FR2702299A1 - Visual display system - Google Patents
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Abstract
Description
SYSTEME DE VISUALISATION
L'invention concerne un système de visualisation applicable notamment à un système de visualisation couleur à haute définition.VISUALIZATION SYSTEM
The invention relates to a display system applicable in particular to a high definition color display system.
Les systèmes de visualisation en couleur ont actuellement de nombreuses applications : télévision; ordinateurs portables, viseurs de caméscopes, etc. Toutefois, ces systèmes ne conviennent à la visualisation d'images ou d'informations exigeant une résolution angulaire très fine, inférieure typiquement à deux minutes d'arc (rappelons que la résolution angulaire de l'oeil est de l'ordre de la minute d'arc) sous un champ de vision élevé (environ 60 ), ce qui correspond à des définitions de l'ordre de 2 000 x 2 000 points image couleur; c'est notamment le cas des cartes géographiques.A titre d'exemple, une carte routière de FIGN au 1:100 000ème présente une résolution d'environ 100 clam ; un système de visualisation comprenant 2 000 x 2 000 points image couleur permettrait donc de visualiser sans perte d'information un morceau de carte de 200 x 200 mm2, correspondant sur le terrain à 20 x 20 km2. Color display systems currently have many applications: television; laptops, camcorders, etc. However, these systems are not suitable for viewing images or information requiring a very fine angular resolution, typically less than two minutes of arc (remember that the angular resolution of the eye is of the order of one minute d 'arc) under a high field of vision (around 60), which corresponds to definitions of the order of 2000 x 2000 color image points; this is particularly the case with geographic maps. For example, a FIGN road map at 1: 100,000 has a resolution of approximately 100 clam; a visualization system comprising 2,000 x 2,000 color image points would therefore make it possible to visualize, without loss of information, a piece of map of 200 x 200 mm2, corresponding in the field to 20 x 20 km2.
Cette limitation est d'ordre technologique, et apparaît encore plus difficile à franchir quand il s'agit de dispositifs compacts dans lesquels on veut engendrer l'image sur des écrans de diagonale 10 à 50 mm; ce type d'application nécessiterait en effet de pouvoir fabriquer des écrans polychromes compacts comprenant typiquement 4 millions de points image couleur, c'est-à-dire au moins trois fois plus de points élémentaires monochromes. Dans le cas d'un écran de diagonale 30 mm, le pas des points image couleur devrait donc être inférieur à 10 lm, valeur difficilement envisageable avec la technologie actuelle et son évolution prévisible. This limitation is technological, and appears even more difficult to overcome when it comes to compact devices in which we want to generate the image on screens of diagonal 10 to 50 mm; this type of application would indeed require the ability to manufacture compact polychrome screens typically comprising 4 million color image points, that is to say at least three times more elementary monochrome points. In the case of a 30 mm diagonal screen, the pitch of the color image points should therefore be less than 10 lm, a value which is difficult to envisage with current technology and its foreseeable evolution.
A titre d'exemple, sont fabriqués actuellement des écrans polychromes à cristaux liquides nématiques et transistors en couches minces de diagonale environ 30 mm, comportant 740 x 230 points image élémentaires, correspondant à un pas de 85 lm pour les lignes et de 35 Fum pour les colonnes, soit une résolution angulaire des triplets couleur, ramenée à un champ de vision de 60 , de l'ordre de 15'. By way of example, polychrome nematic liquid crystal screens and transistors are produced in thin layers of diagonal approximately 30 mm, comprising 740 x 230 elementary image points, corresponding to a step of 85 lm for the lines and 35 sm for the columns, ie an angular resolution of the color triplets, reduced to a field of vision of 60, of the order of 15 '.
