FR3131397A1

FR3131397A1 - Dispositif de projection d’une image dans l’œil dans utilisateur

Info

Publication number: FR3131397A1
Application number: FR2114595A
Authority: FR
Inventors: Matthias COLARD; Christophe Martinez
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2021-12-28
Filing date: 2021-12-28
Publication date: 2023-06-30
Anticipated expiration: 2041-12-28
Also published as: WO2023126382A1; FR3131397B1

Abstract

Dispositif (1) de projection d’une image sur la rétine d’un œil, le dispositif comportant des sources de lumière et un support d’émission (10) comprenant différents points d’émission, chaque point d’émission étant configuré pour émettre une lumière selon une direction angulaire de propagation, les points d’émission étant répartis en différents sous-ensembles de points d’émission, chaque sous-ensemble de point d’émission émettant la lumière selon une même direction angulaire, de façon à converger vers un même pixel de l’image. Le dispositif est tel qu’une même source de lumière est reliée à plusieurs sous-ensembles d’émission, dits sous-ensembles d’émission jumeaux.

Description

Dispositif de projection d’une image dans l’œil dans utilisateur

Le domaine technique de l’invention concerne la projection d’une image sur un œil, dans des applications de type réalité augmentée.

ART ANTERIEUR

Les dispositifs portables de réalité augmentée, tels que les lunettes, permettent d’observer une scène réelle tout en visualisant des informations complémentaires. Ce type de dispositif est fréquemment basé sur des micro-écrans, permettant de former une image à proximité immédiate d’un œil d’un utilisateur. De tels micro-écrans peuvent par exemple être intégrés à une lunette. Un système optique, comportant un jeu de lentilles, permet la perception d’une image nette par l’œil.

Le brevet US9632317 décrit un dispositif permettant une projection, sur la rétine d’un œil, sans écran ni système optique. Le dispositif comporte un circuit optique intégré transparent composé d'un réseau de guides de lumière nanométriques, d’un réseau d’électrodes et d'un film holographique. Un tel dispositif est compact, et permet d’obtenir un champ de vision étendu. De plus, cela permet de ne pas utiliser de système optique volumineux et de conception complexe.

Les guides de lumière nanométriques permettent de définir un ensemble de points d’émission sur le film holographique, chaque point étant susceptible d’être illuminé par une lumière extraite d’un guide de lumière. L’ensemble de points d’émission est subdivisé en différents sous-ensembles d’émission, chaque sous-ensemble d’émission comportant des points d’émission répartis, le plus aléatoirement possible, sur le film holographique. Les points d’émission d’un même sous-ensemble d’émission peuvent être simultanément illuminés par les différents guides de lumière. Sous l’effet de l’illumination, chaque point d’émission du même sous-ensemble d’émission émet une onde lumineuse se propageant selon une même direction angulaire jusqu’à la pupille de l’œil, de façon à former un point lumineux unique au niveau de la rétine. De cette façon, chaque sous-ensemble de points d’émission permet une formation d’un pixel de l’image perçue par l’utilisateur. Une image peut être formée en illuminant successivement différents sous-ensembles de points d’émission, de façon à former une image comportant un nombre élevé de pixels. La fréquence d’illumination de chaque sous-ensemble de points d’émission est dimensionnée de façon que sous l’effet de la persistance rétinienne, l’utilisateur puisse ressentir une formation d’une image fixe, malgré la formation séquentielle des différents pixels de l’image.

Comme précédemment indiqué, il est préférable que dans un même sous-ensemble, les points d’émission soient répartis le plus aléatoirement possible, de façon à éviter des effets de répétition de motifs par des structures périodique ou quasi périodique lors de la formation de l’image sur la rétine.

Dans US9632317, la lumière est extraite de chaque guide de lumière en disposant, le long du guide de lumière, des réseaux de diffraction électriquement modulés. Les réseaux de diffraction sont espacés les uns des autres et définissent des zones ponctuelles d’extraction de lumière. Sous l’effet d’une activation électrique, chaque réseau de diffraction permet une extraction de la lumière se propageant dans un guide de lumière. Dans US9632317, les guides de lumière sont de forme sinusoïdale, et s’étendent parallèlement les uns aux autres. Il est cependant nécessaire de disposer d’un nombre élevé de sources de lumière laser, typiquement plusieurs centaines, si l’on souhaite disposer d’un nombre suffisant de pixels formés simultanément sur l’image.

Les inventeurs proposent une configuration optimisée, de façon à conserver un nombre élevé de pixels, tout en réduisant le nombre de sources de lumière laser et en préservant la qualité des images formées sur la rétine.

Un premier objet de l’invention est un dispositif de projection d’une image sur la rétine d’un œil, l’image étant composée de plusieurs pixels, le dispositif comportant :

des sources de lumière, de préférence laser ;
un support d’émission, comportant :
- des guides de lumière, chaque guide de lumière étant relié à une source de lumière et à une pluralité de réseaux de diffraction, répartis le long du guide de lumière, chaque réseau de diffraction étant modulable électriquement pour extraire une partie de la lumière se propageant dans le guide de lumière auquel il est relié ;
- des électrodes, chaque électrode étant configurée pour moduler des réseaux de diffraction reliés à différents guides de lumière ;
- des points d’émission, chaque point d’émission étant formé au niveau d’un réseau de diffraction, et s’étendant entre une électrode et un guide de lumière, chaque point d’émission étant configuré pour émettre une lumière, selon une direction angulaire, suite à une extraction d’une lumière se propageant dans le guide de lumière ;

le dispositif étant tel que :

différents points d’émission sont configurés pour émettre la lumière selon une même direction angulaire, de façon à converger sur la rétine, en formant un même pixel, lesdits points d’émission définissant un sous-ensemble d’émission, de façon qu’à chaque sous-ensemble d’émission correspond une direction angulaire d’émission de la lumière ;
deux pixels adjacents de l’image sont formés par deux sous-ensembles d’émission, respectivement associés à deux directions angulaires différentes et espacées d’un écart angulaire élémentaire ;

le dispositif étant caractérisé en ce que :

une même source de lumière est reliée à différents guides de lumière, lesdits guides de lumière définissant différents sous-ensembles d’émission, dits jumeaux, configurés pour former simultanément différents pixels, dits pixels jumeaux, lorsque la source de lumière est activée, les sous-ensembles d’émission jumeaux étant associés à la source de lumière ;
les directions angulaires respectives de chaque sous-ensemble d’émission jumeau sont espacées les unes des autres d’un écart angulaire supérieur ou égal à un écart angulaire minimal, l’écart angulaire minimal correspondant à fois l’écart angulaire élémentaire, étant supérieur ou égal à 2 ;
de telle sorte que les pixels jumeaux, simultanément formés sur la rétine, sont décalés d’au moins l’écart angulaire mininal.

Les points d’émission de différents sous-ensembles d’émission jumeaux, sont de préférence reliés à une même électrode ou à une électrode d’un même groupe d’électrodes.

Selon un mode de réalisation:

plusieurs sources de lumière sont respectivement reliées à différents guides de lumière, pour former différents sous-ensembles d’émission jumeaux, chaque sous-ensemble d’émission jumeau étant associé à une même source de lumière;
les directions angulaires respectives de chaque sous-ensemble d’émission jumeau sont espacées les unes des autres d’un écart angulaire supérieur à l’écart angulaire minimal.

De préférence, les guides d’ondes, reliés à une même source de lumière, et formant un sous-ensemble d’émission jumeau sont différents d’autres guides d’ondes reliés à ladite source de lumière, et formant un autre sous-ensemble d’émission jumeau associé à la même source de lumière.

L’écart angulaire minimal peut être supérieur ou égal à 0.5° ou à 1°.

