EP3298440A1 - Générateur d'image, notamment pour dispositif d'affichage tête haute - Google Patents

Générateur d'image, notamment pour dispositif d'affichage tête haute

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EP3298440A1
EP3298440A1 EP16718386.2A EP16718386A EP3298440A1 EP 3298440 A1 EP3298440 A1 EP 3298440A1 EP 16718386 A EP16718386 A EP 16718386A EP 3298440 A1 EP3298440 A1 EP 3298440A1
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EP
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image generator
image
matrix
distinct
generator according
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Pending
Application number
EP16718386.2A
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German (de)
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Inventor
Pierre Mermillod
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Valeo Comfort and Driving Assistance SAS
Original Assignee
Valeo Comfort and Driving Assistance SAS
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Publication date
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    • G02B5/1871—Transmissive phase gratings

Definitions

  • Image generator especially for a head-up display device
  • the present invention relates to an image generator, in particular for a head-up display device, and relates in particular to the image-forming means of the device.
  • the invention will find applications, for example, in motor vehicles to inform vehicle users, especially drivers.
  • Head-up display systems are known in vehicles. These systems make it possible to inform the driver by displaying in his field of view information relating to the state of the vehicle such as speed or information related to the route. This system allows the driver to visualize a form of augmented reality in his field of vision.
  • Such systems are provided with a light source, for example comprising one or more laser sources, which are combined to form a collimated beam.
  • a light source for example comprising one or more laser sources, which are combined to form a collimated beam.
  • the light beam is imaged on a diffuser screen.
  • This screen makes it possible to broadcast the collimated beam.
  • a diffuser generally comprises a rough face, causing the dispersion of the light beam.
  • a semi-reflective device then makes it possible to create a virtual image of the screen in the driver's field of vision, the image comprising the information to be displayed.
  • the object of the invention is to solve the preceding problems by proposing an image generator, in particular for a head-up display device, comprising at least one laser source producing a light beam, means for forming an image in a intermediate image plane, the generator further comprising diffraction means placed in an intermediate image plane, provided with a plurality of microstructures arranged in a matrix to form a matrix of microstructures, each microstructure being defined by a pattern, the matrix of microstructures comprising at least two distinct patterns.
  • the introduction of diffraction means in the intermediate image plane makes it possible to control the interference occurring within the light beam.
  • These interferences which are at the origin of scabbing and / or moire effects, can thus be reduced or even eliminated and thus also make it possible to minimize the appearance of scab in the virtual image displayed by the user.
  • the repeatability of the pattern favors the appearance of the moiré effect and scab, which causes discomfort for those who look at the generated image.
  • the local periodicity is broken which has the effect of disadvantaging the appearance of these structured interference.
  • two microstructures having the same pattern are separated by at least one microstructure having a distinct pattern.
  • the patterns are arranged according to a first sequence, the first series repeating itself periodically to form a first line of the matrix.
  • the first sequence furthermore forms a second line of the matrix, under the first line, and is arranged so that two microstructures having the same pattern are separated by at least one microstructure having a distinct pattern.
  • At least one second sequence distinct from the first sequence, forms at least one second line of the matrix.
  • a two-dimensional block formed of at least two distinct sequences of distinct patterns, repeats periodically to form the matrix.
  • the distribution of the at least two distinct patterns in the matrix of microstructures is random.
  • N is the number of distinct patterns
  • two microstructures having the same pattern are separated by N-1 microstructures having distinct patterns.
  • each distinct pattern is configured to generate a separate broadcast beam.
  • each distinct pattern is configured to generate a distinct diffraction pattern.
  • the diffraction means comprise a diffractive optical element traversed by the beam and having at least two different levels of thickness in the direction of propagation of the beam.
  • the diffractive optical element is used in transmission or reflection.
  • the invention also relates to a head-up display device, in particular for a motor vehicle, comprising an image generator as indicated above, and a semi-reflective optical element forming a virtual image of said image in the image plane. intermediate.
  • FIG. 1 is a schematic view of an embodiment of a head-up display device according to the invention
  • FIG. 2 is a schematic view of an embodiment of a
  • FIG. 3 is a schematic view of an embodiment of the transmission device used in the device according to the invention
  • FIG. 4 is a schematic view of an embodiment of the image forming means used in FIG. the device according to the invention
  • FIG. 5 is another schematic view of an embodiment of an image generator according to the invention.
  • FIG. 6 is a schematic view of the diffusion generated by diffusion means
  • FIG. 7 is a schematic view of an embodiment of
  • FIG. 8 is a view similar to FIG. 7, for another embodiment of the diffractive optical element according to the invention.
  • FIG. 9 is an example of a diffractive optical element pattern.
  • Figure 1 is a schematic view of an embodiment of a head-up display device according to the invention.
  • the device comprises an image generator 100, followed by diffraction means 140 placed in an intermediate image plane 111.
  • the image generator 100 produces a beam 30 which, according to the embodiment of Figure 1, is then reflected on a first folding mirror 125.
  • the light beam 30 then passes through a semi-reflective optical element 126, which may be constituted by the windshield of the vehicle or by a semi-reflective blade.
  • the combination of the mirror 125 and the semi-reflective plate 126 allows the user to see a virtual image 130 of the image generated by the image generator 100 in the intermediate image plane 111, as if the image were at a distance of about two meters from his eyes and superimposed the road. This image is perceived by the user in an area of the vehicle called the eye box 170.
  • the eye box has a dimension of about 5x15 cm 2 , and is around the eyes of the driver when driving.
  • the semi-reflecting blade 126 has a reflectivity of at least 20%, which allows the user to see through the blade the road taken by the vehicle, while enjoying a high contrast to see the virtual image 130.
  • FIG. 2 illustrates an embodiment of the image generator 100.
  • the latter comprises a device for transmitting a light beam 10 and means 102 for forming an image in the plane 111, from said light beam 10.
  • FIG. 3 is a schematic view of an embodiment of the transmission device 101.
