Brevet FR2522804A1 — publié le 19830909

APPAREIL OCULOMETRE ET SON UTILISATION DANS UN SYSTEME VISEUR DE TETE. La présente invention concerne un appareil oculomètre et son utilisation dans un système viseur de tête. Dans de nombreux cas, il est utile de connaître la direction du regard d'un opérateur humain sans lui apporter de gène. Le problème se pose en ergonomie (mesure des mouvements oculaires, mesure des réflexes, de la charge de travail visuel, etc) et aussi dans le domaine militaire (conduite visuelle de tir, dési- gnation visuelle d'objectif, etc). Dans les matériels destinés aux laboratoires d'ergonomie, il est connu d'exploiter à cette fin la formation des images de Purkinje d'une source lumineuse ponctuelle auxiliaire sur les divers dioptres constituant l'oeil (voir notamment "Optique physiologique" Tome I d'Yves Le Grand, éditeur Masson) Les mesures de la position de la grandeur et des défauts géométriques de l'image permettent théori- quement de connaître la direction de l'axe principal de l'oeil en expérimentation Le matériel est généralement sophistiqué et son application est réservée au domaine du laboratoire. Dans le domaine militaire, il est connu de faire porter à l'opérateur un casque muni d'un appareil d'optique présentant l'image collimatée, c'està-dire projetée à l'infini, d'un symbole (une croix par exemple) que l'opérateur doit amener en coïncidence optique avec l'objet visé Ainsi, la direction donnée par l'image collimatée est liée au casque, et le problème revient à mesurer la position dans l'espace d'une direction liée au casque lui-même, ou à un objet fixé sur le casque. En réalité, cette dernière méthode n'est qu'un subterfuge; en obligeant l'opérateur à maintenir une direction liée à sa tête dans la direction repérée, on substitue au repérage de la direction elle- même, le repérage d'un objet lié à la direction de référence Cette méthode présente deux types d'inconvénients sérieux: l'opérateur est obligé d'amener à coïncider une direction physiquement liée à sa tête avec la direction dans laquelle il veut regarder Or, naturellement, le mouvement de la tête par rapport au reste du corps constitue une mise en direction "grossière" du regard, la mise en direction précise étant assurée par le mouvement propre de l'oeil dans son orbite par rapport à la tête, mouvement de très loin plus précis que le premier La coïncidence ne se trouve donc assurée qu'à la précision du positionnement grossier; de plus lorsque l'opérateur doit suivre un point mobile, la précision de la poursuite est limitée par la précision du mouvement de la tête, alors que la poursuite par le mouvement combiné de la tête et des yeux par rapport à la tête est autrement plus précis; l'opération de mise en direction du regard n'est pas naturelle, et le réglage de la direction de référence par rapport à la tête est fixé une fois pour toute pour correspondre à la direction normale de visée de l'opérateur c'est-à-dire celle de l'oeil en position repos; or, l'expérience montre que, suivant la hauteur verticale de l'objet visé, un opérateur qui n'a pas de contrainte due à un système de collimation optique n'effectue pas toujours la visée selon cette direction normale de visée et qu'il peut s'en écarter plus ou moins. L'invention a pour but de remédier à de tels inconvénients en procurant un oculomètre, c'est-à-dire un appareil capable de déter miner la direction de visée instantanée de l'oeil par son dépointage angulaire vis à vis d'une direction de référence. Un objet de l'invention est de permettre, lorsqu'elle est utilisée dans le domaine militaire précité, de libérer l'opérateur dont la mission est de viser, de la contrainte d'amener en coïncidence une ligne matériellement définie avec la direction de l'objet à viser, en permettant de mesurer les mouvements angulaires d'amplitude limi- tée qui résultent des mouvements de rotation des yeux par rapport à la tête. Ainsi, un système viseur de tête ou de casque complet comportera, en