FR2638242A1 - Optical collimation system, especially for a helmet display - Google Patents
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Abstract
Description
SYSTEME OPTIQUE DE COLLIMATION, NOTAMMENT
POUR VISUEL DE CASQUE
La présente invention concerne un système optique de collimation qui est prévu plus particulièrement pour être monté sur un casque porté par l'observateur, ctest-a-dire pour constituer un visuel de casque. Son application est plus particulièrement envisagée dans le domaine aéronautique, l'observateur étant le pilote d'un avion ou d'un héllcoptère.OPTICAL COLLIMATION SYSTEM, ESPECIALLY
FOR HELMET VISUAL
The present invention relates to an optical collimation system which is intended more particularly to be mounted on a helmet worn by the observer, that is to say to constitute a helmet visual. Its application is more particularly envisaged in the aeronautical field, the observer being the pilot of an airplane or a helicopter.
Les avions d'armes ou les hélicoptères de combat nécessitent la présentation d'informations de pilotage et de conduite de tir superposées au paysage extérieur. Ce rôle est aujourd'hui assuré par le viseur tête haute, présent dans tous les avions d'armes et certains hélicoptères. L'inconvénient de ce type de visualisation est quelle ne peut présenter une image que dans un champ limité et toujours centré dans l'axe de l'avion. Par contre, le pilote peut avoir â effectuer des visées éloignées de l'axe de l'avion. L'idée d'une visualisation liée à la tête du pilote apparaît alors, celui-ci entraînant le champ de cette visualisation avec lui.Un tel concept nécessite d'une part, un système permettant de détecter la position de la tête, et d'autre part, un système optoélectronique permettant d'élaborer une image lumineuse et de la collimater. Ces deux systèmes doivent être disposés sur le casque du pilote, ce qui implique des contraintes très importantes, notamment sur le poids. Weapon planes or combat helicopters require the presentation of piloting and fire control information superimposed on the external landscape. This role is now performed by the head-up sight, present in all weapons aircraft and certain helicopters. The disadvantage of this type of display is that it can only present an image in a limited field and always centered in the axis of the aircraft. On the other hand, the pilot may have to carry out sightings distant from the axis of the airplane. The idea of a visualization linked to the pilot's head then appears, the latter bringing the field of this visualization with him. Such a concept requires on the one hand, a system making it possible to detect the position of the head, and d on the other hand, an optoelectronic system allowing to develop a luminous image and to collimate it. These two systems must be placed on the pilot's helmet, which implies very significant constraints, in particular on the weight.
Un système optique selon l'invention permet de collimater l'image et présente des avantages ergonomiques et des performances de champ intéressantes. Les contraintes essentielles prises en compte pour réaliser le système sont les suivantes - procurer une gêne visuelle minimale ; en effet, le système optique collimatant l'image et l'oeil du pilote doit gêner le moins possible la vision du monde extérieur et également éviter de créer un masque dans le champ de vision - la sécurité ; le système optique étant près de l'oeil il doit assurer en cas de choc que l'oeil ne sera pas blessé - le poids ; le poids doit être minimal notamment si le système est destiné à être montée sur un avion d'armes, il devra être aussi léger que possible pour éviter la fatigue, surtout sous facteur de charge important. An optical system according to the invention makes it possible to collimate the image and has ergonomic advantages and interesting field performances. The essential constraints taken into account to implement the system are as follows - providing minimal visual disturbance; in fact, the optical system collimating the image and the pilot's eye must hinder vision of the outside world as little as possible and also avoid creating a mask in the field of vision - safety; the optical system being close to the eye it must ensure in case of shock that the eye will not be injured - the weight; the weight must be minimal, in particular if the system is intended to be mounted on a military aircraft, it must be as light as possible to avoid fatigue, especially under a high load factor.
En outre, le système de collimation doit répondre à des performances qui concernent généralement un champ important, une résolution compatible de l'oeil, et une forte luminosité. In addition, the collimation system must respond to performances which generally relate to a large field, a compatible resolution of the eye, and a high luminosity.
