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VISEUR TETE HAUTE COMPACT A FAIBLE CONSOMMATION D'ENERGIE
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, compact et présentant une
pupille de sortie de taille importante. Plus particulièrement,
la présente invention concerne un tel viseur dont la
consommation d'énergie est réduite.
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
visuelle sur une scène réelle vue par un observateur. En
pratique, de tels systèmes peuvent être placés dans la visière
d'un casque, dans le cockpit d'un avion ou au sein de
l'habitacle d'un véhicule. Ils sont ainsi positionnés à faible
distance des yeux de l'utilisateur, par exemple à quelques
centimètres ou dizaines de centimètres.
La figure 1 illustre, de façon schématique, le
fonctionnement 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
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distance importante de l'observateur. La lame semi-transparente
est placée selon un angle de 45 par rapport à l'axe entre la
scène 14 et l'observateur 12, de façon à transmettre les
informations provenant de la scène 14 à destination de l'obser-
5 vateur 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
10 focal objet d'un système optique 18. L'image affichée sur
l'écran est ainsi collimatée à l'infini par le système optique
18. L'utilisateur n'a pas à faire d'effort d'accommodation, ce
qui limite la fatigue visuelle de ce dernier.
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 12 visualise une image comprenant
l'image projetée superposée à l'image de la scène 14.
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.
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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. Pour
limiter l'encombrement des systèmes tête haute, il faut donc
prévoir des dispositifs dont la distance focale est réduite.
Ainsi, on cherche à obtenir des dispositifs présentant
une ouverture de sortie, c'est-à-dire le rapport entre la
distance focale objet du système et le diamètre de la pupille de
sortie du dispositif, très faible. Il est connu que la
complexité d'un système optique dépend de l'ouverture de sortie
de celui-ci. Plus particulièrement, plus l'ouverture d'un
dispositif est faible, plus le dispositif est complexe. Plus le
système optique est complexe, plus le nombre d'éléments optiques
qu'il contient est important, notamment pour limiter les
différentes aberrations. Cette augmentation du nombre d'éléments
optiques élémentaires augmente le volume et le coût du
dispositif complet, ce qui n'est pas souhaité.
En outre, il est nécessaire de prévoir des dispositifs
présentant une consommation d'énergie faible.
Résumé
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 un tel dispositif dont la consommation
d'énergie est réduite.
Ainsi, un mode de réalisation de la présente invention
prévoit un viseur tête haute, comprenant des sous-écrans dont
les positions et les dimensions sont définies en fonction de la
longueur du trajet optique et d'une longueur de mouvement
maximal autorisé dans un plan perpendiculaire à l'axe optique et
situé à une distance égale à la longueur du trajet optique de
sorte que l'information projetée par l'ensemble des sous-écrans
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soit vue sur toute la longueur de mouvement autorisé,
caractérisé en ce que les sous-écrans présentent une intensité
lumineuse croissante en fonction de leur éloignement de l'axe
optique principal du viseur.
Selon un mode de réalisation de la présente invention,
les positions et les dimensions des sous-écrans sont en outre
définies en fonction de l'écart moyen entre les deux yeux d'une
personne.
Selon un mode de réalisation de la présente invention,
chaque sous-écran est associé à un sous-système optique, les
sous-écrans étant placés dans le plan focal objet des sous-
systèmes optiques.
Selon un mode de réalisation de la présente invention,
les sous-systèmes optiques sont répartis régulièrement dans un
plan perpendiculaire à l'axe optique principal du viseur.
Selon un mode de réalisation de la présente invention,
l'information projetée est une image qui est répartie sur
l'ensemble des sous-écrans.
Selon un mode de réalisation de la présente invention,
les sous-écrans sont définis en surface d'un substrat.
Selon un mode de réalisation de la présente invention,
les sous-écrans sont disjoints.
Selon un mode de réalisation de la présente invention,
suivant un premier axe, la longueur de mouvement maximal
autorisé est nulle et la vision de l'observateur est
monoculaire, les sous-écrans étant placés symétriquement de part
et d'autre de l'axe optique principal du viseur, chaque sous-
écran présentant une longueur suivant le premier axe égale à
fL/D, les sous-écrans étant distants bord à bord d'une distance
égale à L, f et L étant, respectivement, la distance focale et
la largeur des sous-systèmes optiques, D étant la longueur du
trajet optique.
