FR2613845A1 - Dispositif de visualisation d'informations lumineuses par projection sur une paroi transparente et son utilisation pour la navigation aerienne - Google Patents

Abstract

DISPOSITIF PERMETTANT DE VISUALISER DES INFORMATIONS LUMINEUSES A PARTIR D'UN RAYONNEMENT INVISIBLE, NOTAMMENT POUR SUPPLEER A UNE MAUVAISE PERCEPTION D'UNE SCENE EXTERIEURE A TRAVERS LA PAROI. IL COMPORTE UN DISPOSITIF D'ELABORATION DE PROJECTION DES INFORMATIONS 2 EQUIPE D'UNE SOURCE EMETTRICE 21 D'UN RAYONNEMENT INVISIBLE, PAR EXEMPLE ULTRAVIOLET, LA PAROI ETANT MUNIE D'UNE COUCHE TRANSPARENTE 3 D'UN MATERIAU DOPE QUI DEVIENT FLUORESCENT SUR IMPACT DU RAYONNEMENT ULTRAVIOLET, DE FACON A PRODUIRE UNE IMAGE EN LUMIERE VISIBLE CORRESPONDANT AUXDITES INFORMATIONS. MONTE SUR UNE CABINE D'AERONEF, LA PROJECTION S'EFFECTUE SUR LES VITRES LATERALES DE MANIERE A NE PAS GENER LE PILOTE, NOTAMMENT POUR L'OBSERVATION D'UNE VISUALISATION COLLIMATEE TETE HAUTE. L'IMAGE PEUT ETRE STABILISEE EN ROULIS ETOU TANGAGE A PARTIR D'INFORMATIONS D'ATTITUDE DE L'AERONEF FOURNIES PAR UN REFERENTIEL DE VERTICALE.

Description

DISPOSITIF DE VISUALISATION D'INFORMATIONS LUMINEUSES
PAR PROJECTION SUR UNE PAROI TRANSPARENTE ET SON
UTILISATION POUR LA NAVIGATION AERIENNE
La présente invention concerne un dispositif de visualisation dtinformations lumineuses projetées sur une paroi transparente. L'appllcation de l'invention est plus particulièrement envisagée en avionique pour améliorer la sûreté de pilotage en mauvaise visibilité par une visualisation sur verrière d'informations d'aide à la conduite de vol.

L'invention est exposée dans ce qui suit dans le cadre d'une telle application, sans toutefois qu'il y ait lieu d'y considérer de limitation.

L'invention a pour objet l'obtention d'un moyen de créer des références visuelles synthétiques de l'environnement lorsque la vision périphérique directe de cet environnement à travers la paroi transparente vient à faire défaut pour une raison ou pour une autre (éclairement ir suffisant, nébulosité ...).

L'intérêt qu'il y a à disposer d'un tel moyen s'est, ces dernières années, renforcé, tout particulièrement pour les avions militaires en conjonction avec le besoin qui existe de les mettre en mesure d'opérer de nuit comme de jour et par tous les temps, et non pas seulement de jour par bonne visibilité.

Des moyens ont été développés pour substituer à la vision directe sur l'avant, des images électroniques de capteurs travaillant dans l'infrarouge et/ou avec amplification de lumière, et éventuellement des images synthétiques plus ou moins simplifiées de terrain modélisé.

En utilisant ces procédés il est apparu de façon encore plus nette qu'avant leur mise en service, les pilotes subissaient occasionnellement des désorientations sensorielles.

Elles se produisent en particulier aux moments des disparitions de la visibilité directe et en évolution, avec des conséquences potentielles d'autant plus graves que l'altitude de vol est faible.

Ces désorientations résultent du fait que les moyens évoqués ci-dessus se substituent à la vision directe mais uniquement dans le domaine de la vision centrale qui opère en liaison avec le cortex de façon consciente et raisonnée alors que le pilotage réflexe des orientations/réorientations des aéronefs exploite d'abord la vision périphérique sensible aux mouvements, aux perspectives, en liaison avec le cervelet de façon subconsciente.