Selon un mode de réalisation :

le diamètre ou la diagonale des points d’émission est inférieur ou égal à 10 µm, l’écart angulaire minimal étant supérieur à 1.5 ;
le diamètre ou la diagonale des points d’émission est compris entre 10 µm et 20 µm, l’écart angulaire minimal étant supérieur à 0.8 ;
le diamètre ou la diagonale des points d’émission est supérieur à 20 µm, l’écart angulaire minimal étant supérieur à 0.5 ;

De préférence, le diamètre ou la diagonale chaque point d’émission est supérieur à 5 µm.

Selon une possibilité :

les guides de lumière reliés à une même source de lumière définissent des premiers sous-ensemble d’émission jumeaux et des deuxièmes sous-ensemble d’émission jumeaux, de façon à former respectivement des premiers pixels jumeaux et des deuxièmes pixels jumeaux ;
les points d’émission de chaque premier sous-ensemble d’émission jumeau sont reliés à des premières électrodes ;
les points d’émission de chaque deuxième sous-ensemble d’émission jumeau sont reliés à des deuxièmes électrodes, différentes des premières électrodes ;
le dispositif comporte un commutateur, pour alimenter soit les premières électrodes, soit les deuxièmes électrodes, de façon que la lumière émise par la source de lumière soit extraite séquentiellement soit par les points d’émission des premiers sous-ensembles d’émission, soit par les points d’émission des deuxièmes sous-ensemble d’émission, pour former séquentiellement, sur l’image, les premiers pixels jumeaux et les deuxièmes pixels jumeaux.

Avantageusement, pour au moins une source de lumière, différents modulateurs sont respectivement interposés entre une source de lumière et différents guides de lumière reliés à la source de lumière, de façon à moduler une intensité de la lumière se propageant dans lesdits guides de lumière indépendamment pour différents guides de lumière reliés à la source de lumière.

Selon une possibilité :

une source de lumière est reliée à N différents sous-ensembles d’émission jumeaux, configurés pour former simultanément N pixels jumeaux, N étant un entier supérieur ou égal à 2 ;
la source de lumière est reliée à N modulateurs , chaque modulateur s’étendant entre la source de lumière et les guides d’ondes formant un même sous-ensemble d’émission.

Le nombre de sous-ensembles d’émission jumeaux formés par au moins une source de lumière est supérieur ou égal à 20.

Le dispositif peut comporter moins de 20 sources de lumière différentes pour former une image, ou une partie d’image, d’au moins 200 pixels par 200 pixels.

Selon un mode de réalisation, le dispositif comporte un film holographique, subdivisé en différents hologrammes, chaque hologramme étant associé à un réseau de diffraction, et configuré pour émettre l’onde lumineuse, selon la direction d’émission, sous l’effet d’une lumière extraite par le réseau de diffraction auquel il est associé, chaque association entre un hologramme et un réseau de diffraction formant un point d’émission de lumière.

Un deuxième objet de l’invention est une lunette, comportant des verres de lunette, la lunette comportant un dispositif selon l’invention, l’empilement étant formé sur au moins un verre de la lunette.

Un troisième objet de l’invention est un procédé de paramétrage d’un dispositif selon le premier objet de l’invention, le paramétrage comportant :

modélisation d’une distribution spatiale du bruit entre deux pixels jumeaux, en modifiant l’écart angulaire minimal ;
estimation de l’écart angulaire minimal en fonction de la distribution spatiale.

L’étape b) peut comporter une estimation du rapport signal sur bruit en fonction de l’écart angulaire minimal.

Un autre objet de l’invention est un dispositif selon le premier objet de l’invention, dont l’écart angulaire minimal est paramétré par le procédé selon le deuxième objet de l’invention.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de l'exposé des exemples de réalisation présentés, dans la suite de la description, en lien avec les figures listées ci-dessous.

FIGURES

Les figures 1A et 1B schématisent le principe de l’auto-focalisation de points d’émission sur une rétine d’un utilisateur. Sur la , on a représenté un ensemble de points d’émission, convergeant vers un pixel. Sur la , on a représenté un autre ensemble de points d’émission, convergeant vers un pixel adjacent du pixel décrit en lien avec la .

La montre un exemple de sous-ensemble de points d’émission répartis sur un support d’émission.

La illustre une étape d’enregistrement d’hologrammes sur un film holographique.

La illustre une étape d’émission d’une onde lumineuse par des points d’émission formés sur le dispositif.

La correspond à un exemple d’implantation de guides de lumière et d’électrodes.

La représente une modélisation d’une onde lumineuse, produite par un sous-ensemble de points d’émission, et atteignant un pixel. La montre l’intensité de l’onde lumineuse incidente à la rétine en fonction d’une position le long d’une direction passant par le centre du pixel.

La correspond à la , l’unité de l’axe des abscisses étant angulaire.

La illustre un calcul du rapport signal sur bruit (SNR) associé à une onde lumineuse produite par un sous-ensemble d’émission et atteignant un pixel.

La représente des pixels d’une image formée sur la rétine d’un œil, ainsi qu’un périmètre circulaire autour de pixels, dont le diamètre détermine un écart angulaire minimal entre deux pixels, dits jumeaux, formés à partir de sous-ensembles d’émission simultanément illuminés par une même source de lumière.

La montre une évolution du rapport signal sur bruit d’un pixel, dit pixel central, entouré de 4 pixels voisins, pour différentes configurations, en fonction de l’écart angulaire entre le pixel central et chaque pixel voisin.

La montre des images d’un pixel central, entouré de 4 pixels voisins, pour trois écarts angulaires différents entre le pixel central et chaque pixel voisin. Sur la , les pixels résultent de l’illumination simultanée de sous-ensembles d’émission par une même source de lumière : il s’agit de pixels jumeaux.

La montre des images d’un pixel central, entouré de 4 pixels voisins, pour trois écarts angulaires différents entre le pixel central et chaque pixel voisin. Sur la , les pixels résultent de l’illumination de sous-ensembles d’émission par des sources de lumière différentes les unes des autres.

La schématise une configuration de sources de lumière, de guides de lumière et d’électrodes permettant de définir 16 sous-ensembles d’émission, chaque sous-ensemble d’émission comportant 4 points d’émission.

La illustre 16 pixels pouvant être formés par la configuration représentée sur la .

La schématise une configuration de sources de lumière, de guides de lumière et d’électrodes permettant de définir 16 sous-ensembles d’émission, chaque sous-ensemble d’émission comportant 4 points d’émission, tout en réduisant le nombre de sources de lumière par rapport à la configuration de la .

La schématise la configuration décrite en lien avec la , avec une activation simultanée des deux sources de lumière et l’activation d’une moitié des électrodes. La montre les pixels affichés par la configuration de la .

La schématise la configuration décrite en lien avec la , avec une activation simultanée des deux sources de lumière et l’activation de l’autre moitié des électrodes. La montre les pixels affichés par la configuration de la .

La représente une évolution du rapport signal sur bruit de l’image en fonction de l’écartement angulaire entre un pixel central et 4 pixels voisins, l’ensemble des pixels étant des pixels jumeaux. Sur la , on a également fait varier la taille de chaque point d’émission.

La montre un exemple d’agencement de pixels jumeaux, formés par une même source de lumière.

La schématise un compromis entre le rapport signal sur bruit de l’image (axe des ordonnées de gauche) et le nombre de sources de lumière utilisées (axe des ordonnées de droite) en fonction de l’écart angulaire entre les pixels jumeaux (axe des abscisses).