correspondance avec les mouvements naturels de l'opérateur, deux appareils de mesure: un appareil connu de repérage de direction qui mesure la position instantanée de la tête de l'opérateur par rapport à un repère fixe qui représente la terre, ou le véhicule, selon l'utilisation envisagée; un appareil oculomètre selon l'invention permettant la mesure de Pécart de position, c'est-à-dire du dépointage angulaire, de l'axe visuel de l'opérateur par rapport à la première direction repérée. Le système viseur de tête, ou de casque, ainsi équipé ne nécessite plus de la sorte d'avoir un dispositif collimateur optique pour la visée. 1 S Selon la présente invention, il est réalisé un appareil oculo- mètre pour la mesure des mouvements de rotation de l'oeil dans son orbite par rapport à la tête de l'observateur, cet appareil pemettant de mesurer le dépointage angulaire présenté par la direction instan- tanée de visée de l'oeil avec une direction de référence corres- pondant à la direction normale de visée de l'observateur, caractérisé en ce qu'il comporte un objectif optique pour former l'image de l'oeil dans un plan image, une glace semi-transparente placée entre l'oeil et l'optique pour permettre à la fois la réception par l'observateur du rayonnement provenant du paysage extérieur et la transmission vers l'objectif optique du rayonnement de formation de ladite image, la glace étant inclinée sur la direction de référence pour réfléchir l'un de ces rayonnements et transmettre l'autre, des moyens de photodétection bidimensionnelle étant disposés dans le plan image, et des circuits de traitement étant prévus pour effectuer la lecture des moyens de photodétection et traiter les signaux pour mesurer la position du centre géométrique de l'image circulaire de l'iris. Les particularités de l'invention apparaîtront dans la description qui suit donnée à titre d'exemple non limitatif, à l'aide des figures annexées qui représentent: Fig 1, un schéma d'un appareil oculomètre conforme à l'invention; Fig 2, une variante de réalisation préférée de l'appareil oculomètre; Figs 3 à 6, des schémas et courbes relatifs à un exemple de réalisation selon la Fig l, relatifs respectivement aux moyens de photodétection, aux formes d'ondes des signaux détectés, à un diagramme des circuits de traitement et de mesure, et au dépointage angulaire mesuré par les circuits; Fig 7, un schéma simplifié d'une utilisation de l'appareil oculo- mètre dans un viseur de casque. En se reportant à la Fig I l'appareil oculomètre comporte un objectif optique 1 qui est symbolisé, à titre d'exemple, par deux lentilles et qui sert à former Pimage de l'oeil dans un plan image P. 13 Une glace semitransparente 2 est disposée entre l'oeil OE et l'optique 1 pour permettre à la fois la réception par l'observateur du rayonnement RP provenant du paysage extérieur et la transmission vers l'optique du rayonnement RO qui provient de l'oeil et qui sert à former l'image de l'oeil à travers l'objectif Le miroir 2 est incliné sur la direction de référence constituée par la direction normale de visée DNV, pour réfléchir l'un de ses rayonnements et transmettre l'autre La direction normale de visée est, comme il a été dit, la direction dans laquelle l'oeil vise lorsqu'il est au repos dans son orbite, c'est-à-dire qu'il n'est sollicité ni à droite, ni à gauche, ni vers le haut, ni vers le bas Dans la version représentée, le rayonnement issu de la scène observée parvient à l'oeil par trans- mission et le rayonnement destiné à la formation d'image est réfléchi par la glace 2; l'inverse peut être réalisé, en ce sens que le paysage peut être observé par réflexion sur la glace et l'image de l'oeil formée par transmission Compte-tenu de la distance comme présentée entre l'oeil et l'objectif 1 l'image de l'oeil se forme dans le plan image P dans lequel sont disposés des moyens de photodétection bidimensionnelle 3 qui peuvent consister, comme représenté, en deux barrettes détectrices 3 X et 3 Y arrangées selon deux