  • Said device comprises one or more light sources 4, 5, 6, each emitting a beam 7, 8, 9 of the laser type.
  • This is, for example, laser sources, typically laser diodes, each laser source emitting a monochromatic beam, wavelength ⁇ , ⁇ , ⁇ 3 .
  • the device here comprises three sources 4, 5, 6, the device being configured to form the light beam 10 by means of pooling by combining the beams 7, 8, 9 individually emitted by each of the sources 4, 5 , 6. More specifically, it may be sources emitting a beam of a color different from one source to another. Colors are, for example, red, green, or blue (RGB).
  • RGB red, green, or blue
  • the beams 7, 8, 9 emitted by each of the sources are oriented, for example, parallel to each other and reflected in the same direction to form by combination the common light beam 10.
  • the device 101 here comprises semi-optical elements. transparent, over a wavelength range, such as dichroic mirrors or combination blades 11, intercepting the beams 7, 8, 9 emitted by each of the sources and combining them according to the direction of the beam 10.
  • the device 101 is configured to form the light beam 10 from the laser beam (s) 7, 8, 9, whatever the number of sources 4, 5, 6 involved.
  • the light beam 10 is composed of the laser beam emitted by the only source used and the resulting image will then be monochrome.
  • the common beam 10 which then forms the light beam will allow the establishment of an image according to a color spectrum whose resolution will correspond to the fineness controlling the supply of sources 4, 5, 6.
  • the image forming means 102 comprise, for example, a scanning generator 110 whose function is to move the received light beam horizontally and vertically 10 in order to perform a scanning according to a given frequency, for example equal to 60 Hz.
  • the scanning generator 110 comprises, for example, a scanning mirror 115 with a microelectromechanical system (hereinafter referred to as the MEMS mirror) on which the light beam 10 Reflects in a scanning beam 103.
  • a mirror 115 MEMS for example has a diameter of 1 mm 2 .
  • the mirror 115 MEMS is able to rotate about two axes of rotation, for example orthogonal, to perform a scan, for example at the refresh rate of 60 Hz, in the intermediate image plane 111 according to a figure composed of successive lines, in the purpose of making an image, for example rectangular.
  • the mirror 115 MEMS can be replaced by two mirrors planes and mobile rotation, whose movements are associated. One of these mirrors can be dedicated to a scan along a horizontal axis while the other mirror can be dedicated to a scan along a vertical axis.
  • the image generator 102 may furthermore comprise different mirrors 104, 106, planar or otherwise, arranged on the trajectory of the scanning beam 103, as represented in FIG. 4.
  • diffractive means are arranged in the intermediate image plane 111, in order to suppress the scabs generated by the diffusion of a coherent laser source on the rough face of the diffuser mentioned above.
  • the diffusion means must not be replaced by the diffraction means, but the combination of the two is necessary to generate an image whose pupil is sufficiently large (diffusion means), and without scab (diffraction means), for the user.
  • a light source emits light in all directions.
  • the luminous intensity as a function of the emission direction is a surface, which is called emission indicator area in the literature.
  • a laser source has no emission indicating surface, since the collimated light is emitted in only one direction and the image of a laser beam can only be seen in the direction of propagation incident laser beam.
  • the laser beam is diffused by diffusion means, and an emission indicator surface is generated.
  • An embodiment of introduction of diffusion means 150 in the intermediate image plane 111 is illustrated in FIG.
  • the transmission device 101 generates the light beam 10.
  • the light beam 10 is then reflected on the scanning mirror 115.
  • the scanning beam 103 is then diffused by the diffusion means 150 placed in the intermediate image plane 111.
  • the diffusion means 150 receive the scanning beam 103 and are arranged to cause a dispersion of this scanning beam 103 according to a given angular sector, for example equal to 30 ° around the direction of propagation of the scanning beam 103.
  • the light beam 103 can be illustrated by means of a cone 155.
  • the diffusion means 150 thus enlarge the size of the pupil and are called in English "Eye Pupil Expander" or EPE in the literature.
  • the diffusion means 150 comprise a diffuser screen.
  • the latter can be a transparent projection screen for a projection by transparency; it can alternatively be translucent. It is made of, for example, glass, especially frosted, or polycarbonate.
  • a face 152 of the diffuser screen 150 is rough, in that it has asperities that cause the scanning beam 103 to be scattered.
  • the rough face 152 corresponds to that through which the beam exits, that is, say the face located in the intermediate image plane 111 on which the image is formed.
  • said image forming means do not comprise a scanning generator as previously described, but a matrix of micro-mirrors [also called Digital Micro Mirrors System in English, for digital micro-mirror system ).
  • the image is formed at the level of the micro-mirror array and then projected on the intermediate image plane 111.
  • a projection optics is placed between the matrix and the intermediate image plane.
  • Each micro-mirror corresponds to a pixel of the image.
  • the image is not formed in the intermediate image plane for the first time, but receives an image previously formed on the micro-mirror array.
  • micro-lens type diffuser in English, or MLA.
  • MLA micro-lens array
  • this type of diffuser generates the appearance of a structured and repetitive pattern called moiré effect in the literature. For reasons of manufacturing tolerance, alignment of lasers, etc., the moiré effect and the appearance of scab may also appear simultaneously.
  • diffraction means 140 are used.
  • the same optical component is used for the diffraction means 140 and the diffusion means 150, component which will be indicated under the reference 140 in the following.
  • the diffraction means 140 and the diffusion means 150 may also be provided by two separate optical elements.
  • the diffraction means 140 comprise a diffractive optical element.
  • a diffractive optical element is an optical component using interference and diffraction principles to direct light in precise directions and thereby produce different light distributions.
  • This element is for example composed of a micro-structured surface, which can be determined by a particular geometric function or shape pre-calculated by simulation, etc. and whose pitch may fall below a few micrometers.
  • the function of this optical element is to decompose the incoming beam into a plurality of output beams propagating in different directions, these different output beams corresponding to different diffraction orders, whose zero order and higher orders ( ⁇ 1, ⁇ 2, ⁇ 3, etc.).