Dans les écrans monochromes à cristaux liquides nématiques et transistors en couches minces, le pas des points image peut atteindre 35 ,um dans une direction (lignes ou colonnes), ce qui correspond, dans le cas d'un écran de diagonale 30 mm vu sous un champ de 60 , à une résolution angulaire de l'ordre de 5'. Par contre, pour des écrans monochromes à cristaux liquides ferroélectriques, le pas des points image peut atteindre des valeurs nettement plus faibles, jusqu'à 10 lm dans les deux directions, soit une résolution angulaire de l'ordre de 2'. In monochrome nematic liquid crystal screens and thin film transistors, the pitch of the image points can reach 35 .mu.m in one direction (lines or columns), which corresponds, in the case of a screen of diagonal 30 mm seen under a field of 60, at an angular resolution of the order of 5 '. On the other hand, for monochrome ferroelectric liquid crystal screens, the pitch of the image points can reach significantly lower values, up to 10 lm in both directions, ie an angular resolution of the order of 2 '.
L'invention propose une méthode qui, tout en restant compatible avec la technologie existante et son évolution prévisible, permet de résoudre ce problème en séparant les éléments de haute résolution des éléments de faible résolution. Cette méthode est applicable en particulier à la présentation de cartographie et d'images de synthèse. The invention proposes a method which, while remaining compatible with existing technology and its foreseeable evolution, makes it possible to solve this problem by separating the high resolution elements from the low resolution elements. This method is applicable in particular to the presentation of cartography and synthetic images.
L'invention concerne donc un système de visualisation caractérisé en ce qu'il comprend au moins un premier dispositif de visualisation polychrome émettant une image couleur et un deuxième dispositif de visualisation monochrome émettant une image monochrome superposée à l'image couleur. The invention therefore relates to a display system characterized in that it comprises at least a first polychrome display device emitting a color image and a second monochrome display device emitting a monochrome image superimposed on the color image.
Egalement, I'invention concerne un système de visualisation caractérisé en ce qu'il comprend au moins un premier et un deuxième dispositifs de visualisation disposés en série, le deuxième dispositif de visualisation modulant la lumière transmise par le premier dispositif de visualisation. Also, the invention relates to a display system characterized in that it comprises at least first and second display devices arranged in series, the second display device modulating the light transmitted by the first display device.
Plus précisément dans un tel système de visualisation le dispositif affichant une image monochrome a une meilleure définition que le dispositif affichant une image polychrome. More precisely in such a display system, the device displaying a monochrome image has a better definition than the device displaying a polychrome image.
C'est ainsi que le système de visualisation est caractérisé en ce qu'il comprend au moins un premier dispositif de visualisation polychrome émettant une image couleur et un deuxième dispositif de visualisation monochrome émettant une image monochrome superposée à l'image couleur. The display system is thus characterized in that it comprises at least a first polychrome display device emitting a color image and a second monochrome display device emitting a monochrome image superimposed on the color image.
Selon des modes de réalisation préférés, les dispositifs de visualisation sont des écrans à cristal liquide et le dispositif de visualisation monochrome est un écran à cristal liquide ferroélectrique. According to preferred embodiments, the display devices are liquid crystal screens and the monochrome display device is a ferroelectric liquid crystal screen.
Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre et dans les figures annexées qui sont données à titre d'exemple non limitatif. Les figures annexées représentent:
- les figures la et lb, des exemples de réalisation simplifiés du système de visualisation selon l'invention;
- les figures 2 et 3, des exemples de réalisation détaillés du système de l'invention utilisant à titre d'exemple des cellules à cristaux liquides.The various objects and characteristics of the invention will appear more clearly in the description which follows and in the appended figures which are given by way of nonlimiting example. The attached figures represent:
- Figures la and lb, simplified embodiments of the display system according to the invention;
- Figures 2 and 3, detailed embodiments of the system of the invention using by way of example liquid crystal cells.
En se reportant aux figures la et lb on va tout d'abord décrire de façon générale le système de l'invention. Referring to Figures la and lb we will first of all describe in general the system of the invention.