Selon un mode de réalisation de la présente invention,
suivant un premier axe, la longueur de mouvement maximal
autorisé est non nulle, la vision de l'observateur est
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monoculaire et le dispositif comprend un nombre Q de sous-
système optiques et de sous-projecteurs, les sous-écrans étant
placés symétriquement de part et d'autre de l'axe optique
principal du viseur, les centres des sous-écrans étant placés à
5 une distance les uns des autres égale à fL/D+L, chaque sous-
écran présentant une longueur suivant le premier axe égale à
f/D(L+B), dans la limite d'une zone d'une dimension égale à
QfL/D centrée sur l'axe optique du sous-système optique associé,
f et L étant, respectivement, la distance focale et la largeur
des sous-systèmes optiques, D étant la longueur du trajet
optique.
Selon un mode de réalisation de la présente invention,
suivant un premier axe, la longueur en mouvement maximal
autorisé est nulle et la vision de l'observateur est
binoculaire, les sous-écrans étant placés symétriquement de part
et d'autre de l'axe optique principal du viseur, chaque sous-
écran présentant une longueur suivant le premier axe égale à
fL/D, excepté les sous-écrans les plus éloignés de l'axe optique
principal qui présentent une longueur égale à f/D(L+y/2), les
sous-écrans étant distants bord à bord d'une distance égale à L,
f et L étant, respectivement, la distance focale et la largeur
des sous-systèmes optiques, D étant la longueur du trajet
optique.
Selon un mode de réalisation de la présente invention,
suivant un premier axe, la longueur en mouvement maximal
autorisé est égale à un écart moyen entre les deux yeux d'une
personne et la vision de l'observateur est binoculaire, les
sous-écrans étant placés symétriquement de part et d'autre de
l'axe optique principal du viseur, chaque sous-écran présentant
une longueur suivant le premier axe égale à fL/D, les sous-
écrans étant distants bord à bord d'une distance égale à L, f et
L étant, respectivement, la distance focale et la largeur des
sous-systèmes optiques, D étant la longueur du trajet optique.
Selon un mode de réalisation de la présente invention,
suivant un premier axe, la longueur de mouvement maximal
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autorisé est supérieure à un écart moyen entre les deux yeux
d'une personne, la vision de l'observateur est binoculaire et le
dispositif comprend un nombre Q de sous-systèmes optiques et de
sous-projecteurs, les sous-écrans étant placés symétriquement de
part et d'autre de l'axe optique principal du viseur, les
centres des sous-écrans étant placés à une distance les uns des
autres égale à fL/D+L, chaque sous-écran présentant une longueur
suivant le premier axe égale à f/D(L+B-y), dans la limite d'une
zone d'une dimension égale à QfL/D centrée sur l'axe optique du
sous-système optique associé, f et L étant, respectivement, la
distance focale et la largeur des sous-systèmes optiques, D
étant la longueur du trajet optique.
Selon un mode de réalisation de la présente invention,
le viseur comprend un nombre impair de sous-écrans suivant le
premier axe, l'intensité d'éclairement du sous-écran de rang i
étant égale à l'intensité d'éclairement du sous-écran central
(i = 1) multipliée par le facteur suivant :
1 ¨ cos(Cel 2
= ________________________________ , avec a'i égal à :
1¨ cosrl
2
7(i¨ 1)L L 7(i¨ 1)L L
cC = arctan arctan __
D
2f; D 2f;
f et L étant, respectivement, la distance focale et la largeur
des sous-systèmes optiques, D étant la longueur du trajet
optique.
Selon un mode de réalisation de la présente invention,
le viseur comprend un nombre pair de sous-écrans suivant le
premier axe, l'intensité d'éclairement du sous-écran de rang i
étant égale à l'intensité d'éclairement du sous-écran central
(i = 1) multipliée par le facteur suivant :
1 ¨ cos(C(1)
r= = _______________________________________________ , avec ai égal à :
1 ¨ cosOEV)
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i ¨ ¨ _ _
2 2
= arctan + It ¨ arctan ¨ --
D 2f D 2f
; ;
f et L étant, respectivement, la distance focale et la largeur
des sous-systèmes optiques, D étant la longueur du trajet
optique.
Selon un mode de réalisation de la présente invention,
chaque sous-écran est constitué d'une matrice de cellules à
diodes électroluminescentes organiques.
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 illustre le principe de fonctionnement
d'un viseur tête haute selon un mode de réalisation de la
présente invention ;
les figures 3 à 5 illustrent différentes observations
réalisées à l'aide des dispositifs des figures 1 et 2 ;
les figures 6 à 8 illustrent des structures optiques
permettant la détermination de règles géométriques pour la
conception d'un écran d'un viseur tête haute amélioré ;
les figures 9 et 10 illustrent la répartition de sous-
écrans selon un mode de réalisation de la présente invention ;
et
les figures 11 et 12 illustrent des règles de
formation de sous-projecteurs de viseurs tête haute 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.