  • the direction of the outgoing beams depends on the structure responsible for the diffraction that is present on the face of the diffractive optical element 140, and the wavelength of the incident light.
  • the face of the diffractive optical element comprises a periodic structure, micro-structured, the pitch of which is of the order of the wavelength of the light. For a single dimension, it is a diffraction grating, the pitch of which depends on the wavelength of the light.
  • these structures may comprise two thickness levels, in the propagation direction of the light beam: in this case it is a binary diffractive optical element, also called phase shift mask in the literature. Some regions have a smaller thickness, and other regions have a higher thickness, thus inducing an optical path difference and hence a phase shift between different portions of the diffracted beam.
  • the optical path difference between two regions is ⁇ / 2, where ⁇ corresponds to the wavelength of the incident light.
  • the diffractive optical element is therefore generally optimized for a single wavelength. If the device comprises three laser sources, the diffractive optical element can be optimized for one of the three sources.
  • the phase mask is designed for the length the average wavelength of the different laser sources, the average wavelength being the average of the wavelengths of the laser sources.
  • the diffractive optical element 140 may comprise a plurality of different thicknesses in the propagation direction of the beam.
  • the multi-level diffracting optical elements comprise at least two different thicknesses, inducing a plurality of phase shifts of the wave between 0 and 2 ⁇ , or even 0 and 4 ⁇ (or any other multiple of 2 ⁇ ).
  • the multi-level diffractive optical elements are generally designed to make the diffracted beam asymmetrical, for example, to make the order -1 coincide with the order 1. The luminous intensity of the light beam corresponding to these superposed orders is then stronger.
  • the multi-level diffractive optical element is designed for the average wavelength of the different laser sources.
  • the distribution of the light beam emerging from the diffractive optical element 140 depends on the structure of the face of the diffractive optical element. This structure can be computed analytically, by the theory of diffraction gratings or can also be simulated, etc.
  • a diffractive optical element 140 also generates scattering.
  • a diffractive optical element 140 also generates scattering.
  • discontinuities in thickness variations generate scattering.
  • the intensity of diffusion also depends on the structure of the diffractive optical element face and can be determined in advance by means of simulations, calculations, etc.
  • FIG. 7 illustrates in more detail the diffractive optical element 140 according to the invention.
  • the diffractive optical element 140 comprises, on its face located in the plane 111, a plurality of microstructures arranged in a matrix 700 to form a matrix of microstructures, each microstructure 711, 712, 713, 714 being defined by a pattern.
  • the scanning beam 103 illustrated in FIG. 5 will strike each microstructure of the matrix 700 one by one.
  • Each microstructure is illuminated for a period of, for example, about 10 nanoseconds and between two successive illuminations, the scanning beam 103 is turned off.
  • the entire array is scanned at a refresh rate of about 60Hz in this example.
  • the matrix 700 of microstructures which forms the diffractive optical element 140 is included in the rectangular image 125 created by the scanning beam 103, in the intermediate image plane 111.
  • the size of the microstructure matrix may be 800 x 600.
  • the number of microstructures of the matrix will influence the resolution of the virtual image perceived by the user.
  • the diameter of the scanning beam is for example 100 ⁇ .
  • the beam may or may not cover all of a microstructure, but by the effect of scanning and retinal persistence, the matrix behaves as if it were uniformly illuminated by the laser beam.
  • the image forming means comprise a matrix of micro-mirrors and not a scanning generator
  • the laser beam which is then fixed, illuminates the entire matrix of micro-mirrors. ; this forms the image which is projected hard on the whole of the diffraction matrix.
  • the repeatability of the pattern favors the generation of repetitive artifact called Moire, due to structured interference.
  • Moiré causes discomfort for the driver of the vehicle looking at the virtual image generated by the device.
  • different patterns are used to minimize the moiré effect. If each microstructure of the matrix of the diffractive optical element was different, the moiré effect would be broken since the repetitiveness of the microstructure within the matrix would be zero.
  • such a device is very complex and expensive to develop and / or manufacture.
  • the microstructure matrix of the diffractive optical element advantageously comprises at least two distinct patterns.
  • the patterns are arranged in a first periodic sequence to form a first line of the matrix. The local periodicity, at the scale of the microstructure, is thus broken.
  • the first sequence forms a second line of the matrix, under the first line, and is arranged so that identical patterns are not juxtaposed.
  • Table 1 illustrates an embodiment of the arrangement of the same sequence on different lines of the matrix composed of three distinct patterns, illustrated by the letters A, B and C.
  • Table 1 A suite composed of three distinct patterns
  • two microstructures having the same pattern are separated by at least one microstructure having a distinct pattern, so that two identical patterns are not juxtaposed.
  • N is the number of distinct patterns
  • two microstructures having the same pattern are separated by N1 microstructures having distinct patterns.
  • the periodic sequences are repeated in the matrix of microstructures and two same patterns are spaced apart by a maximum number of distinct patterns. The local periodicity at the scale of the dimension of the suite is thus broken.
  • a second sequence, distinct from the first sequence forms at least one second row of the matrix. The use of distinct sequences makes it possible to break even more the periodicity of the same microstructures within the same matrix.
  • Table 2 illustrates an example of such an embodiment, in which six distinct patterns are illustrated by the first six letters of the alphabet:
  • the distribution of at least two distinct patterns in the matrix of microstructures is random. This random distribution of distinct patterns can be evaluated by one of the probability laws.
  • a two-dimensional block formed of at least two distinct sequences of distinct patterns, repeats periodically to form the matrix 700.
  • two pavers with two dimensions, respectively comprising 2x2 (710) and 5x5 (720) distinct patterns form the matrix 700.
  • Each block 710, 720 can be seen as a macrostructure, composed of a plurality of distinct microstructures.
  • the diffractive optical element is designed for the average wavelength of the different laser sources, the average wavelength being the average of the wavelengths of the at least one laser source.