Il est connu par le document SPIE, Volume 778,
Display System Optics (1987), un article de James E. MELZER et
Eric W. LARKIN intitulé "An integral approach to helmet display system design" pages 83 à 88, un visuel de casque comportant un générateur d'une image lumineuse synthétique à collimater, un objectif de collimation du rayonnement lumineux correspondant à l'image synthétique ; et une optique de combinaison composée d'un montage afocal de deux miroirs paraboliques, un premier miroir réfléchissant le rayonnement de l'image collimcltée vers le deuxième miroir lequel est partiellement réfléchissant pour réfléchir ce rayonnement vers l'observateur et permettre simultanément la transmission du rayonnement provenant de l'extérieur et compris dans le champ du système. En outre, le visuel de casque comporte un certain nombre de miroirs de renvoi pour dévier le trajet optique et permettre le montage sur casque.It is known by the document SPIE, Volume 778,
Display System Optics (1987), an article by James E. MELZER and
Eric W. LARKIN entitled "An integral approach to helmet display system design" pages 83 to 88, a helmet visual comprising a generator of a synthetic light image to collimate, an objective of collimating the light radiation corresponding to the synthetic image; and a combination optic composed of an afocal assembly of two parabolic mirrors, a first mirror reflecting the radiation of the collimated image towards the second mirror which is partially reflecting to reflect this radiation towards the observer and simultaneously allow the transmission of the radiation coming from outside and included in the scope of the system. In addition, the helmet display includes a number of deflection mirrors to deflect the optical path and allow mounting on the helmet.
Dans ce montage antérieur, les miroirs paraboliques travaillent hors d'axe ce qui est cause d aberrations et diminue la qualité de l'image à moins de limiter assez fortement le champ du viseur. In this previous assembly, the parabolic mirrors work off axis which is the cause of aberrations and decreases the quality of the image unless the field of viewfinder is fairly strongly limited.
Le but de l'invention est de remédier à ces inconvénients en aménageant le système optique entre les deux miroirs paraboliques. The object of the invention is to remedy these drawbacks by fitting the optical system between the two parabolic mirrors.
Selon l'invention, il est réalisé un visuel de ce type dans lequel l'optique de combinaison est constituée à l'aide d'une lame transparente à faces parallèles comportant les deux miroirs paraboliques en deux extrémités, le rayonnement collimaté entrant par une première face parallèle et subissant plusieurs réflexions totales sur les faces parallèles lors du trajet compris entre les deux miroirs d'extrémité et ressortant par la seconde face parallèle vers l'observateur, la lame transparente ne procurant pas de gêne pour la vision extérieure en dehors du champ du visuel. According to the invention, a visual of this type is produced in which the combination optic is formed using a transparent blade with parallel faces comprising the two parabolic mirrors at two ends, the collimated radiation entering through a first parallel face and undergoing several total reflections on the parallel faces during the path between the two end mirrors and emerging through the second parallel face towards the observer, the transparent blade does not interfere with outside vision outside the field of the visual.
Les particularités et avantages de l'invention apparaîtront dans la description qui suit donnée à titre d'exemple à l'aide des figures annexées qui représentent - Figure 1, un schéma simplifié d'un système optique collimateur conforme à l'invention; - Figure 2, un schéma partiel montrant le cheminement des rayons compris dans le champ du visuel de casque - Figure 3, un schéma analogue à celui de la figure 2 dans une réalisation dite "repliée" de la lame à faces parallèles - Figure 4, un schéma simplifié montrant la disposition de la lame de verre devant l'observateur dans le cadre 'd'une réalisation visuel de casque - Figure 5, une vue en section de la lame de verre selon une direction de visualisation pour montrer la taille des faces latérales évitant un effet de masque - Figure 6, un schéma d'un exemple de réalisation sous forme d'un visuel de casque. The features and advantages of the invention will appear in the following description given by way of example with the aid of the appended figures which represent - Figure 1, a simplified diagram of a collimator optical system according to the invention; - Figure 2, a partial diagram showing the path of the rays included in the field of the helmet visual - Figure 3, a diagram similar to that of Figure 2 in a so-called "folded" embodiment of the blade with parallel faces - Figure 4, a simplified diagram showing the arrangement of the glass slide in front of the observer in the context of a visual realization of a helmet - Figure 5, a section view of the glass slide in a viewing direction to show the size of the faces lateral avoiding a mask effect - Figure 6, a diagram of an exemplary embodiment in the form of a helmet visual.
