EP2082279A1 - Agencement d'affichage opto-electronique - Google Patents

Agencement d'affichage opto-electronique

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EP2082279A1
EP2082279A1 EP07858710A EP07858710A EP2082279A1 EP 2082279 A1 EP2082279 A1 EP 2082279A1 EP 07858710 A EP07858710 A EP 07858710A EP 07858710 A EP07858710 A EP 07858710A EP 2082279 A1 EP2082279 A1 EP 2082279A1
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EP
European Patent Office
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screen
image
polarization
arrangement according
images
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP07858710A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Renaud Moliton
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
EssilorLuxottica SA
Original Assignee
Essilor International Compagnie Generale dOptique SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Essilor International Compagnie Generale dOptique SA filed Critical Essilor International Compagnie Generale dOptique SA
Publication of EP2082279A1 publication Critical patent/EP2082279A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Definitions

  • the invention relates to an opto-electronic display arrangement mounted on a pair of spectacle-type frames.
  • An opto-electronic display arrangement for transmitting light signals forming an image transmitted from a miniature screen, called a screen image, to a user's eye for the vision of a user. virtual image.
  • patent document EP 1 566 682 Another type of arrangement of the prior art is described in patent document EP 1 566 682. This document describes an even more thin beam expander optical guide than that of the previous prior art and also discloses an optical system capable of to project to infinity the image of a miniature screen.
  • the common point of these systems is to locate the bulk of the optical power provided to enlarge the image of the miniature screen outside the optical guide. According to these arrangements, fields of view of the order of 15 to more than 30 degrees can be achieved while maintaining low optical guide thicknesses.
  • This arrangement comprises a device for controlling the miniature screen comprising a splitting arrangement of a source image into two screen images and a so-called mosaicing device comprising an output skylight and ensuring the transmission of these screen images, spatially offset from one another and temporally from each other, in a period of less than 25 ms.
  • Each screen image is transmitted to the wearer's eye for viewing a virtual sub-image, the two resulting and adjacent virtual sub-images forming said total virtual image.
  • the object of the invention is to provide an optomechanical assembly generating a virtual image in front of the eyes of the wearer and which is smaller in size, by means of a miniature screen of a relatively small size, while ensuring a field of view. extended vision greater than 20 °.
  • the invention proposes an electronic display arrangement, intended to transmit light signals forming an image transmitted from a miniature screen, called a screen image, to the eye of a user for the vision of a virtual image, an arrangement characterized in that it comprises a device for controlling the miniature screen comprising a division arrangement of a source image in N screen images and in that it comprises a so-called mosaicization device comprising an exit window and ensuring the transmission of these N screen images, spatially offset from one another and temporally from one another, in a period less than the retentivity time of the retina of the N-divided eye, each screen image being transmitted to the wearer's eye for viewing a virtual sub-image, the resulting and adjacent virtual N sub-images forming said total virtual image, said mosaicking device being a control element of the bias the light and a spatial reconstruction element of the virtual image, characterized in that said mosaicing device comprises an optical conduit made of transparent material in the visible range and in that said optical conduit is disposed between said control element and said spatial reconstruction element.
  • the presence of the optical guide reduces the optical path length and thus makes the system more compact.
  • the optical path may be disposed between said miniature screen and the first polarization controller or between the polarization control element and the spatial reconstruction element of the image.
  • said optical path is disposed between said control element and said spatial reconstruction element
  • said mosaicing device is disposed between said miniature screen and the eye of the wearer.
  • said spatial reconstruction element comprises at least two mirrors each offset from a different position with respect to an optical reference axis, defined as the straight line from the center of said miniature screen and perpendicular to the plane of this screen, at least one polarization splitter treatment and at least two quarter wave plates.
  • Said spatial reconstruction element of the image may be composed of a set of prisms and / or rhombohedrons, spherical or aspherical mirrors, each decentered from a position different from the optical reference axis, of polarization-splitting processes. , grid polarizers and quarter-wave or half-wave plates.
  • At least one of said polarization splitter treatments is a grid polarizer.
  • said spatial reconstruction element of the image comprises as many spherical or aspherical mirrors off-center as sub-images, ie N.
  • these spherical or aspheric mirrors are of the Mangin mirror type.
  • a second polarization control element may be added to the mosaicking device and positioned in the path of the optical beams just after the spatial reconstruction element of the image.
  • a pupil extender optical guide having an entrance skylight is placed between the mosaic system and the wearer's eye.
  • This optical guide can be made of transparent material in the visible range. This optical guide can be included in an ophthalmic lens.
  • exit window of the mosaic system can be placed in correspondence with the entrance window of the optical guide.
  • the optical guide may be arranged between the spatial reconstruction element of the image and the eye of the user.
  • N is equal to two and the polarization control element alternately shapes a polarization of the light beams from the miniature screen according to a polarization vector P or polarization S, substantially according to said period.
  • said optical conduit may take the form of a rhombohedron whose at least one of the faces has an optical function in the spatial reconstruction element of the image.
  • said optical path carries an inclined polarization splitting treatment associated with two quarter-wave plates whose delay axis forms an angle of 45 ° with respect to the direction of the polarization vector P or S, in the plane of say quarter wave blades.
  • the separating treatment is inclined by 45 ° with respect to a reference optical axis, defined as the line coming from the center of said miniature screen and perpendicular to the plane of this screen and the two quarter-wave plates are perpendicular.
  • said polarization control element comprises an electrically controlled liquid crystal cell.
  • Said miniature screen and said polarization control element can form a single piece.
  • Said virtual subimages can be interlaced geometry.
  • said polarization control element may have interlaced electrodes.
  • control device of the miniature screen comprises an arrangement for resetting the position of said screen images, this registration being defined by calibration on an adjustment bench.
  • the miniature screen may have a size of its area containing pixels that may display an image larger than the size of the screen image generated thereon.
  • the control device of the miniature screen may include an addressing arrangement of said screen images.
  • a device for storing the resetting coordinates has redundancies and an error correction system.
  • Figure 1 illustrates the mosaic principle of the invention.
  • Figure 2A is a top view of a display according to the invention.
  • Figure 2B illustrates a principle of recombination of the images, illustrated from the light rays, according to the invention.
  • FIGS. 3A and 3B show the ray patterns along two optical paths nested one inside the other of an embodiment of the mosaicking device 3, in plan view according to the invention.
  • FIG. 3A represents the trace in the path denoted PS, because it corresponds to a selection of the polarization P and then its transformation into polarization S to exit the mosaicking device.
  • Figure 3B shows the path in the so-called SP path, because it corresponds to a selection of the polarization S and its transformation into polarization P to exit the mosaic device.
  • Figure 4 is an unfolded view illustrating the decentering principle of the mirrors shown in Figures 3A and 3B.
  • FIGS. 5A and 5B are views illustrating the defects caused by these manufacturing errors at the level of a virtual image obtained.
  • Figures 6A and 6B show a front view of a miniature screen according to the invention.
  • Figure 7 illustrates an adjustment bench according to the invention.
  • FIG. 8 represents the image of a setting pattern seen by the camera of the adjustment bench according to the invention.
  • FIGS. 9A and 9B are views of a virtual image taken by the camera of the adjustment bench, illustrating the registration processing of sub-images.
  • FIG. 10 illustrates the subframe registration method according to the invention.
  • FIG. 11 represents the electronic architecture of a display arrangement according to the invention.
  • Figures 12 to 15 are cross-sectional views of alternative embodiments relating to the polarization control element and the display according to the invention.
  • Figure 16 is a top view of the polarization control device, according to an improvement according to the invention.
  • Figure 17 is a graph illustrating the control of such an improvement.
  • Figure 18 illustrates two color pixel structures compatible with the invention.
  • FIG. 1 The principle of mosaicing is illustrated in FIG. 1 and consists of recreating a large image from smaller elementary subimages.
  • the invention proposes to display N virtual sub-images, here four adjacent sub-images h to I 4 forming the total virtual image I.
  • This opto-electronic display arrangement comprises an optical guide 1 for transmitting light signals forming an image transmitted from a miniature screen 2, called a screen image, from one of its ends, said input surface 1A to its other end called exit surface 1 B, to the eye O of a user for the vision of a virtual image I.
  • the invention applies to any opto-electronic display comprising a light beam expander arrangement of this type, whether this arrangement comprises such optical conduit or not.