  • each pattern can be configured to generate a separate broadcast beam.
  • the output indicator of the scattered beam may for example be modified for each microstructure.
  • Each distinct pattern may also be configured to generate a distinct diffraction pattern.
  • a multi-level diffractive optical element can be used to superimpose different diffraction orders and thus increase the luminous intensity of the diffracted beam corresponding to these orders. Distinct patterns can thus generate diffracted light beams with different intensities.
  • diffraction means have been described above in which the diffractive optical element is used in transmission. It is of course possible to use a diffractive optical element operating in reflection without departing from the scope of the invention.

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Abstract

L'invention concerne générateur d'image (100), notamment pour dispositif d'affichage tête haute, comprenant au moins une source laser (101) produisant un faisceau lumineux (10), des moyens de formation d'une image (102) dans un plan image intermédiaire (111), le générateur d'image étant caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens de diffraction (140) placés dans le plan image intermédiaire (111) pourvus d'une pluralité de microstructures (711-714, 7201-7225) agencées selon une matrice (700) pour former une matrice de microstructures, chaque microstructure étant définie par un motif, la matrice de microstructures comprenant au moins deux motifs distincts.

Description

Générateur d'image, notamment pour dispositif d'affichage tête haute
La présente invention concerne un générateur d'image, notamment pour un dispositif d'affichage tête haute, et concerne en particulier les moyens de formation d'image du dispositif.
L'invention trouvera ses applications, par exemple, dans les véhicules automobiles pour informer les utilisateurs du véhicule, en particulier les conducteurs.
Les systèmes d'affichage tête haute sont connus dans les véhicules. Ces systèmes permettent d'informer le conducteur, en affichant dans son champ de vision des informations liées à l'état du véhicule telles que la vitesse ou des informations liées à l'itinéraire. Ce système permet au conducteur de visualiser une forme de réalité augmentée dans son champ de vision.
De tels systèmes sont pourvus d'une source lumineuse, par exemple comprenant une ou plusieurs sources lasers, qui sont combinées pour ensuite former un faisceau collimaté. Après passage dans des moyens de balayage, le faisceau lumineux est imagé sur un écran diffuseur. Cet écran permet de diffuser le faisceau collimaté. Un tel diffuseur comprend généralement une face rugueuse, provoquant la dispersion du faisceau lumineux. Un dispositif semi-réfléchissant permet ensuite de créer une image virtuelle de l'écran dans le champ de vision du conducteur, l'image comprenant les informations à afficher.
Cependant, lorsqu'une source cohérente, telle qu'un laser, est projetée sur l'écran diffuseur, des taches aléatoires vont apparaître sur l'image, ces tâches provenant d'interférences constructives (tâches de haute intensité) et destructives (tâches plus sombres) entre différentes composantes de la lumière diffusée. Ces tâches aléatoires sont nommées tavelures ou « speckle » en anglais. Le conducteur pourra être ébloui par les tâches plus claires, et lorsqu'il change de position, ces tâches lui apparaîtront plus sombres, provoquant ainsi une gêne.
L'invention a pour objet de résoudre les problèmes précédents en proposant un générateur d'image, notamment pour un dispositif d'affichage tête haute, comprenant au moins une source laser produisant un faisceau lumineux, des moyens de formation d'une image dans un plan image intermédiaire, le générateur comportant en outre des moyens de diffraction placés dans un plan image intermédiaire, pourvus d'une pluralité de microstructures agencées selon une matrice pour former une matrice de microstructures, chaque microstructure étant définie par un motif, la matrice de microstructures comprenant au moins deux motifs distincts.
L'introduction de moyens de diffraction dans le plan image intermédiaire permet de maîtriser les interférences se produisant au sein du faisceau lumineux. Ces interférences, qui sont à l'origine des tavelures et/ou d'effets de moiré, peuvent ainsi être réduites, voire éliminées et ainsi permettent également de minimiser l'apparition de tavelures dans l'image virtuelle visualisée par l'utilisateur. La répétitivité du motif favorise l'apparition de l'effet moiré et des tavelures, qui provoque une gêne pour celui qui regarde l'image générée. En utilisant une pluralité de motifs distincts, la périodicité locale est brisée ce qui a pour effet de défavoriser l'apparition de ces interférences structurées.
De préférence, deux microstructures ayant le même motif sont séparées par au moins une microstructure ayant un motif distinct.
De manière avantageuse, les motifs sont disposés selon une première suite, la première suite se répétant de façon périodique pour former une première ligne de la matrice.
Préférentiellement, la première suite forme en outre une deuxième ligne de la matrice, sous la première ligne, et est disposée de sorte que deux microstructures ayant le même motif sont séparées par au moins une microstructure ayant un motif distinct.
Avantageusement, au moins une deuxième suite, distincte de la première suite, forme au moins une deuxième ligne de la matrice.
De manière préférentielle, un pavé à deux-dimensions, formé d'au moins deux suites distinctes de motifs distincts, se répète de manière périodique pour former la matrice.
De manière avantageuse, la répartition des au moins deux motifs distincts dans la matrice de microstructures est aléatoire.
Préférentiellement, si N est le nombre de motifs distincts, deux microstructures ayant le même motif sont séparées par N-l microstructures ayant des motifs distincts.
De manière préférentielle, chaque motif distinct est configuré pour générer un faisceau de diffusion distinct.
De manière avantageuse, chaque motif distinct est configuré pour générer une figure de diffraction distincte.
Préférentiellement, les moyens de diffraction comportent un élément optique diffractant, traversé par le faisceau et présentant au moins deux niveaux d'épaisseurs différents dans la direction de propagation du faisceau.
L'élément optique diffractant est utilisé en transmission ou en réflexion.
L'invention concerne également un dispositif d'affichage tête haute, notamment pour véhicule automobile, comportant un générateur d'image tel qu'indiqué ci-dessus, et un élément optique semi-réfléchissant formant une image virtuelle de ladite image dans le plan image intermédiaire.