Plusieurs tentative ont été faires ces dernières années pour répondre à cet important problème. L'une des propositions reposait sur la projection lumineuse stabilisée d'une ligne référence de l'horizon sur la planche de bord de l'aéronef à l'intention de la vision paracentrale du pilote. Le dispositif correspondant est connu sous le nom d'horizon de MALCOLM (Référence "AGARD conférence Proceedings" nO 201-A4).

Cependant, un tel dispositif est particulièrement délicat à installer sur un aéronef monoplace. I1 y est en effet difficile d'installer un projecteur en vis-a-vis de la planche, puisque le corps du pilote interpose un masque au centre même de la cabine.

Or, c'est surtout lorsque le pilote est seul dans sa cabine qu'il faut contrer les risques d'apparation de désorientations sensorielles.

Le but de l'invention est de remédier aux inconvénients précités et de proposer une formule qui
- d'une part, soit réellement installable sur un monoplace,
- d'autre part, supplée plus efficacement à la perte de vision périphérique directe
en allant jusqu'au bout des champs latéraux de la vision périphérique du pilote,
en y présentant des informations de même nature qui sont, à l'état naturel, perçues dans ces larges secteurs,
en synthétisant les informations de ces catégories sous une forme qui serre autant que faire se peut les sensibilités spécifiques en perception par vision périphérique.

Pour cela, on choisit de s'adresser seulement à la vision latérale des pilotes. Ce choix de base permet d'éviter à la fois les problèmes de masque sur les directions de projection et les problèmes potentiels d'interférence par superposition des projections sur les visualisatlons principales installées face au pilote dans son secteur de vision centrale ou paracentrale.

Ce choix permet par ailleurs d'éviter les difficiles problèmes rencontrés pour projeter sur des portions de verrière rendues semi-réflectives des informations collimatées vers des directions précises (restitution du parallèlisme des rayons réfléchis, déplacement angulaire du plan de reflexion...).

Essentiellement, ce sont les orientations globales de larges perspectives que l'on veut situer et tout spécialement par l'intermédiaire des defilements relatifs de leurs lignes principales.

I1 n'est pas question de focaliser ou de collimater notamment dans les secteurs latéraux où les dispositifs de commande de la forme du cristallin de l'oeil sont inopérants.

Suivant l'invention, la présentation de telles informations en cabine se fait par création de fluorescences mbiles sur les verrières latérales de part et d'autre du pilote. Pour cela, est mis en place sur/dans ces verrières un dépôt substantiellement transparent en un matériau fluorescent pour un rayonnement situé dans une certaine bande spectrale, préférentiellement hors du spectre visible.

Le rayonnement d'activation est produit par un dispositif émetteur directif dynamique, installé à l'intérieur de la cabine à distance des parois. Les émissions sont contrôlées par un dispositif de modulation et régulation fonctionnant en intégration avec un système électronique d'élaboration de l'information. Ce système élabore normalement cette information à partir des mesures, en temps réels, de certains paramètres par un certain nombre de capteurs, en particulier par exemple celle des angles d'attitude et les composantes de la vitesse de l'aéronef par une centrale à inertie.

Suivant l'invention il est réalisé un dispositif de visualisation d'informations lumineuses par projection sur une paroi transparente et qui comporte un dispositf de projection et d'élaboration des informations, ce dispositif étant placé à distance de la paroi et équipé d'une source lumineuse émettrice d'un rayonnement situé dans une bande spectrale donnée, la paroi comportant un dépôt substantiellement transparent en un matériau composite qui devlent fluorescent sur impact d'un rayonnement compris dans ladite bande spectrale de manière à produire une image en lumière visible des informations.