En se référant à la figure 1, le système optique collimateur comporte, de manière connue, un générateur d'images lumineuses 1, une optique de collimation 2, un premier miroir réflecteur parabolique 4, et un deuxième réflecteur parabolique 5. Les miroirs 4 et 5 forment un système afocal, leur foyer commun est désigné F1. Le miroir 4 est totalement réfléchissant et le miroir 5 semi-transparent pour laisser passer le rayonnement provenant du paysage extérieur. Referring to FIG. 1, the collimating optical system comprises, in a known manner, a light image generator 1, a collimating optic 2, a first parabolic reflective mirror 4, and a second parabolic reflector 5. The mirrors 4 and 5 form an afocal system, their common focus is designated F1. The mirror 4 is completely reflective and the mirror 5 semi-transparent to allow the radiation coming from the outside landscape to pass.
Conformément à l'invention, les miroirs paraboliques 4 et 5 sont disposés en extrémité d'un conducteur de lumière formé d'une lame à faces parallèles 10 en matériau transparent tel que un verre ou un plastique. Les surfaces paraboliques réfléchissantes 4 et 5 sont situées dans l'épaisseur de la lame en deux extrémités opposées et constituent une formule optique afocale de grossissement 1 assimilable à un transport d'image. According to the invention, the parabolic mirrors 4 and 5 are arranged at the end of a light conductor formed by a blade with parallel faces 10 made of transparent material such as glass or plastic. The reflective parabolic surfaces 4 and 5 are located in the thickness of the plate at two opposite ends and constitute an afocal optical formula of magnification 1 comparable to an image transport.
Le cheminement des rayons est indiqué pour l'axe optique sur la figure 1 et sur la figure 2 pour trois faisceaux, l'un parallèle  l'axe optique, le second et le troisième correspondant aux angles limites du champ présenté par le système.The ray path is indicated for the optical axis in FIG. 1 and in FIG. 2 for three beams, one parallel to the optical axis, the second and the third corresponding to the limiting angles of the field presented by the system.
L'objectif collimateur 2 forme, de manière habituelle, l'image à l'infini de la présentation lumineuse élaborée par le générateur 1 sur l'écran d'un tube à rayons cathodiques ou d'un panneau à cristaux liquides, ou autre source d'image sur laquelle est tracée l'image à présenter. L'image collimatée est ensuite réfléchie par le miroir parabolique 4 et reformée en sortie selon un rayonnement parallèle par le miroir parabolique 5. La lame à faces parallèles assure le cheminement optique intermédiaire par une série de réflexions totales sur ses faces parallèles, la face avant lOAV et la face arrière 1OAR. The collimator objective 2 usually forms the infinite image of the light presentation produced by the generator 1 on the screen of a cathode ray tube or of a liquid crystal panel, or other source. image on which is drawn the image to be presented. The collimated image is then reflected by the parabolic mirror 4 and reformed at the output according to a parallel radiation by the parabolic mirror 5. The blade with parallel faces ensures the intermediate optical path by a series of total reflections on its parallel faces, the front face lOAV and 1OAR rear panel.
Le miroir réflecteur parabollque semi-transparent 5 constitue l'optique de combinaison car il permet le mélange du rayonnement collimaté avec le rayonnement extérieur transmis par ce miroir vers l'observateur. Dans une application visuel de casque, ce rayonnement extérieur représente la vision du paysage dans le champ du visuel de casque. Ce champ est référencé par l'angle e dans le plan de la figure 4 ; il correspond aux inclinaisons extrêmes des rayons transmis par le système optique de collimation vers l'observateur. The semi-transparent parabollic reflecting mirror 5 constitutes the combination optic because it allows the collimated radiation to be mixed with the external radiation transmitted by this mirror to the observer. In a helmet visual application, this external radiation represents the vision of the landscape in the field of the helmet visual. This field is referenced by the angle e in the plane of Figure 4; it corresponds to the extreme inclinations of the rays transmitted by the optical collimation system to the observer.