D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront plus clairement à la lecture de la description donnée ci-après à titre indicatif en relation avec des dessins dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'un mode de réalisation d'un dispositif d'affichage tête haute selon l'invention,
- la figure 2 est une vue schématique d'un mode de réalisation d'un
générateur d'image selon l'invention,
la figure 3 est une vue schématique d'un mode de réalisation du dispositif d'émission utilisé dans le dispositif selon l'invention, la figure 4 est une vue schématique d'un mode de réalisation des moyens de formation d'une image utilisés dans le dispositif selon l'invention,
- la figure 5 est une autre vue schématique d'un mode de réalisation d'un générateur d' image selon l'invention,
la figure 6 est une vue schématique de la diffusion générée par des moyens de diffusion ,
- la figure 7 est une vue schématique d'un mode de réalisation de
l'élément optique diffractant selon l'invention,
- la figure 8 est une vue analogue à la figure 7, pour un autre mode de réalisation de l'élément optique diffractant selon l'invention,
- la figure 9 est un exemple de motif d'élément optique diffractant.
Sur ces différentes figures, les mêmes références se rapportent aux mêmes éléments.
Il faut noter en outre que les figures exposent l'invention de manière détaillée pour mettre en œuvre l'invention, lesdites figures pouvant bien entendu servir à mieux définir l'invention le cas échéant.
La figure 1 est une vue schématique d'un mode de réalisation d'un dispositif d'affichage tête haute selon l'invention.
Comme illustré à la figure 1, le dispositif comprend un générateur 100 d'images, suivi par des moyens de diffraction 140 placés dans un plan image intermédiaire 111. Le générateur 100 d'images produit un faisceau 30 qui, selon le mode de réalisation de la figure 1, se réfléchit ensuite sur un premier miroir de repliement 125. Le faisceau lumineux 30 passe ensuite au travers d'un élément optique semi-réfléchissant 126, qui peut être constitué par le pare-brise du véhicule ou par une lame semi-réfléchissante. La combinaison du miroir 125 et de la lame semi-réfléchissante 126 permet à l'utilisateur de voir une image virtuelle 130 de l'image générée par le générateur d'image 100 dans le plan image intermédiaire 111, comme si l'image se trouvait à une distance d'environ deux mètres de ses yeux et en superposition de la route. Cette image est perçue par l'utilisateur dans une zone du véhicule qui se nomme la boîte à œil 170. La boîte à œil a une dimension d'environ 5x15 cm2, et se trouve autour des yeux du conducteur lorsqu'il conduit. La lame semi-réfléchissante 126 présente un pouvoir de réflexion au moins égal à 20%, ce qui permet à l'utilisateur de voir au travers de la lame la route empruntée par le véhicule, tout en bénéficiant d'un contraste élevé permettant de voir l'image virtuelle 130.
La figure 2 illustre un mode de réalisation du générateur d'image 100. Ce dernier comprend un dispositif d'émission 101 d'un faisceau lumineux 10 et des moyens 102 de formation d'une image dans le plan 111, à partir dudit faisceau lumineux 10.
La figure 3 est une vue schématique d'un mode de réalisation du dispositif d'émission 101. Ledit dispositif comprend une ou plusieurs sources lumineuses 4, 5, 6, émettant chacune un faisceau 7, 8, 9 du type laser. Il s'agit, par exemple, de sources laser, typiquement des diodes laser, chaque source laser émettant un faisceau monochromatique, de longueur d'onde λχ, λχ, λ3. Le dispositif comprend ici trois sources 4, 5, 6 , le dispositif étant configuré pour former le faisceau lumineux 10 à l'aide d'une mise en commun par combinaison des faisceaux 7, 8, 9 individuellement émis par chacune des sources 4, 5, 6. Plus précisément, il pourra s'agir de sources émettant un faisceau d'une couleur différente d'une source à l'autre. Les couleurs sont, par exemple, un rouge, un vert ou un bleu (RVB).
Les faisceaux 7, 8, 9 émis par chacune des sources sont orientés,, par exemple, parallèlement les uns aux autres et réfléchis dans une même direction pour former par combinaison le faisceau lumineux commun 10. Le dispositif 101 comprend ici des éléments optiques semi-transparents, sur une plage de longueur d'onde, tels que des miroirs dichroïques ou lames de combinaison 11, interceptant les faisceaux 7, 8, 9 émis par chacune des sources et les combinant selon la direction du faisceau 10.
De façon plus générale, le dispositif 101 est configuré pour former le faisceau lumineux 10 à partir du ou des faisceaux laser 7, 8, 9, quel que soit le nombre de sources 4, 5, 6 en jeu. En cas de source unique, le faisceau lumineux 10 est composé du faisceau laser émis par la seule source employée et l'image obtenue sera alors monochrome. En cas de pluralité de sources, typiquement les trois sources 4, 5, 6 évoquées plus haut, le faisceau commun 10 qui forme alors le faisceau lumineux permettra l'établissement d'une image selon un spectre de couleur dont la résolution correspondra à la finesse de pilotage de l'alimentation des sources 4, 5, 6.
Comme illustré à la figure 4, les moyens 102 de formation d'image comprennent, par exemple, un générateur de balayage 110 dont la fonction est de déplacer horizontalement et verticalement le faisceau lumineux reçu 10 en vue de réaliser un balayage selon une fréquence donnée, par exemple égale à 60 Hz.
Comme représenté sur la figure 5, le générateur de balayage 110 comprend, par exemple, un miroir à balayage 115 à système micro-électro- mécanique (ci-après appelé miroir MEMS) sur lequel le faisceau lumineux 10 se réfléchit en un faisceau de balayage 103. Un tel miroir 115 MEMS présente par exemple un diamètre de 1 mm2. Le miroir 115 MEMS est apte à tourner autour de deux axes de rotation, par exemple orthogonaux, pour réaliser un balayage, par exemple à la fréquence de rafraîchissement de 60 Hz, dans le plan image intermédiaire 111 selon une figure composée de lignes successives, dans le but de réaliser une image par exemple rectangulaire. Alternativement, le miroir 115 MEMS peut être remplacé par deux miroirs plans et mobiles en rotation, dont les mouvements sont associés. L'un de ces miroirs peut être dédié à un balayage selon un axe horizontal alors que l'autre miroir peut être dédié à un balayage selon un axe vertical.