  • a control device of the miniature screen 2 comprises a division arrangement of a source image, provided by a source such as a video player, for example, in N sub-screen images and it comprises a device called mosaic 3 ensuring the transmission of these
  • This mosaicking device 3 is disposed between the miniature screen 2 and the optical conduit 1.
  • the optical conduit 1 is of the exit pupil expander type and comprises a skylight or entrance pupil L E corresponding to the input surface of the conduit and constituted by the input coupling zone of the optical beams emitted by the device. mosaic and a skylight or exit pupil Ls located in front of the eye of the wearer.
  • This pupil expander duct can be included in a glass of glasses V.
  • the miniature screen 2 and the optical mosaicization device 3 are preferably contained in a casing 4 connected to the eyeglass lens, for example by a detachable detachable connection arrangement.
  • N being the number of sub-images I N composing the total image I, so that from the point of view of the user, a single image is perceived by the brain, it is necessary that the refreshment of the overall image is done at a frequency higher than the refreshing frequency of the retinal receptors F 0 , ie 25 Hz.
  • the refresh rate of the overall image is greater than F 0 .
  • the advantage of a higher frequency is to reduce the effects of flickering of the image and thus bring greater viewing comfort, tiring the eye less.
  • F the frequency of the overall image
  • the refresh rate of each of the sub-images I N will be equal to NxF.
  • N equal to two, corresponding to a mosaicing with 2 sub-images, adjacent in the horizontal direction.
  • FIG. 2B illustrates the tracing of the light rays to form a virtual image I by juxtaposition of two virtual subimages h and ⁇ .
  • This figure shows the principle of the optical ray path from a mosaicing device, to ensure the juxtaposition of the sub-images next to each other.
  • Figures 3A and 3B show an embodiment of the mosaicking device 3, to implement the above principle.
  • the mosaicking device 3 consists of a polarization control element 5 controlling the polarization at its output alternately according to a polarization P and a polarization S, substantially according to the period ⁇ and advantageously associated with an optical conduit 6 for propagation of the light carrying the light beams to a spatial reconstruction device 7 which recombines in space the position of said beams corresponding to the sub-images, towards the optical conduit 1, through an exit pupil 10.
  • optical guide between the polarization control element 5 and the spatial reconstruction element of the images 7 is optional but advantageous: it reduces the physical length of the optical path and therefore makes the system more compact.
  • it can be given a rhombohedral shape, in order to embed it in the spatial reconstruction system of the images.
  • the optical duct 6 carries an inclined polarization splitter treatment 7A associated with two quarter-wave plates 7B and 7C whose delay axis is arranged at 45 ° of the incident P or S polarizations, as well as two Mangin 7D mirrors and 7E off-center with respect to the optical axis.
  • the optical axis is defined as being the axis passing through the center of the useful area for displaying the image of the miniature screen and perpendicular to it.
  • the separator processing 7A which transmits the polarization P and reflects the polarization S is inclined at 45 ° with respect to the optical axis and is arranged on the inclined face of the optical duct 6 and the two quarter blades.
  • the mirrors 7D and 7E are Mangin mirrors, thus making it possible to produce a glued, self-supporting assembly.
  • the quarter wave plates are generally plastic films, such an arrangement where the quarter wave plate is glued between two precisely surfaced optical surfaces has the advantage of guaranteeing flatness.
  • the miniature screen 2 can directly emit polarized light or not. In the latter case, a polarizer is added to it on its emission side.
  • the control element of the polarization 5 makes it possible to modify the polarization of the light coming from the miniature screen and to transform it into polarization P or S, with reference to the effect on the separation treatment 7A.
  • the operating principle is as follows: by means of the polarization control element 5, the polarization resulting from the miniature screen 2 is alternately transformed into P or S polarization.
  • the light passes through the separator processing 7A and then impacts the quarter-wave plate 7B of the PS channel.
  • This is arranged with its axes at 45 ° to the reference polarization direction P.
  • the light at the output of the quarter wave plate 7B is circularly polarized. It is then reflected on the mirror 7D of the PS channel and crosses the quarter wave plate 7B of the PS channel. After this crossing, it is thus transformed into rectilinear polarization but whose direction is perpendicular to its initial direction: it is therefore in effect on the separator processing 7A in S polarization and thus reflected by the separator processing 7A to the exit pupil 10 of the mosaic optical system.
  • This path of the optical beam will be called PS channel in what follows.
  • the light is reflected on the separation processing 7A and then impacts the quarter-wave plate 7C of the SP channel.
  • This is arranged with its axes at 45 ° to the reference polarization direction S.
  • the light output of the quarter wave plate 7C is circularly polarized. It is then reflected on the mirror 7E of the SP channel and crosses the quarter-wave plate 7C of the SP channel. After this crossing, it is therefore transformed into rectilinear polarization but whose direction is perpendicular to its initial direction: it is therefore in effect on the separating processing 7A in polarization P and thus transmitted through the separation treatment 7A to the exit pupil 10 of the mosaic optical system.
  • This path of the optical beam will be called the SP path in what follows.
  • each channel generates a sub-image shifted by exactly half the size of the useful area.
  • the exit pupil 10 of the system corresponds to the input skylight or the entrance pupil L E of the optical guide 1.
  • the defects caused by these manufacturing errors are: the creation of a disjunction between the two sub-images, in the center of the mosaic image, as illustrated in FIG. 5A, the creation of a differentiated individual rotation of each sub-image; -image, as shown in Figure 5B.
  • a miniature screen 2 is used, the size of the area containing pixels capable of displaying an image is greater than the size of the screen image I E that is actually generated, such as illustrated in Figure 6A.
  • the additional pixels are used to move the area of the image on the active surface, as illustrated in FIG. 6B: thus, the screen image I E generated by the miniature screen 2 is translated and / or rotated without moving. physically this screen itself.
  • the shift and display rotation of the screen image are controlled via the control electronics of the miniature screen 2. They are calculated so as to compensate for the effect of disjunction and rotation induced by the defects of the screen. manufacturing.
  • a simple adjustment procedure on a bench makes it possible to determine these parameters, as illustrated in FIG. 7.
  • a camera C By observing with a camera C the image given at the output of the element optical spatial reconstruction of the images 7, a capture of the two sub-images resulting.
  • a resetting pattern M is shown as shown in FIG. 8.
  • This pattern M comprises, for example, three crosses, a cross on the left edge, a cross on the right edge and a central cross.
  • the pattern M displayed centrally on the active area is then exposed on the same camera image, first imaged by the PS Vi channel of the spatial reconstruction element of the images 7, then by the SP V2 channel of the image. image spatial reconstruction element 7.
  • the characteristics of the camera C must be known, and particularly its transverse magnification in the conjugation used. This magnification value can be determined simply by those skilled in the art. One can possibly consider a vertical transverse magnification and a horizontal transverse magnification different. However, in practice, when the camera is of good quality, they are very close and we can consider that they are equal. We note GyCAM this magnification. It expresses the ratio between the size of the image of a pixel of the miniature screen 2 in the detector plane of the camera C and its real size.
  • pitch_ ⁇ d the real size of a pixel of the thumbnail screen 2 and pitch_cam, the real size of a pixel of the camera C
  • G_pixel pitch_ ⁇ d.
  • GyCAM / pitch_cam This value represents the size of the image of a pixel of the thumbnail screen expressed in "pixels" of the camera.
  • An image is then obtained on the camera as shown in FIG. 9A.
  • One method for resetting images may be the following.
  • the point Psp is defined as being the image on the camera of the cross closest to the PS image. and vice versa for the point P PS .
  • the points P SP and P PS it suffices to put the points P SP and P PS in coincidence and to make the vectors V S p and Vp S collinear.
  • the horizontal vector of a sub-image is defined as the vector connecting the cross of the left edge to the cross of the right edge.
  • the angle of each of these vectors is then simply calculated with respect to the horizontal axis of the pixel mark of the camera. We note them ⁇ _SP and ⁇ _PS.
  • the position of the points P SP and P PS is then calculated for each subimage SP and PS , which will be noted (x_SP, y_SP) and (x_PS, y_PS) in the space of the coordinates of the image.
  • One proposed method is to readjust the point P PS on the point P S p, and to modify the horizontal vector Vps to make it collinear with the horizontal vector Vsp.
  • V + / - (x_SP-x_PX, y_SP-y_PS) / G_pixel.
  • the precise tolerancing of the optical system allows the fit on the miniature screen of the width of the active area relative to the size of the desired image, in order to allow in any case this registration of the image SP by compared to the PS image.