Selon la figure la, ce système comporte deux dispositifs de visualisation V1, V2 qui affichent chacun une image. La lumière F1, F2 provenant de ces affichages est couplée dans un dispositif de couplage de telle sorte que la sortie F3 affiche la superposition des deux images V1 et V2. According to FIG. 1 a, this system comprises two display devices V1, V2 which each display an image. The light F1, F2 coming from these displays is coupled in a coupling device so that the output F3 displays the superposition of the two images V1 and V2.
Les dispositifs de visualisation peuvent être des dispositifs soit de type émissifs (tels que écrans à rayons cathodiques) soit de type fonctionnant par éclairement à l'aide d'une ou plusieurs sources auxiliaires (tels que écrans à cristaux liquides). The display devices can be devices either of the emissive type (such as cathode ray screens) or of the type operating by illumination using one or more auxiliary sources (such as liquid crystal screens).
Les deux dispositifs V1, V2 peuvent émettre de la lumière à des longueurs d'ondes différentes. Par exemple, I'un des dispositifs émet une image polychrome tandis que l'autre émet une image monochrome. Comme cela sera expliqué ultérieurement, selon une réalisation préférée de l'invention l'image monochrome aura une définition plus grande que celle de l'image polychrome. The two devices V1, V2 can emit light at different wavelengths. For example, one of the devices emits a full color image while the other emits a monochrome image. As will be explained later, according to a preferred embodiment of the invention, the monochrome image will have a greater definition than that of the polychrome image.
La figure lb représente un mode de réalisation de l'invention dans lequel les deux dispositifs de visualisation V1 et V2 sont placés en série éventuellement séparées par un objectif O (figure lc). Le dispositif V2 fonctionne sous éclairement par la lumière provenant du dispositif V1. Le dispositif V1 peut être de type émissif ou fonctionner par éclairement. La superposition de l'image qu'il affiche avec l'image que doit afficher le dispositif V2 se fait directement dans le dispositif V2, celui-ci modulant la lumière émise par le dispositif V1. L'objectif O est choisi et dissocié de façon à ajuster le grandissement et la mise au point de l'image présentée par le dispositif V1. FIG. 1b represents an embodiment of the invention in which the two display devices V1 and V2 are placed in series, possibly separated by an objective O (FIG. 1c). The device V2 operates under illumination by the light coming from the device V1. The device V1 can be of the emissive type or operate by illumination. The image it displays is superimposed on the image to be displayed by the device V2 takes place directly in the device V2, which modulates the light emitted by the device V1. The objective O is chosen and dissociated so as to adjust the magnification and the focusing of the image presented by the device V1.
Selon une réalisation préférée, le dispositif V1 affiche une image à plusieurs couleurs. Le dispositif V2 en modulant la lumière émise par V1, réalise un masquage de certaines parties de l'image de V1. Cela revient à superposer une image polychrome et une image monochrome. According to a preferred embodiment, the device V1 displays an image with several colors. The device V2 by modulating the light emitted by V1, masks certain parts of the image of V1. This amounts to superimposing a polychrome image and a monochrome image.
Si on n'utilise pas d'objectif O, le dispositif V2 est accolé à la face d'affichage du dispositif VI de façon à ce que les points images du dispositif V2 soient mis en correspondance avec des points image du dispositif V1. If an objective O is not used, the device V2 is attached to the display face of the device VI so that the image points of the device V2 are matched with image points of the device V1.
On va maintenant décrire l'invention de façon plus détaillée en l'appliquant à la visualisation couleur. Plus précisément l'invention propose une méthode de visualisation compatible avec la technologie actuelle et son évolution prévisible, susceptible de fournir des images polychromes à grand champ de vision et haute densité d'information par superposition d'une image monochrome de forte définition à une image polychrome de définition plus faible. We will now describe the invention in more detail by applying it to the color display. More precisely, the invention proposes a visualization method compatible with current technology and its foreseeable evolution, capable of providing polychrome images with a large field of vision and high information density by superimposing a monochrome image of high definition on an image. lower definition polychrome.
