FR2552397A1

FR2552397A1 - System for display of several images and its airborne use

Info

Publication number: FR2552397A1
Application number: FR8315339A
Authority: FR
Inventors: Jean-Pierre Gerbe; Edouard Arrubarrena; Claude Jean-Louis Maureau; Jean-Pierre Samenayre
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1983-09-27
Filing date: 1983-09-27
Publication date: 1985-03-29
Also published as: FR2552397B1

Abstract

The invention relates to a display system intended to present to an observer several images one of which is constituted by the superposition of an external landscape with a collimated synthetic sighting image. The display devices 20, 30 produce images which are grouped together close to the sighting image, so as to constitute a compact group of images. These other images are collimated as for the sighting image, in such a way that all the collimation directions converge towards the eye of the observer. Utilisation in aerial navigation.

Description

SYSTEME DE VISUALISATION DE PLUSIEURS
IMAGES ET SON UTILISATION AEROPORTEE
L'invention concerne les dispositifs de visualisation utilisés en navigation aérienne, permettant au pilote de prendre connaissance de différentes informations et d'utiliser des images synthétiques pour la navigation ou le pointage de tir.MULTIPLE VIEWING SYSTEM
IMAGES AND ITS AIRPORT USE
The invention relates to display devices used in aerial navigation, enabling the pilot to take cognizance of various information and to use synthetic images for navigation or shooting pointing.

Parmi ces dispositifs, figurent des appareils appelées viseurs tête haute, ou HUD (abréviation de Head-Up Display) par opposition à la vision tête basse d'un appareil sur la planche de bord. Ces viseurs tête haute permettent l'observation simultanée du paysage extérieur et d'une image synthétique collimatée comprenant des symboles à visualiser dans le champ d'observation du pilote; l'image résultante sera appelée image de visée. Among these devices, there are devices called head-up displays, or HUD (abbreviation of Head-Up Display) as opposed to the head-down vision of a device on the dashboard. These head-up displays allow simultaneous observation of the exterior landscape and of a collimated synthetic image comprising symbols to be viewed in the pilot's field of observation; the resulting image will be called the aiming image.

D'autres dispositifs de visualisation tête basse, intégrés à la planche de bord, conjointement avec d'autres appareils indicateurs ou divers moyens de commande, reproduisent d'autres images et par exemple la carte de la zone survolée ou à survoler. Ils peuvent également visualiser des images issues d'un système radar ou d'une caméra fonctionnant aux rayons infrarouges, plus communément appelé FLIR (de la terminologie anglo-saxonne "Forward Looping
Infra-Red"). Ces appareils sont généralement constitués d'un tube cathodique, dont les dimensions de la face contenant l'écran peuvent atteindre celles d'un carré de quinze centimètres de côte. Ils sont souvent disposés latéralement sur la planche de bord, juste au dessus des genoux du pilote, à portée de sa main, le bras étant tendu.Other head-down display devices, integrated into the dashboard, together with other indicating devices or various control means, reproduce other images, for example the map of the area overflown or to be flown over. They can also view images from a radar system or a camera operating with infrared rays, more commonly called FLIR (from the English terminology "Forward Looping
Infra-Red "). These devices generally consist of a cathode ray tube, the dimensions of the face containing the screen can reach those of a square fifteen centimeters in side. They are often placed laterally on the dashboard , just above the pilot's knees, within reach of his hand, the arm being extended.

Cette disposition impose une gymnastique optique au pilote lorsque ce dernier, regardant l'image simultanée du paysage extérieur et des symboles, veut surveiller un ou plusieurs des écrans de visualisation de la planche de bord. This provision imposes optical gymnastics on the pilot when the latter, looking at the simultaneous image of the exterior landscape and of the symbols, wants to monitor one or more of the display screens of the dashboard.