EXPOSE DE MODES DE REALISATION PARTICULIERS

Les figures 1A à 1E illustrent les principes sur lesquels se base l’invention. Ces principes sont décrits dans la publication Martinez C, « See-through holographic retinal projection display concept », Optica, Vol. 5, N° 10, October 2018. Un dispositif de projection 1 est disposé face à une pupille P d’un œil, cette dernière focalisant la lumière sur la rétine R de l’œil. Le dispositif de projection comporte un support d’émission 10. Le support d’émission 10 est formé d’un ensemble de points d’émission , chaque point d’émission étant susceptible d’être illuminé, par une source de lumière. La structure du support d’émission 10 est décrite en lien avec les figures 1C et 1D. Le support d’émission 10 est disposée à une distance Z₀de la pupille P. La pupille P est disposée à la distance focale de la rétine R.

Chaque point d’émission représenté sur la figure 1A est configuré pour émettre une lumière selon une direction angulaire d’émission vers la pupille P. D’une façon générale, les points d’émission de la surface d’émission sont répartis en différents sous-ensembles d’émission , (Emission Point Distribution - Distribution de points d’émission) de telle sorte que les points d’émission d’un même sous-ensemble d’émission émettent tous une lumière se propageant parallèlement à une même direction angulaire d’émission . La direction angulaire d’émission est définie par rapport à une direction de référence, par exemple une direction passant par le centre de la pupille et perpendiculaire à cette dernière. La direction de référence est représentée par un trait mixte sur les figures 1A et 1B.

Chaque point d’émission d’un même sous-ensemble d’émission est configuré pour émettre, sous l’effet d’une illumination par une source de lumière, une onde lumineuse se propageant selon une direction angulaire de propagation vers la pupille P. La relation de phase entre les différentes ondes lumineuses, respectivement émises par les points d’émission d’un même sous-ensemble d’émission , permet de former, en amont de la pupille P, une onde plane, de vecteur d’onde ou, d’une façon plus générale, une onde dont le front d’onde est maîtrisé. Ainsi, le front d’onde peut avoir une forme plane, ou encore sphérique ou parabolique. En aval de la pupille, chaque onde lumineuse est focalisée par la pupille et converge jusqu’à un même pixel ( ) sur la rétine .

Le dispositif de projection 1 permet ainsi de former une image, sur la rétine , l’image étant discrétisée en plusieurs pixels ( ), chaque pixel ( ) correspondant au pixel d’une image formée, par le dispositif de projection 1, sur la sur la rétine Dans l’exemple représenté, l’image a une forme carrée, et il en est de même de chaque pixel la composant. Une image peut comporter plusieurs centaines de pixels de côté.

L’intensité lumineuse au niveau du pixel ( ) résulte de la contribution de chaque onde lumineuse, se propageant, en amont de la pupille, selon une même direction angulaire résultant de chaque point d’émission d’un même sous-ensemble d’émission , après focalisation par la lentille. L’indice correspond à une coordonnée angulaire de l’onde lumineuse qui, après focalisation par la pupille (ou auto-focalisation), converge vers le pixel ( ) sur la rétine.

Le support d’émission est segmenté en différents sous-ensembles d’émission , chaque sous ensemble comportant plusieurs points d’émission répartis sur la surface d’émission, chaque sous-ensemble d’émission étant associé à une même direction de propagation angulaire , donnée par le vecteur d’onde , vers la pupille.

La figure 1B représente un autre sous ensemble . Le sous-ensemble d’émission comporte différents points d’émission , chaque point étant associé à une même direction de propagation angulaire , donnée par un même vecteur d’onde . En aval de la pupille, chaque onde lumineuse, émise par chaque point du sous-ensemble d’émission converge jusqu’à un même pixel ( ) sur la rétine . Le pixel ( ) est adjacent du pixel ( ) représenté sur la figure 1A. Les directions angulaires , qui permettent de former respectivement deux pixels adjacents sur la rétine, sont espacées d’un écart angulaire élémentaire .L’écart angulaire élémentaire correspond à un angle, en amont de la pupille, entre deux directions angulaires de propagation d’ondes lumineuse convergeant, en aval de la pupille, vers deux pixels adjacents ( ), ( )sur la rétine . L’écart angulaire élémentaire est typiquement inférieur à 0.1° ou 0.2°. Il est par exemple égal à 0.06°.

Comme décrit en lien avec l’art antérieur, il est avantageux que les points d’émission d’un même sous-ensemble d’émission soient répartis de façon pseudo-aléatoire sur le support d’émission 10. La figure 1C représente un sous-ensemble de points d’émission configurés pour émettre une lumière se propageant, vers la pupille P, parallèlement à un même direction angulaire . Le support d’émission s’étend parallèlement à la pupille, selon un axe X et un axe Y. Chaque point d’émission a des coordonnées ( _EP, _EP) selon ces axes.

La schématise la structure du dispositif de projection 1. Le dispositif de projection comporte le support d’émission 10, ce dernier étant relié à plusieurs sources de lumière 21 et plusieurs commutateurs 23. De préférence, chaque source de lumière est une source de lumière laser. Chaque commutateur permet de relier une électrode 13 à une alimentation électrique. Le support d’émission est formé de plusieurs couches transparentes superposées les unes aux autres :

une première couche, dans laquelle sont formés des guides de lumière 11. Chaque guide de lumière est configuré pour recevoir une lumière cohérente, émise par une source laser 21, et pour propager la lumière cohérente le long du support d’émission. Chaque guide de lumière peut par exemple être formés de SiN (nitrure de silicium) déposé sur du verre. Chaque guide peut s’étendre selon une épaisseur et une largeur comprise entre 200 nm et 300 nm.
une deuxième couche, dans laquelle sont formés des réseaux de diffraction 12, de telle sorte que chaque réseau de diffraction 12 est couplé avec un guide de lumière 11. Chaque réseau de diffraction est configuré pour extraire une partie de la lumière se propageant à travers le guide de lumière 11. Chaque réseau de diffraction 12 correspond à une variation périodique d’indice de réfraction, susceptible d’être modulée électriquement. Chaque réseau de diffraction 12 peut être formé d’inclusions, définissant un motif périodique, par exemple un réseau de Bragg, dans de l’oxyde de silicium (SiO₂). Chaque inclusion est formée d’un matériau dont l’indice de réfraction est électriquement modulable, par exemple un cristal liquide. Les réseaux de diffraction 12 couplés à un même guide de lumière 11 sont espacés les uns des autres le long du guide de lumière, et sont considérés comme ponctuels. Lorsque la longueur d’onde de la lumière est de 532 nm, la période du motif du réseau de diffraction 12 peut être compris entre 300 nm et 400 nm. Un réseau de diffraction peut s’étendre selon 10 motifs périodiques, et s’étendre ainsi sur une longueur de quelques microns, par exemple entre 2 et 10 µm.
une troisième couche, dans laquelle sont formées des électrodes transparentes 13, les électrodes étant configurées pour moduler électriquement l’indice de réfraction d’un matériau formant les réseaux de diffraction. Les électrodes transparentes peuvent être formées d’un matériau conducteur transparent, par exemple ITO (oxyde d’indium étain). Chaque électrode peut ainsi activer un réseau de diffraction sous l’effet de la modulation électrique.
une quatrième couche, correspondant à un film holographique 14. Par film holographique, il est entendu un support photosensible susceptible d’enregistrer un hologramme. Le film holographique est supposé suffisamment fin pour être assimilé à une surface d’émission. Le film holographique peut être un photopolymère, par exemple du poly(méthacrylate de méthyle), ou une photorésine.

Le support d’émission 10 est de préférence formé sur une plaque. Il peut s’agir d’une plaque transparente 15 lorsque le dispositif est destiné à être intégré à une lunette. Il peut par exemple s’agir d’une plaque de verre ou de polycarbonate.

