EP2841982A1 - Viseur tête haute compact a grande pupille de sortie - Google Patents

Viseur tête haute compact a grande pupille de sortie

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Publication number
EP2841982A1
EP2841982A1 EP13723862.2A EP13723862A EP2841982A1 EP 2841982 A1 EP2841982 A1 EP 2841982A1 EP 13723862 A EP13723862 A EP 13723862A EP 2841982 A1 EP2841982 A1 EP 2841982A1
Authority
EP
European Patent Office
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head
optical
display according
projection
screen
Prior art date
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Ceased
Application number
EP13723862.2A
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German (de)
English (en)
Inventor
Stéphane Getin
Henri Doyeux
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.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Publication of EP2841982A1 publication Critical patent/EP2841982A1/fr
Ceased legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/10—Beam splitting or combining systems
    • G02B27/1066—Beam splitting or combining systems for enhancing image performance, like resolution, pixel numbers, dual magnifications or dynamic range, by tiling, slicing or overlapping fields of view
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/20—Filters
    • G02B5/28—Interference filters
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
    • G02B2027/0123—Head-up displays characterised by optical features comprising devices increasing the field of view
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
    • G02B2027/0147—Head-up displays characterised by optical features comprising a device modifying the resolution of the displayed image

Definitions

  • the present invention relates to a head-up display, also called head-up display, head-up display or head-up display system. More particularly, the present invention relates to a compact head-up viewfinder and having a large exit pupil.
  • the head-up displays also known as the HUD, of the English Head-Up Display
  • HUD augmented reality display systems
  • Such systems can be placed in the cockpit of an aircraft or within the cabin of a vehicle. They are thus positioned at a distance of a few tens of centimeters from the eyes of the user.
  • Figure 1 illustrates, schematically, the func ⁇ tioning of such a device.
  • a semi-transparent plate 10 is placed between the eye of the user 12 and a scene to be observed 14.
  • the objects of the scene to be observed are generally located at infinity or at a significant distance from the observer.
  • the semi-transparent blade 10 is placed at an angle to the axis between the scene 14 and the observer 12, for example 45 °, so as to transmit the information from the scene 14 to the observer 12, without altering this information.
  • a projection system is planned.
  • This system comprises an element for displaying an image 16, for example a screen, located at the focal point object of an optical system 18.
  • the image displayed on the screen, which is to be projected on the stage, is thus infinitely collimated by the optical system.
  • the projection system is placed perpendicular to the axis between the scene and the observer so that the beam from the optical system 18 reaches the semi-transparent plate perpendicular to this axis.
  • the beam from the optical system 18 thus reaches the semi-transparent plate 10 at an angle of 45 ° with respect to its surface.
  • the semi-transparent plate 10 combines the image of the scene 14 and the image resulting from the projection system 16-18, which results in the observer visualizing, without having to make an accommodation effort, a image comprising the projected image superimposed on the image of the scene 14. This makes it possible to limit the observer's visual fatigue and to improve his speed of decision-making with the projected information.
  • the observer's eye In order to visualize the image projected by the projection system 16-18, the observer's eye must be placed in the reflection zone of the beam coming from the optical system 18 on the plate 10.
  • An important constraint to be respected is to hold account possible movements of the head of the user in front of the projector, and therefore to provide a beam output of the optical system 18 as wide as possible. In other words, it is necessary to provide an optical system 18 whose output pupil is large, for example between a few centimeters and a few tens of centimeters, so that the head movements of the observer do not imply a loss of light. projected information.
  • Another constraint of head-up systems is to provide a relatively compact device. Indeed, significant space constraints weigh on these devices ⁇ sitifs, especially when used in aircraft cockpits or car interiors of limited volume.
  • FIG. 2 is an enlargement of the projection system of FIG. 1, comprising a screen 16 and an optical system 18.
  • the screen 16 consists of pixels 20 arranged in a matrix.
  • the distance separating the screen 16 and the optical system 18 is equal to the object focal length f of the optical system 18.
  • the angular resolution of the projection system is defined as being the inverse of the tangent of the ratio between the size of a pixel tpj_ x and the focal length f of the optical system 18 in the above configuration (at first approach, the Angular resolution is equal to the angle ⁇ in Figure 2).
  • the angular resolution must be less than that of the eye, that is to say less than 1 mrad.
  • a pixel size imposed by current technologies (whose lower limit is of the order of a few microns to a few tens of micrometers)
  • reasonable angular resolutions are obtained for focal lengths of optical systems. of the order of a few centimeters.
  • the focal length can be preferably increased beyond a few centi ⁇ meters.
  • the complexity of an optical system depends on the output aperture thereof, i.e. the ratio of the diameter of the exit pupil of the device to the object focal length of the system. More particularly, the larger the opening of a device, the more complex the device. More the optical system is complex, the more the number of lenses it contains is important, especially to limit the various geometric aberrations.
  • FIG. 3 is a graph showing known optical systems classified according to the inverse of their aperture (F / #) and as a function of the desired field of view angle ("Full Field Angle").
