WO2012032045A1 - Systeme de visualisation a filtre de correction - Google Patents

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WO2012032045A1
WO2012032045A1 PCT/EP2011/065390 EP2011065390W WO2012032045A1 WO 2012032045 A1 WO2012032045 A1 WO 2012032045A1 EP 2011065390 W EP2011065390 W EP 2011065390W WO 2012032045 A1 WO2012032045 A1 WO 2012032045A1
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image
correction filter
filter
phase
display
Prior art date
Application number
PCT/EP2011/065390
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Inventor
Joël Rollin
Brigitte Loiseaux
Mane-Si Laure Lee-Bouhours
Jean-Philippe Schnell
Xavier Rejeaunier
Frédéric DIAZ
Original Assignee
Thales
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    • B82—NANOTECHNOLOGY
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Definitions

  • the field of the invention is that of viewing systems for projecting an aerial image to the eye of a user. These systems are particularly used in helmet display visualization devices also called visual.
  • a visualization system includes a source of images and a projection optics.
  • the projection optics can be of the "magnifying glass" type.
  • the projection system L directly collates the images of the image source D in front of the observer's eye Y.
  • the light rays from the center of the image or pupillary rays are represented in continuous thin lines and the light rays from the edges of the image or field rays are represented in dashed lines.
  • the different optics are represented by simple double arrows. Of course, these optics may comprise one or more lenses or groups of lenses.
  • the projection optics is of the "ocular" type. It then comprises two main optical subassemblies as indicated in FIG. 2.
  • the first set L1 forms the image source.
  • D a real IR intermediate image.
  • the second optical assembly L2 forms of this intermediate image a generally infinite image perceived by the eye Y of the observer.
  • This second set also forms an image of the pupil P of the projection optics.
  • This eye ring image is called A.
  • the eye Y of the observer must necessarily be positioned in the vicinity of this ring to avoid any vignetting of the projected image.
  • the area in which the observer can see the entire "eye box" image is usually called.
  • the optical architectures consist of convergent groups and the surface of the final image has at least one concave natural curvature that it is necessary to compensate.
  • the optical architecture comprises several groups of lenses to compensate for geometric aberrations.
  • the complexity of optical architectures has negative consequences. It increases the cost and the mass of the system. This last point can be particularly penalizing for systems intended to be worn by the head of a user, sometimes in extreme conditions.
  • the known prior art shows that the majority of solutions proposed relate to image recording systems, in other words cameras.
  • the pupil coding makes it possible to correct the final image recorded so that it is as sharp as possible.
  • visualization systems form aerial images for visual observation, which poses other problems and offers solutions other than those implemented for the recording of images.
  • the real pupil of the system is the pupil of the observer of which neither the position nor the dimension can be predetermined.
  • the eye of the observer is not necessarily perfectly emmetropic. It is therefore necessary to make an optical system that takes into account these different parameters.
  • the device according to the invention comprises a pupil coding specifically adapted to viewing systems.
  • a pupil coding specifically adapted to viewing systems.
  • the subject of the invention is a display system comprising at least one image processing device, the image before processing being noted as the initial image and the image after processing being denoted image processed, a display presenting the image processed by the image processing device and a display device comprising:
  • a first optic making the processed image an intermediate image, said first optics comprising a pupil
  • a second lens making the intermediate image a collimated image intended to be presented to a user, said second optics arranged to form an image of the pupil at the eye of the observer, said image being called an eye ring;
  • the display device comprises a correction filter disposed at the level of the pupil, the correction filter being arranged so as to ensure that at least one image presented by the display does not undergo contrast inversion through the device; visualization;
  • the image processing consists in modulating the contrast of the initial image as a function of the spatial frequency of said initial image so that the contrast variation of the processed image as a function of the spatial frequency is such that the collimated image is substantially equivalent to the initial image, that is to say, it is substantially corrected at least geometric aberrations introduced by the first and the second optical.
  • the image processing and the optical function of the correction filter are arranged so that the collimated image is insensitive to defocus in a predetermined range of motion of the image processed around a position. predetermined initial
  • the image processing and the optical function of the correction filter are arranged such that the collimated image is corrected for the ametropia of the observer.
  • the display device comprises a diffusing plate disposed in the plane of the intermediate image.
  • the correction filter comprises a phase correction.
  • the phase variation of the correction filter is:
  • said filter being referenced in a reference (x, y), a polynomial in x and in y.
  • the correction filter is at least one amplitude filter, that is to say that it comprises zones with variable optical transmission.
  • the correction filter consists of microstructures in the form of micro-pillars and / or micro-holes, the dimensions of the micro-pillars and / or micro-holes in the plane of the filter being substantially less than the length of the microparticle. average wave of the emission spectrum of the display, the dimensions of the micro-pillars and / or micro-holes at each point of the correction filter being proportional to the value of the phase of the correction filter at said point.
  • the correction filter consists of microstructures in the form of nano-pillars, the nano-pillars being all identical, the average diameter of said nano-pillars being at least an order of magnitude less than that of the wavelength. average of the emission spectrum of the display, the density of nano-pillars at each point of the correction filter being proportional to the value of the phase of the correction filter at said point.
  • correction filter is made of a dielectric material or carbon or zinc oxide or gallium arsenide or indium arsenide or gallium-indium phosphide or silica or silica carbide.
  • FIG. 1 represents the diagram of a "magnifying" type display device
  • FIG. 2 represents the diagram of an "ocular" type of visualization device
  • FIG. 3 represents a display system according to the invention
  • FIG. 4 represents a variant of the display device according to the invention.
