WO2013178925A2 - Viseur tete haute compact a faible consommation d'energie - Google Patents

Viseur tete haute compact a faible consommation d'energie Download PDF

Info

Publication number
WO2013178925A2
WO2013178925A2 PCT/FR2013/051172 FR2013051172W WO2013178925A2 WO 2013178925 A2 WO2013178925 A2 WO 2013178925A2 FR 2013051172 W FR2013051172 W FR 2013051172W WO 2013178925 A2 WO2013178925 A2 WO 2013178925A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
sub
optical
length
screen
axis
Prior art date
Application number
PCT/FR2013/051172
Other languages
English (en)
Other versions
WO2013178925A3 (fr
Inventor
Umberto Rossini
Original Assignee
Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives filed Critical Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives
Priority to CA2873665A priority Critical patent/CA2873665A1/fr
Priority to EP13728502.9A priority patent/EP2856220A2/fr
Priority to US14/403,492 priority patent/US20150103409A1/en
Publication of WO2013178925A2 publication Critical patent/WO2013178925A2/fr
Publication of WO2013178925A3 publication Critical patent/WO2013178925A3/fr

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0149—Head-up displays characterised by mechanical features
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/0006—Arrays
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
    • G02B2027/0123—Head-up displays characterised by optical features comprising devices increasing the field of view
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
    • G02B2027/0132—Head-up displays characterised by optical features comprising binocular systems
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0149—Head-up displays characterised by mechanical features
    • G02B2027/015—Head-up displays characterised by mechanical features involving arrangement aiming to get less bulky devices

