FR2644249A1

FR2644249A1 - Optical collimation system, in particular for a helmet display

Info

Publication number: FR2644249A1
Application number: FR8903152A
Authority: FR
Inventors: Jean-Pierre Gerbe; Laurent Monnier
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1989-03-10
Filing date: 1989-03-10
Publication date: 1990-09-14
Anticipated expiration: 2009-03-10
Also published as: FR2644249B1

Abstract

The system is designed to be integrated into a helmet. It uses an afocal mounting, with a first parabolic mirror 4 and a second parabolic mirror 5, placed downstream of a collimation objective 2 which provides collimated rays. The first mirror 4 is completely reflective and the second mirror 5 is semi-transparent so as to transmit simultaneously, by reflection, the collimated rays and, by transparency, the view of the exterior scenery for example. These two mirrors are integrated into the ends of a plate 10 having two parallel sides 10AV, 10AR. The collimated rays penetrate the plate via one, 10AR, of the parallel sides, are reflected off the first mirror 4, undergo a succession of total reflections off the parallel sides 10AV, 10AR and then are reflected off the second mirror 5 before emerging from the plate 10 via the same side 10AR as that via which they penetrated it. The invention applies in particular to the production of helmet displays for aircraft pilots.

Description

SYSTEME OPTIQUE DE COLLIMATION, EN
PARTICUIJER POUR VISUEL DE CASQUE
La présente invention concerne un système optique de collimation qui est prévu pour etre monté sur un casque porté par un observateur, c'est-à-dire pour constituer un visuel de casque. Son application est plus particulièrement envisagée dans le domaine aéronautique.OPTICAL COLLIMATION SYSTEM, IN
PARTICUIJER POUR VISUEL DE HELMET
The present invention relates to an optical collimation system which is intended to be mounted on a helmet worn by an observer, that is to say to constitute a helmet visual. Its application is more particularly envisaged in the aeronautical field.

Les avions d'armes et les hélicoptères de combat nécessitent la présentation au pilote 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 modernes et dans certains hélicoptères. Weapons and combat helicopters require the pilot to be presented with piloting and fire control information superimposed on the exterior landscape. This role is now fulfilled by the head-up sight, present in all modern weapons aircraft and in certain helicopters.

L'inconvénient de ce type de visualisation est qu'elle ne peut présenter une image que dans un champ limité et toujours centré dans l'axe de l'avlon. Par contre, le pilote peut avoir à effectuer des visées éloignées de l'axe de l'avion, d'où l'idée d'une visualisation liée à la position de la tête du pilote. 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.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 avlon. On the other hand, the pilot may have to carry out sightings distant from the axis of the airplane, hence the idea of a visualization linked to the position of the pilot's head. Such a concept requires on the one hand, a system for detecting the position of the head, and on the other hand, an optoelectronic system for developing a light image and collimating 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 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 must hinder the vision of the outside world as little as possible and also avoid creating a mask in the field of vision - security; the optical system being close to the eye it must ensure, in the event of an impact, that the eye will not be injured - 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.

Dans le document SPIE, volume 778, Display System
Optics (1987), un articIe de James E. MELZER et Eric W. In the document SPIE, volume 778, Display System
Optics (1987), an article by James E. MELZER and Eric W.

LARKIN intitulé "An integral approach to helmet display system design", pages 83 à 88, décrit 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 collimatée vers le deuxième miroir lequel est partiellement réfléchissant pour réfléchir ce rayonnement vers l'observateur et permettre simultanément la transmission du rayonnement provenant de I'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.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.LARKIN entitled "An integral approach to helmet display system design", pages 83 to 88, describes a helmet visual comprising a generator of a synthetic light image to be collimated, an objective of collimating the light radiation corresponding to the synthetic image and a optical combination comprising an afocal assembly of two parabolic mirrors, a first mirror reflecting the radiation of the collimated image to the second mirror which is partially reflecting to reflect this radiation to the observer and simultaneously allow the transmission of radiation from Outside and included in the scope of the system. In addition, the helmet display has a number of deflection mirrors to deflect the optical path and allow mounting on a helmet. In this prior assembly, the parabolic mirrors work off-axis, which causes aberrations and decreases image quality unless the viewfinder field is severely limited.