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Description détaillée
Pour obtenir un viseur tête haute compact, c'est-à-
dire comprenant un système de projection 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 élémentaires, chaque sous-système de
projection fonctionnant de la même façon et projetant une
portion d'une image à afficher en superposition d'une image
réelle.
La figure 2 représente schématiquement un viseur tête
haute selon un mode de réalisation.
En figure 2, le dispositif comprend une lame semi-
transparente 10 qui est placée entre l'observateur 12 et une
scène à observer 14. La surface de la lame semi-transparente 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. Il est à noter que la lame semi-
transparente peut être remplacée par un filtre interférentiel
réalisant la même fonction qu'une lame semi-transparente.
Un système de projection d'une image à superposer à
l'image de la scène est prévu. Il comprend une source d'images
24, par exemple un écran, associé à un système optique 26. Le
système de projection est placé ici perpendiculairement à l'axe
entre la scène et l'observateur, et le faisceau qui est issu du
système optique 26 atteint la lame semi-transparente 10
perpendiculairement à cet axe.
La lame semi-transparente 10 combine, c'est-à-dire
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 14. Le
système de la figure 2 fonctionne donc de la même façon que le
système de la figure 1.
Le système optique 26 comprend un ensemble de sous-
systèmes optiques 26A, 26B et 26C de même distance focale. La
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source d'images 24 est placée à une distance du système optique
26 égale à la distance focale objet de chacun des sous-systèmes
optiques 26A à 26C.
La source d'image 24, par exemple un écran, est
divisée en plusieurs sous-écrans. Dans la vue en coupe de la
figure 2, trois sous-écrans 24A, 24B et 24C sont représentés. On
notera que ce nombre peut être plus ou moins important. Chaque
sous-écran 24A, 24B et 24C est associé à un sous-système optique
26A, 26B, 26C. Contrairement à ce qui est représenté, les sous-
écrans peuvent être décalés des axes optiques des sous-systèmes
optiques associés, comme nous le verrons ci-après.
On appellera ici l'ensemble formé d'un sous-écran et
d'un sous-système optique un sous-projecteur. Le système de
projection comporte donc une pluralité de sous-projecteurs.
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 chaque sous-système optique. Le
système optique présente ainsi une ouverture faible tout en
étant formé de structures optiques élémentaires simples. La
compacité du dispositif complet est ainsi assurée.
L'écran 24 est prévu de façon que chaque sous-écran
24A, 24B, 24C affiche une partie de l'information, l'information
complète étant recombinée par le cerveau de l'observateur. Pour
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cela, l'image que l'on souhaite projeter en réalité augmentée
est divisée en blocs qui sont répartis sur les différents sous-
écrans.
A titre d'exemple, l'écran 24 peut être constitué
5 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.
Dans un écran OLED, une ou plusieurs couches de
10 matériaux organiques sont formées entre deux électrodes
conductrices, l'ensemble s'étendant sur un substrat. L'électrode
supérieure est transparente ou semi-transparente et est
couramment constituée d'une fine couche d'argent dont
l'épaisseur peut être de l'ordre de quelques nanomètres.
Lorsqu'une tension adaptée est appliquée entre les deux
électrodes, un phénomène d'électroluminescence apparaît dans la
couche organique.
Cependant, avec un écran de type OLED, un problème
d'accès aux électrodes peut se poser. En effet, pour obtenir une
bonne visibilité de l'information projetée, du fait des
faiblesses en transmission des dispositifs susceptibles d'être
placés en sortie de l'écran, il est nécessaire d'atteindre une
luminance en sortie des sous-écrans de l'ordre de 20000 Cd/m2.
Pour obtenir une telle luminance, il est nécessaire d'envoyer
des courants importants dans l'électrode supérieure de la
structure OLED, typiquement de l'ordre de quelques ampères à une
dizaine d'ampères. Cependant, une couche d'argent de quelques
nanomètres d'épaisseur ne peut supporter un tel ampérage.
Ainsi, on cherche à diminuer la quantité de courant à
apporter à un écran OLED, ou à former un écran de surface
réduite. On prévoit ici de former des dispositifs dans lesquels
les sous-écrans sont placés par rapport aux sous-systèmes
optiques et sont dimensionnés de façon optimisée pour assurer la
réalisation pratique du système de projection du viseur tête
haute.
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Les figures 3 à 5 illustrent différentes observations
réalisées à l'aide des dispositifs des figures 1 et 2.