Cette méthode consiste à superposer optiquement les images de deux écrans, I'un, polychrome, I'autre, monochrome. Cette superposition peut être additive ou soustractive, les écrans peuvent être soit de type non émissif (cellule à cristaux liquides fonctionnant en réflexion ou en transmission), soit de type émissif (tubes cathodiques, écrans électroluminescents, panneaux de diodes électroluminescents, plasma etc). This method consists of optically superimposing the images of two screens, one, polychrome, the other, monochrome. This superposition can be additive or subtractive, the screens can be either of the non-emissive type (liquid crystal cell operating in reflection or transmission), or of the emissive type (cathode ray tubes, electroluminescent screens, electroluminescent diode panels, plasma etc).
L'écran monochrome offrant une définition plus élevée que l'écran polychrome, la superposition des deux images fournira à l'observateur une image globale, comportant des éléments monochromes et des éléments polychromes. Since the monochrome screen offers higher definition than the polychrome screen, the superimposition of the two images will provide the observer with a global image, comprising monochrome and polychrome elements.
Cette image globale aura une définition plus élevée que celle de l'écran polychrome seule. La différence sera particulièrement sensible dans le cas d'une image dont l'essentiel de l'information (alphanumérique et graphique notamment) est contenu dans la partie monochrome et dont le reste de l'information est contenu dans des plages polychromes plus ou moins étendues. C'est en particulier le cas des cartes géographiques dans lesquelles contours et légendes, généralement monochromes, contiennent l'essentiel de l'information, alors que les zones colorées offrent surtout un confort visuel supplémentaire et correspondent même souvent à une information redondante.This overall image will have a higher definition than that of the full color screen alone. The difference will be particularly noticeable in the case of an image in which most of the information (alphanumeric and graphic in particular) is contained in the monochrome part and in which the rest of the information is contained in more or less extended polychrome ranges. . This is particularly the case for geographic maps in which contours and legends, generally monochrome, contain most of the information, while the colored areas above all offer additional visual comfort and even often correspond to redundant information.
L'ensemble de la superposition des deux images peut être observé soit en vision directe soit à travers un système optique permettant à la fois le grandissement et l'observation à une distance virtuelle confortable pour l'oeil ; ce système optique peut être soit un système oculaire classique (éventuellement binoculaire), soit un système à éléments multiples non centrés fournissant une pupille de sortie étendue et offrant une grande latitude de position du regard de l'utilisateur. The entire superposition of the two images can be observed either in direct vision or through an optical system allowing both magnification and observation at a virtual distance comfortable for the eye; this optical system can be either a conventional ocular system (possibly binocular), or a non-centered multiple element system providing an extended exit pupil and offering great latitude in the position of the user's gaze.
Si l'on souhaite rendre indiscernable à l'oeil la forme des points image, les images peuvent être rendues légèrement floues, soit par défocalisation par rapport au système optique soit par insertion d'une surface dépolie Dans le cas d'une défocalisation différente pour les deux écrans, la différence de grandissement ainsi occasionnée peut être compensée en ajustant la taille des deux images
Un exemple de configuration selon l'invention réalisée avec des cellules à cristaux liquides est montré sur la figure 2.If one wishes to make the shape of the image points indistinguishable to the eye, the images can be rendered slightly blurred, either by defocusing with respect to the optical system or by insertion of a frosted surface. In the case of a different defocusing for the two screens, the difference in magnification thus caused can be compensated for by adjusting the size of the two images
An example configuration according to the invention carried out with liquid crystal cells is shown in FIG. 2.