Definitions

  • the present invention relates to a head-up display, also called head-up display, head-up collimator or head-up display system, compact and having a large exit pupil. More particularly, the present invention relates to such a viewfinder whose energy consumption is reduced.
  • the head-up displays also known as the HUD, of the English Head-Up Display
  • HUD augmented reality display systems
  • Such systems can be placed in the visor of a helmet, in the cockpit of an aircraft or within the cabin of a vehicle. They are thus positioned at a small distance from the eyes of the user, for example a few centimeters or tens of centimeters.
  • Figure 1 illustrates, schematically, the operation of such a device.
  • a semitransparent blade 10 is placed between the eye of the user 12 and a scene to be observed 14.
  • the objects of the scene to be observed are generally located at infinity or at an angle important distance from the observer.
  • a projection system is planned.
  • This system comprises an element for displaying an image 16, for example a screen, located at the focal point object of an optical system 18.
  • the image displayed on the screen is thus infinitely collimated by the optical system 18. The user does not have to make an effort of accommodation, which limits the visual fatigue of the latter.
  • the projection system is placed perpendicular to the axis between the scene and the observer so that the beam from the optical system 18 reaches the semi-transparent plate perpendicular to this axis.
  • the beam from the optical system 18 thus reaches the semi-transparent plate 10 at an angle of 45 ° with respect to its surface.
  • the semi-transparent plate 10 combines the image of the scene 14 and the image resulting from the projection system 16-18, from which
  • the observer 12 displays an image comprising the projected image superimposed on the image of the scene 14.
  • the observer's eye In order to visualize the image projected by the projection system 16-18, the observer's eye must be placed in the reflection zone of the beam coming from the optical system 18 on the plate 10.
  • An important constraint to be respected is to hold account possible movements of the head of the user in front of the projector, and therefore to provide a beam output of the optical system 18 as wide as possible. In other words, it is necessary to provide an optical system 18 whose output pupil is large, for example between a few centimeters and a few tens of centimeters, so that the head movements of the observer do not imply a loss of light. projected information.
  • Another constraint of head-up systems is to provide a relatively compact device. Indeed, significant space constraints weigh on these devices ⁇ sitifs, especially when used in aircraft cockpits or car interiors of limited volume. To limit the size of head-up systems, it is necessary to provide devices whose focal length is reduced.
  • An object of an embodiment of the present invention is to provide a compact head-up viewfinder having a large exit pupil.
  • An object of an embodiment of the present invention is to provide such a device whose power consumption is reduced.
  • an embodiment of the present invention provides a head-up viewfinder, comprising a set of optical subsystems formed in the same plane and whose focal length increases with the distance from the main optical axis of the viewfinder, comprising in in addition to sub-screens whose positions and dimensions are defined according to the length of the optical path, the focal distances of the optical subsystems and a maximum allowed movement length in a plane perpendicular to the optical axis and located at a distance equal to the length of the optical path, so that the information projected by all subscreens is viewed over any the authorized movement length.
  • the positions and the dimensions of the subscreens are further defined according to the average deviation between the two eyes of a person.
  • the optical subsystems are of the same dimensions, each subscreen being placed in the object focal plane of the associated optical subsystem.
  • the optical subsystems are regularly distributed in a plane perpendicular to the main optical axis of the viewfinder.
  • the projected information is an image distributed over all subscreens.
  • the subscreens are disjoint.
  • the maximum allowed movement length is zero and the view of the observer is monocular
  • the subscreens being placed symmetrically on either side of the axis.
  • main optical viewfinder each sub-screen having a length along the first axis equal to fj_L / D, fj_ being the focal length of the optical subsystem of rank i on either side of the main optical axis of the device, the subscreens being spaced edge to edge by a distance equal to L + L / 2D (f -j-f, L being the size of the optical subsystems, where D is the length of the optical path.
  • the maximum permitted movement length is non-zero and the view of the observer is monocular
  • the subscreens being placed symmetrically on either side of the main optical axis of the viewfinder, the center of a sub-screen of rank i on either side of the main optical axis of the device being placed with respect to the center of the rank i-1 sub-screen at a distance equal to L + Lf -j_ / D, each sub-screen having a length along the first axis equal to fj_ / D (L + B), within the limit of one zone, centered on the optical axis of the associated optical subsystem, of a dimension equal to: i ° 1 ⁇ 2 ( ⁇ 3 ⁇ 4) ⁇
  • the maximum allowed movement length is zero and the view of the observer is binocular, the sub-screens being placed symmetrically on the other hand.
  • each subscreen having a length along the first axis equal to fj_L / D, the center of a sub-screen of rank i on either side of the the main optical axis of the device being placed relative to the center of the rank i-1 sub-screen at a distance equal to 25 L + L / 2D (fj + f, fi and L being, respectively, the focal length and the width of the rank i subsystem, where D is the length of the optical path.
  • the maximum movement length along a first axis, the maximum movement length
  • each sub -screen having a length along the first axis equal to fj_L / D, the center 35 of a sub-screen of rank i on either side of the optical axis the principal of the device being placed relative to the center of the sub-screen of rank i-1 at a distance equal to L + Lf- j _ / D, f-j_ and L being, respectively, the focal length and the width of the sub-screen.
  • the maximum allowed movement length is greater than an average difference between the two eyes of a person and the view of the observer is binocular, the subscreens being placed symmetrically on either side of the main optical axis of the viewfinder, each sub-screen having a length along the first axis equal to f -j_ / D (L + B- y), within the limit of a zone , centered on the optical axis of the associated optical subsystem, of a dimension equal to:
  • each sub-screen consists of a matrix of organic light-emitting diode cells.
  • Figure 1 previously described, illustrates the principle of operation of a head-up display
  • Figure 2 illustrates the principle of operation of a head-up display according to an embodiment of the present invention
  • Figures 3 to 5 illustrate different observations made using the devices of Figures 1 and 2;
  • Figures 6 to 8 illustrate optical structures for determining geometric rules for designing a screen of an improved head-up display;
  • FIGS 9 and 10 illustrate the subscreen distribution according to one embodiment of the present invention.
  • a compact head-up viewfinder that is to say comprising a projection system having a space of less than a few tens of centimeters and having a large exit pupil
  • elementary projection systems each projection subsystem operating in the same way and projecting a portion of an image to be superimposed on a real image.
  • Figure 2 schematically shows a head-up viewfinder according to one embodiment.
  • the device comprises a semitransparent plate 10 which is placed between the observer 12 and a scene to be observed 14.
  • the surface of the semi-transparent plate 10 forms an angle, for example of 45.degree. axis between the scene and the observer, and does not disturb the arrival of rays from the scene to the observer.
  • the semitransparent plate can be replaced by an interference filter performing the same function as a semi-transparent plate.
  • a projection system of an image to be superimposed on the image of the scene is planned. It comprises an image source 24, for example a screen, associated with an optical system 26.
  • the projection system is placed here perpendicularly to the axis between the scene and the observer, and the beam that comes from the Optical system 26 reaches the semi-transparent plate 10 perpendicular to this axis.
  • the semi-transparent plate 10 combines, i.e. superimposes, the image of the scene 14 and the projected image from the optical system 26, whereby the observer views the superimposed projected image to the real image of the scene 14.
  • the system of Figure 2 operates in the same way as the system of Figure 1.
  • the optical system 26 comprises a set of optical subsystems 26A, 26B and 26C.
  • the image source 24, for example a screen is divided into several subscreens. In the sectional view of FIG. 2, three sub-screens 24A, 24B and 24C are shown. Note that this number may be more or less important.
  • Each sub-screen 24A, 24B and 24C is associated with an optical subsystem 26A, 26B, 26C. Contrary to what is shown, the subscreens can be shifted from the optical axes of the associated optical subsystems, as we shall see below, and be formed in separate planes.
  • the projection system therefore comprises a plurality of sub-projectors.
  • each optical subsystem has an opening, called elemental, "moderate".
  • the elementary aperture of an optical subsystem is defined as the ratio of its own focal distance to the size of its own exit pupil.
  • the parallel association of the sub-projectors thus makes it possible to obtain an optical system whose opening is particularly weak insofar as, for the same distance between screen and projection optics, a large total exit pupil is obtained. , equal to the sum exit pupils of each optical subsystem.
  • the optical system thus has a small opening while being formed of simple elementary optical structures. The compactness of the complete device is thus ensured.
  • 24A, 24B, 24C displays some of the information, the complete information being recombined by the brain of the observer. For this, the image that we want to project in augmented reality is divided into blocks that are distributed over the different subscreens.
  • the screen 24 may be comprised of a cell array comprising organic light emitting diodes ⁇ (English OLED, Organic Light-Emitting Diode) or a matrix of LCD sub-screens or picture .
  • organic light emitting diodes ⁇ English OLED, Organic Light-Emitting Diode
  • LCD sub-screens or picture a matrix of LCD sub-screens or picture .
  • one or more layers of organic materials are formed between two conductive electrodes, the assembly extending on a substrate.
  • the upper electrode is transparent or semi-transparent and is usually made of a thin layer of silver whose thickness may be of the order of a few nanometers. When a suitable voltage is applied between the two electrodes, a phenomenon of electroluminescence appears in the organic layer.
  • FIGS 3 to 5 illustrate different observations made using the devices of Figures 1 and 2.
  • FIG. 3 is illustrated an image 30 which is displayed on a screen such as the screen 16 of FIG. 1 (thus with a single-shot optic).
  • a frame 32 which surrounds the image 30, schematically represents the exit pupil of the projection device 18 of FIG. 1.
  • the exit pupil 32 is slightly wider than the displayed image. by the screen 30.
  • the observer observes all the information contained in the image 30, as long as the observer's head remains in what is called the "eye box" the device (in English eye-box or head motion box).
  • This "eye box” is defined as the space where the observer can move his head while receiving all of the projected information. In other words, as long as the observer's head remains in the eye box, he receives all the projected information.