Sous l’effet d’une polarisation par une électrode 13, chaque réseau de diffraction ponctuel 12 relié à l’électrode peut être activé, au sens où il permet une extraction d’une partie de la lumière se propageant dans un guide de lumière 11 auquel il est couplé. La lumière extraite se propage vers une zone élémentaire du film holographique 14, la zone élémentaire stockant un hologramme. Sous l’effet de l’illumination, l’hologramme forme un point d’émission , émettant une onde lumineuse selon un vecteur d’onde et une phase prédéterminés. Ainsi, chaque réseau de diffraction 12, piloté par une électrode 13, permet un couplage d’un guide d’onde 11 avec un hologramme préalablement stocké dans le film holographique.

La phase de l’onde lumineuse émise par le point d’émission dépend de l’information de phase stockée dans l’hologramme. Les ondes lumineuses émises par différents points d’émission d’un même sous-ensemble d’émission sont déphasées les unes par rapport aux autres de façon que l’ensemble de ces ondes lumineuses forme une onde cohérente, de même vecteur d’onde , par exemple plane, se propageant vers la pupille P selon une même direction angulaire .

Ainsi, chaque point d’émission correspond à une superposition, parallèlement à la surface d’émission, entre un réseau de diffraction ponctuel 12 couplé à un guide de lumière 11, et d’une électrode 13, face à un hologramme du film holographique 14.

Les points d’émission sont répartis selon une surface d’émission S. Les guides de lumière 11 sont agencés parallèlement à la surface d’émission S. Il en est de même des électrodes 13. Ainsi, les électrodes 13 sont superposées aux guides de lumière 11. Parallèlement à la surface d’émission S, chaque électrode « croise » plusieurs guides de lumière, de façon à définir plusieurs intersections, chaque intersection correspondant à une position d’un point d’émission . Le terme « croiser » est à interpréter comme désignant une superposition d’une électrode et d’un guide de lumière. Sur la , à des fins de simplification, on a représenté un guide de lumière 11 couplé à trois réseaux de diffraction 12, ces derniers étant connectés à trois électrodes différentes 13, ces dernières étant orientées perpendiculairement au guide de lumière 11.

Le film holographique 14 a préalablement fait l’objet d’un enregistrement holographique, schématisé sur la . De façon connue, un hologramme est formé par une interférence entre deux ondes lumineuses émises par une source de lumière cohérente: une onde lumineuse objet et une onde lumineuse de référence. Les franges d’interférence générées sont mémorisées physiquement ou chimiquement dans le film holographique 14. Lors de la phase d’enregistrement, la lumière extraite d’un guide de lumière 11 fait office de faisceau de référence. Sur la , on a représenté :

par des flèches en pointillés, une lumière émise par la source de lumière laser et se propageant dans un guide de lumière 11;
par des flèches en tirets plein, la lumière extraite de chaque guide de lumière 11, respectivement par trois réseaux de diffractions 12, sous l’effet d’une activation par les trois électrodes 13.

Le faisceau objet est un faisceau se propageant vers le film holographique selon un vecteur d’onde , de façon à converger en un point de la rétine par autofocalisation. Lors de l’étape d’enregistrement, le faisceau objet peut être émis par une source collimatée.

Sur la figure 1D, on a représenté trois faisceaux objets se propageant selon le même vecteur d’onde matérialisée par des flèches en tirets. Les faisceaux objets et chaque faisceau de référence sont émis par la même source de lumière laser. La phase d’enregistrement consiste à stocker des hologrammes, dans différentes zones élémentaires du film holographique 14, chaque enregistrement résultant d’une interférence entre le faisceau objet, se propageant selon un même vecteur d’onde (et donc une même direction angulaire ) et un faisceau de référence extrait d’un guide de lumière 11. Au cours de l’enregistrement :

différentes zones élémentaires du film holographique 14 sont exposées à un faisceau objet de même vecteur d’onde , de façon à former un sous-ensemble d’émission de points d’émission correspondant à la même direction de propagation. Lors de cette exposition, les points d’émission du sous-ensemble d’émission sont illuminés par le faisceau de référence, ce dernier étant extrait des guides de lumière. Les autres zones élémentaires du film holographique 14, situées face à des points appartenant à d’autres sous-ensembles d’émission, sont masquées.
différentes zones élémentaires du film holographique 14 sont respectivement exposées à différents faisceaux objets se propageant selon différents vecteurs d’onde, de façon à former des points d’émission associés à des directions d’émission e différentes.

La figure 1E illustre la phase d’utilisation du dispositif 1. Sur cette figure, on a représenté, sous forme grisée, les zones élémentaires du film holographique 14 ayant enregistré un hologramme lors de l’étape d’enregistrement holographique. Sous l’effet d’une activation par des électrodes 13, une partie de la lumière laser se propageant dans le guide de lumière 11 est extraite et se propage vers le film holographique 14, comme décrit en lien avec la figure 1D. Sous l’effet de l’illumination extraite, chaque hologramme stocké dans le film photosensible diffracte une onde qui correspond à l’onde objet au moment de l’enregistrement, et en particulier selon la direction de propagation . L’onde diffractée est représentée par des tirets mixtes sur la . Lors de l’utilisation du dispositif :

les points d’émission correspondant à un même sous-ensemble d’émission , associé à un même vecteur d’onde , sont activés simultanément : on forme ainsi des ondes diffractées cohérentes, se propageant parallèlement à une même direction de propagation vers la pupille P : les ondes réfractées par la pupille convergent en un même pixel sur la rétine.
De façon simultanée, un autre sous-ensemble d’émission peut produire des ondes diffractées cohérentes se propageant vers la pupille P, selon direction de propagation les ondes réfractées par la pupille convergeant en un même pixel sur l’image formée au niveau de la rétine, les points d’émission du sous-ensemble d’émission étant illuminés par une lumière extraite d’autres guides de lumière illuminés par une autre source de lumière laser ou la même source de lumière laser et activés par le même groupe d’électrodes.
Des points d’émission de différents sous-ensemble d’émission peuvent être activés séquentiellement, de façon à converger séquentiellement vers différents pixels sur la rétine.

Les électrodes 13 et les guides de lumière 11 sont répartis en formant des groupes. Un sous-ensemble d’émission correspond à des points d’émission formés par une superposition des électrodes d’un groupe d’électrode sur des guides de lumière du groupe de guides de lumière. Ainsi, chaque sous-ensemble d’émission , formant un même pixel , est associé à un seul groupe de guides de lumière 11 et à un seul groupe d’électrodes 13.

Du fait de la persistance rétienne, lorsque la fréquence d’activation des différents sous-ensembles d’émission est suffisamment rapide, l’utilisateur perçoit une image formée par les différents pixels .

La conception d’un dispositif de projection tel que précédemment décrit est confrontée à des contraintes de compacité : on considère que le diamètre D_pd’une pupille est de l’ordre de 4 mm. Par ailleurs, la surface d’émission S est supérieure à la surface d’une pupille, de façon que l’œil puisse se déplacer en vis-à-vis de la surface, sans qu’une dégradation de l’image formée sur la rétine ne soit perçue.

Un autre impératif concerne la densité des points d’émission. Chaque pixel de l’image projetée sur la rétine correspond à un sous-ensemble d’émission de points d’émission associé à une même direction de propagation . Plus le nombre de points d’émission contribuant au même pixel est élevée, meilleure est la qualité du pixel. Le nombre de points d’émission d’un même sous-ensemble d’émission est de préférence supérieur à 40, voire supérieur à 55 ou 60.

Par ailleurs, le nombre de sous-ensembles des points d’émission correspond au nombre de pixels formés sur l’image. Afin d’augmenter le nombre de pixels de l’image formée sur la rétine, il faut augmenter le nombre de sous-ensembles d’émission respectivement associés à différentes directions de propagation .