Le générateur d'image 102 pourra comprendre en outre différents miroirs 104, 106, plans ou non, disposés sur la trajectoire du faisceau de balayage 103, comme représenté sur la figure 4.
Selon la présente invention des moyens de diffraction sont disposés dans le plan image intermédiaire 111, afin de supprimer les tavelures générées par la diffusion d'une source laser cohérente sur la face rugueuse du diffuseur mentionné ci-dessus. Cependant, les moyens de diffusion ne doivent pas être remplacés par les moyens de diffraction, mais la combinaison des deux est nécessaire pour générer une image dont la pupille est suffisamment grande (moyens de diffusion), et sans tavelures (moyens de diffraction), pour l'utilisateur. En général, une source lumineuse émet de la lumière dans toutes les directions. L'intensité lumineuse en fonction de la direction d'émission est une surface, que l'on appelle surface indicatrice d'émission dans la littérature. Cependant, une source laser n'a pas de surface indicatrice d'émission, étant donné que la lumière, collimatée, n'est émise que dans une seule direction et l'image d'un faisceau laser ne peut être vue que dans la direction de propagation du faisceau laser incident. Pour permettre la visualisation du faisceau laser selon une pluralité de directions, on diffuse le faisceau laser par des moyens de diffusion, et une surface indicatrice d'émission est alors générée. Un mode de réalisation d'introduction de moyens de diffusion 150 dans le plan image intermédiaire 111 est illustré sur la figure 6.
Le dispositif d'émission 101 génère le faisceau lumineux 10. Le faisceau lumineux 10 se réfléchit ensuite sur le miroir à balayage 115. Le faisceau de balayage 103 est ensuite diffusé par les moyens de diffusion 150 placés dans le plan image intermédiaire 111. Avantageusement, les moyens de diffusion 150 reçoivent le faisceau de balayage 103 et sont agencés pour provoquer une dispersion de ce faisceau de balayage 103 selon un secteur angulaire donné, par exemple égal à 30° autour de la direction de propagation du faisceau de balayage 103. La dispersion du faisceau lumineux 103 peut être illustrée au moyen d'un cône 155. Les moyens de diffusion 150 élargissent ainsi la taille de la pupille et sont appelés en anglais « Eye Pupil Expander » ou EPE dans la littérature.
Dans un mode de réalisation, les moyens de diffusion 150 comprennent un écran diffuseur. Ce dernier peut être un écran de projection transparent pour une projection par transparence ; il pourra alternativement être translucide. Il est réalisé, par exemple en verre, notamment dépoli, ou en polycarbonate. Une face 152 de l'écran diffuseur 150 est rugueuse, en ce sens qu'elle comporte des aspérités qui provoquent la dispersion du faisceau de balayage 103. La face 152 rugueuse correspond à celle par laquelle le faisceau sort, c'est-à-dire la face située dans le plan image intermédiaire 111 sur laquelle l'image se forme.
Nous verrons que les moyens de diffusion 150 et les moyens de diffraction peuvent être combinés dans un même élément optique. Selon une autre variante non illustrée, lesdits moyens de formation d'image ne comportent pas de générateur de balayage tel que précédemment décrit, mais une matrice de micro-miroirs [aussi appelée Digital Micro Mirrors System en anglais, pour système de micro-mirroirs numérique). Dans cette configuration, l'image est formée au niveau de la matrice à micro-miroirs puis projetée sur le plan image intermédiaire 111. De manière générale, on place une optique de projection entre la matrice et le plan image intermédiaire. Chaque micro-miroir correspond à un pixel de l'image. Dans ce mode de réalisation, l'image n'est pas formée dans le plan image intermédiaire pour la première fois, mais reçoit une image préalablement formée sur la matrice à micro-miroirs.
Dans une variante de réalisation, non illustrée, on peut utiliser un diffuseur de type micro-lentille (« micro-lens array » en anglais, ou MLA). Cependant, ce type de diffuseur génère l'apparition d'un motif structuré et répétitif appelé effet moiré dans la littérature. Pour des raisons de tolérance de fabrication, d'alignement des lasers, etc., l'effet moiré et l'apparition de tavelures peuvent également apparaître simultanément.
Selon l'invention, pour réduire, voire éliminer les tavelures et/ou l'effet moiré, on utilise des moyens de diffraction 140. Avantageusement, le même composant optique est utilisé pour les moyens de diffraction 140 et les moyens de diffusion 150, composant qu'on indiquera sous le repère 140 dans la suite. Cependant, les moyens de diffraction 140 et les moyens de diffusion 150 peuvent aussi être fournis par deux éléments optiques distincts.
Dans un mode de réalisation de la présente invention, les moyens de diffraction 140 comprennent un élément optique diffractant. Un élément optique diffractant est un composant optique utilisant des principes d'interférence et de diffraction pour diriger la lumière selon des directions précises et ainsi produire différentes distributions de lumière. Cet élément est par exemple composé d'une surface micro-structurée, qui peut être déterminée par une fonction ou une forme géométrique particulière pré-calculée par simulation, etc. et dont le pas peut descendre en dessous de quelques micromètres. La fonction de cet élément optique est de décomposer le faisceau entrant en une pluralité de faisceaux de sortie se propageant selon différentes directions, ces différents faisceaux de sortie correspondant à différents ordres de diffraction, dont l'ordre zéro et des ordres supérieurs (±1, ±2, ±3, etc.). La direction des faisceaux sortants dépend de la structure responsable de la diffraction qui est présente sur la face de l'élément optique diffractant 140, et de la longueur d'onde de la lumière incidente. Généralement, la face de l'élément optique diffractant comprend une structure périodique, micro-structurée, dont le pas est de l'ordre de la longueur d'onde de la lumière. Pour une seule dimension, il s'agit d'un réseau de diffraction, dont le pas dépend de la longueur d'onde de la lumière.