  • FIG. 4 illustrates the view of the information by an observer, in the case where the head-up viewfinder comprises a single-pupillary optics (case of FIG. 1), when the head of the observer leaves the eye box. .
  • the exit pupil 34 portion seen by the observer
  • the image 30 which implies that only a portion 30 'of the image 30 is seen by the observer.
  • FIG. 5 illustrates the view of the information by an observer, in the case where the head-up viewfinder has a multi-pupillary optic (FIG. 2), when the head of the observer leaves the eye box.
  • the exit pupil 36 seen by the observer is shifted with respect to the image 30, which implies that only a portion 30 "of the image 30 is accessible to the observer.
  • the portion 30 is viewed in a fragmented manner.
  • each sub-projector has its own eye box.
  • the observer leaves the global eye box of the device, it also leaves the eye box of each of the projectors, which causes a frag ⁇ tation of the image seen by the observer.
  • the final image seen by the observer consists of a set of vertical bands 30 "(in the case of a lateral displacement of the observer's head) of portions of the image 30.
  • the positioning and the size of the sub-screens of a head-up viewfinder with multi-pupil optics must be adapted according to a predefined desired eye box.
  • a predefined desired eye box Various cases will be described below, starting from an eye box of zero size (only one position of the observer ensures the reception of all the information), the projected image filling the whole of the surface of the exit pupil.
  • Figures 6 to 8 illustrate optical structures for determining geometric rules for enhanced placement of OLED subscreens.
  • the goal is to determine the area of each subscreen useful when the observer closes an eye (monocular vision), that is to say the portion of each subscreen seen by the eye, if the eye is placed on the main optical axis of the device at a distance D of optical subsystems 26j_, 262- the distance D between the optical subsystems 26] _ and 262 and the observer is called optical path.
  • the optical path and hence the distance D that will be considered later, corresponds to the light path between the optical subsystems. 26 ] _ and 262 and the observer, for example through the semi-reflective plate 10.
  • FIG. 7 a device comprising three sub-projectors consisting of three sub-screens 24 ' ] , 24 * 2 and 24 * 3, formed on a substrate 40, opposite three optical subsystems 26 ' ] , 26 * 2 and 26' 3.
  • the substrate 40 is placed in the object focal plane of the optical subsystems 26 ', 26 * 2 and 26' 3.
  • the central sub-projector (24 '2, 26 * 2) has its optical axis coincident with the main optical axis of the device and the peripheral sub-projectors extend symmetrically with respect to the main optical axis of the device.
  • the portion 42 'of a peripheral sub-screen accessible in monocular vision by an eye placed on the main optical axis of the device, at a distance D from the optical system 26.
  • the surface of this sub-screen visible by an eye (monocular vision) placed on the main optical axis of the device is equal to fL / D.
  • FIG. 8 shows the case of FIG. 6 with a projector comprising two sub-projectors each consisting of a sub-screen 24 ] , 242 and an optical subsystem 26 ]. to the subscreen region which is accessible to an observer in binocular vision.
  • the two eyes of the observer R and L are placed on either side of the main optical axis of the device, at a distance y / 2 of this main optical axis (y being thus the gap between the two eyes of the observer).
  • the right eye R respectively the left eye L
  • the useful surface of the subscreen because of the superposition of the regions seen by the two eyes, the useful surface of the subscreen
  • the head of the observer In order to define the useful area of each of the subscreens in operation, it must be taken into account that the head of the observer is likely to move, according to a maximum amplitude that is predefined. Note that, vertically, the head of an observer is less subject to movement and vision is monocular. However, the following teachings apply as much to authorized vertical movement of the head as to lateral movement.
  • the maximum accepted movement length of the head (equal to the size of the eye box along a first axis, for example horizontal) will be called B.
  • B thus corresponds to the maximum peak-to-peak amplitude in motion of the accepted head.
  • Subscreen positioning rules are defined below so that if the observer's head moves in a direction a distance less than or equal to B / 2, or in an opposite direction of a distance less than or equal to B / 2, the view of the information given by all the subscreens is always complete, ie each pixel of each subscreen is seen at least by one both eyes of the observer when describing the entire eye box.
  • the sizing and positioning rules of each of the subscreens vary according to whether it is desired to have an amplitude in motion that is zero or not authorized, and that one places oneself in binocular or monocular vision. (eg binocular vision horizontally, monocular vertically).
  • the inventor has shown that the reasoning leading to the sizing of the sub-screens in a direction in which the vision is monocular with a non-zero eye box also applies to the case where the vision is binocular with an eye box B is greater than the distance between the two eyes y of the observer.
  • Figures 9 and 10 illustrate rules for positioning and sizing sub-screens and optical subsystems according to one embodiment.
  • optical sub-systems adapted to their location in the device. More particularly, the further one moves away from the main optical axis of the device, the more the optical subsystems work in extreme conditions of illumination. It is planned here to reduce the opening constraints of the optical subsystems in a progressive manner when moving away from the main optical axis of the device. For this, optical subsystems are provided whose focal length fj_ increases progressively as one moves away from the main optical axis of the device. The subscreens are placed in the focal plane of the associated optical subsystems, ie they are placed farther and farther away from the optical subsystems as we move away from the axis. main optical projection device.
  • the sub-screens 24], 242 and 243 are placed in the object focal plane of the optical subsystems 26 ] _, 262, 263 such that, in monocular vision, the reconstituted image fills the entire exit pupil.
  • the eye box has zero B dimension (the slightest movement of the observer's head implies a loss of information).
  • a simple calculation makes it possible to obtain that the subscreens have a length in the plane of the figures equal to fj_L / D, fj_ being the focal length of the associated optical subsystem.
  • the sub-screens are more or less offset from the optical axis of the associated optical subsystem, as a function of their distance from the main optical axis of the projection system.
  • regions 50 ] _, 502 and 5 ⁇ 3 which are placed in the object focal plane of optical subsystems 26 ] _, 262 and 263 and which are centered on the optical axis optical subsystems 26 ] _ to 263.
  • Each region 50 i being the rank of the sub-projector on either side of the main optical system itif
  • each sub-screen 24 ] to 243 is placed opposite a portion of the region 50 ] at 5 3 corresponding to its rank, that is to say that the sub-screens located at ends of the device are placed at the ends of the regions 50 ] _ 5 ⁇ 3 on both sides of the device.
  • the illustration of the regions 50 ] _ to 5 ⁇ 3 makes it possible to represent the part of the image that the corresponding sub-screen must display: the sub-screens at the periphery thus display a peripheral portion of the image.
  • an eye box is desired to obtain, always by monocular vision at a distance D of the projection device, a dimension equal to B] _ relatively low.
  • the solid lines delimit the zone of the visible focal plane when the eye moves to the left in the figure (by a distance B ] _ / 2) and the dashed lines delimit the zone of the visible focal plane when the 'eye moves right in the figure (from a distance B ] _ / 2).
  • the subscreen must be positioned and sized to match the field of view of visible regions at both ends of the eye box .
  • an eye box still in monocular vision at a distance D from the projection device, a dimension equal to B2 relatively large.
  • the solid line delimits the limit of the visible focal plane when the eye moves to the left in the figure (by a distance B2 / 2) and the dashed line delimits the limit of the visible focal plane when the eye moves to the right in the figure (from a distance B2 / 2).
  • each sub-screen has a dimension greater than fj_L / D.
  • the image to be superimposed on the real image is in these two cases distributed over portions of each of the subscreens of dimensions equal to fj_L / D.
  • the information displayed on the rest of the subscreens is redundant with the neighboring subscreens, which ensures the dimensions of the desired eye boxes.
  • Figures 9 and 10 provide the following sizing and positioning rules. It is chosen to form a matrix of QxQ 'sub-projectors, Q and Q' which can be odd or even. In both directions of the projector, the sub-projectors are arranged symmetrically with respect to the main optical axis of the projector.
  • the sub-screens are placed symmetrically with respect to the main optical axis of the device, have dimensions equal to fj_L / D and are spaced edge to edge by a distance L + L / 2D (f- j _-f (the center of the sub-screen of rank i is placed relative to the center of the sub-screen of rank i-1 at a distance equal to L + Lfj_ / D).
  • the subscreens have dimensions equal to fj_ / D (L + B).
  • the edge to edge of the subscreens is then less than L.
  • the magnification of the subscreens is made so as not to leave an area, centered on the optical axis of the associated optical subsystem, of a dimension equal to: the sum in the above value being the sum of the focal lengths of the optical subsystems used in the sub-projector.
  • all the subscreens have dimensions equal to fj_L / D and are distant edge to edge of a distance L + L / 2D
  • the center of the rank i sub-screen is remote from the center of the rank i-1 sub-screen of L + Lf- j _ / D.
  • the subscreens are centered in the same manner as above (the center of the subscript of rank i is placed at a distance of distance from the center of the sub-screen of rank i-1 equal to L + L / 2D (f- j _ + f) but enlarge by (By) f- j _ / 2D on both sides. therefore have a dimension equal to (L + By) fj_ / D.
  • the edge-to-edge distance of the subscreens is therefore less than L.
  • the magnification of the subscreens occurs so as not to exceed an area, centered on the optical axis of the associated optical subsystem, of a dimension equal to:
  • the sum above is the sum of the focal lengths of the optical subsystems used in the sub-projector.
  • the dimensions f 1 increasing as a function of the distance of the optical subsystems from the axis main optical device, can be defined using a ray tracing software based on optical performance expected in terms of resolution.
  • optical aberrations have two origins that accumulate: the paraxiality coming from the opening of the optics (size of the optical subsystem) and that coming from the decentering of the subscreen.
  • the dimensions fj_ are defined to compensate for the aberration provided by the decentering, while attenuating the aberration originating from the size of the optical subsystems.
  • the formation of subscreens defined in the above manner makes it possible to limit the active screen area on the surface of the substrate 40, and therefore the total consumption of the screen, while ensuring visibility of the recombined image. throughout the area of a movement of amplitude B / 2 on either side of the head of the observer.
  • the increase in the focal length of the optical subsystems as a function of their distance from the main optical axis avoids misuse of these devices.
  • the sub-screens 24-j may be formed on a substrate having a topology adapted to the different focal lengths of the associated optical subsystems 26.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Instrument Panels (AREA)