Les réflexions totales internes à la lame 10 sur les faces lOAV et lOAR n'entraînent aucune perte de lumière, même si ces faces lOAV et lOAR ne sont pas traitées. Les miroirs paraboliques 4 et 5 formant un système afocal, l'image à la sortie du combineur est également renvoyée à l'infini comme elle l'était à l'entrée. Les miroirs paraboliques 4 et 5 sont utilisés hors d'axe comme on peut s'en rendre compte sur la figure 2. Un miroir parabolique donne une image parfaite pour l'infini et son foyer. En outre, du fait de la symétrie du système certaines aberrations se compensent. Par contre, la courbure de champ doit être corrigée au niveau de l1objectif de collimation 2.Grâce à la lame 10, les miroirs, en particulier le miroir de combinaison 5 fait un angle moindre avec la verticale å la direction de visée (axe optique ZS de sortie, Fiv. 1) ce qui permet d'utiliser les miroirs 4 et 5 avec un hors d'axe moindre et obtenir ainsi des champs plus grands en conservant une qualité d'image correcte par rapport à un système dépourvu du conducteur optique à lame intermédiaire. The total internal reflections of the strip 10 on the lOAV and lOAR faces do not cause any loss of light, even if these lOAV and lOAR faces are not treated. Parabolic mirrors 4 and 5 forming an afocal system, the image at the output of the combiner is also returned to infinity as it was at the input. Parabolic mirrors 4 and 5 are used off-axis as can be seen in Figure 2. A parabolic mirror gives a perfect image for infinity and its focus. In addition, due to the symmetry of the system, certain aberrations compensate for each other. On the other hand, the field curvature must be corrected at the level of the collimation objective 2. Thanks to the blade 10, the mirrors, in particular the combination mirror 5 makes a less angle with the vertical in the direction of sight (optical axis ZS output) (Fiv. 1) which allows mirrors 4 and 5 to be used with less off-axis and thus obtain larger fields while maintaining correct image quality compared to a system without the optical conductor at intermediate blade.
L'ensemble des réflexions totales internes contribue également à faire descendre l'image du dessus de la tête de l'observateur (figure 4 et figure 6) sans avoir à utiliser des miroirs paraboliques ayant un fort hors d'axe ce qui permet ainsi l'obtention de champs importants. The set of total internal reflections also contributes to bringing the image down from the top of the observer's head (Figure 4 and Figure 6) without having to use parabolic mirrors having a strong off-axis which thus allows the 'obtaining important fields.
Le traitement du miroir de combinaison 5 peut être neutre, ou sélectif (dépôt optique filtrant ou dépôt d'un hologramme) pour ne réfléchir que la bande spectrale du générateur d'image (bande située dans le vert pour un tube cathodique); l'autre miroir parabolique 4 est totalement réfléchissant car non utilisé en transmission. The processing of the combination mirror 5 can be neutral, or selective (filtering optical deposition or hologram deposition) so as to reflect only the spectral band of the image generator (band located in green for a cathode ray tube); the other parabolic mirror 4 is completely reflecting since it is not used in transmission.
Pour la vision du paysage, ou autre motif lumineux, par l'observateur à travers la lame en dehors du champ du visuel de casque, donc en dehors du miroir 5, la lame 10 n'introduit pratiquement pas de perturbation étant donné que les faces lOAV et lOAR sont utilisées en transmission pour ce rayonnement. For the vision of the landscape, or other light pattern, by the observer through the blade outside the field of the helmet visual, therefore outside the mirror 5, the blade 10 does not introduce practically any disturbance since the faces OAV and OAR are used in transmission for this radiation.
Les faces latérales gauche lOLG et droite l0LD de la lame sont avantageusement tafllées inclinées par rapport aux lames parallèles, de manière å converger vers l'oeil. Ainsi,. The left side sides lOLG and right side l0LD of the blade are advantageously tafllées inclined with respect to the parallel blades, so as to converge towards the eye. So,.
elles sont vues exactement par la tranche par l'observateur ce qui supprime le masque qu'elles pourraient créer sur la vision extérieure.they are seen exactly by the edge by the observer which removes the mask that they could create on the external vision.
La figure 5 montre une coupe transversale de la lame suivant une direction F indiquée sur la figure 4 pour illustrer cette taille des faces latérales l0LG et LOLO. Figure 5 shows a cross section of the blade in a direction F shown in Figure 4 to illustrate this size of the side faces 10LG and LOLO.