La illustre un agencement d’électrodes et de guides de lumière tel que décrit dans US9632317. Selon cet agencement :

les guides de lumière 11 s’étendent, selon une surface parallèle à la surface d’émission, selon des courbes sinusoïdales, le long d’un axe longitudinal X. Deux guides de lumière adjacents sont translatés l’un par rapport l’autre, perpendiculairement à l’axe X.
les électrodes 13 s’étendent, selon une surface parallèle à la surface d’émission, selon des courbes sinusoïdales, le long d‘un axe latéral Y. Deux électrodes adjacentes sont translatées l’une par rapport l’autre, perpendiculairement à l’axe Y.

Les guides de lumières sont reliés à des sources de lumière laser 21, par exemple des diodes laser. Les électrodes 13 sont connectées à des commutateurs 23. Chaque commutateur est configuré pour activer ou désactiver chaque électrode auquel il est relié.

D’autres agencements de guides de lumière et d’électrodes sont possibles, par exemple l’agencement décrit dans la demande FR2105017.

Cependant, quel que soit l’agencement des guides de lumière et des électrodes, le nombre de sources de lumière laser différentes à utiliser est élevé. Par exemple, le dispositif décrit dans US9632317 comporte 400 sous-ensembles d’émission, chaque sous-ensemble d’émission étant formé par 10 guides d’onde. Cela nécessite le recours à 400 sources de lumière laser.

Afin de réduire le nombre de sources de lumière laser, les inventeurs proposent de coupler différents guides de lumière 11 à une même source laser 21, de façon à former simultanément différents pixels, dits pixels jumeaux, espacés les uns des autres. L’intensité de la lumière se propageant dans les guides de lumière reliés à une même source de lumière peut être modulée en disposant un modulateur 22 entre chaque guide de lumière relié à la source laser. Ainsi, l’intensité de chaque pixel jumeau peut être ajustée indépendamment. En général, le nombre de modulateur associé à chaque source de lumière laser correspond au nombre de pixels jumeaux pouvant être simultanément formés par la source de lumière laser. A chaque pixel jumeau correspond un sous-ensemble d’émission, dit sous-ensemble d’émission jumeau.

Cependant, les inventeurs ont constaté que l’utilisation d’une même source de lumière laser pour former simultanément des pixels jumeaux peut conduire à l’apparition d’interférences au niveau de l’image formée sur la rétine. Cela provient du fait que la même source de lumière laser est à l’origine de différentes ondes lumineuses cohérentes qui se propagent respectivement vers différents pixels, ce qui peut générer des interférences croisées.

Les figures 3A à 3C illustrent des distributions spatiales d’intensité d’ondes lumineuses se propageant vers un pixel de la rétine. Des études expérimentales ont montré que l’intensité lumineuse, formée par un sous-ensemble d’émission , autour d’un pixel de la rétine peut être modélisée par une somme de deux gaussiennes bidimensionnelles:

une première gaussienne bidimensionnelle, d’intensité , et le demi-waist , qui représente le signal utile ;
une deuxième gaussienne bidimensionnelle, d’intensité , et de le demi-waist , qui représente le bruit. La largeur est due à des effets de diffraction par les points d’émissions . Plus ces derniers sont de taille réduite, plus les effets de diffraction augmentent.

Le terme « waist », signifiant littéralement taille, correspond à une largeur caractéristique. Il s’agit usuellement la largeur de la gaussienne correspondant à une hauteur égale à la hauteur maximale multipliée par .

Si désigne une coordonnée le long d’une ligne tracée sur l’image projetée sur la rétine, centrée sur un pixel , l’intensité de la lumière produite par le sous-ensemble d’émission peut être exprimée selon la relation :

avec

est la focale de l’œil ;
est le diamètre ou la diagonale du support telle que représentée sur la ;
est la longueur d’onde.

La figure 3A représente l’intensité (axe des ordonnées) après normalisation par l’intensité maximale mesurée à la coordonnée =0, en fonction de (axe des abscisses – unité µm). Sur la , on a représenté l’intensité modélisée (courbe a), ainsi que les deux gaussiennes correspondant respectivement au signal utile et au bruit : courbes b et c.

L’expression (1) peut être exprimée en fonction d’un angle par rapport à une direction de référence reliant la pupille au centre du pixel. L’angle est obtenu à partir de selon :

avec

La figure 3B représente l’intensité (axe des ordonnées) après normalisation par l’intensité maximale modélisée à la coordonnée =0, en fonction de (axe des abscisses – unité degré). Sur la , on a représenté l’intensité modélisé (courbe a), ainsi que les deux gaussiennes correspondant respectivement au signal utile et au bruit : courbes b et c.

Les figures 3A et 3B ont été établies en considérant que chaque point d’émission s’étend selon un disque de 10 µm de diamètre.

Lorsqu’une même source de lumière laser illumine deux sous-ensembles d’émission jumeaux différents , afin d’éviter l’apparition de bruit sur l’image du fait des interférences croisées, il est préférable que les deux gaussiennes modélisant le bruit, correspondant aux courbes c) des figures 3A et 3B, ne se recouvrent pas, ou le moins possible. Ainsi, les directions angulaires respectivement associées aux deux sous-ensembles d’émission jumeaux , sont de préférence espacées d’un écart angulaire supérieur ou égal à l’angle , c’est-à-dire deux fois le demi-waist de la gaussienne représentative du bruit.

Les pixels et respectivement définis par les deux sous-ensembles d’émission , sont désignés par le terme « pixels jumeaux », car ils sont générés simultanément par la même source de lumière laser. Les sous-ensembles d’émission , respectivement associés aux pixels jumeaux et , sont appelés sous-ensembles d’émission jumeaux. Les pixels jumeaux sont écartés, sur l’image formée sur la rétine, d’un angle minimal supérieur à l’angle , de façon éviter les interférences croisées. Les sous-ensembles d’émission jumeaux sont configurés pour être simultanément activés par des électrodes, de façon à afficher simultanément les pixels jumeaux.

La figure 4 illustre des projections, sur la rétine, de rayons à partir d’un même point de la pupille P. On a représenté les pixels de l’image formée sur la rétine, sous la forme d’un quadrillage. On a également représenté quatre pixels « jumeaux », correspondant à des pixels sombres. Autour de chaque pixel jumeau, on a tracé un cercle en tirets dont le diamètre est égal à 2 fois le demi waist de la gaussienne représentative du bruit. Afin d’éviter un recouvrement de deux gaussiennes, représentatives du bruit, différentes, ce qui serait propice à la formation d’interférences croisées, la distance entre deux pixels jumeaux doit être supérieure à une distance minimale telle que .

On a également représenté l’écart angulaire élémentaire entre deux pixels adjacents, évoqué en lien avec la .

La distance minimale peut être exprimée en écart angulaire minimal . En utilisant (3), on peut écrire

L’écart angulaire minimal est égal à 2 avec

Ainsi, un aspect important de l’invention est que deux pixels jumeaux sont distants l’un de l’autre selon un écart angulaire supérieur ou égal à l’écart angulaire minimal . L’écart angulaire minimal est défini par la modélisation du bruit affectant le pixel lorsque plusieurs pixels jumeaux sont formés. L’écart angulaire minimal est de fois l’écart angulaire élémentaire séparant deux pixels adjacent, où est un entier supérieur ou égal à 2.

Les inventeurs ont quantifié le rapport signal sur bruit associé à l’intensité projetée par chaque pixel. L’intensité projetée correspond à la réponse percussionnelle du système formé par le support d’émission, la pupille et la lentille, usuellement désignée par l’acronyme PSF (Point Spread Function). La PSF correspond à l’image d’un point sur la rétine. La figure 3C illustre la PSF, en représentant une distribution spatiale de l’intensité sur la rétine. Sur la figure 3C, l’axe des ordonnées correspond à l’intensité lumineuse de l’image formée sur la rétine et l’axe des abscisses correspond à une distance par rapport à l’origine, l’origine correspondant au centre du pixel formé sur la rétine.