Abstract

L'invention concerne un viseur tête haute, comprenant un ensemble de sous-systèmes optiques (261, 262, 263) formés dans un même plan et dont la distance focale augmente avec l'éloignement de l'axe optique principal du viseur, comprenant en outre des sous-écrans (241, 242, 243) dont les positions et les dimensions sont définies en fonction de la longueur du trajet optique (D), des distances focales des sous-systèmes optiques et d'une longueur de mouvement maximal autorisé dans un plan perpendiculaire à l'axe optique et situé à une distance égale à la longueur du trajet optique, de sorte que l'information projetée par l'ensemble des sous-écrans soit vue sur toute la longueur de mouvement autorisé.

Description

VISEUR TETE HAUTE COMPACT A FAIBLE CONSOMMATION D ' ENERGIE
Domaine de 1 ' invention
La présente invention concerne un viseur tête haute, encore appelé afficheur tête haute, collimateur tête haute ou système de visualisation tête haute, compact et présentant une pupille de sortie de taille importante. Plus particulièrement, la présente invention concerne un tel viseur dont la consommation d'énergie est réduite.
Exposé de 1 ' art antérieur
Les viseurs tête haute, encore connus sous l'acronyme HUD, de l'anglais Head-Up Display, sont des systèmes d'affichage en réalité augmentée qui permettent d'intégrer une information visuelle sur une scène réelle vue par un observateur. En pratique, de tels systèmes peuvent être placés dans la visière d'un casque, dans le cockpit d'un avion ou au sein de l'habitacle d'un véhicule. Ils sont ainsi positionnés à faible distance des yeux de l'utilisateur, par exemple à quelques centimètres ou dizaines de centimètres.
La figure 1 illustre, de façon schématique, le fonctionnement d'un tel dispositif.
Une lame semi-transparente 10 est placée entre l'oeil de l'utilisateur 12 et une scène à observer 14. Les objets de la scène à observer sont généralement situés à l'infini ou à une distance importante de l'observateur. La lame semi-transparente
10 est placée selon un angle de 45° par rapport à l'axe entre la scène 14 et l'observateur 12, de façon à transmettre les informations provenant de la scène 14 à destination de l'observateur 12, sans altérer ces informations.
Pour projeter une image vue à la même distance que l'image réelle de la scène et la superposer à celle-ci, un système de projection est prévu. Ce système comprend un élément d'affichage d'une image 16, par exemple un écran, situé au point focal objet d'un système optique 18. L'image affichée sur l'écran est ainsi collimatée à l'infini par le système optique 18. L'utilisateur n'a pas à faire d'effort d'accommodation, ce qui limite la fatigue visuelle de ce dernier.
Le système de projection est placé perpendiculairement à l'axe entre la scène et l'observateur de façon que le faisceau issu du système optique 18 atteigne la lame semi-transparente 10 perpendiculairement à cet axe. Le faisceau issu du système optique 18 atteint ainsi la lame semi-transparente 10 avec un angle de 45° par rapport à sa surface.
La lame semi-transparente 10 combine l'image de la scène 14 et l'image issue du système de projection 16-18, d'où
11 résulte que l'observateur 12 visualise une image comprenant l'image projetée superposée à l'image de la scène 14.
Pour visualiser l'image projetée par le système de projection 16-18, l'oeil de l'observateur doit être placé dans la zone de réflexion du faisceau issu du système optique 18 sur la lame 10. Une contrainte importante à respecter est de tenir compte des mouvements possibles de la tête de l'utilisateur devant le projecteur, et donc de prévoir un faisceau en sortie du système optique 18 le plus large possible. Autrement dit, il faut prévoir un système optique 18 dont la pupille de sortie est de taille importante, comprise par exemple entre quelques centimètres et quelques dizaines de centimètres, pour que les mouvements de tête de l'observateur n'impliquent pas une perte de l'information projetée. Une autre contrainte des systèmes tête haute est de prévoir un dispositif relativement compact. En effet, des contraintes d'encombrement importantes pèsent sur ces dispo¬ sitifs, notamment lorsqu'ils sont utilisés dans des cockpits d'avion ou des habitacles automobiles de volume limité. Pour limiter l'encombrement des systèmes tête haute, il faut donc prévoir des dispositifs dont la distance focale est réduite.
Ainsi, on cherche à obtenir des dispositifs présentant une ouverture de sortie, c'est-à-dire le rapport entre la distance focale objet du système et le diamètre de la pupille de sortie du dispositif, très faible. Il est connu que la complexité d'un système optique dépend de l'ouverture de sortie de celui-ci. Plus particulièrement, plus l'ouverture d'un dispositif est faible, plus le dispositif est complexe. Plus le système optique est complexe, plus le nombre d'éléments optiques qu'il contient est important, notamment pour limiter les différentes aberrations. Cette augmentation du nombre d'éléments optiques élémentaires augmente le volume et le coût du dispositif complet, ce qui n'est pas souhaité.
En outre, il est nécessaire de prévoir des dispositifs présentant une consommation d'énergie faible.
Résumé
Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir un viseur tête haute compact présentant une pupille de sortie de taille importante.
Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir un tel dispositif dont la consommation d'énergie est réduite.
Ainsi, un mode de réalisation de la présente invention prévoit un viseur tête haute, comprenant un ensemble de sous- systèmes optiques formés dans un même plan et dont la distance focale augmente avec 1 ' éloignement de l'axe optique principal du viseur, comprenant en outre des sous-écrans dont les positions et les dimensions sont définies en fonction de la longueur du trajet optique, des distances focales des sous-systèmes optiques et d'une longueur de mouvement maximal autorisé dans un plan perpendiculaire à l'axe optique et situé à une distance égale à la longueur du trajet optique, de sorte que l'information projetée par l'ensemble des sous-écrans soit vue sur toute la longueur de mouvement autorisé.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, les positions et les dimensions des sous-écrans sont en outre définies en fonction de l'écart moyen entre les deux yeux d'une personne .
Selon un mode de réalisation de la présente invention, les sous-systèmes optiques sont de mêmes dimensions, chaque sous-écran étant placé dans le plan focal objet du sous-système optique associé.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, les sous-systèmes optiques sont répartis régulièrement dans un plan perpendiculaire à l'axe optique principal du viseur.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'information projetée est une image répartie sur l'ensemble des sous-écrans .
Selon un mode de réalisation de la présente invention, les sous-écrans sont disjoints.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, suivant un premier axe, la longueur de mouvement maximal autorisé est nulle et la vision de l'observateur est monoculaire, les sous-écrans étant placés symétriquement de part et d'autre de l'axe optique principal du viseur, chaque sous- écran présentant une longueur suivant le premier axe égale à fj_L/D, fj_ étant la distance focale du sous-système optique de rang i de part et d'autre de l'axe optique principal du dispositif, les sous-écrans étant distants bord à bord d'une distance égale à L+L/2D (f-j_-f , L étant la dimension des sous- systèmes optiques, D étant la longueur du trajet optique.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, suivant un premier axe, la longueur de mouvement maximal autorisé est non nulle et la vision de l'observateur est monoculaire, les sous-écrans étant placés symétriquement de part et d'autre de l'axe optique principal du viseur, le centre d'un sous-écran de rang i de part et d'autre de l'axe optique principal du dispositif étant placé par rapport au centre du 5 sous-écran de rang i-1 à une distance égale à L+Lf-j_/D, chaque sous-écran présentant une longueur suivant le premier axe égale à fj_/D(L+B), dans la limite d'une zone, centrée sur l'axe optique du sous-système optique associé, d'une dimension égale à : i ° ½ (∑ ¾ )■
la somme ci-dessus étant la somme des dimensions des sous- systèmes optiques utilisés dans le sous-projecteur, fj_ et L étant, respectivement, la distance focale et la largeur du sous- système optique de rang i, D étant la longueur du trajet 15 optique.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, suivant un premier axe, la longueur de mouvement maximal autorisé est nulle et la vision de l'observateur est binoculaire, les sous-écrans étant placés symétriquement de part
20 et d'autre de l'axe optique principal du viseur, chaque sous- écran présentant une longueur suivant le premier axe égale à fj_L/D, le centre d'un sous-écran de rang i de part et d'autre de l'axe optique principal du dispositif étant placé par rapport au centre du sous-écran de rang i-1 à une distance égale à 25 L+L/2D (fj_+f , fi et L étant, respectivement, la distance focale et la largeur du sous-système de rang i, D étant la longueur du trajet optique.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, suivant un premier axe, la longueur de mouvement maximal