En effet, lorsqu'un observateur regarde une scène située à plusieurs centaines de mètres, la convergence du cristallin de l'oeil est adaptée à cette vision éloignée. Si le même observateur désire instantanément regarder un objet situé à quelques dizaines de centimètres de lui, les muscles ciliaires font varier la convergence du cristallin. Cette mise au point demande un temps d'accommodation progressive des yeux de quelques dizièmes de secondes. When an observer looks at a scene several hundred meters away, the convergence of the lens of the eye is adapted to this distant vision. If the same observer wants to instantly look at an object located a few tens of centimeters from him, the ciliary muscles vary the convergence of the lens. This development requires a time of progressive accommodation of the eyes of a few tenths of seconds.

De plus, le pilote regardant horizontalement et face à lui, doit déporter son regard d'un angle qui peut dépasser trente degrés, pour observer un écran situé sur le côté et vers le bas. In addition, the pilot looking horizontally and facing him, must shift his gaze from an angle that can exceed thirty degrees, to observe a screen located on the side and down.

Les fréquentes surveillances que le pilote doit effectuer sur ces appareils de bord, tout en pilotant son avion, s'avèrent pour le système optique humain éprouvantes à partir d'une certaine durée. The frequent monitoring that the pilot must perform on these on-board devices, while piloting his plane, proves to be difficult for the human optical system from a certain duration.

Le but de la présente invention est en premier lieu de remédier à cet inconvénient. The object of the present invention is primarily to remedy this drawback.

Une principale particularité du système proposé est de présenter aux yeux du pilote plusieurs visualisations collimatées et rassemblées pour former un ensemble compact d'images, afin de diminuer les contraintes visuelles imposées au pilote d'avion. A main feature of the proposed system is to present to the pilot several collimated visualizations and gathered to form a compact set of images, in order to reduce the visual constraints imposed on the airplane pilot.

A cet effet on propose un système de visualisation destiné à présenter à un observateur plusieurs images dont l'une, dite image de visée, est une image collimatée superposée au paysage extérieur, caractérisé en ce que les dispositifs de visualisation des autres images sont agencés de façon à produire ces autres images de sorte qu'elles soient regroupées près de l'image de visée, afin de constituer un groupe compact d'images, et en ce que ces autres images sont collimatées, comme l'image de visée, de manière à ce que toutes les directions de collimation convergent vers l'oeil de l'obser- vateur. To this end, a display system is proposed intended to present to an observer several images, one of which, called the aiming image, is a collimated image superimposed on the exterior landscape, characterized in that the devices for displaying the other images are arranged so as to produce these other images so that they are grouped close to the aiming image, in order to constitute a compact group of images, and in that these other images are collimated, like the aiming image, so that all the directions of collimation converge towards the eye of the observer.

D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit, donnée à titre d'exemple, et illustrée des figures annexées:
- Figure 1, une partie du poste de pilotage d'un avion équipé du système de visualisation selon l'invention;
- figure 2, un mode de réalisation préféré du système de visualisation selon l'invention. Other features and advantages of the invention will appear on reading the description which follows, given by way of example and illustrated by the appended figures:
- Figure 1, part of the cockpit of an aircraft equipped with the display system according to the invention;
- Figure 2, a preferred embodiment of the display system according to the invention.

Sur la figure 1, un pilote est installé au poste d'un pilotage d'un avion de chasse. II est assis sur un siège incliné en arrière et loge ses pieds sous la planche de bord I dans des emplacements 2 prévus à cet effet. Il regarde le paysage extérieur à travers un pare-brise 3. In FIG. 1, a pilot is installed in the cockpit of a fighter aircraft. He sits on a seat tilted back and places his feet under the dashboard I in slots 2 provided for this purpose. He looks at the outside landscape through a windshield 3.

Un dispositif viseur et collimateur 4 présente des informations à visualiser aux yeux du pilote en superposition avec ce paysage. Ces informations sont constituées généralement de symboles et de chiffres caractérisant différents paramètres de navigation (cap, angle de site, altitude, vitesse...). L'image produite est appelée image de visée et est collimatée à l'infini dans une direction de collimation qui passe par le centre de l'image et par l'oeil du pilote.A viewfinder and collimator 4 presents information to be viewed in the eyes of the pilot superimposed on this landscape. This information generally consists of symbols and numbers characterizing different navigation parameters (heading, site angle, altitude, speed, etc.). The image produced is called the aiming image and is collimated at infinity in a collimation direction which passes through the center of the image and through the pilot's eye.