  • F / # the inverse of their aperture
  • Full Field Angle the desired field of view angle
  • FIG. 3 it can be seen that for a given field of view angle, the larger the aperture, the greater the complexity of the optical system.
  • simple parabolic lens systems (“ACHROMATIC DOUBLET”) are suitable.
  • ACHROMATIC DOUBLET simple parabolic lens systems
  • head-up systems it is generally desired to obtain a total field of view angle of between 20 and 30 °.
  • the current complex optical systems for example Petzval or "DOUBLE GAUSS" lenses
  • An object of an embodiment of the present invention is to provide a compact head-up viewfinder having a large exit pupil.
  • An object of an embodiment of the present invention is to further provide such a device whose manufacture is easy.
  • an embodiment of the present invention provides a head-up viewfinder, comprising an element adapted to superimpose a first image of a scene and a second image resulting from a projection system, the projection system comprising a screen and a optical system, the screen being divided into sub-screens each displaying the second image, the optical system comprising a set of optical subsystems placed opposite each sub-screen, the screen being placed in the object focal plane of each optical subsystem.
  • each sub-display associated with an optical subsystem corre sponding ⁇ form a projection sub-module, projection submodules having an angular resolution and an identical field of view.
  • the element adapted to combine the first and second images is a semi-transparent plate or an interference filter.
  • the screen comprises a matrix of pixels formed on the same support, the subscreens being constituted by portions of
  • each pixel of the screen comprises an organic light-emitting diode.
  • the viewfinder has an opening less than or equal to 1.5.
  • elements of the optical subsystems farthest from the subscreens are contiguous, within 2 mm.
  • elements of the optical subsystems farthest from the subscreens have hexagonal shapes and are arranged in a honeycomb.
  • elements of the optical subsystems farthest from the subscreens have square shapes and are arranged in a matrix.
  • each optical subsystem comprises a first and a second diopter.
  • the first diopter has a radius of curvature of between 8 and 8.5 mm and a coefficient of aspherization between -0.8 and -0.9
  • optical has a radius of curvature between -45 and -46 mm and a coefficient of aspherization less than 0.2.
  • An embodiment of the present invention further provides a method of manufacturing a head-up viewfinder as above, comprising the steps of: defining an angular resolution and a pixel size of the screen; calculate the focal length of each of the optical subsystems from the defined angular resolution; set the number of pixels per subscreen and the number of projection submodules according to a desired exit pupil size; and define the structure of the optical subsystems as a function of the desired focal length and the total field of view.
  • Figure 1 previously described, illustrates the principle of operation of a head-up display
  • Figure 2 previously described, illustrates a constraint applied to the head-up displays
  • FIG. 3 previously described, is a graph showing the complexity of an optical system as a function of its aperture and of the total field of view;
  • Figure 4 illustrates a head-up viewfinder according to an embodiment of the present invention.
  • Figures 5 and 6 illustrate assemblies of optical subsystems according to embodiments of a viewfinder according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 4 shows a head-up viewfinder according to one embodiment.
  • the device comprises an element 10, called combiner, able to superimpose the image of a scene with the image from a projection system.
  • the combiner 10 is placed between the observer 12 and a scene to be observed.
  • combiner 10 may be a semi-transparent plate or an interference filter.
  • the surface of the combiner 10 forms an angle, for example 45 ° with the axis between the scene and the observer, and does not disturb the arrival of rays from the scene to the observer.
  • a projection system of an image to be integrated into the scene is planned. It comprises an image source 24, for example a screen, associated with an optical system 26.
  • the projection system is here placed perpendicularly to the axis between the scene and the observer and the beam that comes from the optical system 26 reaches the combiner 10 perpendicularly to this axis (and therefore 45 ° of the combiner 10).
  • the combiner 10 superimposes the image of the scene 14 and the projected image from the optical system 26, whereby the observer views the projected image superimposed on the actual image of the scene.
  • the system of FIG. 4 thus functions in the same way as the system of FIG.
  • the screen 24 is separated into several subscreens, preferably identical. In the sectional view of FIG. 4, three sub-screens 24A, 24B and 24C are shown. Note that this number may be more or less important.
  • Each subscreen is associated with an optical subsystem.
  • the optical system 26 separates into several optical subsystems 26A, 26B and 26C respectively, preferably identical.
  • the screen 24 is placed at a distance from the optical system 26 equal to the object focal distance of each of the optical subsystems 26A to 26C.
  • Each combination of a subscreen and an optical subsystem forms a projection sub-module, or sub-projector.
  • the projection system therefore comprises a plurality of sub-projectors.
  • the screen 24 is provided so that each subscreen 24A, 24B, 24C displays the same information.
  • the beams from each of the optical subsystems 26A to 26C are therefore identical and collimated to infinity.
  • the projection submodules are advantageously identical. They can still be dif ⁇ ent from each other in terms of focal length and pixel size, as long as they have an angular resolution and an identical view.
  • the field of view is defined as the product of the number of pixels of the subscreen and the angular resolution of the submodule concerned.
  • each optical subsystem has an opening, called elemental, "moderate".