30 autorisé est égale à un écart moyen entre les deux yeux d'une personne et la vision de l'observateur est binoculaire, les sous-écrans étant placés symétriquement de part et d'autre de l'axe optique principal du viseur, chaque sous-écran présentant une longueur suivant le premier axe égale à fj_L/D, le centre 35 d'un sous-écran de rang i de part et d'autre de l'axe optique principal du dispositif étant placé par rapport au centre du sous-écran de rang i-1 à une distance égale à L+Lf-j_/D, f-j_ et L étant, respectivement, la distance focale et la largeur du sous- système optique de rang i, D étant la longueur du trajet optique.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, suivant un premier axe, la longueur de mouvement maximal autorisé est supérieure à un écart moyen entre les deux yeux d'une personne et la vision de l'observateur est binoculaire, les sous-écrans étant placés symétriquement de part et d'autre de l'axe optique principal du viseur, chaque sous-écran présentant une longueur suivant le premier axe égale à f-j_/D(L+B- y) , dans la limite d'une zone, centrée sur l'axe optique du sous-système optique associé, d'une dimension égale à :
la somme ci-dessus étant la somme des distances focales des sous-systèmes optiques utilisés dans le sous-projecteur, fj_ et L étant, respectivement, la distance focale et la largeur du sous- système optique de rang i, D étant la longueur du trajet optique.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, chaque sous-écran est constitué d'une matrice de cellules à diodes électroluminescentes organiques.
Brève description des dessins
Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :
la figure 1, précédemment décrite, illustre le principe de fonctionnement d'un viseur tête haute ;
la figure 2 illustre le principe de fonctionnement d'un viseur tête haute selon un mode de réalisation de la présente invention ;
les figures 3 à 5 illustrent différentes observations réalisées à l'aide des dispositifs des figures 1 et 2 ; les figures 6 à 8 illustrent des structures optiques permettant la détermination de règles géométriques pour la conception d'un écran d'un viseur tête haute amélioré ; et
les figures 9 et 10 illustrent la répartition de sous- écrans selon un mode de réalisation de la présente invention.
Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures et, de plus, comme cela est habituel dans la représentation des systèmes optiques, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle.
Description détaillée
Pour obtenir un viseur tête haute compact, c'est-à- dire comprenant un système de projection présentant un encombrement inférieur à quelques dizaines de centimètres et présentant une pupille de sortie de taille importante, on prévoit de dissocier le système de projection en plusieurs sous- systèmes de projection élémentaires, chaque sous-système de projection fonctionnant de la même façon et projetant une portion d'une image à afficher en superposition d'une image réelle.
La figure 2 représente schématiquement un viseur tête haute selon un mode de réalisation.
En figure 2, le dispositif comprend une lame semi- transparente 10 qui est placée entre l'observateur 12 et une scène à observer 14. La surface de la lame semi-transparente 10 forme un angle, par exemple de 45°, avec l'axe entre la scène et l'observateur, et ne perturbe pas l'arrivée de rayons de la scène jusqu'à l'observateur. Il est à noter que la lame semi- transparente peut être remplacée par un filtre interférentiel réalisant la même fonction qu'une lame semi-transparente.
Un système de projection d'une image à superposer à l'image de la scène est prévu. Il comprend une source d'images 24, par exemple un écran, associé à un système optique 26. Le système de projection est placé ici perpendiculairement à l'axe entre la scène et l'observateur, et le faisceau qui est issu du système optique 26 atteint la lame semi-transparente 10 perpendiculairement à cet axe.
La lame semi-transparente 10 combine, c'est-à-dire superpose, l'image de la scène 14 et l'image projetée issue du système optique 26, d'où il résulte que l'observateur visualise l'image projetée superposée à l'image réelle de la scène 14. Le système de la figure 2 fonctionne donc de la même façon que le système de la figure 1.
Le système optique 26 comprend un ensemble de sous- systèmes optiques 26A, 26B et 26C. La source d'image 24, par exemple un écran, est divisée en plusieurs sous-écrans. Dans la vue en coupe de la figure 2, trois sous-écrans 24A, 24B et 24C sont représentés. On notera que ce nombre peut être plus ou moins important. Chaque sous-écran 24A, 24B et 24C est associé à un sous-système optique 26A, 26B, 26C. Contrairement à ce qui est représenté, les sous-écrans peuvent être décalés des axes optiques des sous-systèmes optiques associés, comme nous le verrons ci-après, et être formés dans des plans distincts.
On appellera ici l'ensemble formé d'un sous-écran et d'un sous-système optique un sous-projecteur. Le système de projection comporte donc une pluralité de sous-projecteurs.
En formant plusieurs sous-projecteurs parallèles, on peut obtenir un dispositif complet présentant une pupille de sortie totale (somme des tailles des pupilles de sortie de chacun des sous-projecteurs) de taille importante, tout en formant des sous-systèmes optiques simples et compacts.
En effet, chaque sous-système optique présente une ouverture, dite élémentaire, "modérée". L'ouverture élémentaire d'un sous-système optique est définie comme le rapport entre sa distance focale propre et la dimension de sa pupille de sortie propre. L'association en parallèle des sous-projecteurs permet ainsi d'obtenir un système optique dont l'ouverture est particulièrement faible dans la mesure où, pour une même distance entre écran et optique de projection, on obtient une pupille de sortie totale de taille importante, égale à la somme des pupilles de sortie de chaque sous-système optique. Le système optique présente ainsi une ouverture faible tout en étant formé de structures optiques élémentaires simples. La compacité du dispositif complet est ainsi assurée.
L'écran 24 est prévu de façon que chaque sous-écran
24A, 24B, 24C affiche une partie de l'information, l'information complète étant recombinée par le cerveau de l'observateur. Pour cela, l'image que l'on souhaite projeter en réalité augmentée est divisée en blocs qui sont répartis sur les différents sous- écrans.
A titre d'exemple, l'écran 24 peut être constitué d'une matrice de cellules comprenant des diodes électro¬ luminescentes organiques (en anglais OLED, Organic Light- Emitting Diode), voire d'une matrice de sous-écrans LCD ou cathodiques.
Dans un sous-écran OLED, une ou plusieurs couches de matériaux organiques sont formées entre deux électrodes conductrices, l'ensemble s 'étendant sur un substrat. L'électrode supérieure est transparente ou semi-transparente et est couramment constituée d'une fine couche d'argent dont l'épaisseur peut être de l'ordre de quelques nanomètres . Lorsqu'une tension adaptée est appliquée entre les deux électrodes, un phénomène d' électroluminescence apparaît dans la couche organique .
Cependant, avec un écran de type OLED, un problème d'accès aux électrodes peut se poser. En effet, pour obtenir une bonne visibilité de l'information projetée, du fait des faiblesses en transmission des dispositifs susceptibles d'être placés en sortie de l'écran, il est nécessaire d'atteindre une luminance en sortie des sous-écrans de l'ordre de 20000 Cd/m^. Pour obtenir une telle luminance, il est nécessaire d'envoyer des courants importants dans l'électrode supérieure de la structure OLED, typiquement de l'ordre de quelques ampères à une dizaine d'ampères. Cependant, une couche d'argent de quelques nanomètres d'épaisseur ne peut supporter un tel ampérage. Ainsi, on cherche à diminuer la quantité de courant à apporter à un écran OLED, ou à former un écran de surface réduite. On prévoit ici de former des dispositifs dans lesquels les sous-écrans sont placés par rapport aux sous-systèmes optiques et sont dimensionnés de façon optimisée pour assurer la réalisation pratique du système de projection du viseur tête haute .
Les figures 3 à 5 illustrent différentes observations réalisées à l'aide des dispositifs des figures 1 et 2.
En figure 3 est illustrée une image 30 qui est affichée sur un écran tel que l'écran 16 de la figure 1 (donc avec une optique mono-pupi11aire) . Un cadre 32, qui entoure l'image 30, représente schématiquement la pupille de sortie du dispositif de projection 18 de la figure 1. Dans l'exemple de la figure 3, la pupille de sortie 32 est légèrement plus large que l'image affichée par l'écran 30. Dans ce cas, l'observateur observe l'ensemble de l'information contenue dans l'image 30, tant que la tête de l'observateur reste dans ce que l'on appelle la "boîte à oeil" du dispositif (en anglais eye-box ou head motion box) .
Cette "boîte à oeil" est définie comme étant l'espace où 1 ' observateur peut bouger la tête tout en recevant l'intégralité de l'information projetée. En d'autres termes, tant que la tête de l'observateur reste dans la boîte à oeil, il réceptionne l'ensemble de l'information projetée.
En figure 4 est illustrée la vision de l'information par un observateur, dans le cas où le viseur tête haute comprend une optique mono-pupillaire (cas de la figure 1) , lorsque la tête de l'observateur sort de la boîte à oeil. Dans ce cas, la pupille de sortie 34 (portion vue par l'observateur) est décalée par rapport à l'image 30, ce qui implique que seule une portion 30' de l'image 30 est vue par l'observateur.
En figure 5 est illustrée la vision de l'information par un observateur, dans le cas où le viseur tête haute a une optique multi-pupillaire (figure 2), lorsque la tête de l'observateur sort de la boîte à oeil. Dans ce cas, la pupille de sortie 36 vue par l'observateur est décalée par rapport à l'image 30, ce qui implique que seule une portion 30" de l'image 30 est accessible par l'observateur. En outre, du fait de la structure multi-pupillaire de la figure 2, la portion 30" est vue de façon fragmentée. En effet, dans le cas d'une optique multi-pupillaire, l'image étant projetée par un ensemble de sous-projecteurs, chaque sous-projecteur présente sa propre boîte à oeil. Ainsi, lorsque l'observateur sort de la boîte à oeil globale du dispositif, il sort également de la boîte à oeil de chacun des sous-projecteurs, ce qui provoque une fragmen¬ tation de l'image vue par l'observateur. Il en résulte que l'image finale vue par l'observateur est constituée d'un ensemble de bandes verticales 30" (dans le cas d'un déplacement latéral de la tête de l'observateur) de portions de l'image 30.