Préférentiellement, ces structures peuvent comporter deux niveaux d'épaisseur, dans la direction de propagation du faisceau lumineux : dans ce cas il s'agit d'un élément optique diffractant binaire, également appelé masque à décalage de phase dans la littérature. Certaines régions ont une épaisseur plus faible, et d'autres régions ont une épaisseur plus élevée, induisant ainsi une différence de chemin optique et par suite un décalage de phase entre différentes portions du faisceau diffracté. Préférentiellement, pour que les variations d'épaisseur du masque génèrent un déphasage dans le faisceau de π, la différence de chemin optique entre deux régions est de λ/2, où λ correspond à la longueur d'onde de la lumière incidente. L'élément optique diffractant est donc généralement optimisé pour une seule longueur d'onde. Si le dispositif comprend trois sources lasers, l'élément optique diffractant peut être optimisé pour l'une des trois sources. De préférence, le masque de phase est conçu pour la longueur d'onde moyenne des différentes sources laser, la longueur d'onde moyenne étant la moyenne des longueurs d'onde des sources laser.
Dans un autre mode de réalisation, l'élément optique diffractant 140 peut comprendre une pluralité d'épaisseurs différentes dans la direction de propagation du faisceau. Les éléments optique diffractant multi-niveaux comprennent au moins deux épaisseurs différentes, induisant une pluralité de déphasages de l'onde compris entre 0 et 2π, voire 0 et 4π (ou n'importe quel autre multiple de 2π). Les éléments optiques diffractant multi-niveaux sont généralement conçus pour rendre le faisceau diffracté dissymétrique, par exemple, pour faire coïncider l'ordre -1 avec l'ordre 1. L'intensité lumineuse du faisceau lumineux correspondant à ces ordres superposés est alors plus forte. Préférentiellement, l'élément optique diffractant multi-niveau est conçu pour la longueur d'onde moyenne des différentes sources laser.
La distribution du faisceau lumineux sortant de l'élément optique diffractant 140 dépend de la structure de la face de l'élément optique diffractant. Cette structure peut être calculée analytiquement, par la théorie des réseaux de diffraction ou peut également être simulée, etc.
Généralement, un élément optique diffractant 140 génère également de la diffusion. Par exemple, dans le cas d'un élément optique diffractant binaire, les discontinuités dans les variations d'épaisseur génèrent de la diffusion. L'intensité de la diffusion dépend également de la structure de la face de l'élément optique diffractant et peut être déterminée à l'avance au moyen de simulations, de calculs, etc.
La figure 7 illustre de manière plus détaillée l'élément optique diffractant 140 selon l'invention. L'élément optique diffractant 140 comprend, sur sa face située dans le plan 111, une pluralité de microstructures agencées selon une matrice 700 pour former une matrice de microstructures, chaque microstructure 711, 712, 713, 714 étant définie par un motif. Le faisceau de balayage 103 illustré sur la figure 5 va heurter chaque microstructure de la matrice 700 une à une. Chaque microstructure est illuminée pendant une période par exemple d'environ 10 nanosecondes et entre deux illuminations successives, le faisceau de balayage 103 est éteint. L'ensemble de la matrice est balayé selon une fréquence de rafraîchissement d'environ 60Hz dans cet exemple. La matrice 700 de microstructures qui forme l'élément optique diffractant 140 est comprise dans l'image rectangulaire 125 créée par le faisceau de balayage 103, dans le plan image intermédiaire 111. Par exemple, la dimension de la matrice de microstructures peut être de 800 x 600. Le nombre de microstructures de la matrice va influencer la résolution de l'image virtuelle perçue par l'utilisateur. Le diamètre du faisceau de balayage est par exemple de 100 μπι. Le faisceau peut ou non couvrir l'ensemble d'une microstructure, mais par l'effet du balayage et de la persistance rétinienne, la matrice se comporte comme si elle était uniformément illuminée par le faisceau laser.
Dans la variante décrite plus haut, dans laquelle les moyens de formation d'image comportent une matrice de micro-miroirs et non un générateur de balayage, le faisceau laser, qui est alors fixe, illumine l'ensemble de la matrice de micro-miroirs ; celle-ci forme l'image qui est projetée dur l'ensemble de la matrice de diffraction. Lorsque les motifs de toutes les microstructures sont identiques, la répétitivité du motif favorise la génération d'artefact répétitif appelé moiré, dû à des interférences structurées. Le moiré provoque une gêne pour le conducteur du véhicule qui regarde l'image virtuelle générée par le dispositif. Selon l'invention, on utilise des motifs différents pour minimiser l'effet moiré. Si chaque microstructure de la matrice de l'élément optique diffractant était différente, l'effet moiré serait cassé étant donné que la répétitivité de là microstructure au sein de la matrice serait nulle. Cependant, un tel dispositif est bien complexe et coûteux à développer et/ou fabriquer.
Selon l'invention, pour réduire l'effet moiré, la matrice de microstructures de l'élément optique diffractant comprend avantageusement au moins deux motifs distincts. Préférentiellement, les motifs sont disposés selon une première suite périodique pour former une première ligne de la matrice. La périodicité locale, à l'échelle de la microstructure, est ainsi brisée.
Préférentiellement, la première suite forme une deuxième ligne de la matrice, sous la première ligne, et est disposée de sorte que des motifs identiques ne sont pas juxtaposés. Le tableau 1 illustre un exemple de réalisation de la disposition d'une même suite sur différentes lignes de la matrice composées de trois motifs distincts, illustrés par les lettres A, B et C.