  • Other types of registration may be used, such as making the new common axis represented by the horizontal vector Vps and the horizontal vector V S p parallel to the horizontal pixel axis of the camera C or an external reference horizontal axis linked to the mount and identified by any method, or a horizontal axis in a position of wear of informative glass and identified by any method.
  • This step of resetting images of the SP and PS channels is done during a calibration step using an appropriate optical and electronic bench as shown in FIG.
  • the electronic control device DC of the miniature screen receives in its display control device DCA an image of a source. This image is split into two sub-images that are also addressed.
  • a compensation circuit CC receives meanwhile the data of registration calculated by computer thanks to the bench of registration and being able to be reset to an electronic way.
  • the compensation circuit CC corrects the sub-image data transmitted to it by the display control device DCA and these recalibrated sub-images are emitted by the miniature screen 2.
  • FIG. 11 represents the general electronic architecture and the operating principle of the sub-picture display on the miniature screen.
  • a source image is transmitted to the display control device DCA of the control device DC of the miniature screen. This source image is decoded, divided into two sub-frames that are also pre-addressed via a clock.
  • a compensation circuit CC of this control device has previously stored the registration data via the registration bench B and transmits them to the mosaic circuits which receive the sub images of the display control device DCA and finalize their addressing via the clock.
  • the memories storing the recalibration coordinates of the sub-images are redundant and have error correction systems, in order to improve the robustness of the assembly.
  • a synchronization of the clock is performed with the control of the polarization control device 5, so that the alternation of polarizations P and S is synchronous with the display time of each sub-picture.
  • This DC control device thus ensures the registration of each sub-screen image whose display period is less than the retinal retention time of the retina of the eye divided by two, the display period of the two sub-images of screen is less than 1/50 th of a second.
  • the mosaic optical device 3 comprises a polarization control element 5 arranged vis-à-vis the miniature screen 2 and alternately transmitting a polarization P and a polarization S, substantially according to the period ⁇ .
  • a polarization control element 5 arranged vis-à-vis the miniature screen 2 and alternately transmitting a polarization P and a polarization S, substantially according to the period ⁇ .
  • the bias control element 5 preferably comprises an electrically controlled liquid crystal cell.
  • the miniature screen 2 may be of the type producing unpolarized light or of type producing polarized light.
  • Figure 12 is shown a miniature screen 2 with unpolarized light.
  • the polarization control element 5 then comprises a superposition of a polarizer 5A, a first support glass plate 5B, a first tin-indium oxide plate 5C, a liquid crystal layer 5D supported by spacers formed 5E glass beads, a second 5F tin-indium oxide plate, a second 5G support glass plate and optionally a 5H protective coating.
  • the liquid crystal cell is calculated so as to produce a phase shift of 0 or ⁇ / 2 as a function of the electrical control applied across the tin-indium oxide plates.
  • polarized light is obtained in two perpendicular directions according to the applied control voltage V.
  • the distance between the miniature screen 2 and the polarization controller 5 is as small as possible.
  • the two elements are here in contact with each other and the size of the active zone of the polarization control device 5 is then equal to that of the active zone of the thumbnail screen 2 generating the sub-images, at a distance of safety margin of tolerance close.
  • the advantage of putting the two elements in contact is to improve the compactness of the system.
  • the polarizer 5A shown in FIG. 12 and 13 may be originally on the miniature screen 2, instead of being on the bias control element 5, without impairing the operation of the assembly.
  • Figure 14 is shown a miniature screen 2 with polarized light.
  • FIG. 15 Such an embodiment variant with a miniature screen 2 with blue, B, red and green color filters V is shown in FIG. 15.
  • a transmitter E In front of a transmitter E is placed the assembly consisting of a miniature screen 2 and a polarization device 5.
  • the screen 2 comprises a polarizer 2B, a glass slab 2C, a 2D data line, an alignment layer 2E, a 2F liquid crystal layer supported by spacers formed of 2G glass beads, an alignment layer 2H, a tin-indium oxide plate 21, the set of color filters B, R, V, a glass slab 2J and a polarizer 2A.
  • the polarization device 5 is constituted as before, without polarizer.
  • FIGS. 16 and 17 An improvement can be made consisting of making an interlaced geometry on the polarization control device. This improvement is illustrated in FIGS. 16 and 17.
  • Interlaced geometry is a little more complex to achieve but has a reduced sensitivity to blinking.
  • the principle of the electrode geometry interlaced on the polarization control device 5 consists in simultaneously displaying every other line or column on the channel SP Vi and the other series of lines or columns on the channel PS V 2 .
  • the branches of one and the same electrode comb are interconnected by a common control which activates them simultaneously.
  • the electrodes are precisely aligned with the pixels of the miniature screen 2 transmitting the sub-images.
  • the signals V1 and V2 are periodic slots of frequency equal to the refresh rate chosen for the image. They oscillate between V 0n and V O ff with equal duration on each of these two voltages. V1 and V2 are in phase opposition.
  • the interlay increases the clock frequency twice.
  • the control of the voltages V 1 , V 2 applied across the tin-indium oxide plates is shown in FIG. 17, where the direction of the output polarizer 2A of the miniature screen 2 generator of the sub-screen images is arranged parallel to the incidence S of the cube comprising the separation process 7A of the spatial image reconstruction device.
  • first structure On the left of this figure is shown a first structure with red pixels P R , green Pv and blue P B , arranged in alignment with the interlaced electrodes.
  • second pixel structure including a white pixel P BL in each sequence of pixels arranged in squares aligned with the interlaced electrodes.
  • the invention applies equally to monocular displays and binocular displays.
  • the thumb screen control device includes a splitting arrangement of a source image into two screen images and the mosaic device for transmitting these images.
  • two screen images spatially offset from one another and temporally from one another, according to a period less than the retinal time of the retina of the eye divided by two, each image of screen being transmitted to the eye of the wearer for the vision of a sub-virtual image, the two virtual sub-images resulting and adjacent forming said total virtual image
  • the invention also relates to such an arrangement with N sub-images.
  • the spatial reconstruction element comprises at least N mirrors decentered each by a different distance with respect to a reference optical axis, defined as the line coming from the center of said miniature screen and perpendicular to the plane of this screen, N polarization splitter and N wave splitter.
  • Said spatial reconstruction element of the image may be composed of a set of prisms and / or rhombohedrons, spherical or aspherical mirrors each offset by a different distance from the optical reference axis, polarization separator treatments and quarter-wave or half-wave plates.
  • said spatial reconstruction element of the image comprises as many spherical or aspherical mirrors off-center as sub-images, ie N.
  • these spherical or aspheric mirrors are of the Mangin mirror type.
  • a second polarization control element can be added to the mosaic device and positioned on the path of the optical beams just after the spatial reconstruction element of the image.

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Abstract

L'invention concerne un agencement d'affichage électronique, destiné à transmettre des signaux de lumière formant une image émise d'un écran miniature (2), dite image d'écran, vers l'œil (O) d'un utilisateur pour la vision d'une image virtuelle (I), agencement caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de commande de l'écran miniature comportant un agencement de division d'une image source en N images d'écran (IE) et en ce qu'il comporte un dispositif dit de mosaïquage (3) comportant une lucarne de sortie (10) et assurant la transmission de ces N images d'écran, de façon décalées spatialement l'une de l'autre et temporellement l'une de l'autre, selon une période (τ) inférieure au temps de rémanence de la rétine de l'œil divisé par N, chaque image d'écran (IE) étant transmise vers l'œil du porteur pour la vision d'une sous image virtuelle (IN), les N sous images virtuelles résultantes et adjacentes formant ladite image virtuelle totale (I), ledit dispositif de mosaïquage (3) étant constitué d'un élément de commande de la polarisation de la lumière (5) et d'un élément de reconstruction spatiale (7) de l'image virtuelle (I). Selon l'invention, ledit dispositif de mosaïquage comporte un conduit optique (6) en matériau transparent dans le domaine visible et en ce que ledit conduit optique est disposé entre ledit élément de commande (5) et ledit élément de reconstruction spatiale.

Description

AGENCEMENT D'AFFICHAGE OPTO-ELECTRONIQUE
L'invention concerne un agencement d'affichage opto-électronique monté sur une monture de type paire de lunettes.
