illustre le
principe de fonctionnement d'un viseur tête haute ;
la figure 2, précédemment décrite, illustre une
contrainte appliquée aux viseurs tête haute ;
la figure 3, précédemment décrite, est un graphique
montrant la complexité d'un système optique en fonction de son
ouverture et du champ de vision total ;
la figure 4 illustre un viseur tête haute selon un
mode de réalisation de la présente invention ; et
les figures 5 et 6 illustrent des assemblages de sous-
systèmes optiques selon des variantes de réalisation d'un viseur
selon un mode de réalisation de la présente invention.
Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été
désignés par de mêmes références aux différentes figures et, de
plus, comme cela est habituel dans la représentation des
systèmes optiques, les diverses figures ne sont pas tracées à
l'échelle.
Description détaillée
Pour obtenir un viseur tête haute compact, c'est-à-
dire présentant un encombrement inférieur à quelques dizaines de
centimètres, et présentant une pupille de sortie de taille
importante, on prévoit de dissocier le système de projection en
plusieurs sous-systèmes de projection parallèles, chaque sous-
système de projection fonctionnant de façon identique.
La figure 4 représente un viseur tête haute selon un
mode de réalisation.
En figure 4, le dispositif comprend un élément 10,
appelé combineur, apte à superposer l'image d'une scène avec
l'image issue d'un système de projection. Le combineur 10 est
placé entre l'observateur 12 et une scène à observer 14. Le
CA 02870922 2014-10-20
WO 2013/160613 PCT/FR2013/050907
8
combineur 10 peut être une lame semi-transparente ou un filtre
interférentiel. La surface du combineur 10 forme un angle par
exemple de 45 avec l'axe entre la scène et l'observateur, et ne
perturbe pas l'arrivée de rayons de la scène jusqu'à
l'observateur.
Un système de projection d'une image à intégrer dans
la scène est prévu. Il comprend une source d'image 24, par
exemple un écran, associé à un système optique 26. Le système de
projection est ici placé perpendiculairement à l'axe entre la
scène et l'observateur et le faisceau qui est issu du système
optique 26 atteint le combineur 10 perpendiculairement à cet axe
(et donc à 45 du combineur 10).
Le combineur 10 superpose l'image de la scène 14 et
l'image projetée issue du système optique 26, d'où il résulte
que l'observateur visualise l'image projetée superposée à
l'image réelle de la scène. Le système de la figure 4 fonctionne
donc de la même façon que le système de la figure 1.
L'écran 24 est séparé en plusieurs sous-écrans, de
préférence identiques. Dans la vue en coupe de la figure 4,
trois sous-écrans 24A, 24B et 24C sont représentés. On notera
que ce nombre peut être plus ou moins important.
Chaque sous-écran est associé à un sous-système
optique. En regard de chacun des sous-écrans 24A, 24B et 24C, le
système optique 26 se sépare en plusieurs sous-systèmes optiques
26A, 26B et 26C respectivement, de préférence identiques.
L'écran 24 est placé à une distance du système optique 26 égale
à la distance focale objet de chacun des sous-systèmes optiques
26A à 26C. Chaque association d'un sous-écran et d'un sous-
système optique forme un sous-module de projection, ou sous-
projecteur. Le système de projection comprend donc une pluralité
de sous-projecteurs.
L'écran 24 est prévu de façon que chaque sous-écran
24A, 24B, 24C affiche la même information. Les faisceaux issus
de chacun des sous-systèmes optiques 26A à 26C sont donc
identiques, et collimatés à l'infini.
CA 02870922 2014-10-20
WO 2013/160613 PCT/FR2013/050907
9
Il est à noter que les sous-modules de projection sont
avantageusement identiques. Ils peuvent néanmoins être diffé-
rents les uns des autres en termes de distance focale et de
taille des pixels, du moment qu'ils présentent une résolution
angulaire et un champ de vision identiques. Le champ de vision
est défini comme étant le produit du nombre de pixels du sous-
écran et de la résolution angulaire du sous-module concerné.
En formant plusieurs sous-projecteurs parallèles, on
peut obtenir un dispositif complet présentant une pupille de
sortie totale (somme des tailles des pupilles de sortie de
chacun des sous-projecteurs) de taille importante, tout en
formant des sous-systèmes optiques simples et compacts.