Le rapport signal sur bruit (SNR) est tel que :

est la hauteur du pic central ;
est le demi-waist de la gaussienne représentative du signal utile, décrit en lien avec les figures 3A et 3B ;
représente la valeur maximale de l’intensité en dehors du pic central d’intensité.

Les inventeurs ont calculé le rapport signal sur bruit d’un pixel obtenu par un sous-ensemble d’émission de 80 points d’émission sur une surface d’émission de dimensions 6 mm par 6 mm. Afin de simuler l’effet de pixels jumeaux voisins du pixel modélisé, ils ont supposé que chaque point d’émission EP contribuant à un pixel jumeau forme une onde plane, dont l’intensité est modulée par une enveloppe gaussienne, telle que décrite en lien avec les figures 3A à 3C (gaussienne représentative du bruit).

Le champ électrique de l’onde plane est tel que :

avec

où :

et correspondent aux coordonnées du point d’émission EP sur la support d’émission 10, tels que représenté sur la ;
est la distance entre le support d’émission 10 et la pupille ;
et sont des coordonnées sur la rétine, selon les axes X et Y représentés sur la . Il est supposé que le support d’émission est parallèle à la rétine ou peut être considéré comme tel.
est un déphasage de l’onde lumineuse émise par le point d’émission EP, ce déphasage étant ajusté en fonction des coordonnées de chaque point d’émission de façon que l’onde résultant des différents points d’émission du même sous-ensemble d’émission soit une onde plane.

où et sont les composantes de l’angle de propagation par rapport aux axes X et Y respectivement.

Les inventeurs ont utilisé l’expression (8) pour simuler une image formée uniquement par un pixel central et quatre pixels voisins régulièrement répartis autour du pixel central. Par pixel voisin, on entend un pixel situé dans le voisinage du pixel central. Il ne s’agit pas du pixel adjacent. Afin d’estimer le bruit dans l’image, le signal utile des quatre pixels voisins a été supprimé. On a conservé le bruit de fond généré autour de chaque pixel : pixel central et pixels voisins. Les quatre pixels voisins ont été disposés à différentes distances du pixel central.

Dans une première configuration, on a simulé des pixels voisins formés par des ondes cohérentes avec l’onde lumineuse formant le pixel central. Ce cas est représentatif de l’utilisation d’une même source de lumière laser pour illuminer respectivement chaque sous-ensemble d’émission formant chaque pixel. Il s’agit de la configuration selon l’invention, dans laquelle on cherche à maximiser le nombre de sous-ensembles d’émission illuminés par une même source de lumière laser. Il s’agit également la configuration la moins favorable relativement à la formation d’interférences croisées.

Dans une deuxième configuration, on a simulé des pixels voisins formés par des ondes lumineuses non cohérentes avec l’onde lumineuse formant le pixel central. Ce cas est représentatif de l’utilisation de cinq sources de lumière laser différentes pour illuminer respectivement chaque sous-ensemble d’émission formant chaque pixel. Il s’agit d’une configuration de référence, représentative de l’art antérieur.

La figure 5A montre l’évolution du rapport signal sur bruit , tel que défini dans l’expression (7) (axe des ordonnées) en fonction de la distance angulaire entre le pixel central et chaque pixel voisin (axe des abscisses – unité degré). La courbe a) correspond à la configuration selon l’invention : le pixel central et chaque pixel voisin sont des pixels jumeaux. La ligne en pointillés correspond au rapport signal sur bruit du pixel central sans prise en compte des pixels voisins. La courbe b) correspond à la configuration de référence.

La montre des images simulées en considérant des distances entre le pixel central et le pixel voisin de 5 µm, 25 µm et 525 µm. Ces distances correspondent respectivement à des écarts angulaires de 0.0125°, 0.062°, et 1.35°.Sur la , on a pris en compte la configuration selon l’invention. On observe le bruit de fond et son atténuation au fur et à mesure que la distance entre pixels jumeaux augmente.

La montre des images similaires à celles représentées sur la , en prenant en compte la configuration de référence.

La montre que des pixels jumeaux trop rapprochés se traduisent par une forte diminution du SNR. En éloignant les pixels jumeaux d’un angle supérieur à 1°, voire à 1.5°, l’impact sur le SNR est plus faible. Au-delà de 2°, l’impact sur le SNR est négligeable.

Les figures 6A et 6B schématisent une méthode d’adressage selon l’art antérieur. De manière simplificatrice, sur ces figures, on a représenté des guides de lumière 11 et des électrodes 13 linéaires, les électrodes étant perpendiculaires aux guides de lumière. Il y 16 guides de lumière 11₁, 11₂…11₁₆et quatre électrodes 13₁, 13₂, 13₃, 13₄. Chaque guide de lumière est relié à une source de lumière laser 21. Chaque électrode 13 est reliée à un commutateur 23 : les électrodes 13₁, 13₃sont reliées à un premier commutateur 23₁et les électrodes 13₂, 13₄sont reliées à un deuxième commutateur 23₂. Les commutateurs sont passants et reliés à une alimentation électrique.

Chaque point d’émission EP, schématisé par une forme ovale, est disposé à l’intersection d’un guide de lumière et d’une électrode. A chaque point d’émission est assigné un label, compris entre 1 et 16, identifiant le sous-ensemble d’émission EPD auquel appartient le point d’émission. Dans cet exemple, chaque sous-ensemble d’émission EPD comporte quatre pixels. On dénombre 16 sous-ensembles d’émission différents. La représente les 16 pixels respectivement formés par les 16 sous-ensemble d’émission après auto-focalisation. Les sous-ensembles d’émission 1 et 9 sont activés lorsque les électrodes 13₁et 13₃sont activées, et lorsque le laser relié aux guides d’onde 11₁et 11₈est activé. Sur la , on a représenté, par un cadre en gras, les pixels formés lorsque les électrodes 13₂et 13₄sont activées.

Les figures 7A et 7B schématisent une méthode d’adressage selon l’invention. On utilise uniquement deux laser 21₁, 21₂, ces derniers étant couplés à 8 guides d’ondes différents. Le dispositif comporte des modulateurs 22 disposés entre chaque laser et un ensemble de guides d’onde. Les modulateurs permettent une modulation de l’intensité de la lumière se propageant vers chaque sous ensemble d’émission. La modulation d’intensité permet de former des pixels de différentes intensités lumineuses avec un même laser. Sur la , les points d’émission grisés sont couplés au laser 21₂. Il en est de même sur la : les pixels grisés sont émis par une illumination de sous-ensembles d’émission par le laser 21₂.

La montre les pixels obtenus :

suite à l’activation du laser 21₁et du commutateur 23₁: cela permet un affichage des pixels jumeaux 1, 2, 3 et 4 : pixels affichés en blanc et encadrés par un trait mince.
suite à l’activation du laser 21₁et du commutateur 23₂: cela permet un affichage des pixels jumeaux 9, 10, 11 et 12 : pixels affichés en gris et encadrés par un trait mince.
suite à l’activation du laser 21₂et du commutateur 23₁: cela permet un affichage des pixels jumeaux 5, 6, 7, 8 : pixels affichés en blanc et encadrés par un trait gras.
suite à l’activation du laser 21₂et du commutateur 23₂: cela permet un affichage des pixels jumeaux 13, 14, 15 et 16 : pixels affichés en gris et encadrés par un trait gras.

On peut ainsi former 16 pixels en utilisant seulement deux diodes laser.

Les modulateurs 22 permettent de moduler l’intensité des pixels 1, 2, 3, 4, 9, 10, 11 et 12, activés par le premier laser 21₁, ainsi que l’intensité des pixels 5, 6, 7, 8, 13, 14, 15 et 16 activés par le deuxième laser 21₂. Afin que les intensités des pixels 1, 2, 3 4 d’une part et 9, 10, 11, 12 d’autre part puissent être modulées indépendamment les unes des autres, on active successivement les alimentations 23₁et 23₂.

