Brevet FR2118067A1 — publié le 19720728

kklll i 2118067 ,v L'évolution des équipements d'avions a nécessité la mise au point de dispositifs perfectionnés pour fournir aux pilotes des informations tout en ne les distrayant pas de l'observation de l'espace aérien et du sol. Une telle information est présentée 5 de la meilleure façon et assimilée le plus aisément sous forme d'une information visuelle entrant dans le champ normal de vision. Le dispositif d'affichage à hauteur des yeux, désigné également par le symbole HUD, qui apporte une solution à ce problème fait l'objet de recherches et d'inventions spécifiques. Dans un mode 10 de réalisation d'un dispositif HUD, on place une feuille formée d'un verre relativement transparent dans le champ normal de vision d'un pilote en lui donnant une inclinaison telle qu'une lumière projetée sur une surface du verre soit réfléchie vers le pilote. Le terme "verre de combinaison" découle du fait que plusieurs 15 images optiques sont combinées. La lumière projetée peut reproduire l'une des différentes images comprenant par exemple des images de cadrans d'instruments, de symboles, -une augmentation de vision ou une synthèse de vision, produites par différents moyens tels que des sources lumineuses, des balayages de trames ou bien 20 par calligraphie sur des tubes cathodiques. Entre autres applications, le dispositif HUD facilite l'établissement d'un centre de pointage, parfois sous la forme d'un réticule circulaire éclairé, dans des avions militaires armés. Des dispositifs d'affichage à hauteur des yeux, mis au point 25 en passant de verres de combinaison réflecteurs plans à des verres de combinaison profilés, ont été associés à des projecteurs spéciaux et on a utilisé des éléments optiques intermédiaires pour améliorer les performances optiques par élimination de la parallaxe et d'autres défauts. Des problèmes particuliers se sont posés 30 pour mettre au point un dispositif de pointage qui semble pour le pilote être situé dans la zone de cible et qui soit dëplaçable afin de permettre le réglage d'une arme en tenant compte de son type, de la gravité et des vitesses relatives de cibles mobiles. On effectue une collimation de lumière pour produire une image 35 virtuelle à une certaine distance en faisant généralement passer la lumière dans des lentilles avant sa réflection par le verre de combinaison. On a résolu de différentes manières le problème consistant à faire déplacer avec précision un centre de pointage pour définir une ligne correcte de visée en utilisant des sources 71 44777 2 2118067 lumineuses mobiles, des systèmes optiques de prçjection et des verres de combinaison de profils spéciaux.-, L'invention consiste, sous sa forme générique, à utiliser un élément optique de diffraction dans un verre de combinaison afin 5 d'exploiter des phénomènes de diffraction pour combiner la lumière avec ou sans collimation simultanée. Cela supprime également la nécessité de prévoir certains éléments optiques supplémentaires souvent employés, par exemple pour assurer la collimation ou une autre concentration de la lumière transmettant une image d'un 10 centre de pointage avant qu'elle n'atteigne un verre de combinaison. L'invention permet entre autres la projectipn de l'image secondaire à partir de l'arrière de l'élément de combinaison en vue d'une meilleure utilisation de l'espace disponible, la simplification des conceptions et la transmission simultanée d'une 15 information concernant le centre de pointage et d'une information concernant l'augmentation de vision. En addition au concept général, l'invention concerne des utilisations particulières de composants optiques de diffraction incurvés caractérisés par des "modifications systématiquement placées" de propriétés optiques, 2 0 telles que la transparence, ces modifications pguvant être des enregistrements holographiques d'un point ou d'une image en combinaison avec une source lumineuse qui peut être un point ou une image éclairée. On peut utiliser un tube cathodique comme source lumineuse. Plus particulièrement, l'invention concerne, pour cer-25 taines applications, l'utilisation d'un composant optique de diffraction à courbure sphérique dont la surface convexe est dirigée vers l'observateur et reçoit sur son côté concave une lumière projetée provenant d'un tube cathodique comportant un écran parabolique concave. 