Les particularités et avantages de l'invention apparaîtront de façon plus détaillée dans la description qui suit donnée a titre d'exemple et en s'aidant des figures mises en annexe: Fig. 13 un schéma simplifié d'un dispositif de visualisation conforme à l'invention - Fig. 2, un exemple de réalisation du dispositif de visua lisation - Fig. 3, un schéma partiel relatif à une formule optique utilisable dans le dispositif de visualisation selon l'invention; - Figs.4 et 5, des schémas illustrant, respectivement en vue latérale et en vue de dessus, le montage en cabine d'aéronef du dispositif de visualisation pour effectuer une projection périphérique sur les verrières latérales.

En se reportant à la figure 1, le dispositif de visualisation d'informations lumineuses comporte à distance de la paroi transparente 1 sur laquelle on veut projeter et visualiser des informations et, placé à distance de cette paroi, un dispositif d'élaboration et de projection 2 des données lumineuses à visualiser.

Un observateur placé en A peut ainsi voir la scène extérieure symbolisée par un arbre B par transmission du rayonnement extérieur à travers la paroi 1,pour autant que cette scène reste suffisamment éclairée ou que la transmission de ce rayonnement ne soit pas altéré. L'observateur A doit voir en outre par réflexion les informations lumineuses projetées.

Dans ce but, le dispositif de visualisation utilise le phénomène de fluorescence. Une surface de la paroi est recouverte par un dépôt 3 formant une couche en un matériau transparent dans lequel est inclu un dopant fluorescent sous l'impact d'un rayonnement compris dans une bande spectrale donnée. Ces matériaux À dopant fluorescent sont connus et utilisés notamment pour fabriquer des fibres optiques fluorescentes. La bande spectrale d'excitation qui produit le phénomène de fluorescence, c'est-À-dire d'émission de lumière visible par les corpuscules qui forment le dopant, peut être avantageusement un rayonnement invisible (rayons ultraviolets, rayons X, rayons cathodiques).On désigne part 1 la longueur d'onde de ce rayonnement excitateur émis par une source 21 dans le dispositif de projection 2 par exemple, une source de rayonnement ultraviolet source laser ou autre. On désigne par 2 le rayonnement visible émis par fluorescence, la longueur d'onde A2 étant plus grande que la longueur d'onde hl1 d'excitation. Ce rayonnement visible parvient en partie à l > observateur situé en A.

Une amélioration du dispositif de visualisation consiste à le protéger du rayonnement de longueur d'onde A 1, par exemple l'ultraviolet, qui existe dans le rayonnement ambiant et qui par traversée de la paroi 1 peut produire également le phénomène de fluorescence dans la couche 3, ce qui va se traduire par une lumière parasite uniforme et plus ou moins intense sur toute la surface de la paroi.

Dans ce but, comme représenté sur la figure 2, la paroi 3 comporte une couche 4 qui forme un filtre pour la bande spectrale d'excitation considérée. Il y a lieu de noter que la bande spectrale d'excitation dépend du matériau choisi comme dopant dans la couche 3. On peut donc adapter le système à l'avance en fonction de la longueur d'onde de la source 21 disponible.

Le phénomène de fluorescence crée pour un dopant homogène de même nature une lumière monochromatique.

Pour une meme bande spectrale d'excitation les matériaux dopant peuvent être choisis pour obtenir différentes * teintes de lumière monochromatique visible.

Sur le schéma figure 2 se trouve représenté de manière plus détaillée un exemple de réalisation du dispositif, prévu plus particulièrement pour une installation aéroportée qui sera envisagée par la suite. Le dispositif de projection et d'élaboration d'informations lumineuses comporte dans cet exemple une source 21 constituée par un laser Hellum-Cadmium ou Argon dont le faisceau peut être filtré pour ne laisser passer que la bande ou la longueur d'onde ultraviolette désirée.