  • FIG. 5 represents, as a function of the spatial frequency, the variations of the modulation transfer functions of the initial image, of the processed image and of the perceived image;
  • FIG. 6 represents the phase and amplitude variations of a correction filter according to the invention
  • FIG. 7 represents the various realization techniques making it possible to encode a phase function
  • FIG. 8 represents the effective optical index variation obtained as a function of the micro-pillar filling rate of a phase filter according to the invention.
  • FIG. 9 represents the variation of effective optical index obtained as a function of the density of nano-pillars of a phase filter according to the invention.
  • FIG. 3 represents the general diagram of a display system according to the invention. It mainly comprises:
  • the initial image can come from different sources. It can be, as indicated in FIG. 3, a real image taken by a camera C. It can also be a computer generated digital image generated by a computer;
  • the display D can be of different types. Insofar as a preferred application of the invention concerns display devices carried by the user's head, the displays are preferably flat screens of small size with "LCD” or "OLED” technology;
  • a display device comprising:
  • this first optical L1 makes the processed image an intermediate image IR, this first optical L1 comprises a pupil P;
  • a second lens L2 making the intermediate image IR a collimated image intended to be presented to the eye Y of a user.
  • This second optic L2 is arranged to form an image of the pupil P at the eye of the observer, said image being called an eye ring A.
  • the ocular impression of this optic that is to say the the distance between the nearest diopter and the eye of the eye itself, must be large enough for the user to place your eye without effort.
  • the diameter of the eye ring must be sufficient so that the pupil of the eye of the observer is always inside without excessive adjustments. This ensures a comfortable "eye box" for the user;
  • a correction filter F disposed at the level of the pupil P.
  • OTF ⁇ f x , f y ) x o '(f x , f y ) o (f x , f y ) with OTF (f x , f y ), o (f x , f y ) and o' (f x , f y ) Fourier transforms of P (x, y), O (x, y) and O '(x, y).
  • o (f x , f y ) and o '(f x , f y ) represent the spectra of the initial and processed images.
  • the OTF designates the standardized transfer function or signature of the display device which is: with the convention
  • MTF (f x , f y ) represents the modulation transfer function and corresponds to the module of the OTF function (f x , f y ).
  • ⁇ ' corresponds to the phase terms.
  • the processing of the displayed image perfectly compensates for the MTF modulation transfer function.
  • the treatment thus performs a deconvolution.
  • the correction filter eliminates the zeros of the MTF L modulation transfer function of the optical non-phase filter assembly. In other words, an image presented by the display does not undergo contrast inversion through the display device.
  • the OTF or visualization device signature includes the following contributors:
  • the contrast of the object O '(x, y) to be visualized is therefore adapted according to the spatial frequency of the initial object.
  • the treatment is done in two stages. At first, we adapt the dynamics according to the object to be displayed. In a second step, this dynamic is linearly compressed so as to adapt the digital coding of the displayed image to the number of gray levels allowed by the display. Generally, the coding of the current displays is done on 256 levels. As seen in Figure 3, the image of the phase filter is at the eye ring. Generally, the size of this ring is much larger than that of the instant pupil of the eye of the observer. Therefore, it is possible that the eye ring is not uniformly illuminated, the eye perceives variations in luminance of the collimated image.
  • a frosted blade LD at the intermediate image.
  • the diffusion provided by the frosted must be sufficient for the scattered light rays to cover the eye ring.
  • the frosted blade may be, for example, a holographic blade.
  • FIG. 5 represents, as a function of the spatial frequency, the contrast variations of the modulation transfer functions or FTM respectively:
  • FTM curve shown in solid line in Figure 5. This curve is the product of the previous two.
  • this last curve of FTM is as close as possible to the perfect FTM curve, that is to say limited by diffraction.
  • the contrast of the perceived image is equal to 1 for the continuous and regularly decreases to 0 for the cutoff frequency of the optics known as Fopt.
  • phase functions or phase masks that can be realized using phase correction filters.
  • phase variation of the phase filter is a polynomial in x and y.
  • the phase variation of the phase filter is a polynomial in r, where r represents the distance at the center of the filter;
  • the correction filter may also be an amplitude filter, that is to say that it has areas with variable optical transmission.
  • An example of this type of filter is shown in FIG. 6.
  • the view A of FIG. 5 represents a front view of this circular filter F, an axis x passes through the center of this filter F.
  • the views B and C represent respectively the transmission and phase variations of this filter on the x-axis.
  • FIG. 7 illustrates four of these techniques shown in views B, C, D and E in the case of diffractive coding. This is represented by a variation of the sawtooth phase on the view A of FIG. 6. This particular phase variation is representative of a "blazed" grating but of course, the techniques set out below apply to all types of phase profile.
  • a second embodiment method is shown in view C of FIG. 7.
  • the thickness h 0 of the grating is constant but the optical index has a gradient of index "gradn" sufficient to create the variation of desired phase in all points.
  • the index gradient is represented by vertical hatching more or less tight on the C-view.
  • a third method is represented on view D of FIG. 7.
  • the phase filter is then constituted of microstructures in the form of either micro-holes or ⁇ -micro-pillars as in view D.
  • the dimensions of the micro-pillars or micro-holes in the plane of the filter are substantially less than the wavelength.
  • These microstructures can be based on a stop layer so as to perfectly control their height. This height depends on the phase function to be performed. To realize the phase variations, one uses structures of variable dimension as one sees on the view D. One demonstrates that:
  • the curve of FIG. 8 represents the effective index n e ff of the filter as a function of the degree of filling of the filter by micro-pillars, the filling ratio is equal to the area occupied by the micro-pillars contained in a unit of phase filter surface divided by this same surface unit.