En figure 3 est illustrée une image 30 qui est
affichée sur un écran tel que l'écran 16 de la figure 1 (donc
avec une optique mono-pupillaire). Un cadre 32, qui entoure
l'image 30, représente schématiquement la pupille de sortie du
dispositif de projection 18 de la figure 1. Dans l'exemple de la
figure 3, la pupille de sortie 32 est légèrement plus large que
l'image affichée par l'écran 30. Dans ce cas, l'observateur
observe l'ensemble de l'information contenue dans l'image 30,
tant que la tête de l'observateur reste dans ce que l'on appelle
la "boîte à oeil" du dispositif (en anglais eye-box ou head
motion box).
Cette "boîte à oeil" est définie comme étant l'espace
où l'observateur peut bouger la tête tout en recevant
l'intégralité de l'information projetée. En d'autres termes,
tant que la tête de l'observateur reste dans la boîte à oeil, il
réceptionne l'ensemble de l'information projetée.
En figure 4 est illustrée la vision de l'information
par un observateur, dans le cas où le viseur tête haute comprend
une optique mono-pupillaire (cas de la figure 1), lorsque la
tête de l'observateur sort de la boîte à oeil. Dans ce cas, la
pupille de sortie 34 (portion vue par l'observateur) est décalée
par rapport à l'image 30, ce qui implique que seule une portion
30' de l'image 30 est vue par l'observateur.
En figure 5 est illustrée la vision de l'information
par un observateur, dans le cas où le viseur tête haute a une
optique multi-pupillaire (figure 2), lorsque la tête de
l'observateur sort de la boîte à oeil. Dans ce cas, la pupille
de sortie 36 vue par l'observateur est décalée par rapport à
l'image 30, ce qui implique que seule une portion 30" de l'image
30 est accessible par l'observateur. En outre, du fait de la
structure multi-pupillaire de la figure 2, la portion 30" est
vue de façon fragmentée. En effet, dans le cas d'une optique
multi-pupillaire, l'image étant projetée par un ensemble de
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sous-projecteurs, chaque sous-projecteur présente sa propre
boîte à oeil. Ainsi, lorsque l'observateur sort de la boîte à
oeil globale du dispositif, il sort également de la boîte à oeil
de chacun des sous-projecteurs, ce qui provoque une fragmen-
tation de l'image vue par l'observateur. Il en résulte que
l'image finale vue par l'observateur est constituée d'un
ensemble de bandes verticales 30" (dans le cas d'un déplacement
latéral de la tête de l'observateur) de portions de l'image 30.
Ainsi, le positionnement et la taille des sous-écrans
d'un viseur tête haute à optique multi-pupillaire doivent être
adaptés en fonction d'une boîte à oeil souhaitée prédéfinie. On
décrira ci-après différents cas, en partant d'une boîte à oeil
de taille nulle (seule une position de l'observateur assure la
réception de l'ensemble de l'information), l'image projetée
remplissant l'ensemble de la surface de la pupille de sortie.
Les figures 6 à 8 illustrent des structures optiques
permettant la détermination de règles géométriques pour le
placement amélioré de sous-écrans OLED.
En figure 6, on considère un système optique
comprenant deux sous-écrans 241 et 242 placés, sur un même
substrat 40, en regard de deux sous-systèmes optiques 261 et
262. Les sous-écrans sont placés au plan focal objet des sous-
systèmes optiques (la distance séparant les sous-systèmes
optiques et les sous-écrans est égale à la distance focale objet
f des sous-systèmes optiques). Dans cet exemple, les sous-écrans
241 et 242 et les sous-systèmes optiques 261 et 262 s'étendent
symétriquement de part et d'autre de l'axe optique principal du
dispositif.
Dans cette figure, le but est de déterminer la surface
de chaque sous-écran utile lors que l'observateur ferme un oeil
(vision monoculaire), c'est-à-dire la portion de chaque sous-
écran vue par l'oeil, si l'oeil est placé sur l'axe optique
principal du dispositif à une distance D du système optique 26.
La distance D entre les sous-systèmes optiques 261 et 262 et
l'observateur est appelée trajet optique. On notera que, dans le
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cas d'un viseur tête haute tel que celui de la figure 2, le
trajet optique, et donc la distance D que l'on va considérer par
la suite, correspond au trajet lumineux entre les sous-systèmes
optiques 261 et 262 et l'observateur, en passant par exemple par
la lame semi-réfléchissante 10.