30 D'autres avantages et caractéristiques de l'invention seront mis en évidence dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est un schéma montrant l'agencement d'un dispo-35 sitif d'affichage à hauteur des yeux placé:dans- un^pcste de pilotage d'avion ainsi que les composants du dispositif sous une forme correspondant aux réalisations connues ; la figure 2 ëst une représentation similaire d'un mode de réalisation d4un dispositif d'affichage à hauteur des yeux suivant 71 44777 3 2118067 11 invention ; la figure 3 est un schéma mettant en évidence les principes de diffraction et de collimation utilisés dans l'invention. La figure 2 montre l'application de l'invention à un verre 5 de combinaison dans un poste de pilotage d'avion par utilisation d'un composant optique de diffraction qui sera appelé dans la suite "lentille de diffraction". La lentille de diffraction 1, représentée en coupe verticale, a un profil incurvé et elle est délimitée par la lisière 2. La lumière transmettant l'image à 10 introduire dans le champ de vision du pilote au travers de la glace pare-vent 3 est fournie par un tube cathodique 4. Le champ normal de vision du pilote au travers de la glace 3 est indiqué par les lignes 5 et 6. La référence 7 désigne le panneau d'instruments qui constitue un des obstacles majeurs dans la mise en place 15 d'un système HUD et la ligne 8 représente une ligne de séparation permettant l'éjection du pilote, auquel cas. la cellule 9 serait évidemment enlevée. Bien que l'invention ait été représentée sur la figure 2 dans un mode de réalisation particulier où la lentille de diffraction 1 est un segment sphérique convexe et où 20 l'écran 41 du tube cathodique associé est concave et parabolique, il rentre dans le cadre de l'invention d'utiliser une lentille plane associée à ion projecteur de symbole incandescent. Cette disposition, dans laquelle la lumière produisant l'image â introduire dans le champ de vision est projetée sur la face de la len-25 tille située à l'opposé du pilote, facilite l'agencement du poste de pilotage, comme le montre une comparaison avec la structure plus classique de la figure 1. Sur la figure 1, un verre de combinaison 11 de type classique est placé suivant un certain angle dans le champ de vision direct du pilote, délimité par les lignes 51 et 30 61, et il reçoit de la lumière provenant d'une source,par exemple un tube cathodique 42, sur la face du verre de combinaison située du côté du pilote, la lumière étant transmise par des éléments optiques représentés par le miroir 4 3 et la lentille 44. Certains des éléments optiques utilisés dans ce cas sont nécessaires du 35 fait que l'équipement de projection doit pouvoir être logé dans l'espace existant entre le panneau d'instruments 7 et la ligne d'éjection 8 d'une part et la glace pare-vent 3 d'autre part. Une comparaison des figures 1 et 2 permet d'apprécier un des avantages essentiels de l'invention qui consiste dans 1'amélioration de 71 44777 4 2118067 l'agencement du poste de pilotage. D'autres avantages de l'invention, moins faciles à apprécier concernent les performances et la qualité du système optique. La figure 3 est un schéma facilitant l'explication des pro-5 priétés optiques de la lentille de diffraction 1 de la figure 2. Les lignes de projection rayonnant à partir d'une source ponctuelle, par exemple d'un point de l'écran du tube cathodique, sont transformées, par passage dans la lentille, en lignes parallèles représentant une lumière collimatée dans la direction d'ordre "1" 10 désignée par 15 par diffraction à partir de la direction d'ordre "0" désignée par 14. Ces deux phénomènes sont caractéristiques d'un élément optique comportant des "modifications systématiquement placées" des propriétés optiques ; par exemple, des lignes opaques ou des bandes alternées ayant la nature d'une plaque à 15 zones lorsque ces modifications sont choisies pour obtenir ce résultat. La diffraction produit une déviation de la lumière, l'angle de déviation étant mesurable à partir d'une ligne-origine, comme indiqué par le rayon lumineux. Dans le cas considéré, on utilise le système d'interférence d'ordre "1" (c'est-à-dire celui 20 qui est le plus rapproché de la transmission directe correspondant à l'ordre 110") bien qu'on puisse employer tout autre ordre que,l0" et qu'on puisse choisir les qualités optiques des matières utilisées afin d'éliminer des ordres supérieurs -ou tous ordres indésirables- de diffraction. Les "modifications systématiquement 25 placées" de propriétés optiques d'un milieu transparent, qui peuvent être des variations internes de transparence, des variations d'épaisseur optique ou bien des lignes assombries ou noircies formées sur la surface extérieure de la matière transparente, lorsqu'il est prévu une forme incurvée spéciale avec des distances' 30 dimensionnellement liées entre modifications, peuvent produire une diffraction et peuvent agir comme une lentille pour engendrer une collimation ou une autre concentration de lumière. (L'expression "modifications systématiquement placées de propriétés optiques d'un milieu transparent" et des phrases ou termes descrip-35 tifs similaires sont utilisés puisqu'il n'existe aucune désignation agréée pour cette classe d'éléments optiques produisant des motifs de diffraction utilisables, ces éléments comprenant évidemment des cas spéciaux qui sont appelés "réseaux de diffraction", "plaques à zone", etc.). La modification préférée correspond à 71 44777 5 2118067 un motif produit holographiquement par la projection d'une source ponctuelle mais il peut être avantageux, dans certaines applications, d'utiliser une projection holographique d'une image telle qu'un réticule, bien que cela soit plus compliqué. Le meilleur moyen pour obtenir le type d'élément optique