En effet, chaque sous-système optique présente une
ouverture, dite élémentaire, "modérée". L'ouverture élémentaire
d'un sous-système optique est définie comme le rapport entre sa
distance focale propre et la dimension de sa pupille de sortie
propre. L'association en parallèle des sous-projecteurs permet
ainsi d'obtenir un système optique dont l'ouverture est
particulièrement faible dans la mesure où, pour une même
distance entre écran et optique de projection, on obtient une
pupille de sortie totale de taille importante, égale à la somme
des pupilles de sortie de chacun des sous-systèmes optiques. Le
système optique total présente ainsi une ouverture faible,
inférieure à 1,5, tout en étant formé de structures optiques
élémentaires simples. La compacité du dispositif complet est
ainsi assurée.
A titre d'exemple, l'écran 24 peut être constitué
d'une matrice de cellules comprenant des diodes électro-
luminescentes organiques (en anglais OLED, Organic Light-
Emitting Diode), voire d'une matrice de sous-écrans LCD ou
cathodiques.
Avantageusement, l'écran 24, bien que divisé en sous-
écrans 24A à 24C, peut être constitué d'un unique écran dont les
pixels sont séparés pour former les sous-écrans. On peut prévoir
CA 02870922 2014-10-20
WO 2013/160613 PCT/FR2013/050907
par exemple de former deux fois deux sous-écrans sur un écran
OLED complet, ou plus que cela.
Pour obtenir une bonne lisibilité des informations
ajoutées sur une scène à l'aide du viseur tête haute de la
5 figure 4, les dernières lentilles de chacun des sous-systèmes
optiques 26A à 26C (la lentille la plus éloignée de l'écran de
chaque sous-système optique) sont en vue de dessus jointives,
pour qu'il n'existe pas d'espace entre les images projetées et
que l'utilisateur perçoive l'information projetée de façon
10 continue.
Bien entendu, le caractère jointif des lentilles est
défini dans la limite de tolérance de la pupille de l'oeil.
Ainsi, un faible écart entre les lentilles est acceptable, tant
qu'il n'est pas supérieur à la pupille de l'oeil, c'est-à-dire
qu'il n'est pas supérieur à quelques millimètres.
Les figures 5 et 6 illustrent deux configurations
possibles des dernières lentilles de chaque sous-système optique
de la figure 4, en vue de dessus.
Dans l'exemple de la figure 5, les lentilles supé-
rieures 30 de chaque sous-système optique 24A, 24B, 24C
présentent des formes hexagonales, et sont agencées en nid
d'abeille.
Dans l'exemple de la figure 6, les lentilles supé-
rieures 30 de chaque sous-système optique présentent des formes
carrées, et sont agencées en matrice. On notera que d'autres
configurations sont également possibles.
Avantageusement, les deux formes ci-dessus sont
relativement simples à mettre en oeuvre et à fabriquer en regard
d'un écran OLED, par exemple par des techniques de fabrication
de microlentilles classiques.
En outre, pour minimiser les effets de diaphotie entre
les sous-modules de projection, au lieu d'adjoindre des caches
(éléments de "bafflage") complexes et coûteux à intégrer, on
peut tirer profit de la directivité des diodes OLED monochromes,
qui sont réalisées à l'aide d'un empilement d'une première
CA 02870922 2014-10-20
WO 2013/160613 PCT/FR2013/050907
11
électrode métallique optiquement réfléchissante, d'un ensemble
de couches organiques transparentes et d'une seconde électrode
semi-réfléchissante.
Cet empilement forme une cavité optique sélective de
type Fabry-Pérot, la zone de longueurs d'onde la plus favorisée
par la cavité se réglant par l'épaisseur des couches organiques
(distance entre les deux miroirs). La sélectivité de la cavité,
quant à elle, se règle par la transparence du miroir semi-
réfléchissant de cathode. Dans le cas d'une cellule OLED mono-
couleur (par exemple verte), on peut choisir une cavité
relativement sélective calée sur le spectre d'émission de
l'OLED, ce qui diminue fortement les phénomènes de diaphotie
entre chacun des sous-projecteurs.
Pour dimensionner le dispositif, on appliquera de
préférence la méthode suivante :
- on définit une résolution angulaire souhaitée, ainsi
qu'une taille de pixel compatible avec les procédés de
fabrication disponibles ;
- on calcule, à partir de la résolution angulaire
souhaitée, la distance focale de chacun des sous-systèmes
optiques de chacun des sous-projecteurs ;
- on définit le nombre de pixels à former dans chaque
sous-écran, et le nombre de sous-modules de projection à accoler
pour former le projecteur complet, en fonction de la taille de
la pupille de sortie que l'on souhaite obtenir ; et
- on définit la structure des sous-systèmes optiques
(26A, 26B, 26C) en fonction de la distance focale désirée et du
champ de vision total.