Le but de l'invention est de remédier à ces inconvénients, en particulier en aménageant le système optique entre les deux miroirs paraboliques. The object of the invention is to remedy these drawbacks, in particular 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 deux faces parallèles comportant les
deux miroirs paraboliques disposés respectivement à ses deux
extrémités, le rayonnement collimaté entrant par une des deux
faces parallèles et subissant plusieurs réflexions totales sur
les faces parallèles lors du trajet compris entre les deux miroirs d'extrémité et ressortant vers l'observateur par la même
face parallèle que celle par laquelle il est entré.According to the invention, a visual of this type is produced in which the combination optic is formed using a transparent blade with two parallel faces comprising the
two parabolic mirrors arranged respectively at its two
ends, the collimated radiation entering by one of the two
parallel faces and undergoing several total reflections on
the parallel faces during the path between the two end mirrors and emerging towards the observer by the same
parallel face than the one through which he entered.

La présente invention sera mleux comprise à l'aide de
la description ci-après, donnée à titre d'exemple à l'aide des
figures annexées qui représentent
- la figure 1, un schéma simplifié d'un système optique de
collimation selon l'invention;
- la figure 2, un schéma plus détaillé d'une réalisation montrant un système optique de collimation selon l'invention
associé à un casque.The present invention will be understood with the aid of
the description below, given by way of example using the
attached figures which represent
- Figure 1, a simplified diagram of an optical system of
collimation according to the invention;
- Figure 2, a more detailed diagram of an embodiment showing an optical collimation system according to the invention
associated with a helmet.

Dans les différentes figures les éléments
correspondants sont désignés par les mêmes repères.In the different figures the elements
correspondents are designated by the same references.

La figure 1 montre un système optique de collimation
qui comporte en série sur un même trajet optique : un
générateur d'images lumineuses 1, un objectif de collimation
2, un premier miroir parabolique 4, et un deuxième miroir
parabolique 5. Les miroirs 4 et 5 forment un système
afocal ; leur foyer commun F a été indiqué sur la figure 1. Le miroir 4 est totalement réfléchissant et le miroir 5 semi-transparent pour laisser passer le rayonnement provenant
du paysage extérieur.Figure 1 shows an optical collimation system
which includes in series on the same optical path: a
light image generator 1, a collimation objective
2, a first parabolic mirror 4, and a second mirror
parabolic 5. Mirrors 4 and 5 form a system
afocal; their common focus F has been indicated in FIG. 1. The mirror 4 is completely reflecting and the mirror 5 semi-transparent to let the radiation coming through
of the exterior landscape.

Les miroirs paraboliques 4 et 5 constituent les extrémités d'un conducteur de lumière formé d'une lame 10 en matériau transparent, à deux faces parallèles lOAV, 10 AR. The parabolic mirrors 4 and 5 constitute the ends of a light conductor formed by a strip 10 of transparent material, with two parallel faces lOAV, 10 AR.

Les miroirs paraboliques 4 et 5, forment une optique afocale de grossissement 1. Le cheminement des rayons est indiqué par des traits interrompus munis de flèches; il est tel que le rayonnement issu du générateur d'images 1 rentre dans la lame
10 et en ressort, après réflexion sur les miroirs 4 et 5, par la même face, lOAR ; une telle conception facilite le montage sur un casque. The parabolic mirrors 4 and 5 form an afocal magnification optic 1. The path of the rays is indicated by broken lines provided with arrows; it is such that the radiation from the image generator 1 enters the blade
10 and emerges therefrom, after reflection on the mirrors 4 and 5, by the same face, lOAR; such a design facilitates mounting on a helmet.