L'écran polychrome 1 est constitué par une cellule à cnstaux liquides nématiques avec transistors en couches minces comprenant par exemple 4s ) x 400 points image couleur ; ce type d'écran, dont la technologie est blen maitnsée, permet d'obtenir de façon reproductible un grand nombre de teintes colorees
L'écran monochrome 2 est constitué par une cellule à cristaux liquides ferroélectriques avec par exemple 1600 x 1600 points image ; cette technologie permet d'obtenir une forte définition, mais est actuellement moins bien adaptée à l'obtention de teintes colorées.The polychrome screen 1 consists of a nematic liquid cell with thin film transistors comprising for example 4 s) x 400 color image points; this type of screen, whose technology is mastered, makes it possible to reproducibly obtain a large number of colored shades
The monochrome screen 2 consists of a ferroelectric liquid crystal cell with for example 1600 x 1600 image points; this technology makes it possible to obtain a high definition, but is currently less well suited to obtaining colored hues.
Ces deux cellules sont réalisables par les technologies actuelles dans des dimensions diagonales comprises entre 50 et 200 mm environ. Dans cet exemple, nous considérons plus particulièrement le cas de cellules de diagonale 50 mm, envisageant de pouvoir réduire cette taille à moins de 30 mm grâce à l'évolution de la technologie. These two cells can be produced by current technologies in diagonal dimensions of between 50 and 200 mm approximately. In this example, we are considering more particularly the case of 50 mm diagonal cells, considering being able to reduce this size to less than 30 mm thanks to the evolution of technology.
Les deux cellules, placées chacune entre polariseurs 3, 3', 3" convenablement orientés, sont observées en transmission grâce à une source de lumière 4, qui peut être soit la lumière du jour, soit une lumière artificielle ; la superposition ainsi observée est donc de type soustractif. The two cells, each placed between polarizers 3, 3 ', 3 "suitably oriented, are observed in transmission by means of a light source 4, which can be either daylight or artificial light; the superposition thus observed is therefore subtractive type.
La superposition des deux images est observée à l'aide d'un système binoculaire 5 composé d'oculaires grand champ ( > 600) de focale 40 mm environ. The superposition of the two images is observed using a binocular system 5 composed of wide field eyepieces (> 600) with a focal length of about 40 mm.
L'écran monochrome 6 est situé de préférence dans le plan focal des oculaires 5.The monochrome screen 6 is preferably located in the focal plane of the eyepieces 5.
L'écran polychrome est à une faible distance derrière ce plan ; la légère défocalisation qui en résulte permet de rendre indiscernables les points élémentaires de l'image polychrome.The polychrome screen is a short distance behind this plane; the slight defocusing that results makes the elementary points of the polychrome image indistinguishable.
Une électronique d'adressage 7 envoie aux cellules les signaux correspondant respectivement à la partie polychrome et à la partie monochrome de l'image ; les images, enregistrées dans une mémoire optique ou magnétique, sont fournies par le lecteur 8 sous forme d'un signal transmis à l'électronique d'adressage 7 par l'intermédiaire d'une interface 9. Addressing electronics 7 send the cells the signals corresponding respectively to the polychrome part and to the monochrome part of the image; the images, recorded in an optical or magnetic memory, are supplied by the reader 8 in the form of a signal transmitted to the addressing electronics 7 via an interface 9.
L'écran monochrome présente une échelle de teintes de gris numérique ou analogique, grâce à une technique de modulation de moyenne temporelle ou d'intensité, intégrée dans l'électronique d'adressage. The monochrome screen has a scale of digital or analog gray tones, thanks to a time-averaging or intensity modulation technique, integrated in the addressing electronics.
La figure 3 représente une variante de réalisation de l'invention. Dans ce système, on a prévu des écrans à cristaux liquides 1, 2 éclairés par des sources 10, 11 à travers des polariseurs 3, 3'. La superposition des images est faite de façon additive par une optique de renvoi, par exemple une lame semi-réfléchissante voire un cube séparateur de polarisations 12. Entre le cube 12 et les écrans 1, 2, il est possible de prévoir des objectifs non représentés. FIG. 3 represents an alternative embodiment of the invention. In this system, liquid crystal screens 1, 2 are provided, illuminated by sources 10, 11 through polarizers 3, 3 '. The superimposition of the images is done additively by a return optic, for example a semi-reflecting plate or even a polarization splitter cube 12. Between the cube 12 and the screens 1, 2, it is possible to provide lenses which are not shown. .