  • the optical index of the material of the micropiliers is equal to 1.5.
  • these microstructures be two-dimensional substantially circular shapes to overcome the state of the incident polarization.
  • micro-pillars when one seeks to create low effective optical indices, that is to say, when the fill rate of the filter by the microstructures is low, it is technically preferable to make micro-pillars . In the opposite case, when one seeks to create significant effective optical indices, that is to say, when the degree of filling of the filter by the microstructures is important, it is preferable to make micro-holes.
  • micro-pillars can be obtained by different methods. For example, they can be realized in two main stages which are:
  • the lithography can be optical or electronic using an electron beam
  • Deep etching can be achieved by reactive ion etching or "RIE” for “Reactive Ion Etching” or using a high density plasma source, so-called “HPD” for "High Plasma Density”.
  • RIE reactive ion etching
  • HPD high density plasma source
  • ICP inductively Coupled Plasma
  • a fourth method of producing the filter is represented in view E of FIG. 7.
  • the structures are all identical nanostructures of substantially circular cross-section, the diameter of said nanostructures being at least an order of magnitude less than that of the average wavelength of the emission spectrum of the display, the density of structures at each point of the phase filter being proportional to the value of the phase of the phase filter at said point.
  • nanostructures are, for example, nano-pillars or nanotubes or nanowires.
  • the curve of FIG. 9 represents the effective index of the filter as a function of the degree of filling of the filter, for example by micro-pillars, the degree of filling is equal to the area occupied by the micro-pillars contained in one unit. of the phase filter surface divided by this same surface unit.
  • the effective index is proportional to the filling rate.
  • nanostructures can be made:
  • the variation of the effective index or of the phase is obtained by local variation of the size of nanopiliers; or
  • the latter method has the advantage of allowing the realization of structures with a very large form factor, that is to say, tall structures, narrow and very dense, given the nanoscale size of the tubes.
  • phase filters produced by these methods may be carbon or zinc oxide or gallium arsenide or indium arsenide or gallium indium phosphide or silica or silica carbide.

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Abstract

Le domaine général de l'invention est celui des systèmes de visualisation comportant un dispositif de traitement d'images (E), l'image avant traitement étant notée image initiale et l'image après traitement étant noté image traitée, un afficheur (D) présentant l'image traitée par le dispositif de traitement d'images et un dispositif de visualisation comportant : - une première optique (L1) faisant de l'image traitée une image intermédiaire, ladite première optique comportant une pupille (P); - une seconde optique (L2) faisant de l'image intermédiaire une image collimatée destinée à être présentée à un utilisateur, ladite seconde optique agencée de façon à former une image de la pupille au niveau de l'œil (Y) de l'observateur, ladite image étant appelé anneau oculaire (A). Le dispositif selon l'invention comporte un filtre de correction (F) disposé au niveau de la pupille et agencé de façon à assurer au moins qu'une image présentée par l'afficheur ne subisse pas d'inversion de contraste à travers le dispositif de visualisation. Le traitement d'images consiste à moduler le contraste de l'image initiale en fonction de la fréquence spatiale de la dite image initiale de façon que la variation de contraste de l'image traitée en fonction de la fréquence spatiale soit telle que l'image collimatée soit sensiblement équivalente à l'image initiale.

Description

Système de visualisation à filtre de correction
Le domaine de l'invention est celui des systèmes de visualisation permettant la projection d'une image aérienne vers l'œil d'un utilisateur. Ces systèmes sont notamment utilisés dans les dispositifs de visualisation de casque appelés aussi visuels de casque.
Un système de visualisation comprend une source d'images et une optique de projection. L'optique de projection peut être de type « loupe ». Dans ce cas représenté en figure 1 , le système de projection L collimate directement les images de la source d'images D devant l'œil Y de l'observateur. Sur cette figure et sur les suivantes, les rayons lumineux issus du centre de l'image ou rayons pupillaires sont représentés en traits fins continus et les rayons lumineux issus des bords de l'image ou rayons de champ sont représentés en traits pointillés. Par souci de clarté, les différentes optiques sont représentées par de simples doubles flèches. Bien entendu, ces optiques peuvent comporter une ou plusieurs lentilles ou groupes de lentilles.
Dans les systèmes de projection plus élaborés, l'optique de projection est de type « oculaire ». Elle comporte alors deux sous-ensembles optiques principaux comme indiqué sur la figure 2. Bien entendu, l'implantation des sous-ensembles optiques est donnée à titre d'exemple sur la figure 2. Le premier ensemble L1 forme de la source d'image D une image intermédiaire réelle IR. Le second ensemble optiques L2 forme de cette image intermédiaire une image généralement à l'infini perçue par l'œil Y de l'observateur. Ce second ensemble forme également une image de la pupille P de l'optique de projection. On appelle cette image anneau oculaire A. L'œil Y de l'observateur doit nécessairement se positionner au voisinage de cet anneau pour éviter tout vignettage de l'image projetée. On appelle généralement la zone dans laquelle l'observateur peut voir l'intégralité de l'image « boîte à œil ». Le système de projection de la figure 2 comporte également un miroir M dont la fonction essentielle est de replier les faisceaux optiques de façon à diminuer l'encombrement ou à assurer un meilleur agencement optique. Dans tous les cas, les architectures optiques sont constituées de groupes convergents et la surface de l'image finale présente au moins une courbure naturelle concave qu'il s'agit de compenser. Généralement, si le champ visuel est important et si l'anneau oculaire a des dimensions relativement importantes de façon à augmenter la latitude de positionnement de l'observateur et à prendre en compte les variations des distances interpupillaires, l'architecture optique comporte plusieurs groupes de lentilles de façon à compenser les aberrations géométriques. La complexité des architectures optiques a des conséquences négatives. Elle augmente le coût et la masse du système. Ce dernier point peut être particulièrement pénalisant pour des systèmes destinés à être portés par la tête d'un utilisateur, parfois en conditions extrêmes.