L'invention concerne un agencement d'affichage opto-électronique, destiné à transmettre des signaux de lumière formant une image émise d'un écran miniature, dite image d'écran, vers l'œil d'un utilisateur pour la vision d'une image virtuelle.
Un tel agencement est décrit dans le document de brevet US 7 068 404. Ce document décrit un guide optique mince utilisant un hologramme et une lentille prismatique servant à agrandir la taille d'un écran miniature et à projeter son image virtuelle devant l'œil du porteur.
Un autre type d'arrangement de l'art antérieur est décrit dans le document de brevet EP 1 566 682. Ce document décrit un guide optique expanseur de faisceau encore plus mince que celui de l'art antérieur précédent et décrit également un système optique capable de projeter à l'infini l'image d'un écran miniature.
Le point commun de ces systèmes est de localiser l'essentiel de la puissance optique apportée pour agrandir l'image de l'écran miniature en dehors du guide optique. Selon ces agencements, des champs de vision de l'ordre de 15 à plus de 30 degrés peuvent être atteints tout en gardant des épaisseurs de guide optique faibles.
Cependant, pour obtenir de tels champs de vision supérieurs à 20°, les agencements actuels comportent des systèmes optiques et des écrans miniatures de volume relativement important, car la taille de l'écran miniature est un facteur dimensionnant important de la taille des systèmes optiques associés. L'ensemble optomécanique nécessaire s'avère surdimensionné par rapport à l'épaisseur du guide optique que l'on recherche à réaliser de façon légère et fine, afin de pouvoir l'intégrer à un verre ophtalmique, par exemple. Le document de brevet US 2001/0048554 un agencement d'affichage électronique, destiné à transmettre des signaux de lumière formant une image émise d'un écran miniature, dite image d'écran, vers l'œil d'un utilisateur pour la vision d'une image virtuelle. Cet agencement comporte un dispositif de commande de l'écran miniature comportant un agencement de division d'une image source en deux images d'écran et un dispositif dit de mosaïquage comportant une lucarne de sortie et assurant la transmission de ces images d'écran, de façon décalées spatialement l'une de l'autre et temporellement l'une de l'autre, selon une période inférieure à 25 ms.
Chaque image d'écran est transmise vers l'œil du porteur pour la vision d'une sous image virtuelle, les deux sous images virtuelles résultantes et adjacentes formant ladite image virtuelle totale.
L'objet de l'invention est de réaliser un ensemble optomécanique générant une image virtuelle devant les yeux du porteur et qui soit de taille plus réduite, ceci au moyen d'un écran miniature de taille également relativement réduite, tout en assurant un champ de vision étendu supérieur à 20°.
Pour ce faire, l'invention propose agencement d'affichage électronique, destiné à transmettre des signaux de lumière formant une image émise d'un écran miniature, dite image d'écran, vers l'œil d'un utilisateur pour la vision d'une image virtuelle, agencement caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de commande de l'écran miniature comportant un agencement de division d'une image source en N images d'écran et en ce qu'il comporte un dispositif dit de mosaïquage comportant une lucarne de sortie et assurant la transmission de ces N images d'écran, de façon décalées spatialement l'une de l'autre et temporellement l'une de l'autre, selon une période inférieure au temps de rémanence de la rétine de l'œil divisé par N, chaque image d'écran étant transmise vers l'œil du porteur pour la vision d'une sous image virtuelle, les N sous images virtuelles résultantes et adjacentes formant ladite image virtuelle totale, ledit dispositif de mosaïquage étant constitué d'un élément de commande de la polarisation de la lumière et d'un élément de reconstruction spatiale de l'image virtuelle, agencement caractérisé en ce que ledit dispositif de mosaïquage comporte un conduit optique en matériau transparent dans le domaine visible et en ce que ledit conduit optique est disposé entre ledit élément de commande et ledit élément de reconstruction spatiale.
La présence du guide optique permet de diminuer la longueur du trajet optique et donc de rendre le système plus compact.
Le conduit optique peut être disposé entre ledit écran miniature et le premier dispositif de commande de la polarisation ou entre l'élément de commande de la polarisation et l'élément de reconstruction spatiale de l'image.
De préférence, ledit conduit optique est disposé entre ledit élément de commande et ledit élément de reconstruction spatiale
De préférence, ledit dispositif de mosaïquage est disposé entre ledit écran miniature et l'œil du porteur.
Avantageusement, ledit élément de reconstruction spatiale comprend au moins deux miroirs décentrés chacun d'une position différente par rapport à un axe optique de référence, défini comme la droite issue du centre du dit écran miniature et perpendiculaire au plan de cet écran, au moins un traitement séparateur de polarisation et au moins deux lames quart d'onde.
Ledit élément de reconstruction spatiale de l'image peut être composé d'un ensemble de prismes et/ou rhomboèdres, de miroirs sphériques ou asphériques décentrés chacun d'une position différente par rapport à l'axe optique de référence, de traitements séparateurs de polarisation, de polariseurs à grille et de lames quart d'onde ou demi-onde.
Avantageusement, au moins un des dits traitements séparateurs de polarisation est un polariseur à grille.
Avantageusement, ledit élément de reconstruction spatiale de l'image comprend autant de miroirs sphériques ou asphériques décentrés que de sous images, soit N.
Avantageusement ces miroirs sphériques ou asphériques sont du type miroir de Mangin. Alternativement, un deuxième élément de commande de la polarisation peut être ajouté au dispositif de mosaïquage et positionné sur le trajet des faisceaux optiques juste après l'élément de reconstruction spatiale de l'image. De préférence, un guide optique extenseur de pupille comportant une lucarne d'entrée est placé entre le système de mosaïquage et l'œil du porteur.
Ce guide optique peut être en matériau transparent dans le domaine visible. Ce guide optique peut être inclus dans un verre ophtalmique.
Et la lucarne de sortie du système de mosaïquage peut être placée en correspondance avec la lucarne d'entrée du guide optique.
Le guide optique peut être disposé entre l'élément de reconstruction spatiale de l'image et l'œil de l'utilisateur Selon un mode de réalisation préféré, N est égal à deux et l'élément de commande de la polarisation met en forme alternativement une polarisation des faisceaux lumineux issus de l'écran miniature selon un vecteur de polarisation P ou de polarisation S, sensiblement selon ladite période. Avantageusement, ledit conduit optique peut prendre la forme d'un rhomboèdre dont au moins une des faces possède une fonction optique dans l'élément de reconstruction spatiale de l'image.
De préférence, ledit conduit optique porte un traitement séparateur de polarisation incliné associé à deux lames quart d'onde dont l'axe de retard forme un angle de 45° par rapport à la direction du vecteur de polarisation P ou S, dans le plan des dites lames quart d'onde.
Avantageusement, le traitement séparateur est incliné de 45° par rapport à un axe optique de référence, défini comme la droite issue du centre du dit écran miniature et perpendiculaire au plan de cet écran et les deux lames quart d'onde sont perpendiculaires.
De préférence, ledit élément de commande de polarisation comprend une cellule à cristaux liquides commandée électriquement. Ledit écran miniature et ledit élément de commande de polarisation peuvent former une seule pièce.
Lesdites sous images virtuelles peuvent être à géométrie interlacée.
Dans ce cas, de préférence, ledit élément de commande de polarisation peut disposer d'électrodes interlacées.
Avantageusement, le dispositif de commande de l'écran miniature comporte un agencement de recalage de la position des dites images d'écran, ce recalage étant défini par calibrage sur un banc de réglage.
Ledit écran miniature peut présenter une taille de sa zone contenant des pixels susceptibles d'afficher une image de taille supérieure à la taille de l'image d'écran qui y est générée.
Le dispositif de commande de l'écran miniature peut comporter un agencement d'adressage desdites images d'écran.
Avantageusement, un dispositif de mise en mémoire des coordonnées de recalage dispose de redondances et d'un système de correction d'erreur.
L'invention est décrite ci-après plus en détail à l'aide de figures ne représentant qu'un mode de réalisation préféré de l'invention.
La figure 1 illustre le principe de mosaïquage de l'invention. La figure 2A est une vue de dessus d'un afficheur conforme à l'invention.
La figure 2B illustre un principe de recombinaison des images, illustré à partir des rayons lumineux, conformément à l'invention.
Les figures 3A et 3B représentent les tracés de rayons le long de deux voies optiques imbriquées l'une dans l'autre d'un mode de réalisation du dispositif de mosaïquage 3, en vue de dessus conforme à l'invention.