On trouve ensuite un circuit modulateur 22, par exemple un modulateur acousto-optique, qui reçoit un signal de modulation
SM qui permet de moduler l'intensité du faisceau lumineux émis par la source 21. Vient ensuite un circuit déflecteur 23 qui peut être de type acousto-optique et dont la fonction est d'assurer un balayage périodique de la zone à couvrir. Un circuit de gestion et de calcul 24 assure la synchronisation et la commande de l'ensemble modulateur 22 et déflecteur 23 en fonction de la visualisation désirée, ce circuit 24 pouvant être un circuit à microprocesseur avec programme et réception de signaux extérieurs SE de commande. Ce circuit fournit les données au déflecteur pour effectuer le balayage, par exemple un balayage ligne par ligne ; il commande aussi le modulateur 22. Le projecteur se termine par l'optique de sortie 25.

Les figures 4 et 5 illustrent une application du dispositif de visualisation À une projection périphérique dans une cabine d'aéronef, la figure 4 en vue latérale et la figure 5 en vue de dessus. Pour cette application, les verrières latérales il et 12 du cockpit sont utilisées. La verrière de face 10 est réservée pour la vision directe par le pilote du paysage extérieur vers l'avant de l'aéronef. I1 peut voir également en superposition des données lumineuses collimatées par un viseur tête haute 13.

Pour cette application l'optique de sortie peut être réalisée comme détaillé sur la figure 3 par un montage afocal comprenant un téléobjectif 25A et un fish-eye 25B, la partie téléobjectif 25A étant translatable le long de l'axe optique Z.

En outre, le montage sera avantageusement complété pour stabiliser l'image par une plate-forme gyroscopique 31 qui mesure le gîte et l'assiette longitudinale de l'appareil ; elle fournit un signal SR au circuit de gestion et de calcul 24 lequel commande, par l'intermédiaire dtun amplificateur de puissance 32, un moteur 33 qui entraîne en rotation autour de l'axe optique Z un dispositif optique 35 qui produit une rotation d'image qui effectue, à fin de stabilisation dans le trièdre géographique local, une compensation angulaire autour de l'axe de roulis.

Le dispositif d'antirotation, dit encore de dérotation, 35 peut être constitué comme représenté par un assemblage de deux prismes (montage rotateur de Pechan) dans lequel on a symbollsé le trajet lumineux. La plateforme fournit aussi un signal ST au circuit de gestion et de calcul 24 qui permet de prendre en compte, éventuellement au niveau de la génération de symbole, les assiettes longitudinales instantanées.

La symbologie commandée par le circuit 24 par modulation en 22 du signal lumineux peut être constituée de symboles relativement simples et l'on peut, par exemple, restituer au pilote la perception des vitesses ce qui lui évite les désorientations sensionnelles. L'information de vitesse peut provenir d'un capteur 37 et la symbologie sous forme d'un signal de modulation SM peut être produite de manière à faire défiler des symboles lumineux SL plus ou moins longs (Figs.4 et 5) le long de la verrière avec une vitesse proportionnelle à celle de défilement du paysage en fonction des sites et des gisements.

L'image peut être stabilisée en tangage ou, à la fois en roulis et en tangage, à partir des informations du référentiel de verticale 31.

Pour la stabilisation de l'image autour de l'axe de tangage, entre des limites angulaires à préciser pour chaque type d'appareil, il est prévu d'avoir recours au système commandant les déviations des projections ultraviolettes d'excitation.

Il y a lieu de remarquer également que les commandes de stabilisatlon peuvent être produltes de façon différente, par exemple en s'adressant uniquement au système de déviation des projections.

Les avantages apportés dans l'utilisation précitée sont essentiellement l'absence de masque par le corps du pilote en disposant le projecteur 2 derrière le siège du pilote dans la partie haute 15 de la cabine du véhicule comme il est visible sur la figure 4, l'absence de perturbations qui pourraient être occasionnées par une superposition de ces nouvelles informations avec celles fournies par la visualisation tête haute 13. Ceci résulte du masque créé par la tête, sinon on peut envisager également de disposer un écran 39 qui empêche la projection dans un certain champ centré sur l'axe longitudinal de l'aéronef et dans lequel le pilote peut observer l'image collimatée par le viseur 13 et le paysage exterieur.