On peut apprécier sur cette figure l'écart angulaire qui sépare les emplacements, repérés 5, oU se trouvent, dans l'art antérieur, les écrans de visualisation, et le centre du viseur 4 matérialisé sur la figure par le réticule 6. In this figure, it is possible to appreciate the angular difference which separates the locations, marked 5, where, in the prior art, there are display screens, and the center of the viewfinder 4 materialized in the figure by the reticle 6.

De plus, dans cet art antérieur, on peut remarquer que les genoux du pilote masquent chacun une partie inférieure de la planche de bord 1, et en particulier les emplacements 5 habituels des dispositifs de visualisation. Ceci est dû au fait que certaines conditions d'encombrement et de position sont imposées, notamment par de nouvelles exigences concernant l'éjection du pilote. Le siège de ce dernier se trouve plus incliné vers l'arrière qu'il ne l'était jusqu'à maintenant. Les jambes du pilote se trouvent donc plus haut, et les genoux ont tendance à limiter le champ de vision de celui-ci sur la planche de bord 4. In addition, in this prior art, it can be noted that the pilot's knees each mask a lower part of the dashboard 1, and in particular the usual locations 5 of the display devices. This is due to the fact that certain space and position conditions are imposed, in particular by new requirements concerning the ejection of the pilot. The seat of the latter is more tilted back than it was until now. The pilot's legs are therefore higher, and the knees tend to limit his field of vision on the dashboard 4.

Selon l'invention on prévoit deux particularités principales. Les dispositifs de visualisation 20 et 30 des autres images sont par exemple au nombre de deux et sont de préférence rassemblés l'un en dessous de l'autre et en dessous du viseur, et produisent des images symbolisées par les écrans rectangulaires 7 et 8. De cette manière, un simple changement d'orientation verticale du regard du pilote lui permet de voir plusieurs images différentes. Dans cette réalisation les images produites se trouvent presque juxtaposées les unes aux autres. According to the invention, two main features are provided. The display devices 20 and 30 of the other images are for example two in number and are preferably assembled one below the other and below the viewfinder, and produce images symbolized by the rectangular screens 7 and 8. In this way, a simple change in vertical orientation of the pilot's gaze allows him to see several different images. In this realization, the images produced are almost juxtaposed with each other.

En outre, les images issues de ces dispositifs de visualisation 20 et 30 sont également collimatées. Les directions de collimation passent chacune par le centre d'une des images et par l'oeil du pilote. Ce dernier n'a plus besoin d'un temps d'accoutumance, qui est de l'ordre de quelques dixièmes de seconde, pour regarder les deux images ainsi collimatées, alors qu'il fixe la majeure partie du temps son attention sur le paysage extérieur à travers le pare-brise 3 et le viseur 4. Le champ de visualisation tête haute est ainsi prolongé vers le bas par ces visualisations tête basse. In addition, the images from these display devices 20 and 30 are also collimated. The collimation directions each pass through the center of one of the images and through the pilot's eye. The latter no longer needs a habituation time, which is of the order of a few tenths of a second, to look at the two images thus collimated, while he fixes most of the time his attention on the landscape outside through the windshield 3 and the viewfinder 4. The head-up display field is thus extended downwards by these head-down displays.

L'avantage que procure le phénomène de collimation est mis en valeur par le fait que les images sont groupées. Les yeux du pilote, - pour passer de l'image de visée à l'image inférieure collimatée, n'ont pas à traverser des images non collimatées. Le système optique du pilote n1a donc pas à régler la convergence de l'oeil pendant l'instant où le regard du pilote voit des objets non collimatés. The advantage provided by the collimation phenomenon is emphasized by the fact that the images are grouped. The pilot's eyes, - to pass from the aiming image to the collimated lower image, do not have to pass through non-collimated images. The pilot's optical system therefore does not have to adjust the convergence of the eye during the instant when the pilot's gaze sees non-collimated objects.