Ainsi, le positionnement et la taille des sous-écrans d'un viseur tête haute à optique multi-pupillaire doivent être adaptés en fonction d'une boîte à oeil souhaitée prédéfinie. On décrira ci-après différents cas, en partant d'une boîte à oeil de taille nulle (seule une position de l'observateur assure la réception de l'ensemble de l'information), l'image projetée remplissant l'ensemble de la surface de la pupille de sortie.
Les figures 6 à 8 illustrent des structures optiques permettant la détermination de règles géométriques pour le placement amélioré de sous-écrans OLED.
En figure 6, on considère un système optique comprenant deux sous-écrans 24]_ et 242 placés, sur un même substrat 40, en regard de deux sous-systèmes optiques 26]_ et 262- Les sous-écrans sont placés au plan focal objet des sous- systèmes optiques (la distance séparant les sous-systèmes optiques et les sous-écrans est égale à la distance focale objet f des sous-systèmes optiques) . Dans cet exemple, les sous-écrans 24]_ et 242 et ^-es sous-systèmes optiques 26]_ et 262 s'étendent symétriquement de part et d'autre de l'axe optique principal du dispositif. Dans cette figure, le but est de déterminer la surface de chaque sous-écran utile lors que l'observateur ferme un oeil (vision monoculaire), c'est-à-dire la portion de chaque sous- écran vue par l'oeil, si l'oeil est placé sur l'axe optique principal du dispositif à une distance D des sous-systèmes optiques 26j_, 262- La distance D entre les sous-systèmes optiques 26]_ et 262 et l'observateur est appelée trajet optique. On notera que, dans le cas d'un viseur tête haute tel que celui de la figure 2, le trajet optique, et donc la distance D que 1 ' on va considérer par la suite, correspond au trajet lumineux entre les sous-systèmes optiques 26]_ et 262 et l'observateur, en passant par exemple par la lame semi-réfléchissante 10.
Comme cela est représenté en figure 6, seule une portion 42 d'un sous-écran 24]_ est vue par l'oeil de l'observateur. Ainsi, si on considère un observateur immobile tel que celui de la figure 6 (boîte à oeil de taille nulle et vision monoculaire) , seule la portion 42 du sous-écran est une portion utile à l'observation. Le reste de l'écran peut ainsi être déconnecté, ou encore l'écran 24]_ peut être réduit à la seule portion 42, pour une même visibilité de l'information (en projetant l'ensemble de l'information sur la portion 42 de l'écran 24]_) . Cette idée est à la base du dimensionnement des sous-écrans proposé ici.
La portion 42 du sous-écran 24]_ accessible par l'oeil a une dimension fL/D, L étant le diamètre du sous-système optique 26j_, le bord de la portion 42 étant situé à une distance d=L/2 de l'axe optique principal.
Dans l'exemple de la figure 7 est représenté un dispositif comprenant trois sous-projecteurs constitués de trois sous-écrans 24']_, 24*2 et 24*3, formés sur un substrat 40, en regard de trois sous-systèmes optiques 26']_, 26*2 et 26 '3. Le substrat 40 est placé dans le plan focal objet des sous-systèmes optiques 26' j_, 26*2 et 26 '3. Le sous-projecteur central (24 '2, 26*2) a son axe optique confondu avec l'axe optique principal du dispositif et les sous-projecteurs périphériques s'étendent symétriquement par rapport à 1 ' axe optique principal du dispositif. Ici, on considère la portion 42' d'un sous-écran périphérique accessible en vision monoculaire par un oeil placé sur l'axe optique principal du dispositif, à une distance D du système optique 26.
Dans ce cas, on obtient que la portion 42' du sous- écran 24']_ périphérique accessible à l'oeil a une dimension égale à fL/D, L étant le diamètre du sous-système optique 26']_, le bord de la portion 42' étant situé à une distance d'=L+fL/2D de l'axe optique principal, L étant le diamètre des sous- systèmes optiques 26']_, 26*2, 26*3.
En outre, quelle que soit la position d'un sous-écran dans un dispositif comprenant un nombre pair ou impair de sous- écrans, la surface de ce sous-écran visible par un oeil (vision monoculaire) placé sur l'axe optique principal du dispositif est égale à fL/D.
La figure 8 reprend le cas de la figure 6 avec un projecteur comprenant deux sous-projecteurs constitués chacun d'un sous-écran 24]_, 242 et d'un sous-système optique 26]_, 262- On s'intéresse ici à la région des sous-écrans qui est accessible à un observateur en vision binoculaire. Dans notre cas, en vue de dessus, les deux yeux de l'observateur R et L sont placés de part et d'autre de l'axe optique principal du dispositif, à une distance y/2 de cet axe optique principal (y étant ainsi l'écart entre les deux yeux de l'observateur).
Dans ce cas, l'oeil droit R, respectivement l'oeil gauche L, voit une portion 42R, respectivement 42L, du sous- écran 24]_ d'une surface égale à fL/D, avec les mêmes références que précédemment. Cependant, du fait de la superposition des régions vues par les deux yeux, la surface utile du sous-écran
24]_, c'est-à-dire la surface de l'écran 24 qui est vue au moins par un oeil de l'utilisateur, présente une largeur égale à fL/D+fy/2D. On prévoit ici de limiter la taille des écrans à la taille utile, c'est-à-dire réellement vue par l'observateur. On peut ainsi réduire la consommation du dispositif.
Pour définir la surface utile de chacun des sous- écrans en fonctionnement, il faut tenir compte du fait que la tête de 1 ' observateur est susceptible de bouger, selon une amplitude maximale que l'on prédéfinit. On notera que, verticalement, la tête d'un observateur est moins sujette aux mouvements et la vision est monoculaire. Cependant, les enseignements ci-après s'appliquent autant à un mouvement vertical autorisé de la tête qu'à un mouvement latéral.
On appellera par la suite B la longueur de mouvement maximal accepté de la tête (égale à la taille de la boîte à oeil suivant un premier axe, par exemple horizontal) . B correspond ainsi à l'amplitude maximale crête à crête en mouvement de la tête acceptée. On définit ci-après des règles de positionnement des sous-écrans de telle façon que, si la tête de l'observateur bouge dans une direction d'une distance inférieure ou égale à B/2, ou dans une direction opposée d'une distance inférieure ou égale à B/2, la vision de l'information donnée par l'ensemble des sous-écrans soit toujours entière, c'est-à-dire que chaque pixel de chaque sous-écran soit vu au moins par l'un des deux yeux de l'observateur lorsque l'on décrit toute la boîte à oeil.
Comme on le verra ci-après, les règles de dimensionnement et de positionnement de chacun des sous-écrans varient en fonction que l'on souhaite une amplitude en mouvement autorisé nulle ou non, et que l'on se place en vision binoculaire ou monoculaire (par exemple vision binoculaire horizontalement, monoculaire verticalement) . En particulier, l'inventeur a montré que le raisonnement conduisant au dimensionnement des sous-écrans dans une direction dans laquelle la vision est monoculaire avec une boîte à oeil non nulle s'applique également au cas où la vision est binoculaire avec une boîte à oeil B de valeur supérieure à la distance entre les deux yeux y de l'observateur. Les figures 9 et 10 illustrent des règles de positionnement et de dimensionnement de sous-écrans et de sous- systèmes optiques selon un mode de réalisation.
Dans ces deux figures, on prévoit un dispositif comprenant un nombre Q = 5 de sous-écrans 24-j_ (i étant le rang du sous-écran de part et d'autre de l'axe optique principal du dispositif) placés en regard de cinq sous-systèmes optiques 26j_.
On prévoit ici, outre de dimensionner les sous-écrans à leur surface minimum pour que la vision de l'information soit complète quel que soit le placement de l'utilisateur en face du système optique (longueur de mouvement total accepté B, c'est-à- dire amplitude maximale du mouvement égale à B/2) , d'utiliser des sous-systèmes optiques adaptés à leur emplacement dans le dispositif. Plus particulièrement, plus on s'éloigne de l'axe optique principal du dispositif, plus les sous-systèmes optiques travaillent dans des conditions extrêmes d' éclairement . On prévoit ici de réduire les contraintes d'ouverture des sous- systèmes optiques de façon progressive lorsque l'on s'éloigne de l'axe optique principal du dispositif. Pour cela, on prévoit des sous-systèmes optiques dont la distance focale fj_ augmente de façon progressive au fur et à mesure que l'on s'éloigne de l'axe optique principal du dispositif. Les sous-écrans sont placés dans le plan focal des sous-systèmes optiques associés, c'est-à- dire qu'ils sont placés de plus en plus loin des sous-systèmes optiques lorsque l'on s'éloigne de l'axe optique principal du dispositif de projection.
Ainsi, les sous-systèmes optiques 26 (i étant le rang du sous-projecteur depuis l'axe optique principal du système de projection) , dans le cas des figures 9 et 10, présentent des distances focales croissantes en fonction de leur éloignement de l'axe optique principal du dispositif. On notera que les définitions ci-dessous s'appliquent autant pour un nombre pair ou impair de sous-systèmes de projection. Dans le cas d'un nombre impair de sous-systèmes, le rang i=l correspond au sous- système de projection dont l'axe optique est confondu avec l'axe optique principal du dispositif.