A titre d'exemple d'application numérique, le dispo-
sitif proposé ici peut comprendre un écran 26 dont les pixels
présentent des tailles inférieures à 300 pm, qui pourront par
exemple être comprises entre 1 et 80 pm, de préférence de
l'ordre de 5 pm. L'épaisseur totale du système de projection
peut être comprise entre quelques millimètres et quelques
centimètres. Le champ de vision est ici choisi à 100
.
CA 02870922 2014-10-20
WO 2013/160613 PCT/FR2013/050907
12
Les cellules OLED peuvent être formées par des
procédés de type micro-électronique, par exemple tels que
décrits dans la publication de Prache O. intitulée "Active
matrix molecular OLED microdisplays", publiée en 2001 dans
Displays 22 (p. 49-56).
Le système optique 26 peut être constitué de 50x50
lentilles carrées de 2,5 mm de côté, donc présentant une pupille
de sortie de 125 mm de côté, chaque sous-écran 24A, 24B, 24C
présentant une définition de 500x500 pixels, la définition
totale de l'écran 24 étant de 25000x25000 pixels. Chaque pixel
présente par exemple une longueur d'onde d'émission de 535 nm.
Des lentilles constitutives de l'optique du dispositif
de projection peuvent être réalisées en polyméthacrylate de
méthyle, PMMA, par moulage ou par injection, ou en tout autre
matériau polymère adapté. Ceci permet d'obtenir une épaisseur
moyenne de chaque optique du système optique de projection 26 de
l'ordre du millimètre.
A titre d'exemple, chaque sous-système optique 26A,
26B, 26C peut comprendre un premier dioptre possédant un rayon
de courbure compris entre 8 et 8,5 mm et un coefficient
d'asphérisation compris entre -0,8 et -0,9, et un second dioptre
possédant un rayon de courbure compris entre -45 et -46 mm et un
coefficient d'asphérisation inférieur à 0,2. En particulier, le
système optique peut comprendre un premier dioptre possédant un
rayon de courbure de 8,296 mm et un coefficient d'asphérisation
de -0,85. Le second dioptre du système optique peut posséder un
rayon de courbure de -45,73 mm et un coefficient d'asphérisation
nul. La face arrière de la matrice de lentilles peut être placée
à 13,66 mm (distance focale objet) de l'écran. L'ouverture du
module de projection est ici de l'ordre de 0,1.
A titre de variante de réalisation, on peut prévoir de
former les lentilles du système de projection non pas en matière
plastique mais en verre. Une telle configuration, bien que plus
coûteuse, présente l'avantage d'être adaptée à des contraintes
de température qui peuvent être importantes, notamment dans des
CA 02870922 2014-10-20
WO 2013/160613 PCT/FR2013/050907
13
cockpits d'avions de chasse (écarts de température susceptibles
d'être compris entre -40 C et 70 C). En effet, sous de telles
températures, le plastique proposé ci-dessus risque de se
déformer.
On peut également prévoir, pour contrer des défor-
mations du système optique associé à l'écran dans le temps,
notamment lorsque celui-ci est en plastique, de placer un
système adaptant la distance entre l'écran et le système optique
lorsque la focale de celui-ci varie. Pour détecter une
modification de la focale du dispositif, on peut placer un
système de détection d'image, par exemple une caméra comprenant
quelques pixels, dans l'alignement du système de projection et
de la lame semi-transparente, à l'opposé du système de
projection par rapport à cette dernière. La caméra détecte si
l'image projetée par le système de projection est bien
collimatée à l'infini, et si ce n'est pas le cas, déclenche la
mise en route d'un système mécanique permettant de rapprocher,
ou d'éloigner, le système optique 26 et l'écran 24.
En pratique, le système mécanique de rapprochement ou
d'éloignement du système optique 26 et de l'écran 24 pourra être
formé de toute façon connue, par exemple à l'aide d'un moteur
activant le déplacement d'une crémaillère à laquelle l'écran ou
le système optique est lié.
Des modes de réalisation particuliers de la présente
invention ont été décrits. Diverses variantes et modifications
apparaîtront à l'homme de l'art. En outre, divers modes de
réalisation avec diverses variantes ont été décrits ci-dessus.
On notera que l'homme de l'art pourra combiner divers éléments
de ces divers modes de réalisation et variantes sans faire
preuve d'activité inventive.