La figure 2, schématisant un exemple d'installation du système, n'est bien sûr par limitative, aussi bien en ce qui concerne la disposition possible des différents éléments mis en oeuvre, que leur nombre, ou leurs fonctions précises et leurs utilisations. Figure 2, schematically showing an example of installation of the system, is of course not limiting, as well as regards the possible arrangement of the various elements used, as their number, or their precise functions and their uses.

Le dispositif viseur collimateur 10 comporte dans cet exemple un tube cathodique 1 1 qui produit une image synthétique. Cette image est celle des symboles à visualiser. Un ensemble optique relais 12 collimate l'image du tube cathodique. Un miroir de renvoi 13 replit le trajet des rayons lumineux sur un miroir semiréfléchissant 14 qui assure le mélange de l'image synthétique avec le paysage extérieur pour donner l'image de visée. Ces éléments optiques sont donnés à titre d'exemple, étant entendu que d'autres éléments peuvent produire le même résultat (éléments sphériques, hologrammes...). Le miroir de renvoi 13 permet un cheminement des rayons lumineux qui facilite l'implantation de ce dispositif dans la cabine de l'avion. The viewfinder collimator 10 comprises in this example a cathode ray tube 1 1 which produces a synthetic image. This image is that of the symbols to be displayed. An optical relay assembly 12 collimates the image of the cathode ray tube. A deflecting mirror 13 folds the path of the light rays onto a semi-reflecting mirror 14 which ensures the mixing of the synthetic image with the external landscape to give the aiming image. These optical elements are given by way of example, it being understood that other elements can produce the same result (spherical elements, holograms, etc.). The deflection mirror 13 allows a path of light rays which facilitates the installation of this device in the cabin of the aircraft.

Le premier 20 des deux dispositifs de visualisation se compose, dans le cas de la figure 2, d'un tube cathodique 21 et d'un ensemble optique qui assure la collimation de l'image produite sur l'écran du tube. L'ensemble optique peut comprendre par exemple, un objectif 22, deux miroirs de renvoi 23 et 24, et éventuellement une optique 25 placée après les deux miroirs. Le tube cathodique 21 peut être logé en dessous du dispositif viseur 10. Les différents éléments otpiques de ce dispositif de visualisation 20 sont positionnés de sorte à projeter l'image collimatée dans une direction de collimation 26. The first 20 of the two display devices consists, in the case of FIG. 2, of a cathode ray tube 21 and of an optical assembly which ensures the collimation of the image produced on the screen of the tube. The optical assembly may include, for example, an objective 22, two deflection mirrors 23 and 24, and possibly an optic 25 placed after the two mirrors. The cathode ray tube 21 can be housed below the sighting device 10. The various otpic elements of this display device 20 are positioned so as to project the collimated image in a collimation direction 26.

Cette direction passe par le centre de la nouvelle image, collimatée à la sortie du dispositif de visualisation, et par l'oeil du pilote. On a définit au préalable une position du pilote et par conséquent,
I'emplacement de ses yeux.This direction passes through the center of the new image, collimated at the exit of the display device, and through the pilot's eye. We previously defined a position of the pilot and therefore
The location of his eyes.

Les dimensions de cette image collimatée peuvent être plus restreintes que celles de la même image, lorsqu'elle était auparavant reproduite latéralement sur la planche de bord. Elle n'en est pas moins précise car elle se trouve, selon l'invention, à une distance D 1 des yeux du pilote qui est environ de quarante centimètres. Lorsque ce type de visualisation est installé sur la planche de bord, I'écran, représenté en trait pointillé sur la figure et repéré 27, se trouve à une distance D2 de quatre-vingt centimètres de l'oeil du pilote. Ce rapport de distances permet de diminuer la taille de l'image produite dans cet exemple, sans perdre de sa précision. The dimensions of this collimated image may be more limited than those of the same image, when it was previously reproduced laterally on the dashboard. It is nonetheless precise because it is, according to the invention, at a distance D 1 from the pilot's eyes which is approximately forty centimeters. When this type of display is installed on the dashboard, the screen, shown in dotted lines in the figure and marked 27, is at a distance D2 of eighty centimeters from the pilot's eye. This distance ratio makes it possible to reduce the size of the image produced in this example, without losing its precision.