Pour faciliter ltexécution des miroirs 4 et 5 d'extrémité la lame est avantageusement constituée comme représentée figure 4 par un élément central 10C et deux éléments terminaux lOTi et 10T2 pour former globalement un volume de type polyédrique, limité par six faces planes. Les surfaces en regard de ces trois éléments sont usinés paraboliques et sur ltune de ces surfaces un dépôt réfléchissant ou semi-réfiéchissant correspondant est effectué pour constituer respectivement les miroirs 4 et 5 d'extrémité. To facilitate the execution of the end mirrors 4 and 5, the blade is advantageously constituted, as shown in FIG. 4, by a central element 10C and two terminal elements lOTi and 10T2 in order to form overall a volume of polyhedral type, limited by six flat faces. The facing surfaces of these three elements are machined parabolically and on one of these surfaces a corresponding reflecting or semi-reflective deposit is made to constitute the end mirrors 4 and 5 respectively.
En outre, l'élément terminal lOT2 est taillé à sa psrtie inférieure de manière similaire aux faces latérales 1OLD et l0LG pour être vu exactement par la tranche et ne pas créer d'effet de masque (figure 4). In addition, the end element lOT2 is cut at its bottom part in a similar manner to the side faces 1OLD and l0LG so as to be seen exactly by the edge and not to create a mask effect (FIG. 4).
Dans le cadre d'une application à un visuel de casque, la figure 6 représente schematiquement le positionnement de l'ensemble l'ensemble des éléments. Sur cette représentation le casque n'est pas figuré, le générateur 1 est un tube cathodique miniature. Le montage comporte en sus des miroirs déviateurs 7 et 8 pour renvoyer l'image lumineuse émise par le générateur 1 vers l'optique collimstrfce 2 et la réfléchir en sortie de cette optique vers le premier miroir réflecteur parabolique 4 à l'intérieur de la lame 10. L'ensemble formé par le tube cathodique 1, le miroir déviateur 7 et l'objectif 2 peut être réalisé monobloc et situé sur le haut du casque ainsi que le miroir déviateur 8. Le dispositif à lame 10 comportant les miroirs 4 et 5 d'extrémité peut être intégré à la visière du casque. In the context of an application to a helmet visual, FIG. 6 schematically represents the positioning of all of the elements. In this representation, the helmet is not shown, the generator 1 is a miniature cathode ray tube. The assembly includes in addition deflecting mirrors 7 and 8 to return the light image emitted by the generator 1 to the collimstrfce optics 2 and reflect it at the output of this optics towards the first parabolic reflective mirror 4 inside the blade 10. The assembly formed by the cathode ray tube 1, the deflecting mirror 7 and the objective 2 can be made in one piece and located on the top of the helmet as well as the deflecting mirror 8. The blade device 10 comprising the mirrors 4 and 5 can be integrated into the visor of the helmet.
Une solution conforme à l'invention peut présenter des performances de champ de 400 en gisement et 200 en site. A solution according to the invention can have field performance of 400 in field and 200 in site.
L'épaisseur de la lame peut être de 10 å 15mm envlron ce qui donne un poids faible pour l'ensemble, notamment si le matériau transparent de la lame est un plastique.The thickness of the blade can be from 10 to 15mm approx. Which gives a low weight for the whole, especially if the transparent material of the blade is a plastic.
La figure 3 représente le cheminement des rayons dans le cas dtune version repliée de l'élément central lOC du dispositif à lame 10 qui est formé préférentiellement de trois éléments successifs 10-1,10-2,10-3, comme représenté. Cette version repliée peut dans certains cas etre plus facile à intégrer sur un casque. FIG. 3 represents the path of the spokes in the case of a folded version of the central element lOC of the blade device 10 which is preferably formed of three successive elements 10-1,10-2,10-3, as shown. This folded version can in some cases be easier to integrate on a helmet.
Un système conforme à l'invention peut être doublé, l'un pour l'oeil droit, l'autre pour l'oeil gauche, pour constituer un visuel de casque binoculaire. A system according to the invention can be doubled, one for the right eye, the other for the left eye, to constitute a visual of a binocular helmet.
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