désiré pour cet usage consiste à opérer par holographie, en particulier par enregistrement holographique sur matière photo-sensible d'une lumière projetée à partir du point sélectionné ou d'une source formant image. Cela a pour effet auxiliaire de compenser des imprécisions de dimensions dans des plaques incurvées telle que celle utilisée, ces imprécisions pouvant engendrer des aberrations. L'utilisation d'un système optique de diffraction dans ce but a été améliorée en pratique par la mise au point de substances luminescentes dopées en terres rares pour des tubes cathodiques. Ces matières permettent d'obtenir des énergies élevées dans des bandes de longueurs d'ondes étroites et en conséquence, elles peuvent être utilisées pour produire des sources de lumière monochromatique intense facilitant la diffraction. Puisqu'un des buts essentiels de l'invention consisté à introduire, dans le champ de vision naturelle, une information ayant la nature d'un réticule, de forme circulaire ou autre, ou bien de symboles en forme de lignes ou de figures représentant l'assiette, l'altitude ou d'autres paramètres de vol, la propriété monochromatique d'une telle lumière améliore également la capacité de distinction par le pilote. Les formes de la lentille de diffraction 1 et de l'écran 41 du tube cathodique sont appropriées pour éviter une parallaxe qui pourrait résulter de légères différences d'orientation et de localisation de la source lumineuse lorsqu'elle est élargie ou déplacée sur l'écran du tube cathodique. Une solution particulière à une application donnée de l'invention, dérivée d'une expérience basée sur des calculs, a permis d'obtenir une lentille sphérique de diffraction et un écran parabolique concave de tube cathodique, dont les courbures correspondent pour la lentille de diffraction ■ 2 à la relation X + x" - 4 et pour l'écran du tube cathodique a 2 la relation Y = 0,05485 X , les deux éléments étant sépares de la distance correcte pour coopérer de façon appropriée. Bien que l'expérience ait montré que cela permettait d'obtenir une précision et des performances optiques environ dix fois supérieures à celles d'autres structures utilisées dans l'expérience, il va 71 44777 6 2118067 de soi qu'on, pourrait trouver d'autres dispositions aussi bonnes tout en restant dans les limites de ces concepts. L'invention est applicable en particulier à des équipements d'armements d'avions, et à des auxiliaires de commande de navi-5 gation ou de vol dans lesquels un réticule éclairé ou un autre accessoire visuel projeté par exemple par un tube cathodique peut être déplacé à l'aide d'un système électronique existant dans le tube cathodique afin de prendre la position .correcte en fonction de paramètres du système d'armes ou de l'avion tels que la tra-10 jectoire, la portée, la vitesse, l'assiette, l'altitude et des mouvements relatifs de l'arme et de la cible afin que le pilote puisse pointer l'arme en dirigeant l'avion de façon à maintenir le réticule sur la cible ou sur un centre de pointage auxiliaire ou bien de façon que le pilote soit assisté d'autres manières, 15 par exemple pour maintenir une trajectoire d'atterrissage désirée. En plus de ces applications, la projection par tube cathodique sur la lentille de diffraction sans faire intervenir de systèmes optiques intermédiaires, facilite la projection d'une information d'augmentation de vision, réelle, ou non, sans rencontrer les 20 problèmes de précision qui pourraient résulter d'éléments optiques éventuellement employés pour assurer le collimation de la lipiière provenant d'un réticule. Avec ce système, il est possible d'incorporer l'un des différents types de systèmes lumineux à augmentation de vision, parmi lesquels un système de télévision ordi-25 naire, un système de télévision à bande étroite opérant par exemple dans le domaine infrarouge, un système de télévision à faible niveau lumineux ou bien, en combinaison avec l'équipement électronique d'appoint nécessaire, des systèmes d'affichage d'informations détectées par radar ou bien des systèmes d'affichage com-30 mandés par calculateurs. La description faite plus haut est basée essentiellement sur l'utilisation de sources lumineuses monochromatiques pour réticules, représentation de symboles et même pour augmentation de vision. L'utilisation d'une lumière monochromatique simplifie 35 les agencements des dispositifs mais elle ne constitue pas une limitation au système, excepté en ce qui concerne la précision dans l'emploi de réticules collimatés lors d'une certaine tolérance de mouvements par l'observateur. Une information autre que la lumière collimatée provenant d'un réticule et définissant une 71 44777 7 2118067 position, peut être représentée sous une forme polychromatique, chaque couleur présentant par exemple un angle de diffraction légèrement différent, ds sorte que les images sont situées dans des plans légèrement différents. 