L'image produite peut être celle d'un moniteur d'un système de surveillance d'un rayon infrarouge du type "FLIR", ceci afin de visualiser des éléments extérieurs à l'avion pendant les vols de nuit ou lorsque la visibilité est mauvaise. The image produced can be that of a monitor of an infrared ray monitoring system of the "FLIR" type, this in order to visualize elements external to the aircraft during night flights or when visibility is poor. .

L'image fournie par ce premier dispositif de visualisation 20 peut être produite par le moniteur de télévision, visualisant une image monochrome ou en couleur, captée par une caméra placée en dessous de l'avion. Cette utilisation peut s'avérer très avantageuse pour certaines manoeuvres, telles que les atterrissages, pendant lesquels l'avion est cabré, de telle sorte que le pilote ne voit pas entièrement la piste qui est partiellement cachée par l'avant de l'avion. L'image prolonge ainsi vers le bas le champ d'observation extérieur du pilote. The image provided by this first display device 20 can be produced by the television monitor, viewing a monochrome or color image, captured by a camera placed below the aircraft. This use can prove to be very advantageous for certain maneuvers, such as landings, during which the aircraft is nose-up, so that the pilot does not fully see the runway which is partially hidden by the front of the aircraft. The image thus extends downward the external field of observation of the pilot.

Par ailleurs, cette image collimatée peut être presque parfaitement juxtaposée à l'image de visée, en sorte de prolonger cette dernière vers le bas et de constituer pratiquement une seule image. Furthermore, this collimated image can be almost perfectly juxtaposed with the aiming image, so as to extend the latter downwards and to constitute practically a single image.

Certaines parois 27 de boîtiers nécessaires au positionnement des éléments optiques du dispositif de visualisation 20 peuvent éventuellement séparer les deux images. Dans ce cas, ces parois sont orientées de telle sorte que le pilote n'aperçoive que la tranche de ces parois.Certain walls 27 of housings necessary for positioning the optical elements of the display device 20 can optionally separate the two images. In this case, these walls are oriented so that the pilot sees only the edge of these walls.

Le deuxième dispositif de visualisation 30, dans le cadre de cette réalisation, peut être équipé d'un tube de télévision couleur 31 du type à masque d'ombre (de l'appellation anglo-saxonne Shadow
Mask) et d'un ensemble optique. Ce dernier peut comporter un objectif 32 pour collimater l'image produite et l'orienter sur un dispositif à double lame 33. Cet ensemble optique présente l'image au pilote dans une direction de collimation 34 qui passe par l'oeil de ce dernier et par le centre de l'image collimatée. Un dispositif du type à double lame est décrit dans le brevet français publié sous le numéro 2 389 911. L'utilisation d'un tel dispositif fournit au pilote un meilleur confort de vision, puisqu'il autorise un certain déplacement des yeux, sans pour cela perdre de vue l'image ainsi collimatée.Un tel dispositif 33 à double lame pourrait également être utilisé dans le premier dispositif de visualisation 20.The second display device 30, in the context of this embodiment, can be equipped with a color television tube 31 of the shadow mask type (of the Anglo-Saxon name Shadow
Mask) and an optical assembly. The latter may include an objective 32 for collimating the image produced and orienting it on a double-blade device 33. This optical assembly presents the image to the pilot in a collimation direction 34 which passes through the latter's eye and through the center of the collimated image. A device of the double blade type is described in the French patent published under the number 2 389 911. The use of such a device provides the pilot with better viewing comfort, since it allows a certain movement of the eyes, without for this would lose sight of the image thus collimated. Such a double-blade device 33 could also be used in the first display device 20.