  • the elementary aperture of an optical subsystem is defined as the ratio of its own focal distance to the size of its own exit pupil.
  • the parallel association of the sub-projectors thus makes it possible to obtain an optical system whose opening is particularly weak insofar as, for the same distance between screen and projection optics, a large total exit pupil is obtained. , equal to the sum of the exit pupils of each of the optical subsystems.
  • the total optical system thus has a small opening, less than 1.5, while being formed of simple elementary optical structures. The compactness of the complete device is thus ensured.
  • the screen 24 may be comprised of a cell array comprising organic light emitting diodes ⁇ (English OLED, Organic Light-Emitting Diode) or a matrix of LCD sub-screens or picture .
  • organic light emitting diodes ⁇ English OLED, Organic Light-Emitting Diode
  • LCD sub-screens or picture a matrix of LCD sub-screens or picture .
  • the screen 24, although divided into subscreens 24A to 24C, may consist of a single screen whose pixels are separated to form the subscreens. We can foresee for example to form two subscreens twice on a complete OLED screen, or more than that.
  • the last lenses of each of the optical subsystems 26A to 26C are in top view joined, so that there is no space between the projected images and the user perceives the projected information continuously.
  • the joined nature of the lenses is defined within the tolerance limit of the pupil of the eye.
  • a small gap between the lenses is acceptable, as long as it is not greater than the pupil of the eye, that is to say it is not greater than a few millimeters.
  • FIGS 5 and 6 illustrate two possible configurations of the last lenses of each optical subsystem of Figure 4, seen from above.
  • each optical subsystem 24A, 24B, 24C have hexagonal shapes, and are arranged in a honeycomb.
  • the lens Su 08 ⁇ EXTERIORFEATURES 30 of each optical subsystem have square shapes, and are arranged in matrix. It will be noted that other configurations are also possible.
  • the two forms above are relatively simple to implement and to manufacture opposite an OLED screen, for example by conventional microlens fabrication techniques.
  • This stack forms a Fabry-Perot type selective optical cavity, the wavelength zone most favored by the cavity being regulated by the thickness of the organic layers (distance between the two mirrors).
  • the selectivity of the cavity, for its part, is regulated by the transparency of the semi-reflective cathode mirror.
  • a mono-color OLED cell for example green
  • a desired angular resolution is defined, as well as a pixel size compatible with the available manufacturing methods
  • the focal length of each of the optical subsystems of each of the sub-projectors is calculated from the desired angular resolution
  • the number of pixels to be formed in each subscreen is defined, and the number of projection submodules to be joined to form the complete projector, according to the size of the exit pupil that it is desired to obtain;
  • the structure of the optical subsystems (26A, 26B, 26C) is defined as a function of the desired focal length and the total field of view.
  • the device proposed here may comprise a screen 26 whose pixels have sizes of less than 300 ⁇ m, which may for example be between 1 and 80 ⁇ m, preferably of the order of 5 ⁇ m.
  • the total thickness of the projection system can be between a few millimeters and a few centimeters.
  • the field of view is chosen here at 10 °.
  • OLED cells can be formed by microelectronic type processes, for example as described in the Prache 0 publication entitled “Active matrix molecular OLED microdisplays", published in 2001 in Displays 22 (pages 49-56).
  • the optical system 26 may consist of 50 ⁇ 50 square lenses of 2.5 mm side, therefore having an exit pupil of 125 mm side, each sub-screen 24A, 24B, 24C having a definition of 500 ⁇ 500 pixels, the total definition of the screen 24 being 25000x25000 pixels.
  • each pixel has an emission wavelength of 535 nm.
  • Lenses constituting the optics of the projection device may be made of polymethyl methacrylate, PMMA, by molding or by injection, or any other suitable polymer material. This makes it possible to obtain an average thickness of each optics of the projection optical system 26 of the order of one millimeter.
  • each optical subsystem 26A, 26B, 26C may comprise a first diopter having a radius of curvature of between 8 and 8.5 mm and a coefficient of aspherization of between -0.8 and -0. 9, and a second diopter having a radius of curvature between -45 and -46 mm and a coefficient of asperization less than 0.2.
  • the optical system may comprise a first diopter having a radius of curvature of 8.296 mm and a coefficient of aspherization of -0.85.
  • the second diopter of the optical system may have a radius of curvature of -45.73 mm and a coefficient of zero aspherization.
  • the rear face of the lens array can be placed at 13.66 mm (object focal distance) from the screen.
  • the opening of the projection module is here of the order of 0.1.
  • the lenses of the projection system may not in plastic but in glass.
  • Such a configuration although more expensive, has the advantage of being adapted to temperature constraints which may be important, particularly in cockpits of fighter jets (temperature differences likely to be between -40 ° C and 70 ° C). Indeed, under such temperatures, the plastic proposed above may deform.
  • a system that adjusts the distance between the screen and the optical system when the focal length of that it varies.
  • an image detection system for example a camera comprising a few pixels, in alignment with the projection system and the semi-transparent plate, as opposed to projection system in relation to the latter.
  • the camera detects if the image projected by the projection system is well collimated to infinity, and if it is not the case, triggers the start of a mechanical system allowing to move closer, or to move away, the optical system 26 and the screen 24.
  • the mechanical system for bringing the optical system 26 and the screen 24 closer together or away from the screen 24 may be formed in any known manner, for example by means of a motor that activates the movement of a rack to which the screen or the optical system is linked.