Comme cela est représenté en figure 6, seule une
portion 42 d'un sous-écran 241 est vue par l'oeil de
l'observateur. Ainsi, si on considère un observateur immobile
tel que celui de la figure 6 (boîte à oeil de taille nulle et
vision monoculaire), seule la portion 42 du sous-écran est une
portion utile à l'observation. Le reste de l'écran peut ainsi
être déconnecté, ou encore l'écran 241 peut être réduit à la
seule portion 42, pour une même visibilité de l'information (en
projetant l'ensemble de l'information sur la portion 42 de
l'écran 241). Cette idée est à la base du dimensionnement des
sous-écrans proposé ici.
La portion 42 du sous-écran 241 accessible par l'oeil
a une dimension fL/D, L étant le diamètre du sous-système
optique 261, le bord de la portion 42 étant situé à une distance
d=L/2 de l'axe optique principal.
Dans l'exemple de la figure 7 est représenté un
dispositif comprenant trois sous-projecteurs constitués de trois
sous-écrans 24'1, 24'2 et 24'3 formés sur un substrat 40 en
regard de trois sous-systèmes optiques 26'1, 26'2 et 26'3. Le
substrat 40 est placé dans le plan focal objet des sous-systèmes
optiques 26'1, 26'2 et 26'3. Le sous-projecteur central (24'2,
26'2) a son axe optique confondu avec l'axe optique principal du
dispositif et les sous-projecteurs périphériques s'étendent
symétriquement par rapport à l'axe optique principal du
dispositif. Ici, on considère la portion 42' d'un sous-écran
périphérique accessible en vision monoculaire par un oeil placé
sur l'axe optique principal du dispositif, à une distance D du
système optique 26.
Dans ce cas, on obtient que la portion 42' du sous-
écran 24'1 périphérique accessible à l'oeil a une dimension
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égale à fL/D, L étant le diamètre du sous-système optique 26'1,
le bord de la portion 42' étant situé à une distance d'=L+fL/2D
de l'axe optique principal, L étant le diamètre des sous-
systèmes optiques 26'1, 26'2, 26'3.
En outre, quelle que soit la position d'un sous-écran
dans un dispositif comprenant un nombre pair ou impair de sous-
écrans, la surface de ce sous-écran visible par un oeil (vision
monoculaire) placé sur l'axe optique principal du dispositif est
égale à fL/D.
La figure 8 reprend le cas de la figure 6 avec un
projecteur comprenant deux sous-projecteurs constitués chacun
d'un sous-écran 241, 242 et d'un sous-système optique 261, 262.
On s'intéresse ici à la région des sous-écrans qui est
accessible à un observateur en vision binoculaire. Dans notre
cas, en vue de dessus, les deux yeux de l'observateur R et L
sont placés de part et d'autre de l'axe optique principal du
dispositif, à une distance y/2 de cet axe optique principal (y
étant ainsi l'écart entre les deux yeux de l'observateur).
Dans ce cas, l'oeil droit R, respectivement l'oeil
gauche L, voit une portion 42R, respectivement 42L, du sous-
écran 241 d'une surface égale à fL/D, avec les mêmes références
que précédemment. Cependant, du fait de la superposition des
régions vues par les deux yeux, la surface utile du sous-écran
241, c'est-à-dire la surface de l'écran 24 qui est vue au moins
par un oeil de l'utilisateur, présente une largeur égale à
fL/D+fy/2D.
On prévoit ici de limiter la taille des écrans à la
taille utile, c'est-à-dire réellement vue par l'observateur. On
peut ainsi réduire la consommation du dispositif.
Pour définir la surface utile de chacun des sous-
écrans en fonctionnement, il faut tenir compte du fait que la
tête de l'observateur est susceptible de bouger, selon une
amplitude maximale que l'on prédéfinit. On notera que,
verticalement, la tête d'un observateur est moins sujette aux
mouvements et la vision est monoculaire. Cependant, les
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enseignements ci-après s'appliquent autant à un mouvement
vertical autorisé de la tête qu'à un mouvement latéral.
On appellera par la suite B la longueur de mouvement
maximal accepté de la tête (égale à la taille de la boîte à oeil
5 suivant un premier axe, par exemple horizontal). B correspond
ainsi à l'amplitude maximale crête à crête en mouvement de la
tête acceptée. On définit ci-après des règles de positionnement
des sous-écrans de telle façon que, si la tête de l'observateur
bouge dans une direction d'une distance inférieure ou égale à
10 B/2, ou dans une direction opposée d'une distance inférieure ou
égale à B/2, la vision de l'information donnée par l'ensemble
des sous-écrans soit toujours entière, c'est-à-dire que chaque
pixel de chaque sous-écran soit vu au moins par l'un des deux
yeux de l'observateur lorsque l'on décrit toute la boîte à oeil.