Le tube du type Shadow-Mask dont l'écran peut être relativement grand, produit une image de haute définition. Grâce à l'objectif 32, ce tube couleur peut être placé dans un endroit plus éloigné fournissant le volume nécessaire à l'installation du tube. The tube of the Shadow-Mask type whose screen can be relatively large, produces a high definition image. Thanks to the objective 32, this color tube can be placed in a more distant place providing the volume necessary for the installation of the tube.

L'objectif 32 permet également de canaliser les rayons optiques constituant l'image, la section de l'objectif pouvant être relativement réduite en certains endroits. On peut de cette manière augmenter légèrement le volume des emplacements nécessaires au pilote pour loger ses jambes et ses pieds. Ceci permet également de respecter les conditions d'éjection du pilote. Ces conditions peuvent être matérialisées par des lignes d'éjection délimitant des espaces à l'intérieur desquels aucun matériel ne doit pénétrer. The objective 32 also makes it possible to channel the optical rays constituting the image, the section of the objective being able to be relatively reduced in certain places. In this way, the volume of the locations necessary for the pilot to accommodate his legs and feet can be slightly increased. This also makes it possible to comply with the pilot ejection conditions. These conditions can be materialized by ejection lines delimiting spaces inside which no material must enter.

Le deuxième dispositif de visualisation 30 peut être un indicateur cartographique du type de celui décrit dans le brevet français publié sous le numéro 2 357 022. D'autres types de visualisation peuvent être agencés pour que leurs images soient collimatées, comme le prévoit l'invention; par exemple le tube de visualisation d'un capteur optronique d'un système de tir. The second display device 30 can be a cartographic indicator of the type described in the French patent published under the number 2 357 022. Other types of display can be arranged so that their images are collimated, as provided for by the invention ; for example the viewing tube of an optronic sensor of a firing system.

Une variante du système prévoit la collimation d'une seule image juxtaposée juste en dessous de l'image de visée. A variant of the system provides for the collimation of a single juxtaposed image just below the aiming image.

Un nombre d'images visualisées, supérieur à trois rentre bien entendu dans le cadre de l'invention. A number of images displayed, greater than three, of course, falls within the scope of the invention.

La juxtaposition verticale des images n'est évidemment pas limitative. D'autres utilisations peuvent nécessiter une disposition horizontale des images. De même d'autres regroupements peuvent être envisagés. The vertical juxtaposition of the images is obviously not limiting. Other uses may require a horizontal arrangement of the images. Similarly, other groupings can be envisaged.

Le système selon l'invention peut s'adapter à d' autres utilisations que celle décrite précédemment. Il peut être employé sur un hélicoptère, ou d'autres véhicules, ou bien servir sur un quelconque matériel fixe de commande ou de contrôle. The system according to the invention can be adapted to other uses than that described above. It can be used on a helicopter, or other vehicles, or it can be used on any fixed command or control equipment.

Claims

l. Display system intended to present to an observer several images, one of which, called the aiming image, is a collimated image and superimposed on the external landscape, characterized in that the display devices (20,30) of the other images are arranged so as to produce these other images grouped close to the aiming image, in order to constitute a compact group of images, and in that these other images are collimated, like the aiming image, so that all the directions of collimation (15,26,34) converge towards the eye of the observer.

2. Display system according to claim 1, of which said aiming image is produced by a viewfinder collimator device (10), the system being characterized in that said devices for displaying (20,30) other images. are two in number and are placed below the viewfinder collimator, and one below the other, so as to form a vertical assembly of three collimated images.

3. Display system according to claim 2, characterized in that said other collimated images, delivered by the display devices (20,30) are juxtaposed one below the other, so as to form with the aiming image only one collimated image.

4. Display system according to any one of the preceding claims, characterized in that one of the display devices (30) comprises a color cathode ray tube (31) of the shadow mask type to provide a high definition image .

5. Display system according to any one of the preceding claims, characterized in that one of said display devices (30) comprises an optical device with a double blade (33).

6. Use of a display system according to any one of the preceding claims on board an aircraft, placed in the cockpit in front of the pilot, said aiming image being produced by the viewfinder collimator device (10 ) of the aircraft.