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Abstract

L'invention concerne un viseur tête haute, comprenant un élément (10) adapté à superposer une première image d'une scène (14) et une deuxième image issue d'un système de projection, le système de projection comprenant un écran (24) et un système optique (26), l'écran (24) étant divisé en sous- écrans (24A, 24B, 24C) affichant chacun la deuxième image, le système optique (26) comprenant un ensemble de sous-systèmes optiques (26A, 26B, 26C) placés en regard de chaque sous-écran (24A, 24B, 24C), l'écran étant placé dans le plan focal objet de chaque sous-système optique (26A, 26B, 26C).

Description

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

Claims

REVENDICATIONS
1. Viseur tête haute, comprenant un élément (10) adapté à superposer une première image d'une scène (14) et une deuxième image issue d'un système de projection, ledit système de projection comprenant une pluralité de sous-écrans photoémetteurs identiques (24A, 24B, 24C) émettant chacun la même deuxième image, chaque sous-écran étant associé à un sous- système optique (26A, 26B, 26C), tous identiques, tous les ensembles d'un sous-écran et d'un sous-système optique ayant des axes optiques parallèles, chaque sous-écran étant placé dans le plan focal objet du sous-système optique associé.
2. Viseur tête haute selon la revendication 1, dans lequel chaque sous-écran (24A, 24B, 24C) associé à un sous- système optique (26A, 26B, 26C) correspondant forme un sous- module de projection, les sous-modules de projection présentant une résolution angulaire et un champ de vision identiques.
3. Viseur tête haute selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l'élément (10) adapté à combiner les première et deuxième images est une lame semi-transparente ou un filtre interférentiel .
4. Viseur tête haute selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel l'ensemble des sous-écrans constitue une matrice de pixels formés sur un même support.
5. Viseur tête haute selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel chaque pixel de l'écran (24) comprend une diode électroluminescente organique.
6. Viseur tête haute selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, présentant une ouverture inférieure ou égale à 1,5.
7. Viseur tête haute selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel des éléments des sous-systèmes optiques (26A, 26B, 26C) les plus éloignés des sous-écrans (24A, 24B, 24C) sont jointifs, à 2 mm près.
8. Viseur tête haute selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel des éléments des sous-systèmes optiques (26A, 26B, 26C) les plus éloignés des sous-écrans (24A, 24B, 24C) présentent des formes hexagonales et sont agencés en nid d'abeille.
9. Viseur tête haute selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel des éléments des sous-systèmes optiques (26A, 26B, 26C) les plus éloignés des sous-écrans (24A, 24B, 24C) présentent des formes carrées et sont agencés en matrice .
10. Viseur tête haute selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel chaque sous-système optique
(26A, 26B, 26C) comprend un premier et un second dioptre.
11. Viseur tête haute selon la revendication 10, dans lequel le premier dioptre possède un rayon de courbure compris entre 8 et 8,5 mm et un coefficient d' asphérisation compris entre -0,8 et -0,9, et le second dioptre du système optique possède un rayon de courbure compris entre -45 et -46 mm et un coefficient d' asphérisation inférieur à 0,2.
12. Procédé de fabrication d'un viseur tête haute selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, comprenant les étapes :
définir une résolution angulaire et une taille des pixels des sous-écrans ;
calculer la distance focale de chacun des sous- systèmes optiques (26A, 26B, 26C) à partir de ladite résolution angulaire définie ;
définir le nombre de pixels par sous-écran et le nombre de sous-modules de projection en fonction d'une taille de pupille de sortie souhaitée ; et
définir la structure des sous-systèmes optiques (26A, 26B, 26C) en fonction de la distance focale désirée et du champ de vision total.
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