15 Comme on le verra ci-après, les règles de
dimensionnement et de positionnement de chacun des sous-écrans
varient en fonction que l'on souhaite une amplitude en mouvement
autorisé nulle ou non, et que l'on se place en vision
binoculaire ou monoculaire (par exemple vision binoculaire
horizontalement, monoculaire verticalement). En particulier,
l'inventeur a montré que le raisonnement conduisant au
dimensionnement des sous-écrans dans une direction dans laquelle
la vision est monoculaire avec une boîte à oeil non nulle
s'applique également au cas où la vision est binoculaire avec
une boîte à oeil B de valeur supérieure à la distance entre les
deux yeux y de l'observateur.
Les figures 9 et 10 illustrent des règles de
positionnement et de dimensionnement de sous-écrans sur un
substrat selon un mode de réalisation.
Dans ces deux figures, on prévoit un dispositif
comprenant un nombre Q = 5 de sous-écrans 241 à 245 placés en
regard de cinq sous-systèmes optiques 261 à 265.
Dans ces figures, les sous-écrans 241 à 245 sont
placés dans le plan focal objet des sous-systèmes optiques 261 à
265 de façon que, en vision monoculaire, l'image reconstituée
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remplisse toute la pupille de sortie. Ainsi, dans ce cas, la
boîte à oeil a une dimension B nulle (le moindre mouvement de la
tête de l'observateur implique une perte d'information). Un
calcul simple permet d'obtenir que les sous-écrans présentent
une longueur dans le plan des figures égale à fL/D et sont
séparés d'une distance égale à la taille des sous-systèmes
optiques L.
Dans le cas des figures 9 et 10, les sous-écrans sont
plus ou moins décalés de l'axe optique du sous-système optique
associé, en fonction de leur éloignement de l'axe optique
principal du système de projection. Dans ces figures sont
représentés pour illustration des régions 501 à 505 qui sont
placées dans le plan focal objet des sous-systèmes optiques 261
à 265 et qui sont centrées sur l'axe optique des sous-systèmes
optiques 261 à 265. Chaque région 501 à 505 présente une
longueur égale à QfL/D, dans notre cas 5fL/D. On voit dans ce
cas que chaque sous-écran 241 à 245 est placé en regard d'une
portion de la région 501 à 505 correspondant à son rang, c'est-
à-dire que les sous-écrans situés aux extrémités du dispositif
sont placés aux extrémités des régions 501 à 505 de part et
d'autre du dispositif. En outre, l'illustration des régions 501
à 505 permet de représenter la partie de l'image que doit
afficher le sous-écran correspondant : les sous-écrans en
périphérie affichent ainsi une portion périphérique de l'image.
En figure 9, on cherche à obtenir une boîte à oeil,
toujours en vision monoculaire à une distance D du dispositif de
projection, d'une dimension égale à B1 relativement faible. Dans
cette figure, les traits pleins délimitent la zone du plan focal
visible lorsque l'oeil se déplace à gauche dans la figure (d'une
distance B1/2) et les traits en pointillés délimitent la zone du
plan focal visible lorsque l'oeil se déplace à droite dans la
figure (d'une distance B1/2).
Si on veut voir une image complète quelle que soit la
position de l'oeil dans la boîte à oeil, le sous-écran doit être
positionné et dimensionné de façon à correspondre au champ de
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recouvrement des régions visibles aux deux extrémités de la
boîte à oeil. Cependant, pour éviter les phénomènes de
fragmentation présentés en relation avec la figure 5, les sous-
écrans doivent être grossis d'une distance fB/2D de part et
d'autre du sous-écran, avec ici B = Bl.
En figure 10, on prévoit une boîte à oeil, toujours en
vision monoculaire à une distance D du dispositif de projection,
d'une dimension égale à B2 relativement importante. Dans cette
figure, le trait plein délimite la limite du plan focal visible
lorsque l'oeil se déplace à gauche dans la figure (d'une
distance B2/2) et le trait en pointillés délimite la limite du
plan focal visible lorsque l'oeil se déplace à droite dans la
figure (d'une distance B2/2).
Dans le cas de la boîte à oeil de dimension B2, si on
prévoit d'augmenter la taille des sous-écrans de chaque côté de
fB/2D, avec ici B = B2, on voit dans ce cas que, pour un des
côtés, ce n'est pas la peine de grossir autant le sous-écran, la
portion du sous-écran 24i dépassant de la région 50i
correspondante étant inutile. Ainsi, les sous-écrans
périphériques (dans notre cas les sous-écrans 241 et 245) ne
doivent grossir que dans une direction.