Aussi, les opticiens ont étudié depuis la fin des années 1990 la possibilité de corriger certaines aberrations géométriques ou la défocalisation en introduisant au niveau de la pupille du système optique un filtre de phase ou d'amplitude permettant de corriger tout ou partie des aberrations du système. Cette technique est connue sous le nom de « codage de pupille ».
Cette technique a fait l'objet de différentes publications. Les points essentiels abordés sont les principes physiques permettant la correction des aberrations géométriques ou dynamiques ou la correction des défauts de focalisation et les principes techniques de réalisation des filtres de correction de phase ou d'amplitude. Les applications visées portent sur le domaine infrarouge, la micro-lithographie et plus généralement, le domaine de l'imagerie. On citera tout particulièrement les brevets de la société CDM OPTICS déposés par Edward Dowski concernant les principes physiques et en particulier les demandes de brevet WO/2004/090581 , WO/2006/001785 et le brevet US 6 069 738. On citera également les quatre articles de F. Diaz, F.Goudail, B. Loiseaux et J. P. Huignard intitulés respectivement « Design of a complex filter for depth of focus extension », Optics Letters 34, 1 171 -1 173 (2009) - « Increase in depth of field taking into account deconvolution by optimization of pupil mask », Optics Letters 34, 2970-2972 (2009) - « Comparison between a new holographically generated complex filter and the binary phase filter for depth of field extension », SPIE, vol. 7329 (2009) - « Optimization of hybrid imaging Systems including digital deconvolution in the présence of noise » in Imaging Systems, OSA technical Digest, paper IMD4 (2010).
L'art antérieur connu montre que la majorité des solutions proposées concernent des systèmes d'enregistrement d'images, autrement dit des caméras. Le codage de pupille permet de corriger l'image finale enregistrée de façon qu'elle soit la plus nette possible. Or, les systèmes de visualisation forment des images aériennes destinées à une observation visuelle, ce qui pose d'autres problèmes et offre d'autres solutions que celles mises en œuvre pour l'enregistrement d'images. En effet, la pupille réelle du système est la pupille de l'observateur dont ni la position ni la dimension ne peuvent être prédéterminées. Il faut également signaler que l'œil de l'observateur n'est pas nécessairement parfaitement emmétrope. Il est donc nécessaire de réaliser un système optique qui prend en compte ces différents paramètres. D'autre part, il est possible de réaliser des corrections par le codage de pupille mais il est également possible de corriger l'image affichée par la source d'images.
Aussi, le dispositif selon l'invention comporte un codage de pupille spécifiquement adapté aux systèmes de visualisation. Dans le cas présent, on parle de « codage de pupille inverse » en référence à l'utilisation usuelle du codage de pupille qui utilise un « codage de pupille direct ». Il a l'avantage de pouvoir s'adapter aux sources d'images existantes sans modifications de l'afficheur. Seule l'image affichée comporte un traitement d'images spécifique.
Plus précisément, l'invention a pour objet un système de visualisation comportant au moins un dispositif de traitement d'images, l'image avant traitement étant notée image initiale et l'image après traitement étant noté image traitée, un afficheur présentant l'image traitée par le dispositif de traitement d'images et un dispositif de visualisation comportant :
- une première optique faisant de l'image traitée une image intermédiaire, ladite première optique comportant une pupille ;
- une seconde optique faisant de l'image intermédiaire une image collimatée destinée à être présentée à un utilisateur, ladite seconde optique agencée de façon à former une image de la pupille au niveau de l'œil de l'observateur, ladite image étant appelé anneau oculaire ;
caractérisé en ce que :
- le dispositif de visualisation comporte un filtre de correction disposé au niveau de la pupille, le filtre de correction étant agencé de façon à assurer au moins qu'une image présentée par l'afficheur ne subisse pas d'inversion de contraste à travers le dispositif de visualisation ;
- le traitement d'images consiste à moduler le contraste de l'image initiale en fonction de la fréquence spatiale de la dite image initiale de façon que la variation de contraste de l'image traitée en fonction de la fréquence spatiale soit telle que l'image collimatée soit sensiblement équivalente à l'image initiale, c'est-à-dire qu'elle soit sensiblement corrigée au moins des aberrations géométriques introduites par la première et la seconde optiques.
Dans un premier mode de réalisation, le traitement d'images et la fonction optique du filtre de correction sont agencés de façon que l'image collimatée soit insensible à la défocalisation dans une plage de déplacement prédéterminée de l'image traitée autour d'une position initiale prédéterminée.
Dans un second mode de réalisation, le traitement d'images et la fonction optique du filtre de correction sont agencés de façon que l'image collimatée soit corrigée des amétropies de l'observateur.
Avantageusement, le dispositif de visualisation comporte une lame diffusante disposée dans le plan de l'image intermédiaire.
Avantageusement, le filtre de correction comporte une correction de phase. Dans ce cas, la variation de phase du filtre de correction est :
- ou à symétrie radiale,
- ou, ledit filtre étant référencé dans un repère (x, y), un polynôme en x et en y.