Selon une autre variante non représentée chaque ensemble "sourcepolariseur-écran à cristal" peut être remplacé par un dispositif d'affichage d'image d'une nature différente. According to another variant, not shown, each "sourcepolarizer-crystal screen" assembly can be replaced by an image display device of a different nature.
Si, comme c'est le cas des cartes géographiques, l'image monochrome présente une faible densité d'informations, on peut alors profiter, dans cette deuxième configuration, de la bonne transmission de l'écran monochrome pour augmenter la luminosité du dispositif. Cette augmentation se fera, certes, au détriment de la saturation des couleurs puisque la plupart des zones colorées de l'écran couleur apparaîtront superposées à la lumière blanche transmise par l'écran monochrome. Toutefois les images du type cartes géographiques présentant généralement des teintes peu saturées, cette perte de saturation ne sera pas forcément gênante. If, as in the case of geographical maps, the monochrome image has a low density of information, we can then take advantage, in this second configuration, of the good transmission of the monochrome screen to increase the brightness of the device. This increase will certainly be at the expense of color saturation since most of the colored areas of the color screen will appear superimposed on the white light transmitted by the monochrome screen. However, the images of the geographic maps type generally having little saturated hues, this loss of saturation will not necessarily be annoying.
Dans ces deux types de configuration, on peut prévoir pour des applications telles que celles de jumelles décrites dans la Demande de Brevet nO 91 13491 que l'écran couleur soit escamotable, ce qui permettrait de visualiser l'image monochrome seule ou superposée à d'autres images, par exemple, des paysages. In these two types of configuration, provision can be made for applications such as those of binoculars described in Patent Application No. 91 13491 for the color screen to be retractable, which would make it possible to view the monochrome image alone or superimposed on it. other images, for example, landscapes.
L'invention apporte une solution simple pour permettre la réalisation de systèmes de visualisation compacts polychromes de forte définition. The invention provides a simple solution to enable the production of compact, high definition polychrome display systems.
En utilisant la technologie actuelle, la méthode proposée permet de visualiser confortablement, sous un champ large, des images présentant à la fois une grande finesse de détails et des plages colorées. Using current technology, the proposed method makes it possible to visualize comfortably, under a wide field, images presenting at the same time a great sharpness of details and colored ranges.
A titre indicatif, une bonne carte routière présente une résolution d'environ 100 clam. Avec la méthode proposée par l'invention, compte tenu des technologies actuelles, la résolution effectivement perçue du système d'écrans superposés peut atteindre 20 clam; ainsi, un tel système d'écrans de surface 50 x 50 mm2 permettra de présenter autant d'informations qu'une portion de surface 250 x 250 mm2 de la carte routière (soit environ deux "plis", soit une surface de terrain de 400 km2 pour une carte à l'échelle 1:100 000ème). La quantité d'informations serait au moins divisée par un facteur 3 dans le cas d'un système de visualisation comportant un seul écran polychrome de 50 x 50 mm2. As a guide, a good road map has a resolution of around 100 clam. With the method proposed by the invention, taking into account current technologies, the effectively perceived resolution of the system of superimposed screens can reach 20 clam; thus, such a 50 x 50 mm2 surface screen system will make it possible to present as much information as a 250 x 250 mm2 surface portion of the road map (either about two "folds", or a surface area of 400 km2 for a 1: 100,000 scale map). The amount of information would be at least divided by a factor of 3 in the case of a display system comprising a single polychrome screen of 50 x 50 mm2.
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