La figure 3A représente le tracé dans la voie dénommée PS, parce qu'elle correspond à une sélection de la polarisation P puis sa transformation en polarisation S pour sortir du dispositif de mosaïquage. La figure 3B représente le tracé dans la voie dénommée SP, parce qu'elle correspond à une sélection de la polarisation S puis sa transformation en polarisation P pour sortir du dispositif de mosaïquage. La figure 4 est une vue dépliée illustrant le principe de décentrement des miroirs figurant sur les figures 3A et 3B.
Les figures 5A et 5B sont des vues illustrant les défauts engendrés par ces erreurs de fabrication au niveau d'une image virtuelle obtenue. Les figures 6A et 6B représentent en vue de face un écran miniature conforme à l'invention.
La figure 7 illustre un banc de réglage conforme à l'invention.
La figure 8 représente l'image d'une mire de réglage vue par la caméra du banc de réglage conforme à l'invention. Les figures 9A et 9B sont des vues d'une image virtuelle prise par la caméra du banc de réglage, illustrant le traitement de recalage des sous images.
La figure 10 illustre le procédé de recalage des sous images, conformément à l'invention. La figure 11 représente l'architecture électronique d'un agencement afficheur conforme à l'invention.
Les figures 12 à 15 sont des vues en coupe transversale de variantes de réalisation, relatives à l'élément de commande de la polarisation et à l'afficheur conforme à l'invention. La figure 16 est une vue de dessus du dispositif de commande de polarisation, selon un perfectionnement conforme à l'invention.
La figure 17 est un graphe illustrant la commande d'un tel perfectionnement.
La figure 18 illustre deux structures de pixels couleurs compatibles avec l'invention.
Le principe de mosaïquage est illustré sur la figure 1 et consiste à recréer une image de grande taille à partir de sous-images élémentaires plus petites. Afin de permettre la vision d'une image informative virtuelle I de grande taille, l'invention propose d'afficher N sous-images virtuelles, ici quatre sous-images h à I4, adjacentes formant l'image virtuelle totale I.
Pour ce faire, l'invention propose un agencement d'affichage tel que décrit sur la figure 2A. Cet agencement d'affichage opto-électronique comporte un guide optique 1 destiné à transmettre des signaux de lumière formant une image émise d'un écran miniature 2, dite image d'écran, d'une de ses extrémités dite surface d'entrée 1A à son autre extrémité dite surface de sortie 1 B, vers l'œil O d'un utilisateur pour la vision d'une image virtuelle I.
L'invention s'applique à tout afficheur opto-électronique comportant un agencement expanseur de faisceau lumineux de ce type, que cet agencement comporte un tel conduit optique ou non.
Un dispositif de commande de l'écran miniature 2 comporte un agencement de division d'une image source, fournie par une source telle qu'un lecteur de vidéo, par exemple, en N sous-images d'écran et il comporte un dispositif dit de mosaïquage 3 assurant la transmission de ces
N sous-images d'écran, de façon déplacée l'une de l'autre, selon une période τ inférieure au temps de rémanence de la rétine de l'œil divisé par N, chaque image d'écran étant transmise vers l'œil O du porteur pour la vision d'une sous image virtuelle IN, les N sous images virtuelles résultantes et adjacentes formant l'image virtuelle totale I. Ce dispositif de mosaïquage 3 est disposé entre l'écran miniature 2 et le conduit optique 1.
Le conduit optique 1 est de type expanseur de pupille de sortie et comporte une lucarne ou pupille d'entrée LE correspondant à la surface d'entrée du conduit et constituée par la zone de couplage d'entrée des faisceaux optiques émis par le dispositif de mosaïquage et une lucarne ou pupille Ls de sortie localisée en face de l'oeil du porteur.
Ce conduit expanseur de pupille peut être inclus dans un verre de lunettes V.
L'écran miniature 2 et le dispositif optique de mosaïquage 3 sont de préférence contenus dans un boîtier 4 connecté sur le verre de lunettes par exemple par un agencement de connexion amovible par encliquetage.
Il existe une relation directe entre le nombre de pixels de l'écran miniature 2 et celui de l'image virtuelle totale I. Soit NIv et NIh, le nombre de pixels de cette image en direction verticale égal au nombre de lignes, et en direction horizontale égal au nombre de colonnes, soit NDv et NDh, le nombre de pixels de l'écran miniature en direction verticale égal au nombre de lignes, et en direction horizontale égal au nombre de colonnes, il existe deux entiers Kv et Kh tels que : Nlv = Kv x NDv NIh = Kh X NDh - Kh X Kv = NT
La direction la plus mosaïquée de l'image est celle où le nombre de partitions sera le plus grand. Elle sera horizontale si Kh > Kv, verticale si Kv > Kh et indifférente si Kh = Kv.
En général, pour le cas de systèmes avec une géométrie temporale, il sera plus intéressant d'avoir une direction de mosaïquage horizontale. Dans le cas de systèmes à insertion par le haut, il sera plus intéressant d'avoir une direction de mosaïquage verticale.
Ces images seront affichées séquentiellement dans le temps. Par exemple, dans le cas de la figure 1 , pour l'affichage d'une image globale I la sous-image h sera d'abord affichée, puis la sous-image b, puis la sous- image I3 et enfin la sous-image I4; on passe ensuite à la deuxième image globale en affichant de nouvelles sous-images selon la même séquence.
N étant le nombre de sous-images IN composant l'image totale I, afin que du point de vue de l'utilisateur, une seule image soit perçue par le cerveau, il faut que le rafraîchissement de l'image globale se fasse à une fréquence supérieure à la fréquence de rafraîchissement des récepteurs rétiniens F0, soit 25Hz.
Cependant, dans de nombreuses applications manipulant le signal vidéo, la fréquence de rafraîchissement de l'image globale est supérieure à F0. L'avantage d'une fréquence plus élevée est de diminuer les effets de clignotement de l'image et d'ainsi apporter un confort de visualisation supérieur, fatigant moins l'oeil. Dans le cas de notre balayage séquence dans le temps, si on appelle F la fréquence de l'image globale, alors, la fréquence de rafraîchissement de chacune des sous-images IN sera égale à NxF.
Cela veut dire que pour chaque sous-image, la fréquence de rafraîchissement individuelle d'une sous-image doit être au moins supérieure à NxFo = Nx25Hz, et si on veut une réduction du clignotement de l'image, au moins égale ou supérieure à Nx50 Hz, NxIOO Hz ou Nx75 Hz, si l'on se réfère aux fréquences utilisées dans les applications de télévision de 50 ou 100 Hz ou les applications informatiques de 75 Hz. Dans ce qui suit, on suppose N égal à deux, correspondant à un mosaïquage à 2 sous-images, adjacentes dans le sens horizontal.
Dans ce cas, par exemple, si on veut créer une image virtuelle finale I de qualité VGA, soit 640x480 pixels, on utilise un écran miniature 2 de 320x480 pixels. La figure 2B illustre le tracé des rayons lumineux pour former une image virtuelle I par juxtaposition de deux sous-images virtuelles h et ^. Cette figure montre le principe du chemin des rayons optiques à partir d'un dispositif de mosaïquage, permettant d'assurer la juxtaposition des sous- images l'une à côté de l'autre. Les figures 3A et 3B représentent un mode de réalisation du dispositif de mosaïquage 3, permettant de mettre en œuvre le principe ci- dessus.
Le dispositif de mosaïquage 3 est constitué d'un élément de commande de la polarisation 5 contrôlant la polarisation à sa sortie alternativement selon une polarisation P et une polarisation S, sensiblement selon la période τ et associé avantageusement à un conduit optique 6 de propagation de la lumière transportant les faisceaux lumineux vers un dispositif de reconstruction spatiale des images 7 lequel recombine dans l'espace la position desdits faisceaux correspondant aux sous-images, en direction du conduit optique 1 , au travers d'une pupille de sortie 10.
L'utilisation d'un guide optique entre l'élément de commande de la polarisation 5 et l'élément de reconstruction spatiale des images 7 est optionnel mais avantageux : il permet de diminuer la longueur physique du trajet optique et donc de rendre le système plus compact. Avantageusement, on peut lui donner une forme rhomboédrique, afin de l'encastrer dans le système de reconstruction spatiale des images. Ainsi le conduit optique 6 porte un traitement séparateur de polarisation 7A incliné associé à deux lames quart d'onde 7B et 7C dont l'axe de retard est disposé à 45° des polarisations P ou S incidentes, ainsi que deux miroirs de Mangin 7D et 7E décentrés par rapport à l'axe optique.