Avantageusement, le filtre de correction est au moins un filtre d'amplitude, c'est-à-dire qu'il comporte des zones à transmission optique variable. Avantageusement, le filtre de correction est constitué de microstructures en forme de micro-piliers et/ou de micro-trous, les dimensions des micro-piliers et/ou des micro-trous dans le plan du filtre étant sensiblement inférieures à la longueur d'onde moyenne du spectre d'émission de l'afficheur, les dimensions des micro-piliers et/ou des microtrous en chaque point du filtre de correction étant proportionnelle à la valeur de la phase du filtre de correction audit point.
Avantageusement, le filtre de correction est constitué de microstructures en forme de nano-piliers, les nano-piliers étant tous identiques, le diamètre moyen desdits nano-piliers étant au moins d'un ordre de grandeur inférieur à celui de la longueur d'onde moyenne du spectre d'émission de l'afficheur, la densité de nano-piliers en chaque point du filtre de correction étant proportionnelle à la valeur de la phase du filtre de correction audit point.
Enfin, le filtre de correction est réalisé en un matériau diélectrique ou en carbone ou en oxyde de zinc ou en arséniure de gallium ou en arséniure d'indium ou en phosphure de gallium-indium ou en silice ou en carbure de silice. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles :
La figure 1 représente le schéma d'un dispositif de visualisation de type « loupe » ;
La figure 2 représente le schéma d'un dispositif de visualisation de type « oculaire » ;
La figure 3 représente un système de visualisation selon l'invention ;
La figure 4 représente une variante du dispositif de visualisation selon l'invention ;
La figure 5 représente, en fonction de la fréquence spatiale, les variations des fonctions de transfert de modulation de l'image initiale, de l'image traitée et de l'image perçue ;
La figure 6 représente les variations de phase et d'amplitude d'un filtre de correction selon l'invention ; La figure 7 représente les différentes techniques de réalisation permettant de coder une fonction de phase ;
La figure 8 représente la variation d'indice optique effectif obtenu en fonction du taux de remplissage en micro-piliers d'un filtre de phase selon l'invention ;
La figure 9 représente la variation d'indice optique effectif obtenu en fonction de la densité de nano-piliers d'un filtre de phase selon l'invention.
A titre d'exemple non limitatif, la figure 3 représente le schéma général d'un système de visualisation selon l'invention. Il comporte principalement :
- un dispositif de traitement d'images E, l'image avant traitement étant notée image initiale 0(x, y) et l'image après traitement étant noté image traitée 0'(x, y). L'image initiale peut provenir de différentes sources. Elle peut être, comme indiqué sur la figure 3, une image réelle prise par une caméra C. Elle peut également être une image numérique de synthèse générée par un calculateur ;
- un afficheur D présentant l'image traitée par le dispositif de traitement d'images. L'afficheur D peut être de différents types. Dans la mesure où une application privilégiée de l'invention concerne les dispositifs de visualisation portés par la tête de l'utilisateur, les afficheurs sont préférentiellement des écrans plats de petite dimension à technologie « LCD » ou « OLED » ;
- un dispositif de visualisation comportant :
- une première optique L1 faisant de l'image traitée une image intermédiaire IR, cette première optique L1 comporte une pupille P ;
- une seconde optique L2 faisant de l'image intermédiaire IR une image collimatée destinée à être présentée à l'œil Y d'un utilisateur. Cette seconde optique L2 est agencée de façon à former une image de la pupille P au niveau de l'œil de l'observateur, ladite image étant appelé anneau oculaire A. Le tirage oculaire de cette optique, c'est-à-dire la distance séparant le dioptre le plus proche de l'œil de l'œil lui-même, doit être suffisamment important pour que l'utilisateur puisse placer son œil sans effort. De la même façon, le diamètre de l'anneau oculaire doit être suffisant pour que la pupille de l'œil de l'observateur soit toujours à l'intérieur sans réglages excessifs. On assure ainsi une « boîte à œil » confortable pour l'utilisateur ;
- un filtre de correction F disposé au niveau de la pupille P.
On note P(x, y) la réponse percussionnelle du dispositif de visualisation dans un repère (x, y), la réponse percussionnelle étant l'image d'un point source sur l'afficheur D. On note également O(x, y) l'objet ou l'image initiale non traitée que l'on cherche à restituer. On note enfin O'(x, y) l'objet ou l'image traitée par le traitement d'image. Le traitement d'images et la fonction de phase Φ du filtre de correction F sont agencés de façon que l'image collimatée soit sensiblement équivalente à l'image initiale O(x, y), c'est-à-dire qu'elle soit sensiblement corrigée au moins des aberrations géométriques introduites par la première et la seconde optiques. On peut encore écrire :
P(x, y)® 0'(x, y) = 0(x, y) où le symbole ® représente l'opérateur de convolution.
II est bien clair que la formule ci-dessus est une formule théorique approchée. Dans la réalité, l'image est toujours entachée de bruit, les optiques ne sont pas parfaites et les afficheurs sont nécessairement limités en résolution et en contraste. Cependant, cette formule est bien représentative des traitements selon l'invention.
Dans l'espace de Fourier des fréquences spatiales fx et fy, cette relation équivaut à :
OTF{fx, fy)x o'(fx, fy) = o(fx, fy) avec OTF(fx, fy), o(fx, fy) et o'(fx, fy) transformées de Fourier de P(x, y), O(x, y) et de O'(x, y). o(fx, fy) et o'(fx, fy) représentent les spectres des images initiale et traitée.
L'OTF désigne la fonction de transfert normalisée ou signature du dispositif de visualisation qui vaut : avec la convention
Figure imgf000009_0001
habituelle i2=-1 . Cette fonction est généralement complexe et on peut la mettre sous la forme OTF(fx y) = MTF(fx yY>
MTF(fx, fy) représente la fonction de transfert de modulation et correspond au module de la fonction OTF(fx, fy). Le terme β' correspond aux termes de phase.