Les pixels 1 et 9 sont respectivement générés par un premier sous-ensemble d’émission, rassemblant les points d’émission portant, sur la , le label 1 et un deuxième sous-ensemble d’émission, rassemblant les points d’émission portant, sur la , le label 9. Les points d’émission appartenant respectivement aux premier et deuxième sous-ensembles d’émission sont formés sur les mêmes guides d’onde, reliés au même modulateur 22. Afin de pouvoir ajuster indépendamment les intensités des pixels 1 et 9, le premier sous-ensemble d’émission (pixel 1) est activé par des premières électrodes (13₁, 13₃) tandis que le deuxième sous-ensemble d’émission (pixel 9) est activé par des deuxièmes électrodes (13₂, 13₄). L’activation séquentielle des premières et deuxièmes électrodes permet l’affichage séquentiel des pixels 1 et 9. Cela permet la modulation de leurs intensités respectives en ajustant le modulateur lors de chaque affichage. Cet aspect concerne également les pixels 2 et 10, 3 et 11, 4 et 12, 5 et 13, 6 et 14, 7 et 15, 8 et 16. Ainsi, le recours à une activation séquentielle de différentes électrodes est pertinente lorsque les points d’émission de différents sous-ensembles d’émission sont répartis sur des mêmes guides d’onde. La sélection d’une électrode permet de n’activer qu’un seul sous-ensemble d’émission sur lesdits guides d’onde. Cela permet l’affichage séquentiel des pixels respectivement associés aux sous-ensembles d’émission formés sur des guides d’onde communs.

Sur les figures 8A et 8B, on a représenté un agencement similaire à celui décrit en lien avec les figures 7A et 7B. Sur ces figures, seul le commutateur 23₁est passant : cela permet un affichage simultané des pixels 1, 2, 3, 4 (avec la source laser 21₁) et des pixels 5, 6, 7, 8 (avec la source laser 21₂). Les pixels 1, 2, 3 et 4 sont jumeaux : pixels représentés en blanc sur la , encadrés par un trait fin. Il en est de même des pixels 5, 6, 7, 8 : pixels représentés en gris sur la , encadrés par un trait fin. Les pixels non affichés sont encadrés par un cadre en pointillés : il s’agit des pixels 9, 10, 11, 12, 13, 14 et 15.

Les figures 9A et 9B représentent une configuration symétrique : seul le commutateur 23₂est passant: cela permet un affichage des pixels 9, 10, 11, 12 (avec la source laser 21₁) et des pixels 13, 14, 15, 16 (avec la source laser 21₂). Les pixels 9, 10, 11 et 12 sont jumeaux : pixels représentés en blanc sur la , encadrés par un trait gras. Il en est de même des pixels 13, 14, 15 et 16 : pixels représentés en gris sur la , encadrés par un trait gras. Les pixels non affichés sont encadrés par un cadre en pointillés : il s’agit des pixels 1 à 8.

Les configurations schématisées sur les figures 8A-8B ainsi que 9A-9B peuvent être successivement utilisées, selon une période de répétition suffisamment élevée pour que, sous l’effet de la persistance rétinienne, l’ensemble des pixels apparaissent simultanément affichés. Le passage d’une configuration à l’autre est effectué par commutation des commutateurs 23₁et 23₂. La commutation permet de n’activer qu’un seul sous-ensemble d’émission parmi différents sous-ensembles d’émission disposés sur des guides d’ondes communs. Les sous-ensembles d’émission reliés à une même source de lumière laser, et répartis sur des guides d’onde différents les uns des autres, activés par des électrodes communes, forment des pixels jumeaux : ils sont simultanément activés, par les électrodes, de façon à former simultanément plusieurs pixels.

La largeur de la gaussienne bidimensionnelle représentant le bruit autour d’un pixel dépend de la taille des points d’émission . Plus la taille des points d’émission diminue, plus les effets de diffraction augmentent. Les inventeurs ont étudié l’influence de la taille des points d’émission sur le SNR. Pour cela, ils ont effectué la modélisation décrite en lien avec la (courbe a) pour différentes tailles de points d’émission.

La représente l’évolution du SNR, en fonction de l’écart angulaire entre le pixel central et quatre pixels voisins jumeaux, pour différentes tailles comprises entre 5 µm et 40 µm. On a également représenté le SNR obtenu avec un pixel seul pour chaque taille : cf. lignes en pointillés. La a été établie en se basant sur des points d’émission en forme de disque

On observe que plus la taille des points d’émission est faible, plus le SNR est dégradé. Il est en particulier préférable que la taille de chaque point d’émission soit supérieure ou égale à 10 µm lorsqu’on utilise des points d’émission circulaires.

Exemple de dimensionnement.

Compte tenu de ce qui précède, on peut dimensionner un dispositif 1 comportant un support d’émission 10 définissant un champ d’observation de 15°. Le support d’émission s’étend sur surface de 6mm x 6 mm. Son diamètre est considéré comme étant de 6 mm. Chaque guide d’onde 11, de largeur 300 nm, était espacé l’un de l’autre d’une période d₁₁= 1.5 µm. Chaque électrode est espacée l’une de l’autre d’une période d₁₃= 5 µm. On utilise un nombre de guides d’onde N₁₁= 9 et un nombre d’électrodes N₁₃= 9 par sous-ensemble d’émission EPD.

On peut ainsi former un nombre de pixels tel que

Compte tenu des valeurs précédemment indiquées, le nombre de pixel est égal à 59000, soit 243 x 243.

En utilisant une configuration telle que représentée sur les figures 6A et 6B, le nombre de sources de lumière laser serait de 444.

En prenant en compte des points d’émission de taille 10 µm x 10 µm, on obtient un écart minimal = 1.87°, on peut répartir les pixels jumeaux selon un pavage carré, tel que représenté sur la . Un premier groupe de pixels jumeaux peut comporter 8x8 pixels, répartis régulièrement selon une maille carrée selon le pas spatial de 750 µm, soit une largeur totale d’image de 5.5 mm. Les autres groupes de pixels sont disposés régulièrement dans un cadre de côté 5.5 mm, soit par groupes de 8x8, soit par groupes de 7 x 7. On aboutit à un total de dix groupes de pixels jumeaux, ce qui requiert uniquement dix diodes laser. Sur la , on a représenté le premier groupe de pixels, contenant 8x8 pixels, et un deuxième groupe de pixels, comportant 7x7 pixels.

Le nombre de sources de lumière laser nécessaire pour paver régulièrement l’image peut être estimé par l’expression :

où FOV correspond au champ d’observation et correspond à l’écart angulaire entre deux pixels jumeaux. correspond au nombre de laser dans la configuration de référence, soit 444 lasers.

Plus le nombre de sources de lumière laser est faible, plus le nombre de pixels jumeaux augmente, ce qui, pour une taille d’image fixée, est susceptible d’augmenter le bruit. Les inventeurs ont calculé un facteur de bruit , qui correspond à un ratio entre le bruit obtenu par une configuration d’un pixel central entouré de 4 pixels voisins, respectivement avec 5 sources laser différentes et avec une même source laser. Cela revient à comparer les bruits respectivement obtenus dans les configurations selon l’invention et de référence décrites en lien avec les figures 5A à 5C.

Le facteur de bruit est exprimé selon l’expression :

où et sont respectivement les amplitudes de bruit respectivement dans la première configuration (invention) et la configuration de référence. Chaque amplitude de bruit est telle que B= ) dans la configuration concernée. Il s’agit du dénominateur de l’expression (7).