On notera que, dans un cas où la vision est considérée
comme étant monoculaire avec une boîte à oeil non nulle, ou dans
le cas où la vision est considérée comme étant binoculaire avec
une boîte à oeil supérieure à y, chaque sous-écran présente une
dimension supérieure à fL/D. L'image à superposer à l'image
réelle est dans ces deux cas répartie sur des portions de chacun
des sous-écrans de dimensions égales à fL/D. L'information
affichée sur le reste des sous-écrans est redondante avec les
sous-écrans voisins, ce qui assure les dimensions des boîtes à
oeil désirées.
Les figures 9 et 10 permettent d'obtenir les règles de
dimensionnement et de positionnement suivantes. On choisit de
former une matrice de QxQ' sous-projecteurs, Q et Q' pouvant
être pairs ou impairs. Dans les deux directions du projecteur,
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les sous-projecteurs sont disposés de façon symétrique par
rapport à l'axe optique principal du projecteur.
En vision monoculaire, par exemple suivant l'axe
vertical de l'observateur, si l'on souhaite une boîte à oeil
nulle (B = 0), les sous-écrans sont placés symétriquement par
rapport à l'axe optique principal du dispositif, présentent des
dimensions égales à fL/D et sont distants bord à bord d'une
distance L (les centres des sous-écrans sont ainsi distants
d'une distance égale à L+fL/D).
Si l'on souhaite une boîte à oeil non nulle (B # 0),
les sous-écrans sont placés symétriquement et sont centrés de la
même façon que dans le cas d'une boîte à oeil nulle (les centres
des sous-écrans sont placés à une distance les uns des autres
égale à fL/D+L), mais présentent des dimensions augmentées de
fB/2D de chaque côté par rapport au cas où B = 0. Ainsi, les
sous-écrans présentent des dimensions égales à f/D(L+B). La
distance bord à bord des sous-écrans est alors inférieure à L.
Le grossissement des sous-écrans est réalisé de façon à ne pas
sortir d'une zone d'une dimension égale à QfL/D centrée sur
l'axe optique du sous-système optique associé, Q étant le nombre
de sous-projecteurs dans la direction considérée.
En vision binoculaire, par exemple suivant l'axe
horizontal de l'observateur, si l'on souhaite une boîte à oeil
nulle (B = 0), les sous-écrans présentent des dimensions égales
à fL/D et sont distants bord à bord d'une distance L. Ainsi, les
centres des sous-écrans sont distants d'une distance égale à
L+fL/D. Les sous-écrans périphériques ont quant à eux une
dimension égale à (L+y/2)f/D, y étant l'écart entre les deux
yeux d'une personne. On notera que, dans la littérature, l'écart
moyen ymoy entre les deux yeux d'une personne est compris entre
60 et 70 mm, typiquement de l'ordre de ymoy = 65 mm. Ainsi, en
pratique, on pourra prendre y = ymoy.
Si l'on souhaite une boîte à oeil égale à la distance
y entre les yeux de l'observateur, tous les sous-écrans ont des
dimensions égales à fL/D et sont distants bord à bord d'une
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distance L. Ainsi, les centres des sous-écrans sont ainsi
distants d'une distance égale à L+fL/D.
Si l'on souhaite une boîte à oeil supérieure à la
distance y entre les yeux de l'observateur, les sous-écrans sont
centrés de la même façon que ci-dessus (les centres des sous-
écrans sont placés à une distance les uns des autres égale à
fL/D+L mais grossissent de (B-y)f/2D de part et d'autre. Les
sous-écrans présentent donc une dimension égale à (L+B-y)f/D. La
distance bord à bord des sous-écrans est donc inférieure à L. Le
grossissement des sous-écrans se produit de façon à ne pas
dépasser d'une zone d'une dimension QfL/D centrée sur l'axe
optique du sous-système optique associé, Q étant le nombre de
sous-projecteurs suivant l'axe de mouvement considéré.
Avantageusement, la formation d'écrans constitués de
sous-écrans dont les dimensions et le positionnement sont
définis de la façon ci-dessus permet de réduire la consommation
du dispositif, puisque seulement des portions utiles d'un écran,
ou seulement de petits écrans, sont alimentées. En outre, les
répartitions des sous-écrans proposées ci-dessus peuvent
correspondre directement à la réalisation pratique d'électrodes
supérieures d'écrans OLED, qui peuvent être alimentées par des
pistes conductrices (non représentées) de tailles adaptées à la
transmission d'un courant d'alimentation de fort ampérage.