L'objectif de collimation 2 forme l'image à l'infini de l'image lumineuse élaborée par le générateur 1 sur un écran dans l'exemple décrit le générateur comporte un tube à rayons cathodiques; dans d'autres réalisations le générateur 1 peut comporter un panneau à cristaux liquides, ou toute autre source d'images. Limage collimatée penètre dans la lame 10 pour être réfléchie par le miroir parabolique 4 puis par le miroir parabolique 5. La lame à faces parallèles 10 assure le cheminement optique entre les miroirs 4 et 5 par une série de réflexions totales sur ses faces parallèles. The collimation objective 2 forms the infinite image of the light image produced by the generator 1 on a screen in the example described the generator comprises a cathode ray tube; in other embodiments the generator 1 may include a liquid crystal panel, or any other source of images. The collimated image penetrates into the plate 10 to be reflected by the parabolic mirror 4 then by the parabolic mirror 5. The plate with parallel faces 10 ensures the optical path between the mirrors 4 and 5 by a series of total reflections on its parallel faces.

Le miroir réflecteur parabolique semi-transparent 5 constitue une optique de combinaison car il permet le mélange du rayonnement collimaté provenant du générateur 1, avec le rayonnement provenant du paysage extérieur et transmis, à travers le miroir 5, vers I'observateur symbolisé par un oeil, V. The semi-transparent parabolic reflective mirror 5 constitutes a combination optic because it allows the collimated radiation coming from the generator 1 to be mixed with the radiation coming from the external landscape and transmitted, through the mirror 5, to the observer symbolized by an eye. , V.

Les réflexions totales internes à la lame 10 sur les faces avant, 1OAV, et arrière, lOAR > n'entraînent aucune perte de lumière, même si ces faces ne sont pas traitées. Les miroirs paraboliques 4 et 5 formant un système afocal, l'image à la sortie du miroir 5 est également renvoyée à l'infini comme elle l'était à ltentrée. Par rspport à un système optique correspondant mais dépourvu de lame à faces parallèles, les miroirs, et en particulier le miroir de combinaison 5, font un angle moindre avec la direction de visée ZS, ce qui permet d'utiliser les miroirs 4 et 5 avec un hors d'axe moindre et d'obtenir ainsi des champs plus grands en conservant une qualité d'image correcte
L'ensemble des réflexions totales internes à la lame 10 contribue également à faire descendre l'image du dessus de la tête de l'observateur sans avoir à utiliser des miroirs paraboliques de renvoi ayant un fort hors d'axe, ce qui permet, là aussi, I'obtention de champs importants
Le traitement du miroir de combinaison 5 est neutre dans l'exemple décrit ; dans d'autres réalisations il peut être sélectif (dépôt optique filtrant ou dépôt d'un hologramme) pour ne réfléchir que la bande spectrale du générateur d'images (bande située dans le vert pour un tube cathodique). Quant au miroir parabolique 4, il est totalement réfléchissant car non utilisé en transmission.The total internal reflections of the strip 10 on the front, 1OAV, and rear, lOAR> faces do not cause any loss of light, even if these faces are not treated. The parabolic mirrors 4 and 5 forming an afocal system, the image at the exit of the mirror 5 is also sent back to infinity as it was at the entrance. By means of a corresponding optical system but without a blade with parallel faces, the mirrors, and in particular the combination mirror 5, make a less angle with the direction of sight ZS, which makes it possible to use the mirrors 4 and 5 with less off-axis and thus obtain larger fields while maintaining correct image quality
The set of total internal reflections in the slide 10 also contributes to bringing the image down from the top of the observer's head without having to use parabolic reflecting mirrors having a strong off-axis, which allows, there also, obtaining important fields
The treatment of the combination mirror 5 is neutral in the example described; in other embodiments it can be selective (optical filtering 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). As for the parabolic mirror 4, it is completely reflecting since it is not used in transmission.

Pour la vision du paysage ou d'un autre motif lumineux, par l'observateur, à travers la lame en dehors du champ du visuel de casque, c'est-8-dire en dehors du miroir 5, la lame 10 n'introduit pratiquement pas de perturbation étant donné que les faces avant, 1OAV, et arrière, lOAR, sont utilisées en transmission pour ce rayonnement. For the vision of the landscape or of another luminous pattern, by the observer, through the blade outside the field of the helmet visual, that is to say outside the mirror 5, the blade 10 does not introduce practically no disturbance since the front faces, 1OAV, and rear, lOAR, are used in transmission for this radiation.