On définit l'axe optique comme étant l'axe passant par le centre de la zone utile d'affichage de l'image de l'écran miniature et perpendiculaire à celui-ci. Dans le cas où il y aurait des repliements du chemin optique, au moyen de miroirs par exemple, pour des raisons de packaging entre autres, on considérera par extension comme axe optique la transformation de cette droite par lesdites réflexions sur les miroirs. Selon le mode de réalisation illustré, le traitement séparateur 7A qui transmet la polarisation P et réfléchit la polarisation S est incliné de 45° par rapport à l'axe optique et est disposé sur la face inclinée du conduit optique 6 et les deux lames quart d'onde 7B et 7C sont perpendiculaires et disposées au droit de ce traitement séparateur, l'une 7B à l'extrémité de ce conduit 6 et l'autre sur une face longitudinale de celui-ci. Avantageusement, les miroirs 7D et 7E sont des miroirs de Mangin, permettant ainsi de réaliser un assemblage collé autoporté. Par ailleurs, les lames quart d'onde étant généralement des films plastiques, un tel arrangement où la lame quart d'onde est collée entre deux surfaces optiques surfacées avec précision présente l'avantage de garantir la planéité.
L'écran miniature 2 peut émettre directement de la lumière polarisée ou non. Dans ce dernier cas, un polariseur lui est ajouté sur sa face d'émission.
L'élément de commande de la polarisation 5 permet de modifier la polarisation de la lumière issue de l'écran miniature et de la transformer en polarisation P ou S, en référence à l'incidence sur le traitement séparateur 7A. Le principe de fonctionnement est le suivant : au moyen de l'élément de commande de la polarisation 5, on transforme alternativement la polarisation issue de l'écran miniature 2 en polarisation P ou S.
Lorsque la polarisation P est sélectionnée, comme illustré sur la figure 3A, la lumière traverse le traitement séparateur 7A puis impacte la lame quart d'onde 7B de la voie PS. Celle-ci est disposée avec ses axes à 45° de la direction de polarisation P de référence. La lumière en sortie de la lame quart d'onde 7B est donc polarisée circulairement. Elle est ensuite réfléchie sur le miroir 7D de la voie PS et retraverse la lame quart d'onde 7B de la voie PS. Après cette traversée, elle est donc transformée en polarisation rectiligne mais dont la direction est perpendiculaire à sa direction initiale : elle est donc en incidence sur le traitement séparateur 7A en polarisation S et ainsi réfléchie par le traitement séparateur 7A vers la pupille de sortie 10 du système optique de mosaïquage. Cette voie du faisceau optique sera appelée voie PS dans ce qui suit.
Inversement, lorsque la polarisation S est sélectionée par l'élément de commande de la polarisation, comme illustré sur la figure 3B, la lumière est réfléchie sur le le traitement séparateur 7A puis impacte la lame quart d'onde 7C de la voie SP. Celle-ci est disposée avec ses axes à 45° de la direction de polarisation S de référence. La lumière en sortie de la lame quart d'onde 7C est donc polarisée circulairement. Elle est ensuite réfléchie sur le miroir 7E de la voie SP et retraverse la lame quart d'onde 7C de la voie SP. Après cette traversée, elle est donc transformée en polarisation rectiligne mais dont la direction est perpendiculaire à sa direction initiale : elle est donc en incidence sur le traitement séparateur 7A en polarisation P et ainsi transmise à travers le le traitement séparateur 7A vers la pupille de sortie 10 du système optique de mosaïquage. Cette voie du faisceau optique sera appelée voie SP dans ce qui suit.
Afin de créer deux images décalées l'une par rapport à l'autre, les centres de rotation des miroirs de Mangin de la voie PS 7D et de la voie SP 7E sont décalés par rapport à l'axe optique d'une valeur égale à la moitié de la taille de la zone utile ZU de l'image de l'écran miniature 2, chacun dans un sens différent. Ces miroirs sont représentés sur la figure 4 de façon dépliée.
De cette façon, chaque voie génère une sous-image décalée d'exactement la moitié de la taille de la zone utile. Avantageusement, la pupille de sortie 10 du système correspond à la lucarne d'entrée ou à la pupille d'entrée LE du guide optique 1.
En pratique, comme il est impossible de fabriquer un système parfait, le décentrement des deux miroirs n'est pas rigoureusement égal en valeur absolu, ni exactement égal à une valeur fixée et connue à l'avance égale à la moitié de la taille de l'écran miniature 2.
Ceci est dû aux erreurs de fabrication des composants. Néanmoins, ces erreurs peuvent être maîtrisées dans une gamme de tolérancement pour chaque pièce individuelle et considérées globalement à l'échelle du système.
Les défauts engendrés par ces erreurs de fabrication sont : - la création d'une disjonction entre les deux sous-images, au centre de l'image mosaïque, comme illustré sur la figure 5A, la création d'une rotation individuelle différenciée de chaque sous-image, comme illustré sur la figure 5B.
Pour permettre la correction de ces défauts, on utilise un écran miniature 2 dont la taille de la zone contenant des pixels susceptibles d'afficher une image est supérieure à la taille de l'image d'écran IE qui y est effectivement générée, comme illustré sur la figure 6A.
On utilise les pixels supplémentaires pour déplacer la zone de l'image sur la surface active, comme illustré sur la figure 6B : ainsi on translate et/ou on tourne l'image d'écran IE générée par l'écran miniature 2 sans bouger physiquement cet écran lui-même.
Le décalage et la rotation d'affichage de l'image d'écran sont commandés via l'électronique de pilotage de l'écran miniature 2. Ils sont calculés de façon à compenser l'effet de disjonction et de rotation induits par les défauts de fabrication. Une procédure de réglage simple sur un banc permet de déterminer ces paramètres, comme illustré sur la figure 7. En observant à l'aide d'une caméra C l'image donnée en sortie de l'élément optique de reconstruction spatiale des images 7, on fait une capture des deux sous images résultantes. Sur chaque sous image, on affiche une mire de recalage M telle que représenté sur la figure 8. Cette mire M comporte par exemple trois croix, une croix du bord gauche, une croix du bord droit et une croix centrale.
On expose ensuite sur la même image de caméra, la mire M affichée de façon centrée sur la zone active, d'abord imagée par la voie PS Vi de l'élément de reconstruction spatiale des images 7, puis par la voie SP V2 de l'élément de reconstruction spatiale des images 7. Les caractéristiques de la caméra de recalage C doivent être connues, et particulièrement son grandissement transversal dans la conjugaison utilisée. Cette valeur de grandissement peut être déterminée de manière simple par l'homme de l'art. On peut éventuellement considérer un grandissement transversal vertical et un grandissement transversal horizontal différents. Toutefois, en pratique, lorsque la caméra est de bonne qualité, ceux-ci sont très proches et on peut considérer qu'ils sont égaux. On note GyCAM ce grandissement. Il exprime le ratio entre la taille de l'image d'un pixel de l'écran miniature 2 dans le plan du détecteur de la caméra C et sa taille réelle. Si on appelle pitch_μd la taille réelle d'un pixel de l'écran miniature 2 et pitch_cam, la taille réelle d'un pixel de la caméra C, on peut définir un « grandissement pixel » entre l'image d'écran affichée sur l'écran miniature et son image détectée par la caméra de la façon suivante : G_pixel = pitch_μd . GyCAM / pitch_cam Cette valeur représente la taille de l'image d'un pixel de l'écran miniature exprimé en "pixels" de la caméra.
Elle doit être calibrée par des méthodes connues de l'homme de l'art. On obtient alors une image sur la caméra, telle que représentée sur le figure 9A. Une méthode pour recaler les images peut être la suivante.
A partir des images des voies SP et PS, on définit le point Psp comme étant l'image sur la caméra de la croix la plus proche de l'image PS et vice versa pour le point PPS. Pour recaler les deux images, il suffit de mettre les points PSP et PPS en coïncidence et de rendre les vecteurs VSp et VpS colinéaires.
Via une capture, manuelle ou par détection automatique des centres des trois croix (croix du bord gauche, croix du bord droit et croix centrale), on définit le vecteur horizontal pour l'image PS et SP respectivement, dans le repère des coordonnées pixel de l'image de la caméra d'acquisition C.