En outre, au fur et à mesure que l'on s'éloigne du
centre optique, chaque sous-écran 24i, 24'i voit son sous-
système optique 26i, 26'i associé selon un angle de plus en plus
fermé. Il en résulte que la composition de l'image, visualisée
par l'observateur, se fait avec un dégradé de luminance qui est
décroissant du centre vers le bord de l'image. En effet, de
nombreux écrans, et notamment les écrans à base d'OLED, ne sont
pas des sources lumineuses Lambertiennes qui assurent, quel que
soit le point d'observation de l'écran, la réception d'une même
luminance. Il est donc nécessaire de prendre en compte ce
phénomène.
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La figure 11 illustre un sous-écran 24'i décentré par
rapport à l'axe optique principal du dispositif (représenté en
pointillés), associé à un sous-système optique 26'i de dimension
égale à L et de distance focale f (le sous-écran est situé à une
5 distance f du sous-système optique). Le dispositif comprend un
nombre impair de sous-projecteurs. Le sous-écran 24'i est le
sous-écran de rang i d'un côté de l'axe optique principal du
dispositif (i=1 pour le sous-projecteur central). Dans cette
figure, on appelle a'i l'angle formé entre un premier faisceau
10 partant du centre du sous-écran 24'i et atteignant une première
extrémité du sous-système optique 26'i, et un deuxième faisceau
partant du centre du sous-écran 24'i et atteignant une deuxième
extrémité, opposée à la première extrémité, du sous-système
optique 26'i. D étant la longueur du trajet optique jusqu'à
15 l'observateur, l'angle a'i est défini par :
7(i- 1)L L 7(i- 1)L L
cC = arctan _______________________________ arctan _______
D
2f; D 2f;
Le flux traversant la lentille 26'i varie proportion-
nellement à la valeur 21-1(1-cos(o'i/2)). Le ratio de flux entre
le sous-système optique central (i = 1) et le sous-système
20 optique de rang i est donc :
1 - cos(Cel 2
= ________________________________ , avec a'i tel que défini ci-dessus.
1 - coseeV)
2
On prévoit ici de corriger l'intensité de chaque sous-
écran en augmentant celle-ci de ce ratio, en fonction du rang du
sous-écran dans le dispositif.
La figure 12 est une courbe du ratio r'i en fonction
du rang i du sous-système optique dans le dispositif, de part et
d'autre de l'axe optique principal du dispositif.
Dans cette courbe, on voit notamment que, pour un
sous-écran de rang 5, l'intensité d'éclairement de ce sous-écran
doit être au moins égale à 1,5 fois l'intensité d'éclairement du
sous-écran central.
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On notera que, pour un dispositif comprenant un nombre
pair de sous-projecteurs suivant un axe considéré, le ratio ri
est alors défini par rapport au sous-système optique de rang 1
par :
1 ¨ cos( l)
r= = ___________
1 ¨ cosOEV)
2
avec lai l'angle tel que défini en figure 8 pour le ième sous-
écran de part et d'autre de l'axe optique du système de
projection égal à :
1
1
2 2
= arctan + ¨ arctan ¨ .
D 2f D 2f
; ;
Les sous-écrans de rangs supérieurs à 1 ont ainsi
leurs intensités d'éclairement compensées de ce ratio par
rapport au sous-écran de rang 1 (le premier sous-écran de part
et d'autre de l'axe optique principal du système de projection).
Ainsi, outre le dimensionnement des sous-écrans
proposé en relation avec les figures 9 et 10, on prévoit une
alimentation de ceux-ci adaptée à leurs positions dans le
dispositif pour que l'intensité lumineuse qu'ils fournissent
implique une luminance reçue par l'observateur uniforme en
provenance de tous les sous-écrans.
Des modes de réalisation particuliers de la présente
invention ont été décrits. Diverses variantes et modifications
apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, on notera que
l'on a présenté ici l'invention avec des sous-écrans constitués
par exemple d'OLED, mais on comprendra que l'invention
s'applique également à des systèmes de projection dans lesquels
les écrans sont constitués de sources non Lambertiennes
différentes de diodes OLED, tant que les dimensions de chacun
des sous-écrans proposées ci-dessus sont respectées.
En outre, divers modes de réalisation avec diverses
variantes ont été décrits ci-dessus. On notera que l'homme de
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l'art pourra combiner divers éléments de ces divers modes de
réalisation et variantes sans faire preuve d'activité inventive.