Les faces latérales gauche et droite de la lame 10 sont taillées en biseau selon, respectivement, deux plans qui passent par l'oeil. Ainsi, elles sont vues exactement par la tranche par l'observateur ce qui supprime le masque qu'elles pourraient créer sur la vision extérieure. The left and right lateral faces of the blade 10 are cut in a bevel according to, respectively, two planes which pass through the eye. Thus, they are seen exactly by the edge by the observer which removes the mask that they could create on the outside vision.

La figure 1 correspond à une réalisation de laboratoire. La figure 2 correspond à une réalisation élaborée à l'aide des enseignements tirés de la réalisation selon la figure 1 ; elle a été spécialement étudiée pour être montée dans un casque C. Figure 1 corresponds to a laboratory realization. Figure 2 corresponds to an embodiment developed using the lessons learned from the embodiment according to Figure 1; it has been specially designed to be fitted in a C helmet.

Le système optique de collimation selon la figure 2 a été représenté, pour ses parties cachées, comme vu par transparence à travers la paroi extérieure du casque C; ce système optique se distingue de celui selon la figure 1 par l'adjonction d'un prisme 11 et d'un miroir plan 12 et par le fait que la lame 10 est prolongée vers le bas par un élément terminal transparent, lOT. Le prisme 11 et le miroir 12 sont disposés en série entre l'objectif de collimation 2 et la lame 10 et sont destinés à allonger le chemin optique pour adapter la forme du système optique à la forme du casque C. L'élément teEnal lOT a un volume dont les limites sont : le miroir 5, les prolongements de la face avant, lOAV, et des faces latérales de la lame 10 et le plan passant par l'oeil et par le bord inférieur du miroir 5. The optical collimation system according to FIG. 2 has been shown, for its hidden parts, as seen by transparency through the external wall of the helmet C; this optical system differs from that according to FIG. 1 by the addition of a prism 11 and a plane mirror 12 and by the fact that the blade 10 is extended downwards by a transparent terminal element, lOT. The prism 11 and the mirror 12 are arranged in series between the collimating objective 2 and the blade 10 and are intended to lengthen the optical path to adapt the shape of the optical system to the shape of the helmet C. The element teEnal lOT a a volume whose limits are: the mirror 5, the extensions of the front face, lOAV, and of the lateral faces of the blade 10 and the plane passing through the eye and through the lower edge of the mirror 5.

La réalisation selon la figure 2 comporte deux systèmes optiques de collimation associés au casque C pour constituer un visuel binoculaire ; le second système, identique au premier, n'est pas visible sur la figure 2. The embodiment according to FIG. 2 comprises two optical collimation systems associated with the helmet C to constitute a binocular visual; the second system, identical to the first, is not visible in Figure 2.

Claims

1. Optical collimation system comprising in series: an image generator for providing light radiation, an eollimation objective for collimating the radiation, a combination optic comprising an afocal assembly with a first and a second parabolic mirror, the first mirror being reflective for reflecting the collimated radiation towards the second mirror and the second mirror being partially transparent to simultaneously allow the transmission by reflection, to an observer of the radiation received from the first mirror and the transmission by transparency, to the observer, of radiation exterior, characterized in that the combination optic comprises a transparent strip (10) having two ends, a first (lOAR) and a second (lOAV) parallel face, in that the two ends are constituted respectively by the two parabolic mirrors , and in that the optical path of the collimated radiation between objective (2) and the observer (V) comprises, thereafter, a crossing of the first parallel face (lOAR), a reflection on the first mirror (4), several total reflections on the parallel faces, a reflection on the second mirror (5) and a crossing of the first parallel face (lOAR).

2. System according to claim 1, characterized in that the transparent blade has lateral faces inclined obliquely relative to the parallel faces of the hinge to be seen by the edge by the observer.

3. System according to any one of the preceding claims, characterized in that the blade (10) is associated with a termlnal element (lOT) which extends the blade beyond the second mirror.