Dans ces figures, les sous-écrans 24]_, 242 et 243 (de part et d'autre de l'axe optique principal du dispositif) sont placés dans le plan focal objet des sous-systèmes optiques 26]_, 262, 263, de façon que, en vision monoculaire, l'image reconstituée remplisse toute la pupille de sortie. Ainsi, dans ce cas, la boîte à oeil a une dimension B nulle (le moindre mouvement de la tête de 1 ' observateur implique une perte d'information). Un calcul simple permet d'obtenir que les sous- écrans présentent une longueur dans le plan des figures égale à fj_L/D, fj_ étant la distance focale du sous-système optique associé .
Dans le cas des figures 9 et 10, les sous-écrans sont plus ou moins décalés de l'axe optique du sous-système optique associé, en fonction de leur éloignement de l'axe optique principal du système de projection. Dans ces figures sont représentés pour illustration des régions 50]_, 5Û2 et 5Ο3 qui sont placées dans le plan focal objet des sous-systèmes optiques 26]_, 262 et 263 et qui sont centrées sur l'axe optique des sous- systèmes optiques 26]_ à 263. Chaque région 50 (i étant le rang du sous-projecteur de part et d'autre du système optique principal itif) présente une longueur égale à :
Figure imgf000017_0001
la somme dans la valeur ci-dessus étant la somme des distances focales des sous-systèmes optiques utilisés dans le sous- projecteur, dans notre cas L (f]_+2f2+2f3) /D. On voit dans ce cas que chaque sous-écran 24]_ à 243 est placé en regard d'une portion de la région 50]_ à 5Ο3 correspondant à son rang, c'est- à-dire que les sous-écrans situés aux extrémités du dispositif sont placés aux extrémités des régions 50]_ à 5Ο3 de part et d'autre du dispositif. En outre, l'illustration des régions 50]_ à 5Ο3 permet de représenter la partie de l'image que doit afficher le sous-écran correspondant : les sous-écrans en périphérie affichent ainsi une portion périphérique de l'image. En figure 9, on cherche à obtenir une boîte à oeil, toujours en vision monoculaire à une distance D du dispositif de projection, d'une dimension égale à B]_ relativement faible. Dans cette figure, les traits pleins délimitent la zone du plan focal visible lorsque l'oeil se déplace à gauche dans la figure (d'une distance B]_/2) et les traits en pointillés délimitent la zone du plan focal visible lorsque l'oeil se déplace à droite dans la figure (d'une distance B]_/2) .
Si on veut voir une image complète quelle que soit la position de l'oeil dans la boîte à oeil, le sous-écran doit être positionné et dimensionné de façon à correspondre au champ de recouvrement des régions visibles aux deux extrémités de la boîte à oeil. Cependant, pour éviter les phénomènes de fragmentation présentés en relation avec la figure 5, les sous- écrans doivent être grossis d'une distance f-j_B/2D de part et d'autre du sous-écran, avec ici B = B]_.
En figure 10, on prévoit une boîte à oeil, toujours en vision monoculaire à une distance D du dispositif de projection, d'une dimension égale à B2 relativement importante. Dans cette figure, le trait plein délimite la limite du plan focal visible lorsque l'oeil se déplace à gauche dans la figure (d'une distance B2/2) et le trait en pointillés délimite la limite du plan focal visible lorsque l'oeil se déplace à droite dans la figure (d'une distance B2/2) .
Dans le cas de la boîte à oeil de dimension B2, si on prévoit d'augmenter la taille des sous-écrans de chaque côté de f-j_B/2D, avec ici B = B2, on voit dans ce cas que, pour un des côtés, ce n'est pas la peine de grossir autant le sous-écran, la portion du sous-écran 24-j_ dépassant de la région 50 correspondante étant inutile. Ainsi, les sous-écrans périphé¬ riques (dans notre cas les sous-écrans 243) ne doivent grossir que dans une direction.
On notera que, dans un cas où la vision est considérée comme étant monoculaire avec une boîte à oeil non nulle, ou dans le cas où la vision est considérée comme étant binoculaire avec une boîte à oeil supérieure à y, chaque sous-écran présente une dimension supérieure à fj_L/D. L'image à superposer à l'image réelle est dans ces deux cas répartie sur des portions de chacun des sous-écrans de dimensions égales à fj_L/D. L'information affichée sur le reste des sous-écrans est redondante avec les sous-écrans voisins, ce qui assure les dimensions des boîtes à oeil désirées.
Les figures 9 et 10 permettent d'obtenir les règles de dimensionnement et de positionnement suivantes. On choisit de former une matrice de QxQ' sous-projecteurs, Q et Q' pouvant être pairs ou impairs. Dans les deux directions du projecteur, les sous-projecteurs sont disposés de façon symétrique par rapport à l'axe optique principal du projecteur.
En vision monoculaire, par exemple suivant l'axe vertical de l'observateur, si l'on souhaite une boîte à oeil nulle (B = 0) , les sous-écrans sont placés symétriquement par rapport à l'axe optique principal du dispositif, présentent des dimensions égales à fj_L/D et sont distants bord à bord d'une distance L+L/2D (f-j_-f (le centre du sous-écran de rang i est placé par rapport au centre du sous-écran de rang i-1 à une distance égale à L+Lfj_/D) .
Si l'on souhaite une boîte à oeil non nulle (B ≠ 0) , les sous-écrans sont placés symétriquement et sont centrés de la même façon que dans le cas d'une boîte à oeil nulle (le centre du sous-écran de rang i est placé par rapport au centre du sous- écran de rang i-1 à une distance égale à L+Lfj_/D) , mais présentent des dimensions augmentées de f-j_B/2D de chaque côté par rapport au cas où B = 0. Ainsi, les sous-écrans présentent des dimensions égales à fj_/D(L+B). La distance bord à bord des sous-écrans est alors inférieure à L. Le grossissement des sous- écrans est réalisé de façon à ne pas sortir d'une zone, centrée sur l'axe optique du sous-système optique associé, d'une dimension égale à : la somme dans la valeur ci-dessus étant la somme des distances focales des sous-systèmes optiques utilisés dans le sous- projecteur.
En vision binoculaire, par exemple suivant l'axe horizontal de l'observateur, si l'on souhaite une boîte à oeil nulle (B = 0) , les sous-écrans présentent des dimensions égales à fj_L/D et sont distants bord à bord d'une distance L. Ainsi, les centres des sous-écrans sont distants d'une distance égale à L+L/2D (fj_+f · Les sous-écrans périphériques ont quant à eux une dimension égale à (L+y/2) fj_/D, y étant l'écart entre les deux yeux d'une personne. On notera que, dans la littérature, l'écart moyen ymQy entre les deux yeux d'une personne est compris entre 60 et 70 mm, typiquement de l'ordre de ymQy = 65 mm. Ainsi, en pratique, on pourra prendre y = ym0y
Si l'on souhaite une boîte à oeil égale à la distance y entre les yeux de l'observateur, tous les sous-écrans ont des dimensions égales à fj_L/D et sont distants bord à bord d'une distance L+L/2D (f-j_-f . Ainsi, le centre du sous-écran de rang i est distant du centre du sous-écran de rang i-1 de L+Lf-j_/D.
Si l'on souhaite une boîte à oeil supérieure à la distance y entre les yeux de l'observateur, les sous-écrans sont centrés de la même façon que ci-dessus (le centre du sous-écran de rang i est placé à une distance du centre du sous-écran de rang i-1 égale à L+L/2D (f-j_+f ) mais grossissent de (B-y)f-j_/2D de part et d'autre. Les sous-écrans présentent donc une dimension égale à (L+B-y) fj_/D. La distance bord à bord des sous- écrans est donc inférieure à L. Le grossissement des sous-écrans se produit de façon à ne pas dépasser d'une zone, centrée sur l'axe optique du sous-système optique associé, d'une dimension égale à :
Figure imgf000020_0001
la somme ci-dessus étant la somme des distances focales des sous-systèmes optiques utilisés dans le sous-projecteur.
On notera que les dimensions fj_, croissantes en fonction de 1 ' éloignement des sous-systèmes optiques de l'axe optique principal du dispositif, peuvent être définies à l'aide d'un logiciel de tracés de rayons en fonction des performances optiques attendues en termes de résolution. En effet, les aberrations optiques ont deux origines qui se cumulent : la paraxialité provenant de l'ouverture de l'optique (taille du sous-système optique) et celle provenant du décentrage du sous- écran. Les dimensions fj_ sont définies pour compenser l'aberration apportée par le décentrage, tout en atténuant l'aberration provenant de la taille des sous-systèmes optiques.
Avantageusement, la formation de sous-écrans définis de la façon ci-dessus permet de limiter la surface d'écran active en surface du substrat 40, et donc la consommation totale de l'écran, tout en assurant une visibilité de l'image recombinée dans toute la zone d'un mouvement d'amplitude B/2 de part et d'autre de la tête de l'observateur. En outre, l'augmentation de la distance focale des sous-systèmes optiques en fonction de leur éloignement de 1 ' axe optique principal évite une mauvaise utilisation de ces dispositifs.
En pratique, les sous-écrans 24-j_ pourront être formés sur un substrat présentant une topologie adaptée aux différentes distances focales des sous-systèmes optiques 26 associés.
Des modes de réalisation particuliers de la présente invention ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, on notera que 1 ' on a présenté ici l'invention avec des sous-écrans constitués par exemple d'OLED, mais on comprendra que l'invention s'applique également à des systèmes de projection dans lesquels les écrans sont constitués d'éléments différents de diodes OLED, tant que les dimensions de chacun des sous-écrans proposées ci- dessus sont respectées.
En outre, divers modes de réalisation avec diverses variantes ont été décrits ci-dessus. On notera que l'homme de 1 ' art pourra combiner divers éléments de ces divers modes de réalisation et variantes sans faire preuve d'activité inventive. On notera en outre que la réalisation du système de projection proposée ici est également compatible avec d'autres réalisations dans lesquelles les sous-systèmes optiques présentent des dimensions décroissantes avec leur éloignement de l'axe optique principal du dispositif.