Les deux champs latéraux ei et 82 de visualisation des informations lumineuses sur les verrières latérales sont indiquées sur la figure 5. Enfin, un autre avantage est la meilleure perception des vitesses par le défilement d'images comme il a été indiqué sur un champ beaucoup plus large, atteignant les limites latérales de la vision périphérique humaine.

Ceci donne une restitution spatiale synthétique aussi large que la perception spatiale normale, diminuant autant que faire se peut les raisons d'être d'une désorlentation sensorielle.

Par ailleurs, dans ces conditions de perception toute en vision latérale, le fait que les fluorescences, supports de l'informatlon, apparaissent à distance ne pose pas de problème de réaccommodation des yeux du pilote qui restent accommodés sur les distances où sont présentées les informations des visualisations centrales (à l'infini pour les informations tête haute, ou à la distance planche de bord pour les informations tête basse).

Claims (10)

REVENDICATIONS

1. Dispositif de visualisation d"lnformations lumineuses par projection sur une paroi transparente, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif d'élaboration et de projection (2) d'informations, placé à distance de la paroi (1) et équipé d'une source lumineuse (21) émettrice d'un rayonnement situé dans une bande spectrale donnée, la paroi comportant un dépôt (3) d'un matériau transparent dopé fluorescent pour un rayonnement compris dans ladite bande spectrale, de manière à produire une image en lumière visible desdites informations.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la parol comporte un deuxième dépôt (4) formant un filtre optique rejecteur pour le rayonnement correspondant à ladite bande spectrale, cette bande spectrale correspondant à un rayonnement invisible.

3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits dépôts (3 et 4) forment, respectivement une première couche (3) disposée sur la face de la paroi (1) du côté observateur (A), et une deuxième couche (4) disposée sur l'autre face de la paroi du côté scène extérieure (B).

4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif d'élaboration et de projection des informations (2) comporte : ladite source émettrice constituée par un laser (21), un modulateur acousto-optique (22) pour moduler le faisceau laser, et un déflecteur acousto-optique (23) pour produire le balayage du faisceau laser par l'intermédiaire d'une optique de sortie (25).

5. Dispositif- selon l'une quelconque des revendications précédentes et destiné à être monté sur un équipement qui peut être soumis au roulis et/ou tangage qui comporte un dispositif (31) de mesure des angles d'attitude de l'appareil, angles de gîte et d'assiette longitudinale, caractérisé en ce que le dispositif d'élaboration et de projection des informations (2) est équipé de moyens de stabilisation de l'image visualisée en fonction desdites mesures d'attitude.

6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'image est stabilisée en roulis, lesdits moyens de stabilisation comportant un dispositif optique (35) commandé mécaniquement (33) en rotation autour de l'axe optique pour compenser la rotation autour de l'sxe roulis.

7. Dispositif de projection périphérique en cabine utilisant un dispositif de visualisation d'informations lumineuses selon ltune quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qutil est monté sur un véhicule, le dispositif d'élaboration et de projection des informations (2) étant disposé derrière le siège du pilote dans la partie haute (15) de la cabine du véhicule, la projection desdites informations lumineuses s'effectuant sur les verrières latérales de la cabine (11, 12).

8. Dispositif de projection selon la revendication 7, caractérisé en ce que le dispositif d'elaboration et de projection des information s (2) comporte une optique de sortie sfocale groupant un téléobjectif (25A) et un objectif fish-eye (25B).

9. Dispositif de projection selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que les informations visualisées traduisent la vitesse de défilement de 11 environnement autour du véhicule supportant la cabine, la vitesse du véhicule étant mesurée par un capteur annexe (37) et traduite par un circuit de gestion et de calcul (24) en une information (SM) de modulation du faisceau lumineux émis par la source (21).

10. Dispositif de projection selon ltune quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que la source laser est un laser Hélium-Cadmium ou Argon.