directions orthogonales x et y. Pour remédier à un éclairage ambiant éventuellement insuf- fisant, il peut être prévu en outre des moyens d'éclairage 4 de l'oeil. Une solution avantageuse consiste à utiliser une diode électro- luminescente en circuit solide à l'arséniure de gallium fonctionnant dans la bande infrarouge 0,8 à 1 micron, étant donné d'une part, que cet élément peut être de faible dimension ( 2 à 3 mm de diamètre) et peut donc être aisément incorporé sur la structure, par exemple monté solidaire de l'objectif, et que, d'autre part, le rayonnement émis RI n'est pas visible et donc non gênant pour l'observateur Il est entendu que les barettes détectrices 3 sont sensibles à ce rayonnement La diode 4 qui émet le rayonnement infrarouge Ri est alimentée en continu par une alimentation non figurée L'appareil comporte, en outre, des circuits 5 pour la lecture du dispositif photodétecteur et le traitement des signaux détectés en vue de mesurer le dépointage AD présenté entre la direction de visée instantanée DIV de l'oeil et la direction de référence DNV. En présence d'une source éclairante 4 la glace semi-trans- parente 2 est traitée pour former un miroir dichroïque en sorte de réfléchir un rayonnement et transmettre l'autre; l'un des rayon- nement est le visible provenant de la scène extérieure, et l'autre, le rayonnement infrarouge produit par la diode émettrice 4. Le miroir semitransparent ou dichroîque 2 peut être réalisé de manière connue par l'association de deux prismes, comme indiqué sur la Fig 2 par les éléments 7 et 8 accolés par une face traitée pour former la glace 2. Selon la variante représentée Fig 2, la formation d'image utilise une transmission par fibres optiques permettant de placer à distance les moyens de traitement et de mesure Cette transmission comporte un premier élément optique 9 qui forme l'image de l'oeil OE sur une face terminale d'un faisceau de fibres optiques ordonnées 10, l'image réelle produite à l'autre face terminale de ce faisceau de fibres est reprise par une deuxième optique 11 pour être formée, par exemple, sur lécran d'un tube vidicon de prise de vues. Le bloc 12 représente le tube vidicon et des circuits associés grâce auxquels on effectue la mesure du dépointage Dans un version de ce genre, les circuits de traitement et de mesure peuvent être plus élaborés, basés sur des techniques d'identification de forme par corrélation, par poursuite vidéo etc On pourra se reporter en particulier au brevet français 2 302 004 qui décrit un système de poursuite vidéo Le principe d'un tel traitement de signal est basé sur l'exploitation des transitions de luminance dans le signal vidéo. Une fois déterminées les transitions utiles à la poursuite, un calcu- lateur délimite une portion rectangulaire de l'image dite fenêtre o se trouve l'objet à poursuivre Puis, en ayant divisé cette portion d'image en quatre zones égales par des axes parallèles aux bord de la fenêtre, le calculateur effectuera des pesées pour mesurer la la proportion de la surface d'objet comprise dans chacune des zones, et en déduire la nouvelle position du barycentre de l'image. 1 S Pour la compréhension on a expliqué le fonctionnement à l'aide des Figs 3 -à 6 suivantes au moyen d'une réalisation simplifiée du détecteur composé de deux barettes selon la Fig I et de circuits élémentaires selon la Fig 5 Les moyens de photodétection sont déterminés pour permettre de mesurer ultérieurement la position du centre géométrique de l'image de la zone pigmentée de l'oeil, c'est- à-dire l'iris, et qui est représentée par le cercle Cl On se rend compte que les éléments détecteurs des barettes qui sont à l'in- térieur du cercle Cl recoivent moins de lumière que les éléments qui sont à l'extérieur de ce cercle étant donné que ces cellules extérieures correspondent soit au blanc de l'oeil, soit à la peau de l'observateur considérée plus claire que l'iris Le cercle Cl coupe la barrette 3 X aux points A et B et la barette 3 Y aux points C et D. Compte-tenu