On définit le vecteur horizontal d'une sous-image comme étant le vecteur reliant la croix du bord gauche à la croix du bord droit. On calcule simplement alors l'angle de chacun de ces vecteurs par rapport à l'axe horizontal du repère des pixels de la caméra. On les note α_SP et α_PS.
On calcule ensuite pour chaque sous-image SP et PS la position des points PSP et PPS, qu'on notera (x_SP, y_SP) et (x_PS, y_PS) dans l'espace des coordonnées de l'image.
Une méthode proposée est de recaler le point PPS sur le point PSp, et de modifier le vecteur horizontal Vps pour le rendre colinéaire au vecteur horizontal Vsp.
Ceci est réalisé en effectuant une rotation d'angle (α_SP-α_PS) autour du point Pps, suivie d'une translation de vecteur (x_SP-x_PX, y_SP- y_PS), pue l'on calculera in fine dans l'espace d'écran miniature 2. Selon le signe des grandissements du système optique formé de l'écran miniature 2 et de l'élément de reconstruction spatiale des images 7 et de la caméra C, l'expression mathématique peut prendre plusieurs formes mais revient toujours à la composition d'une rotation autour soit de la croix du bord gauche, soit de la croix bord droit et d'angle,
+/-(α_SP-α_PS) avec une translation de vecteur
V=+/-(x_SP-x_PX, y_SP-y_PS)/G_pixel . On obtient alors une image fournie par la caméra superposant les deux sous images issues des voies SP et PS recalées, telle que représentée sur la figure 9B.
Le tolérancement précis du système optique permet l'adéquation sur l'écran miniature de la largeur de la zone active par rapport à la taille de l'image désirée, afin de permettre dans tous les cas de figure ce recalage de l'image SP par rapport à l'image PS.
On peut utiliser d'autres types de recalage, comme de rendre le nouvel axe commun représenté par le vecteur horizontal Vps et le vecteur horizontal VSp parallèle à l'axe pixel horizontal de la caméra C ou un axe horizontal de référence externe lié à la monture et repéré par un quelconque procédé, ou encore un axe horizontal en situation de porté du verre informatif et repéré par un quelconque procédé.
Ceci implique une calibration de la caméra pour que cet axe soit représentatif au niveau du système final.
Cette étape de recalage des images des voies SP et PS se fait au cours d'une étape de calibration utilisant un banc optique et électronique approprié tel qu'illustré sur la figure 10.
Le dispositif de commande électronique DC de l'écran miniature reçoit dans son dispositif de commande d'affichage DCA une image d'une source. Cette image y est scindée en deux sous-images qui sont également adressées.
Un circuit de compensation CC reçoit quant à lui les données de recalage calculées par ordinateur grâce au banc de recalage et pouvant être remises à zéro de façon électronique.
Le circuit de compensation CC corrige les données de sous-images qui lui sont transmises par le dispositif de commande d'affichage DCA et ces sous images recalées sont émises par l'écran miniature 2.
La figure 11 représente l'architecture électronique générale et le principe de fonctionnement de l'affichage des sous images sur l'écran miniature. Une image source est transmise au dipositif de commande d'affichage DCA du dispositif de commande DC de l'écran miniature. Cette image source est décodée, divisée en deux sous images qui sont également pré-adressées via une horloge. Un circuit de compensation CC de ce dispositif de commande a préalablement stocké les données de recalage par l'intermédiaire du banc de recalage B et les transmet aux circuits de mosaïquage qui reçoivent les sous images du dispositif de commande d'affichage DCA et finalisent leur adressage via l'horloge. Avantageusement, les mémoires stockant les coordonnées de recalage des sous-images sont redondantes et disposent de systèmes de correction d'erreur, afin d'améliorer la robustesse de l'ensemble.
Une synchronisation de l'horloge est effectuée avec la commande du dispositif de commande de polarisation 5, afin que l'alternance de polarisations P et S soit synchrone avec le temps d'affichage de chaque sous image.
Ce dispositif de commande DC assure donc le recalage de chaque sous image d'écran dont la période d'affichage est inférieure au temps de rémanence de la rétine de l'œil divisé par deux, la période d'affichage des deux sous images d'écran étant inférieure à 1/50 ème de seconde.
Comme il a été vu, le dispositif optique de mosaïquage 3 comprend un élément de commande de polarisation 5 disposé en vis-à-vis de l'écran miniature 2 et transmettant alternativement une polarisation P et une polarisation S, sensiblement selon la période τ. Plusieurs modes de réalisation de ce dispositif sont représentés sur les figures 12 à 14.
L'élément de commande de polarisation 5 comprend, de préférence, une cellule à cristaux liquides commandée électriquement.
L'écran miniature 2 peut être de type produisant une lumière non polarisée ou de type produisant une lumière polarisée. Sur la figure 12 est représenté un écran miniature 2 à lumière non polarisée. L'élément de commande de polarisation 5 comprend alors une superposition d'un polariseur 5A, une première lame de verre support 5B, une première lame d'oxyde d'étain-indium 5C, une couche de cristaux liquides 5D supportée par des entretoises formées de billes de verre 5E, une seconde lame d'oxyde d'étain-indium 5F, une seconde lame de verre support 5G et éventuellement un revêtement de protection 5H.
La cellule de cristal liquide est calculée de façon à produire un déphasage de 0 ou ττ/2 en fonction de la commande électrique appliquée aux bornes des lames d'oxyde étain-indium. En sortie de l'élément de commande de la polarisation 5, on obtient de la lumière polarisée dans deux directions perpendiculaires selon la tension de commande appliquée V.
Typiquement aujourd'hui l'état de l'art dans le domaine des cristaux liquides permet de piloter la cellule avec des tensions du domaine numérique (0-5V). On peut donc considérer que V0n= OV et VOff=5V sont réalistes.
Par exemple, lorsqu'on appliquera Von à travers le commandeur de polarisation, on fait tourner la polarisation incidente de 90° et lorsqu'on applique VOff, elle reste inchangée.
La distance entre l'écran miniature 2 et le dispositif de commande de polarisation 5 est la plus faible possible.
Il est possible également de mettre ces deux éléments en contact comme illustré sur la figure 13.
Les deux éléments sont ici en contact l'un avec l'autre et la taille de la zone active du dispositif de commande de polarisation 5 est alors égale à celle de la zone active de l'écran miniature 2 générateur des sous images, à une marge de sécurité de tolérance près.
L'avantage de mettre les deux éléments en contact est d'améliorer la compacité du système.
Le polariseur 5A représenté sur la figure 12 et 13 peut être à l'origine sur l'écran miniature 2, au lieu d'être sur l'élément de commande de polarisation 5, sans nuire au fonctionnement de l'ensemble. Sur la figure 14 est représenté un écran miniature 2 à lumière polarisée.
En fait, il s'agit dans ce cas d'un écran LCD dont les diverses architectures sont bien connues de l'homme de l'art. Le polariseur 2A est donc inutile sur le commandeur de polarisation puisqu'il est déjà existant sur l'écran.
L'étape la plus délicate étant l'alignement de ce polariseur 2A avec l'axe du cristal liquide de la cellule du dispositif de polarisation 5, il est judicieux de fabriquer d'un seul ensemble l'écran LCD 2 et le dispositif de commande de polarisation 5, cette fabrication pouvant se faire sur la même ligne de production à la suite l'une de l'autre, en utilisant les mêmes technologies.
Une telle variante de réalisation avec écran miniature 2 à filtres coloré bleus B, rouges R et verts V est représentée sur la figure 15. En face d'un émetteur E est placé l'ensemble formé d'un écran miniature 2 et d'un dispositif de polarisation 5.
L'écran 2 comprend un polariseur 2B, une dalle de verre 2C, une ligne de données 2D, une couche d'alignement 2E, une couche de cristaux liquides 2F supportée par des entretoises formées de billes de verre 2G, une couche d'alignement 2H, une lame d'oxyde d'étain-indium 21, l'ensemble des filtres colorés B, R, V, une dalle de verre 2J et un polariseur 2A.
Le dispositif de polarisation 5 est quant à lui constitué comme précédemment, sans polariseur.
Un perfectionnement peut être apporté consistant à réaliser une géométrie interlacée sur le dispositif de commande de polarisation .Ce perfectionnement est illustré sur les figures 16 et 17.
La géométrie pleine surface qui a été décrite plus haut a pour avantage d'être simple à réaliser et donc peu coûteuse.