5 II est également possible d'ajouter certains éléments opti ques pour corriger des aberrations optiques résiduelles comprenant des aberrations chromatiques sans sortir du cadre de l'invention. Cette dernière caractéristique, c'est-à-dire la suppression d'aberrations chromatiques, permet d'utiliser l'invention dans des 10 applications polychromatiques où des images en couleurs liées entre elles sont ajoutées à des images en couleurs séparées. 71 44777 8 2118067 v: ; REVENDICATIONS 1.- Verre de combinaison pour dispositif d'affichage à hauteur des yeux, caractérisé en ce qu'il comprend un élément optique présentant des propriétés de diffraction de lumière. 5 2.- Dispositif d'affichage à hauteur des yeux comportant un premier élément optique interposé entre un observateur et son champ de vision direct et un second composant optique comprenant des moyens pour projeter une lumière sur le premier élément optique, la lumière et le premier élément optique coopérant de façon à 10 créer pour l'observateur une seconde image superposée à son champ de vision, caractérisé en ce qu'il est prévu comme premier élément optique un élément optique de diffraction. 3.- Verre de combinaison suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit élément est relativement transparent mais 15 comporte des modifications systématiquement placées de propriétés optiques. 4.- Verre de combinaison suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit élément est également un collimateur. 5.- Verre de combinaison suivant la revendication 1, caracté-2 0 risé en ce que ledit élément optique est une lentille de diffraction . 6.- Dispositif d'affichage à hauteur des yeux suivant la revendication 2, caractérisé en ce que ledit élément optique de diffraction utilisé comme premier élément optique est line lentille 25 de diffraction. 7.- Verre de combinaison suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit élément constitue une plaque à zones. 8.- Verre de combinaison suivant la revendication 3, caractérisé en ce que lesdites modifications systématiquement placées 30 constituent un enregistrement holographique d'une source lumineuse. 9.- Verre de combinaison suivant la revendication 3, caractérisé en ce que ledit élément est incurvé de façon à coopérer optiquement avec une source de lumière. 10.- Dispositif d'affichage à hauteur des yeux suivant la re-35 vendication 6, caractérisé en ce que lesdits moyens de projection de lumière comprennent des parties pour émettre une lumière réglée en fréquence et composée d'une seule ou plusieurs fréquences. 11.- Dispositif d'affichage à hauteur des yeux suivant la revendication 2, caractérisé en ce que ledit premier élément optique 71 44777 9 2118067 est essentiellement transparent dans le champ de vision mais contient des modifications systématiquement placées de propriétés optiques afin de produire un phénomène de diffraction dans la lumière projetée par lesdits moyens de projection et de faire en 5 sorte qu'un ordre de diffraction de ladite lumière place ladite image secondaire en superposition du champ de vision direct. -12.- Dispositif d'affichage à hauteur des yeux suivant la revendication 11, caractérisé en ce que lesdites modifications se présentent sous forme d'un enregistrement holographique d'une 10 source lumineuse. 13.- Dispositif d'affichage à hauteur des yeux suivant la revendication 11, caractérisé en ce que ledit premier élément optique est incurvé et en ce que ledit second composant comprend un tube cathodique comportant un écran incurvé. 15 14.- Dispositif suivant la revendication 13, caractérisé en ce que les faces concaves du verre de combinaison et de l'écran incurvé sont placées en regard l'une de l'autre. 15.- Dispositif suivant la revendication 14, caractérisé en ce que le verre de combinaison a un profil essentiellement sphé- 2 0 rique et en ce que l'écran a un profil essentiellement parabolique . 16.- Dispositif suivant la revendication 15, caractérisé en ce que les courbures du verre de combinaison et de l'écran correspondent respectivement aux relations approximatives : 25 X2 + Y2 = 4 et Y = 0,05485 X2. 17.- Dispositif suivant la revendication 12, caractérisé en ce que ladite source lumineuse dont un enregistrement holographique constitue les modifications est une source ponctuelle. 18.- Dispositif suivant la revendication 12, caractérisé en 30 ce que ladite source lumineuse dont un enregistrement holographique constitue les modifications a la forme d'un objet de sorte qu'une image secondaire profilée peut être créée par projection d'une source ponctuelle par lesdits moyens de projection. 19.- Système optique pour créer une image secondaire super-35 posée à la vision directe d'une scène réelle, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif pour projeter une lumière capable de produire ladite image secondaire en combinaison avec un élément optique de diffraction placé dans la ligne de vision directe, le dispositif de projection étant placé de manière à projeter la 71 44777 2118067 lumière sur l'élément afin qu'une diffraction de ladite lumière par ledit élément dévie effectivement la lumière de manière à aligner ses rayons lumineux suffisamment avsc ladite ligne de vision directe pour créer une image'virtuelle.