Le facteur de bruit , exprimé en tant que pourcentage, est représenté sur la : courbe a : axe des ordonnées de gauche. Sur la l’axe des abscisses correspond à l’angle minimal entre pixels jumeaux, unité degré. La courbe b : représente le nombre de sources de lumière laser nécessaire au système (axe des ordonnées de droite) en fonction du pas angulaire entre deux pixels jumeaux (axe des abscisses). Plus le pas angulaire diminue plus le nombre de sources de lumière diminue également. On peut voir qu’en considérant un pas angulaire compris entre 1.5° et 2°, par exemple 1.8 ou 1.9 °, on obtient un facteur de bruit acceptable pour un nombre raisonnable des sources laser. En réduisant l’angle entre deux pixels jumeaux, on peut mettre en œuvre un nombre réduit de sources de lumière laser, au détriment de forts effets d’interférences croisées. En augmentant l’angle entre deux pixels jumeaux, les effets d’interférence croisées se réduisent, au détriment du nombre de sources de lumière laser à utiliser. Sur la , on a prolongé la courbe jusqu’à la configuration de l’art antérieur (444 sources laser)

L’invention pourra être mise en œuvre sur des dispositifs portables de réalité augmentée, en particulier des lunettes, ou des visières, ou des écrans, et de façon plus générale, sur des surfaces, destinées à être disposées face à un œil de façon à former une image se superposant à l’image que perçoit l’œil sur la surface ou à travers la surface.

Claims

Dispositif (1) de projection d’une image sur la rétine d’un œil, l’image étant composée de plusieurs pixels, le dispositif comportant :
des sources de lumière laser (21) ;

un support d’émission (10), comportant :

des guides de lumière (11), chaque guide de lumière étant relié à une source de lumière et à une pluralité de réseaux de diffraction (12), répartis le long du guide de lumière, chaque réseau de diffraction étant modulable électriquement pour extraire une partie de la lumière se propageant dans le guide de lumière auquel il est relié ;

des électrodes (13), chaque électrode étant configurée pour moduler des réseaux de diffraction reliés à différents guides de lumière ;

des points d’émission ( ), chaque point d’émission étant formé au niveau d’un réseau de diffraction, et s’étendant entre une électrode et un guide de lumière, chaque point d’émission étant configuré pour émettre une lumière, selon une direction angulaire ( ), suite à une extraction d’une lumière se propageant dans le guide de lumière ;
le dispositif étant tel que :
différents points d’émission ( ) sont configurés pour émettre la lumière selon une même direction angulaire ( ), de façon à converger sur la rétine, en formant un même pixel ( ), lesdits points d’émission définissant un sous-ensemble d’émission ( ), de façon qu’à chaque sous-ensemble d’émission correspond une direction angulaire d’émission de la lumière ;

deux pixels adjacents ( , ( )) de l’image sont formés par deux sous-ensembles d’émission ( ) , respectivement associés à deux directions angulaires ( , )) différentes et espacées d’un écart angulaire élémentaire ( );
le dispositif étant caractérisé en ce que :
une même source de lumière est reliée à différents guides de lumière, lesdits guides de lumière définissant différents sous-ensembles d’émission, dits jumeaux, configurés pour former simultanément différents pixels, dits pixels jumeaux, lorsque la source de lumière est activée, les sous-ensembles d’émission jumeaux étant associés à la source de lumière ;

les directions angulaires respectives de chaque sous-ensemble d’émission jumeau sont espacées les unes des autres d’un écart angulaire ( ) supérieur ou égal à un écart angulaire minimal ( ), l’écart angulaire minimal correspondant à fois l’écart angulaire élémentaire ( ), étant supérieur ou égal à 2 ;

de telle sorte que les pixels jumeaux, simultanément formés sur la rétine, sont décalés d’au moins l’écart angulaire minimal.
Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les points d’émission de différents sous-ensembles d’émission jumeaux, sont reliés à une même électrode.
Dispositif selon la revendication 1, dans lequel :
plusieurs sources de lumière sont respectivement reliées à différents guides de lumière, pour former différents sous-ensembles d’émission jumeaux, chaque sous-ensemble d’émission jumeau étant associé à une même source de lumière;

les directions angulaires respectives de chaque sous-ensemble d’émission jumeau sont espacées les unes des autres d’un écart angulaire supérieur à l’écart angulaire minimal.
Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les guides d’ondes, reliés à une même source de lumière, et formant un sous-ensemble d’émission jumeau sont différents d’autres guides d’ondes, reliés à ladite source de lumière, et formant un autre sous-ensemble d’émission jumeau.
Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’écart angulaire minimal ( ) est supérieur ou égal à 0.5° ou à 1°.
Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel :
le diamètre ou la diagonale des points d’émission est inférieur ou égal à 10 µm, l’écart angulaire minimal étant supérieur à 1.5 ;

le diamètre ou la diagonale des points d’émission est compris entre 10 µm et 20 µm, l’écart angulaire minimal étant supérieur à 0.8 ;

le diamètre ou la diagonale des points d’émission est supérieur à 20 µm, l’écart angulaire minimal étant supérieur à 0.5 ;
Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le diamètre ou la diagonale chaque point d’émission est supérieur à 5 µm.
Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel
les guides de lumière reliés à une même source de lumière définissent des premiers sous-ensembles d’émission jumeaux et des deuxièmes sous-ensembles d’émission jumeaux, de façon à former respectivement des premiers pixels jumeaux et des deuxièmes pixels jumeaux ;

les points d’émission de chaque premier sous-ensemble d’émission jumeau sont reliés à des premières électrodes ;

les points d’émission de chaque deuxième sous-ensemble d’émission jumeau sont reliés à des deuxièmes électrodes, différentes des premières électrodes ;

le dispositif comporte un commutateur (33), pour alimenter soit les premières électrodes, soit les deuxièmes électrodes, de façon que la lumière émise par la source de lumière soit extraite séquentiellement soit par les points d’émission des premiers sous-ensemble d’émission, soit par les points d’émission des deuxièmes sous-ensemble d’émission, pour former séquentiellement, sur l’image, les premiers pixels jumeaux et les deuxièmes pixels jumeaux.
Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel pour au moins une source de lumière, différents modulateurs (22) sont respectivement interposés entre une source de lumière laser et différents guides de lumière reliés à la source de lumière, de façon à moduler une intensité de la lumière se propageant dans lesdits guides de lumière indépendamment pour différents guides de lumière relié à la source de lumière.
Dispositif selon la revendication 9, dans lequel :
une source de lumière est reliée à N différents sous-ensembles d’émission jumeaux, configurés pour former simultanément N pixels jumeaux, N étant un entier supérieur ou égal à 2 ;

la source de lumière est reliée à N modulateurs (22), chaque modulateur s’étendant entre la source de lumière et les guides d’ondes formant un même sous-ensemble d’émission.
Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le nombre de sous-ensembles d’émission jumeaux formés par au moins une source de lumière est supérieur ou égal à 20.
Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant moins de 20 sources de lumière différentes pour former une image, ou une partie d’image, d’au moins 200 pixels par 200 pixels.
Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant un film holographique (14), subdivisé en différents hologrammes, chaque hologramme étant associé à un réseau de diffraction (12), et configuré pour émettre l’onde lumineuse, selon la direction d’émission ( ), sous l’effet d’une lumière extraite par le réseau de diffraction auquel il est associé, chaque association entre un hologramme et un réseau de diffraction formant un point d’émission (EP) de lumière.
Lunette, comportant des verres de lunette, la lunette comportant un dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, l’empilement (10) étant formé sur au moins un verre de la lunette.
Procédé de paramétrage d’un dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 13, le paramétrage comportant :
modélisation d’une distribution spatiale du bruit entre deux pixels jumeaux, en modifiant l’écart angulaire minimal ;

estimation de l’écart angulaire minimal en fonction de la distribution spatiale.