On a alors :
MTF(fx yy e'* xo<(fx y) = o(fx y)
Soit encore :
o'(fx y) = MTF(fx yY x β-φ x o(fx, fy)
Là encore, il s'agit d'une expression approchée mais représentative du traitement à effectuer sur l'image. En effet, lorsque la valeur de la fonction de transfert de modulation MTF(fx, fy) est voisine de zéro, l'expression doit être aménagée de façon que la fonction MTF(fx, fy)"1 ne puisse pas prendre des valeurs trop importantes. On reste ainsi dans des niveaux de contraste acceptables pour l'afficheur.
Pour obtenir une image vue sensiblement identique à l'image initiale, il faut donc que le traitement de l'image affichée compense parfaitement la fonction de transfert de modulation MTF. Le traitement effectue donc une déconvolution. Pour stabiliser le traitement, le filtre de correction élimine les zéros de la fonction de transfert de modulation MTFL de l'ensemble optique hors filtre de phase. Autrement dit, une image présentée par l'afficheur ne subit pas d'inversion de contraste à travers le dispositif de visualisation.
L'OTF ou signature du dispositif de visualisation comprend les contributeurs suivants :
- l'ensemble des optiques du dispositif de visualisation ;
- le filtre de phase selon l'invention ;
- Eventuellement, la prise en compte des amétropies de l'œil de l'observateur.
Le contraste de l'objet O'(x, y) à visualiser est donc adapté en fonction de la fréquence spatiale de l'objet initial. Le traitement est fait en deux temps. Dans un premier temps, on adapte la dynamique en fonction de l'objet à afficher. Dans un second temps, on comprime linéairement cette dynamique de façon à adapter le codage numérique de l'image affichée au nombre de niveaux de gris permis par l'afficheur. Généralement, le codage des afficheurs actuels se fait sur 256 niveaux. Comme on le voit sur la figure 3, l'image du filtre de phase se trouve au niveau de l'anneau oculaire. Généralement, la taille de cet anneau est largement supérieure à celle de la pupille instantanée de l'œil de l'observateur. Par conséquent, il est possible que l'anneau oculaire n'étant pas éclairé de façon uniforme, l'œil perçoive des variations de luminance de l'image collimatée. Pour y remédier, il suffit d'insérer une lame dépolie LD au niveau de l'image intermédiaire. Cette configuration est représentée en figure 4. La diffusion assurée par le dépoli doit être suffisante pour que les rayons lumineux diffusés couvrent l'anneau oculaire. La lame dépolie peut être, par exemple, une lame holographique.
A titre d'exemple, la figure 5 représente, en fonction de la fréquence spatiale, les variations de contraste des fonctions de transfert de modulation ou FTM respectivement :
- du dispositif de visualisation, courbe de FTM représentée en pointillés serrés sur la figure 5 ;
- du traitement réalisé sur l'image initiale, courbe de FTM représentée en tirets-points sur la figure 5 ;
- de l'image perçue par l'observateur à travers le dispositif de visualisation, courbe de FTM représentée en trait plein sur la figure 5. Cette courbe est le produit des deux précédentes.
Classiquement, cette dernière courbe de FTM se rapproche le plus possible de la courbe de FTM parfaite, c'est-à-dire limitée par la diffraction. Le contraste de l'image perçue est égal à 1 pour le continu et décroît régulièrement jusqu'à 0 pour la fréquence de coupure de l'optique dite Fopt.
Il existe une grande variété de fonctions de phase ou masques de phase pouvant être réalisées au moyen de filtres de correction de phase. A titre d'exemples non limitatifs, on citera :
- Les masques dits cubiques dont la fonction de phase Φ(χ, y) dans un repère orthonormé (x, y) vaut : φ(χ,γ) = a.(x3 + y3 ) ;
- Les masques dits CPP pour « Constant Profil Path » ;
- Les masques dont la fonction de phase est une fonction trigonométrique ; - Les masques simplifiés annulaires composés d'anneaux concentriques, chaque anneau introduisant une phase constante et différente selon l'anneau ;
- Les masques dits polynomiaux, le filtre étant référencé dans un repère (x, y), la variation de phase du filtre de phase est un polynôme en x et en y. Lorsque le masque est à symétrie radiale, la variation de phase du filtre de phase est un polynôme en r, r représentant la distance au centre du filtre ;
- Les masques asymétriques ;
- Les masques dits semi-XXX dont la variation de phase Φ(χ, y) du filtre de phase vérifie, le filtre étant référencé dans un repère (x, y) en coordonnées cartésiennes ou (r, Θ) en notations polaires :
<j>{x,y,r = a.sign{x).rp ou <f>{x,y,r) = a.sign(n.e).rp pour les masques dits semi- circulaires, a et β étant des constantes et la fonction sign(x) valant 1 lorsque x est positif et -1 lorsque x est négatif.
Le filtre de correction peut être également un filtre d'amplitude, c'est-à-dire qu'il comporte des zones à transmission optique variable. Un exemple de ce type de filtre est représenté en figure 6. La vue A de la figure 5 représente une vue de face de ce filtre circulaire F, un axe x passe au centre de ce filtre F. Les vues B et C représentent respectivement les variations de transmission et de phase de ce filtre sur l'axe x.
Il existe différentes techniques pour réaliser une phase optique particulière. La figure 7 illustre quatre de ces techniques représentées sur les vues B, C, D et E dans le cas d'un codage diffractif. Celui-ci est représenté par une variation de la phase en dent de scie sur la vue A de la figure 6. Cette variation de phase particulière est représentative d'un réseau « blazé » mais bien entendu, les techniques exposées ci-dessous s'appliquent à tous types de profil de phase.