Tableau 1: Une suite composée de trois motifs distincts
Avantageusement, deux microstructures ayant le même motif sont séparées par au moins une microstructure ayant un motif distinct, de manière à ce que deux motifs identiques ne soient pas juxtaposés. De manière avantageuse, si N est le nombre de motifs distincts, deux microstructures ayant le même motif sont séparées par N-l microstructures ayant des motifs distincts. Les suites périodiques se répètent dans la matrice de microstructures et deux mêmes motifs sont espacés par un nombre maximal de motifs distincts. La périodicité locale à l'échelle de la dimension de la suite est ainsi brisée. Dans un autre mode de réalisation, une deuxième suite, distincte de la première suite, forme au moins une deuxième ligne de la matrice. L'utilisation de suites distinctes permet de briser d'autant plus la périodicité de mêmes microstructures au sein de la même matrice. Le tableau 2 illustre un exemple d'une telle réalisation, dans lequel six motifs distincts sont illustrés par les six premières lettres de l'alphabet :
Tableau 2 Deux suites distinctes composées de trois motifs distincts
Selon un autre mode de réalisation, la répartition des aux moins deux motifs distincts dans la matrice de microstructures est aléatoire. Cette répartition aléatoire des motifs distincts peut être évaluée par une des lois de probabilité.
Selon un autre mode de réalisation, un pavé à deux-dimensions, formé d'au moins deux suites distinctes de motifs distincts, se répète de manière périodique pour former la matrice 700. Comme illustré sur les figures 7 et 8, deux pavés à deux dimensions, comprenant respectivement 2x2 (710) et 5x5 (720) motifs distincts forment la matrice 700. Chaque pavé 710, 720 peut être vu comme une macrostructure, composée d'une pluralité de microstructures distinctes.
D'une part, une meilleure qualité d'image sera obtenue pour un plus grand nombre de motifs distincts, et d'autre part, un nombre important de motifs distincts augmente les coûts de fabrication d'un tel dispositif. La périodicité est donc cassée localement, mais une macrostructure périodique est conservée afin de simplifier le procédé de réalisation et de fabrication de l'élément optique diffractant. Un exemple de motif formant une microstructure utilisable pour la réalisation de l'élément diffractant 140 est illustré sur la figure 9. Les dimensions des variations du motif sont de l'ordre de la longueur d'onde de la lumière du faisceau lumineux 30. Préférentiellement, l'élément optique diffractant est conçu pour la longueur d'onde moyenne des différentes sources laser, la longueur d'onde moyenne étant la moyenne des longueurs d'onde des au moins une source laser.
Avantageusement, chaque motif peut être configuré pour générer un faisceau de diffusion distinct. L'indicatrice de sortie du faisceau diffusé peut être par exemple modifiée pour chaque microstructure.
Chaque motif distinct peut également être configuré pour générer une figure de diffraction distincte. En particulier, un élément optique diffractant multi-niveaux peut être utilisé pour superposer différents ordres de diffraction et ainsi augmenter l'intensité lumineuse du faisceau diffracté 30 correspondant à ces ordres. Des motifs distincts peuvent ainsi générer des faisceau lumineux diffractés avec différentes intensités. Par ailleurs, on a décrit ci-dessus des moyens de diffraction dans lesquels l'élément optique diffractif est utilisé en transmission. Il est bien entendu possible d'utiliser un élément optique diffractif fonctionnant en réflexion sans sortir du cadre de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS
1. Générateur d'image (100), notamment pour dispositif d'affichage tête haute, comprenant :
au moins une source laser (101) produisant un faisceau lumineux (10),
des moyens de formation d'une image (102) dans un plan image intermédiaire (111),
le générateur d'image étant caractérisé en ce qu'il comporte en outre :
des moyens de diffraction (140) placés dans le plan image intermédiaire (111) pourvus d'une pluralité de microstructures (711- 714, 7201-7225) agencées selon une matrice (700). pour former une matrice de microstructures, chaque microstructure étant définie par un motif, la matrice de microstructures comprenant au moins deux motifs distincts.
2. Générateur d'image selon la revendication 1, dans lequel deux microstructures ayant le même motif sont séparées par au moins une microstructure ayant un motif distinct.
3. Générateur d'image selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les motifs sont disposés selon une première suite, la première suite se répétant de façon périodique pour former une première ligne de la matrice.
4. Générateur d'image selon la revendication 3, dans lequel la première suite forme en outre une deuxième ligne de la matrice, sous la première ligne, et est disposée de sorte que deux microstructures ayant le même motif sont séparées par au moins une microstructure ayant un motif distinct.
5. Générateur d'image selon la revendication 3, dans lequel au moins une deuxième suite, distincte de la première suite, forme au moins une deuxième ligne de la matrice.
6. Générateur d'image selon la revendication 1, dans lequel un pavé à deux-dimensions (710, 720), formé d'au moins deux suites distinctes de motifs distincts, se répète de manière périodique pour former la matrice.
7. Générateur d'image selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, la répartition des au moins deux motifs distincts dans la matrice de microstructures est aléatoire.
8. Générateur d'image selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, si N est le nombre de motifs distincts, deux microstructures ayant le même motif sont séparées par N-1 microstructures ayant des motifs distincts.
9. Générateur d'image selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chaque motif distinct est configuré pour générer un faisceau de diffusion distinct.
10. Générateur d'image selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chaque motif distinct est configuré pour générer une figure de diffraction distincte.
11. Générateur d'image selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les moyens de diffraction (140) comportent un élément optique diffractant, traversé par le faisceau et présentant au moins deux niveaux d'épaisseurs différents dans la direction de propagation du faisceau.
12. Générateur d'image selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'élément optique diffractant est utilisé en transmission.
13. Générateur d'image selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'élément optique diffractant est utilisé en réflexion.
14. Dispositif d'affichage tête haute, notamment pour véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comporte un générateur d'image (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes et un élément optique semi- réfléchissant (126) formant une image virtuelle (130) de ladite image dans le plan image intermédiaire (111).
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