Néanmoins, elle peut être particulièrement sensible au clignotement de l'image obtenue. La géométrie interlacée est elle un peu plus complexe à réaliser mais présente une sensibilité réduite au clignotement. Le principe de la géométrie d'électrodes interlacées sur le dispositif de commande de polarisation 5 consiste à afficher simultanément une ligne ou une colonne sur deux sur la voie SP Vi et l'autre série de lignes ou colonnes sur la voie PS V2. On dispose ainsi de deux électrodes Ei, E2 disposées sous la forme de deux peignes interlacés, comme illustré sur la figure 16. Les branches d'un même peigne d'électrodes sont reliées entre elles par une commande commune qui les active simultanément.
Les électrodes sont précisément alignées sur les pixels de l'écran miniature 2 émetteur des sous-images. Les signaux V1 et V2 sont des créneaux périodiques de fréquence égale à la fréquence de rafraîchissement choisie pour l'image. Ils oscillent entre V0n et VOff avec une durée égale sur chacune de ces deux tensions. V1 et V2 sont en opposition de phase.
Il est à noter que l'interlaçage multiplie par deux la fréquence d'horloge.
La commande des tensions Vi, V2 appliquées aux bornes des lames d'oxyde d'étain-indium est représentée sur la figure 17, où la direction du polariseur 2A de sortie de l'écran miniature 2 générateur des sous images d'écran est disposé parallèlement à l'incidence S du cube comportant le traitement séparateur 7A du dispositif de reconstruction spatiale des images. Le cristal liquide du dispositif de commande de polarisation 5 est un cristal TN normalement blanc. On a donc Von = 0 Volt.
Il est important de noter que dans le cas d'un dispositif de commande de polarisation à balayage interlacé, l'alignement des électrodes de lignes ou de colonnes Ei, E2 avec les pixels couleur est extrêmement important. Dans le cas d'un écran miniature LCD à filtres colorés, il peut être intéressant d'utiliser des structures de sous-pixels adéquats, comme illustré sur la figure 18.
Sur la gauche de cette figure, est représentée une première structure à pixels rouges PR, verts Pv et bleus PB, disposés de façon alignée par rapport aux électrodes interlacées. Sur la droite de la figure 18, est représentée une seconde structure de pixels incluant un pixel blanc PBL dans chaque séquence de pixels disposés en carrés alignés par rapport aux électrodes interlacées.
L'invention s'applique tout autant aux afficheurs monoculaires qu'aux afficheurs binoculaires.
Bien que le mode de réalisation concerne un agencement d'affichage électronique, dont le dispositif de commande de l'écran miniature comporte un agencement de division d'une image source en deux images d'écran et le dispositif de mosaïquage assurant la transmission de ces deux images d'écran, de façon décalées spatialement l'une de l'autre et temporellement l'une de l'autre, selon une période inférieure au temps de rémanence de la rétine de l'œil divisé par deux, chaque image d'écran étant transmise vers l'œil du porteur pour la vision d'une sous image virtuelle, les deux sous images virtuelles résultantes et adjacentes formant ladite image virtuelle totale, l'invention concerne également un tel agencement à N sous-images.
Dans ce cas, l'élément de reconstruction spatiale comprend au moins N miroirs décentrés chacun d'une distance différente par rapport à un axe optique de référence, défini comme la droite issue du centre du dit écran miniature et perpendiculaire au plan de cet écran, N traitements séparateurs de polarisation et N lames de division d'onde.
Ledit élément de reconstruction spatiale de l'image peut être composé d'un ensemble de prismes et/ou rhomboèdres, de miroirs sphériques ou asphériques décentrés chacun d'une distance différente par rapport à l'axe optique de référence, de traitements séparateurs de polarisation et de lames quart d'onde ou demi-onde.
Avantageusement, ledit élément de reconstruction spatiale de l'image comprend autant de miroirs sphériques ou asphériques décentrés que de sous images, soit N.
Avantageusement ces miroirs sphériques ou asphériques sont du type miroir de Mangin.
Alternativement, un deuxième élément de commande de la polarisation peut être ajouté au dispositif de mosaïquage et positionné sur le trajet des faisceaux optiques juste après l'élément de reconstruction spatiale de l'image.

Claims

REVENDICATIONS
1. Agencement d'affichage électronique, destiné à transmettre des signaux de lumière formant une image émise d'un écran miniature (2), dite image d'écran, vers l'œil (O) d'un utilisateur pour la vision d'une image virtuelle (I), agencement caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de commande de l'écran miniature comportant un agencement de division d'une image source en N images d'écran (IE) et en ce qu'il comporte un dispositif dit de mosaïquage (3) comportant une lucarne de sortie (10) et assurant la transmission de ces N images d'écran, de façon décalées spatialement l'une de l'autre et temporellement l'une de l'autre, selon une période (τ) inférieure au temps de rémanence de la rétine de l'œil divisé par N, chaque image d'écran (IE) étant transmise vers l'œil du porteur pour la vision d'une sous image virtuelle (IN), les N sous images virtuelles résultantes et adjacentes formant ladite image virtuelle totale (I), ledit dispositif de mosaïquage (3) étant constitué d'un élément de commande de la polarisation de la lumière (5) et d'un élément de reconstruction spatiale (7) de l'image virtuelle (I), agencement caractérisé en ce que ledit dispositif de mosaïquage comporte un conduit optique (6) en matériau transparent dans le domaine visible et en ce que ledit conduit optique est disposé entre ledit élément de commande (5) et ledit élément de reconstruction spatiale.
2. Agencement selon la revendication 1 , caractérisé en ce que ledit dispositif de mosaïquage (3) est disposé entre ledit écran miniature (2) et l'œil du porteur (O).
3. Agencement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit élément de reconstruction spatiale comprend au moins deux miroirs décentrés chacun d'une position différente par rapport à un axe optique de référence, défini comme la droite issue du centre du dit écran miniature et perpendiculaire au plan de cet écran, au moins un traitement séparateur de polarisation et au moins deux lames quart d'onde.
4. Agencement selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'au moins un des dits traitements séparateurs de polarisation est un polariseur à grille.
5. Agencement selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'un guide optique extenseur de pupille (1 ) comportant une lucarne d'entrée est placé entre le système de mosaïquage et l'œil du porteur.
6. Agencement selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ledit guide optique (1 ) est inclus dans un verre ophtalmique (V).
7. Agencement selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que la lucarne de sortie (10) du système de mosaïquage est placée en correspondance avec la lucarne d'entrée du guide optique (1 ).
8. Agencement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que N est égal à deux et en ce que ledit élément de commande de la polarisation (5) met en forme alternativement une polarisation des faisceaux lumineux issus de l'écran miniature selon un vecteur de polarisation P ou de polarisation S, sensiblement selon ladite période
(τ)- 9. Agencement selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ledit conduit optique (6) porte un traitement séparateur de polarisation (7A) incliné associé à deux lames quart d'onde (7B, 7C) dont l'axe de retard forme un angle de 45° par rapport à la direction du vecteur de polarisation P ou S, dans le plan des dites lames quart d'onde.
10. Agencement selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le traitement séparateur (7A) est incliné de 45° par rapport à un axe optique de référence, défini comme la droite issue du centre du dit écran miniature et perpendiculaire au plan de cet écran et les deux lames quart d'onde (7C, 7D) sont perpendiculaires.
11. Agencement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit élément de commande de polarisation (5) comprend une cellule à cristaux liquides commandée électriquement.
12. Agencement selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ledit écran miniature (2) et ledit élément de commande de polarisation (5) forme une seule pièce.
13. Agencement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les dites sous images virtuelles IN sont à géométrie interlacée.
14. Agencement selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ledit élément de commande de polarisation (5) dispose d'électrodes interlacées (Ei, E2).
15. Agencement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de commande de l'écran miniature comporte un agencement de recalage de la position des dites images d'écran, ce recalage étant défini par calibrage sur un banc de réglage (B).
16. Agencement selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ledit écran miniature (2) présente une taille de sa zone contenant des pixels susceptibles d'afficher une image de taille supérieure à la taille de l'image d'écran (IE) qui y est générée.
17. Agencement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de commande de l'écran miniature comporte un agencement d'adressage desdites images d'écran.
18. Agencement selon l'une des revendications 16 à 18, caractérisé en ce qu'un dispositif de mise en mémoire des coordonnées de recalage dispose de redondances et d'un système de correction d'erreur.
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