La façon la plus simple de réaliser cette fonction de phase est figurée sur la vue B. On réalise dans un matériau S d'indice optique n constant un profil géométrique ayant la même allure que la phase à reproduire. En tous point M, si h est l'épaisseur du matériau en ce point, on a alors la relation :
(Μ) = 2π — ί)^ 1! étant la longueur d'onde moyenne du spectre d'émission de l'afficheur.
Un second procédé de réalisation est représenté sur la vue C de la figure 7. Dans ce cas, l'épaisseur h0 du réseau est constante mais l'indice optique possède un gradient d'indice « gradn » suffisant permettant de créer la variation de phase souhaitée en tous points. On a alors la relation :
φ(Μ) = 2π. Smdn(M).h0 ^ représentant l'épaisseur constante du
À
réseau. Le gradient d'indice est représenté par des hachures verticales plus ou moins serrées sur la vue C.
Une troisième méthode est représentée sur la vue D de la figure 7. Le filtre de phase est alors constitué de microstructures en forme soit de micro-trous, soit de micro-piliers μΡ comme sur la vue D. Les dimensions des micro-piliers ou des micro-trous dans le plan du filtre sont sensiblement inférieures à la longueur d'onde. Ces microstructures peuvent reposer sur une couche d'arrêt de façon à parfaitement contrôler leur hauteur. Cette hauteur dépend de la fonction de phase à réaliser. Pour réaliser les variations de phase, on utilise des structures de dimension variable comme on le voit sur la vue D. On démontre que :
, {neff (M, À) - nmm (M, À)).h
φ μ) = 2π e// '— 111111 " neff étant l'indice optique
A
effectif au point M du filtre de phase.
La courbe de la figure 8 représente l'indice effectif neff du filtre en fonction du taux de remplissage du filtre par des micro-piliers, le taux de remplissage est égal à la surface occupée par les micro-piliers contenus dans une unité de surface du filtre de phase divisée par cette même unité de surface. Dans le cas de la figure 8, l'indice optique du matériau des micropiliers est égal à 1 .5. On voit que l'indice effectif est proportionnel au taux de remplissage. On obtient, bien entendu, la courbe inverse lorsque l'on remplace les micro-piliers par des micro-trous.
En choisissant correctement les indices optiques effectifs minimum nmin et maximum nmax, on peut faire en sorte que (wmax (A) wmin (A)) _ _ γ ^ étant une longueur d'onde prise comme référence. On démontre dans ce cas que le rendement de diffraction du filtre de phase est indépendant de la longueur d'onde. On démontre également que les variations de l'indice effectif avec la longueur d'onde dépendent du facteur de remplissage, des dispersions chromatiques importantes peuvent ainsi être obtenues. On peut rendre le déphasage introduit presque indépendant de la longueur d'onde réalisant ainsi un déphaseur achromatique.
Si l'on souhaite s'affranchir de la polarisation, il est préférable que ces microstructures soient bidimensionnelles de formes sensiblement circulaires pour s'affranchir de l'état de la polarisation incidente. On peut, au contraire, souhaiter privilégier un état de polarisation si, par exemple, l'afficheur émet naturellement une lumière polarisée. Dans ce cas, il est préférable de réaliser des micro-traits ou des micro-tirets ou des formes à symétrie circulaires comme des anneaux de façon à privilégier un état de polarisation donné.
Il est à noter que, lorsque l'on cherche à créer des indices optiques effectifs faibles, c'est-à-dire, lorsque le taux de remplissage du filtre par les microstructures est faible, il est techniquement préférable de réaliser des micro-piliers. Dans le cas contraire, lorsque l'on cherche à créer des indices optiques effectifs importants, c'est-à-dire, lorsque le taux de remplissage du filtre par les microstructures est important, il est préférable de réaliser des micro-trous.
Ces micro-piliers peuvent être obtenus par différents procédés. A titre d'exemple, on peut les réaliser en deux étapes principales qui sont :
- une étape de lithographie où il s'agit de transférer les motifs sub-longueur d'onde dans une résine. La lithographie peut être optique ou électronique à l'aide d'un faisceau d'électrons ;
- une seconde étape de gravure profonde où il s'agit de transférer les motifs de la résine au matériau à graver. La gravure profonde peut être obtenue par gravure réactive ionique ou « RIE » pour « Reactive Ion Etching » ou en utilisant une source plasma haute densité, technique dite « HPD » pour « High Plasma Density ». Plus particulièrement, un système « ICP » pour « Inductively Coupled Plasma » permet de réaliser des gravures sèches dans un plasma obtenu par couplage inductif. Par cette méthode, une variation d'indice effectif ou de la phase est obtenue à partir de motifs de période sub-longueur d'onde dont on contrôle localement la taille.
Une quatrième méthode de réalisation du filtre est représentée sur la vue E de la figure 7. Dans ce cas, les structures sont des nanostructures toutes identiques et de section sensiblement circulaire, le diamètre desdites nanostructures étant au moins d'un ordre de grandeur inférieur à celui de la longueur d'onde moyenne du spectre d'émission de l'afficheur, la densité de structures en chaque point du filtre de phase étant proportionnelle à la valeur de la phase du filtre de phase audit point.
Ces nanostructures sont, par exemple, des nano-piliers ou des nanotubes ou des nanofils.