Claims

REVENDICATIONS
1. Viseur tête haute, comprenant un ensemble de sous- systèmes optiques (26]_, 262, 263) formés dans un même plan et dont la distance focale augmente avec 1 ' éloignement de l'axe optique principal du viseur, comprenant en outre des sous-écrans (24]_, 242, 243) dont les positions et les dimensions sont définies en fonction de la longueur du trajet optique (D) , des distances focales des sous-systèmes optiques et d'une longueur de mouvement maximal autorisé (B) dans un plan perpendiculaire à l'axe optique et situé à une distance égale à la longueur du trajet optique, de sorte que l'information projetée par l'ensemble des sous-écrans soit vue sur toute la longueur de mouvement autorisé.
2. Viseur selon la revendication 1, dans lequel les positions et les dimensions des sous-écrans (24]_, 242, 243) sont en outre définies en fonction de l'écart moyen entre les deux yeux (y) d'une personne.
3. Viseur selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les sous-systèmes optiques (26]_, 262, 263) sont de mêmes dimensions, chaque sous-écran étant placé dans le plan focal objet du sous-système optique associé.
4. Viseur selon la revendication 3, dans lequel les sous-systèmes optiques (26]_, 262, 263) sont répartis régu¬ lièrement dans un plan perpendiculaire à 1 ' axe optique principal du viseur.
5. Viseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel l'information projetée est une image répartie sur l'ensemble des sous-écrans (24]_, 242, 243).
6. Viseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel les sous-écrans (24]_, 242, 243) sont disjoints.
7. Viseur selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, dans lequel, suivant un premier axe, ladite longueur de mouvement maximal autorisé (B) est nulle et la vision de l'observateur est monoculaire, les sous-écrans étant placés symétriquement de part et d'autre de l'axe optique principal du viseur, chaque sous-écran présentant une longueur suivant ledit premier axe égale à fj_L/D, fj_ étant la distance focale du sous- système optique de rang i de part et d'autre de l'axe optique principal du dispositif, les sous-écrans étant distants bord à bord d'une distance égale à L+L/2D (f-j_-f , L étant la dimension des sous-systèmes optiques, D étant la longueur du trajet optique.
8. Viseur selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, dans lequel, suivant un premier axe, ladite longueur de mouvement maximal autorisé (B) est non nulle et la vision de l'observateur est monoculaire, les sous-écrans étant placés symétriquement de part et d'autre de l'axe optique principal du viseur, le centre d'un sous-écran de rang i de part et d'autre de l'axe optique principal du dispositif étant placé par rapport au centre du sous-écran de rang i-1 à une distance égale à L+Lf-j_/D, chaque sous-écran présentant une longueur suivant ledit premier axe égale à fj_/D(L+B), dans la limite d'une zone, centrée sur l'axe optique du sous-système optique associé, d'une dimension égale à : ½(∑½)'
la somme ci-dessus étant la somme des dimensions des sous- systèmes optiques utilisés dans le sous-projecteur, fj_ et L étant, respectivement, la distance focale et la largeur du sous- système optique de rang i, D étant la longueur du trajet optique.
9. Viseur selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, dans lequel, suivant un premier axe, ladite longueur de mouvement maximal autorisé (B) est nulle et la vision de l'observateur est binoculaire, les sous-écrans étant placés symétriquement de part et d'autre de l'axe optique principal du viseur, chaque sous-écran présentant une longueur suivant ledit premier axe égale à fj_L/D, le centre d'un sous-écran de rang i de part et d'autre de l'axe optique principal du dispositif étant placé par rapport au centre du sous-écran de rang i-1 à une distance égale à L+L/2D (fj_+f , et L étant, respec- tivement, la distance focale et la largeur du sous-système de rang i, D étant la longueur du trajet optique.
10. Viseur selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, dans lequel, suivant un premier axe, ladite longueur de mouvement maximal autorisé (B) est égale à un écart moyen entre les deux yeux (y) d'une personne et la vision de l'observateur est binoculaire, les sous-écrans étant placés symétriquement de part et d'autre de l'axe optique principal du viseur, chaque sous-écran présentant une longueur suivant ledit premier axe égale à fj_L/D, le centre d'un sous-écran de rang i de part et d'autre de l'axe optique principal du dispositif étant placé par rapport au centre du sous-écran de rang i-1 à une distance égale à L+Lf-j_/D, f-j_ et L étant, respectivement, la distance focale et la largeur du sous-système optique de rang i, D étant la longueur du trajet optique.
11. Viseur selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, dans lequel, suivant un premier axe, ladite longueur de mouvement maximal autorisé (B) est supérieure à un écart moyen entre les deux yeux (y) d'une personne et la vision de l'observateur est binoculaire, les sous-écrans étant placés symétriquement de part et d'autre de l'axe optique principal du viseur, chaque sous-écran présentant une longueur suivant ledit premier axe égale à fj_/D (L+B-y) , dans la limite d'une zone, centrée sur l'axe optique du sous-système optique associé, d'une dimension égale à :
la somme ci-dessus étant la somme des distances focales des sous-systèmes optiques utilisés dans le sous-projecteur, fj_ et L étant, respectivement, la distance focale et la largeur du sous- système optique de rang i, D étant la longueur du trajet optique .
12. Viseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, dans lequel chaque sous-écran (24]_, 242, 243) est constitué d'une matrice de cellules à diodes électro- luminescentes organiques.
PCT/FR2013/051172 2012-05-28 2013-05-27 Viseur tete haute compact a faible consommation d'energie WO2013178925A2 (fr)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CA2873665A CA2873665A1 (fr) 2012-05-28 2013-05-27 Viseur tete haute compact a faible consommation d'energie
EP13728502.9A EP2856220A2 (fr) 2012-05-28 2013-05-27 Viseur tete haute compact a faible consommation d'energie
US14/403,492 US20150103409A1 (en) 2012-05-28 2013-05-27 Compact and energy-efficient head-up display

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1254899 2012-05-28
FR1254899A FR2991061B1 (fr) 2012-05-28 2012-05-28 Viseur tete haute compact a faible consommation d'energie

Publications (2)

Publication Number Publication Date
WO2013178925A2 true WO2013178925A2 (fr) 2013-12-05
WO2013178925A3 WO2013178925A3 (fr) 2014-03-13

Family

ID=47172745

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/FR2013/051172 WO2013178925A2 (fr) 2012-05-28 2013-05-27 Viseur tete haute compact a faible consommation d'energie

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20150103409A1 (fr)
EP (1) EP2856220A2 (fr)
CA (1) CA2873665A1 (fr)
FR (1) FR2991061B1 (fr)
WO (1) WO2013178925A2 (fr)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10539791B2 (en) 2014-09-02 2020-01-21 Ostendo Technologies, Inc. Split exit pupil multiple virtual image heads-up display systems and methods
US10845591B2 (en) 2016-04-12 2020-11-24 Ostendo Technologies, Inc. Split exit pupil heads-up display systems and methods

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2611926B1 (fr) * 1987-03-03 1989-05-26 Thomson Csf Dispositif de visualisation collimatee en relief
US20040108971A1 (en) * 1998-04-09 2004-06-10 Digilens, Inc. Method of and apparatus for viewing an image
DE102006047941B4 (de) * 2006-10-10 2008-10-23 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Vorrichtung zur Homogenisierung von Strahlung mit nicht regelmäßigen Mikrolinsenarrays
US9223137B2 (en) * 2010-10-08 2015-12-29 Seiko Epson Corporation Virtual image display apparatus

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
None

Also Published As

Publication number Publication date
CA2873665A1 (fr) 2013-12-05
FR2991061A1 (fr) 2013-11-29
US20150103409A1 (en) 2015-04-16
EP2856220A2 (fr) 2015-04-08
FR2991061B1 (fr) 2015-02-27
WO2013178925A3 (fr) 2014-03-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
FR2959022A1 (fr) Dispositif de visualisation a "combineur" optique corrige des aberrations chromatiques
EP2960715A1 (fr) Dispositif de projection d'une image
FR3034531A1 (fr) Affichage tete haute auto-stereoscopie du vehicule et procede pour generer une telle image
EP3438725B1 (fr) Systeme de visualisation comportant un dispositif optique holographique permettant d'afficher des images dans des plans differents
WO2013178925A2 (fr) Viseur tete haute compact a faible consommation d'energie
EP2273303A1 (fr) Viseur tête haute à combinaison optique assurant la protection contre l'éclairement solaire
EP2845046A1 (fr) Viseur tête haute compact a faible consommation d'énergie
WO2013178926A2 (fr) Viseur tete haute compact a faible consommation d'energie
FR2989790A1 (fr) Dispositif de visualisation adapte a fournir un champ visuel etendu.
WO2013160613A1 (fr) Viseur tête haute compact a grande pupille de sortie
EP2856242A2 (fr) Viseur tete haute compact a faible consommation d'energie
FR3039902B1 (fr) Module generateur d'images pour un affichage tete haute
EP3017333B1 (fr) Viseur tete-haute
EP2808724B1 (fr) Dispositif d'affichage d'images en réalité augmentée
EP2700985B1 (fr) Viseur tête haute compact
FR3060140B1 (fr) Afficheur tete haute
FR3115894A1 (fr) Appareil de projection d’images et unité de pilotage associée
FR3000231A1 (fr) Systeme et procede d'affichage d'informations pour vehicules automobile

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 13728502

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A2

REEP Request for entry into the european phase

Ref document number: 2013728502

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2013728502

Country of ref document: EP

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2873665

Country of ref document: CA

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 14403492

Country of ref document: US