La courbe de la figure 9 représente l'indice effectif du filtre en fonction du taux de remplissage du filtre, par exemple, par des micro-piliers, le taux de remplissage est égal à la surface occupée par les micro-piliers contenus dans une unité de surface du filtre de phase divisée par cette même unité de surface. On voit que l'indice effectif est proportionnel au taux de remplissage. Par ce moyen, il est donc possible de réaliser les gradients d'indice optique désirés en jouant uniquement sur la densité de micro-piliers par unité de surface.
A titre d'exemple, les nanostructures peuvent être réalisés :
- par lithographie électronique suivie d'une gravure « RIE » ou « ICP ». Comme dans le cas précédent, la variation de l'indice effectif ou de la phase est obtenue par variation locale de la taille des nanopiliers ; ou
- par croissance contrôlée de nano-tubes ou de nano-fils dont le diamètre va de quelques nanomètres à quelques dizaines de nanomètres. Par cette méthode, une variation d'indice effectif est obtenue à partir de motifs élémentaires de petite taille identiques dont la densité varie sur chaque des cellules élémentaires constituant le maillage sub-longueur d'onde, à la manière du codage des niveaux de gris en imprimerie ;
Ce dernier procédé présente l'avantage de permettre la réalisation de structures à très grand facteur de forme, c'est-à-dire des structures hautes, étroites et très denses, compte-tenu de la taille nanométrique des tubes. On peut facilement obtenir une grande variété d'indice effectif en jouant sur la densité des nanotubes ou des nanofils et coder ainsi de grands décalages de phase.
De plus, toutes les structures ont la même taille, entraînant une profondeur de gravure ou de structure constante, ce qui facilite la réalisation. Les filtres de phase réalisés selon ces procédés peuvent être en carbone ou en oxyde de zinc ou en arséniure de gallium ou en arséniure d'indium ou en phosphure de gallium-indium ou en silice ou en carbure de silice.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Système de visualisation comportant au moins un dispositif de traitement d'images (E), l'image avant traitement étant notée image initiale et l'image après traitement étant noté image traitée, un afficheur (D) présentant l'image traitée par le dispositif de traitement d'images et un dispositif de visualisation comportant :
- une première optique (L1 ) faisant de l'image traitée une image intermédiaire, ladite première optique comportant une pupille (P) ;
- une seconde optique (L2) faisant de l'image intermédiaire une image collimatée destinée à être présentée à un utilisateur, ladite seconde optique agencée de façon à former une image de la pupille au niveau de l'œil (Y) de l'observateur, ladite image étant appelé anneau oculaire (A) ;
caractérisé en ce que :
- le dispositif de visualisation comporte un filtre de correction (F) disposé au niveau de la pupille, le filtre de correction étant agencé de manière à éliminer les zéros de la fonction de transfert de modulation (MTFL) de l'ensemble optique comprenant la première optique et la seconde optique, de façon à assurer au moins qu'une image présentée par l'afficheur ne subisse pas d'inversion de contraste à travers le dispositif de visualisation ;
- le traitement d'images consiste à moduler le contraste de l'image initiale en fonction de la fréquence spatiale de la dite image initiale de façon que la variation de contraste de l'image traitée en fonction de la fréquence spatiale soit telle que l'image collimatée soit sensiblement équivalente à l'image initiale, c'est-à-dire qu'elle soit sensiblement corrigée au moins des aberrations géométriques introduites par la première et la seconde optiques.
2. Système de visualisation selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le traitement d'images et la fonction optique du filtre (F) de correction sont agencés de façon que l'image collimatée soit insensible à la défocalisation dans une plage de déplacement prédéterminée de l'image traitée autour d'une position initiale prédéterminée.
3. Système de visualisation selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le traitement d'images et la fonction optique du filtre (F) de correction sont agencés de façon que l'image collimatée soit corrigée des amétropies de l'observateur.
4. Système de visualisation selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le dispositif de visualisation comporte une lame diffusante (LD) disposée dans le plan de l'image intermédiaire.
5. Système de visualisation selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le filtre de correction comporte une correction de phase et que la variation de phase du filtre de correction est à symétrie radiale.
6. Système de visualisation selon la revendication 1 , caractérisé en ce que, le filtre de correction comporte une correction de phase, ledit filtre étant référencé dans un repère (x, y), la variation de phase du filtre de correction est un polynôme en x et en y.
7. Système de visualisation selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le filtre de correction est au moins un filtre d'amplitude, c'est-à-dire qu'il comporte des zones à transmission optique variable.
8. Système de visualisation selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que le filtre de correction est constitué de microstructures en forme de micro-piliers (μΡ) et/ou de micro-trous, les dimensions des micro-piliers et/ou des micro-trous dans le plan du filtre étant sensiblement inférieures à la longueur d'onde moyenne du spectre d'émission de l'afficheur, les dimensions des micro-piliers et/ou des micro-trous en chaque point du filtre de correction étant proportionnelle à la valeur de la phase du filtre de correction audit point.
9. Système de visualisation selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que le filtre de correction est constitué de microstructures en forme de nano-piliers (nP), les nano-piliers étant tous identiques, le diamètre moyen desdits nano-piliers étant au moins d'un ordre de grandeur inférieur à celui de la longueur d'onde moyenne du spectre d'émission de l'afficheur, la densité de nano-piliers en chaque point du filtre de correction étant proportionnelle à la valeur de la phase du filtre de correction audit point.
10. Système de visualisation selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que le filtre de correction est réalisé en un matériau diélectrique.
1 1 . Système de visualisation selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que le filtre de correction est réalisé en carbone ou en oxyde de zinc ou en arséniure de gallium ou en arséniure d'indium ou en phosphure de gallium-indium ou en silice ou en carbure de silice.
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