de ce qui vient d'être dit, les signaux Si et 52 respectivement détectés par ces barrettes sont représentés schéma- tiquement sur la Fig 4 On peut considérer que ces signaux ont une amplitude moyenne V 2 en dehors de la zone pigmentée du cercle et un niveau inférieur, de l'ordre de VI, à l'intérieur de la zone pigmentée Les détecteurs peuvent être constitués par des dispo- sitifs à transfert de charge dits DTC Les barrettes en circuit solide de ce type peuvent fournir une résolution fine, comportant jusqu'à environ 2 000 points, c'est-à-dire éléments, par barrette Pour la réalisation du montage du dispositif détecteur 3 on pourra se reporter, par exemple, au brevet français 2 450 463. Un circuit de base de temps ou horloge 13 produit un signal S d'horloge H qui permet de cadencer les circuits DTC formant les barrettes 3 X et 3 Y Le circuit d'horloge est utilisé également pour synchroniser les circuits de traitement représentés à la Fig 5 pour l'une des voies, la voie X, étant entendu qu'un montage similaire est prévu pour la voie Y Le signal SI est appliqué à l'entrée d'un circuit comparateur 14 o il est comparé à un seuil VS qui est prédéterminé pour se situer entre les valeurs V 2 et VI (Fig 4), ainsi lorsque le signal de détection franchit les points A et B correspondant aux limites du cercle CI, il se produit à chaque fois un basculement de la sortie du comparateur 14 Cette sortie commande un commu- tateur 15 qui permet de commuter la fréquence d'horloge locale de la valeur H à la valeur H/2 grâce à un circuit diviseur par deux 16 incorporé sur la liaison correspondante Le signal d'horloge de fréquence H, ou H/2, est appliqué à un circuit de comptage 17 suivi par une mémoire tampon 18 qui fournit la valeur de mesure XM du point M Un circuit 19 de détection du front descendant sert à remettre à zéro le compteur et à commander la mémoire tampon 18. Après chaque remise à zéro du système l'horloge commande la lecture du détecteur cellule après cellule Cette remise à zéro s'effectue au début de chaque lecture Tant que c'est la zone qui correspond à la partie blanche de l'oeil qui est détectée, le signal reste de valeur élevée et dépasse le seuil VS, le commutateur 15 reste dans la position tel que le signal H est transmis au compteur 17 Ce compteur totalise le nombre de coups d'horloge qui a été nécessaire pour atteindre le point A, situé sur la frontière des zones blanches et pigmentées de l'oeil Dès que le signal devient faible en A, donc inférieur au seuil, le compteur à enregistré le nombre NA de coups d'horloge proportionnel à la distance FA le commutateur 15 bascule et transmet alors le signal H/2 vers le compteur qui totalise la moitié du nombre de coups d'horloge nécessaires pour aller de A en B, c'est-à-dire (NB-NA)/2 Enfin, lorsque le signal remonte en B le compteur a totalisé (NA+NB)/2 ce qui représente l'abcisse du point milieu de AB, c'est-à-dire l'abcisse XM du centre M de la zone pigmentée CI Cette valeur est transférée dans la mémoire 18 à la fin de ce cycle de comptage et la valeur précédemment stockée au cours du cycle précédent est transmise vers Putilisation Un nouveau cycle de comptage peut recommencer La détection du front correspondant au point B du signal SI est effectuée par le circuit 19 connecté en sortie du comparateur 14 et qui commande la lecture du compteur dont l'information est stockée dans la mémoire 18 et remet le système à zéro. Un circuit de traitement semblable est associé à la sortie 52 de l'autre détecteur 3 Y pour fournir l'ordonnée YM du même point M Les coordonnées de M donnent la position du centre de la pupille de l'oeil. En connaissant la position de l'oculomètre par rapport à la tête (Fig 6), ce qui revient à connaître la position du plan détecteur vis à vis du centre de rotation CR de l'oeil, on peut déterminer la direction de la visée par les relations donnant le dépointage angu- laire en gisement AG et en site AS: tg AG=XM/L et tg AS=YM/L valeurs o le paramètre L représente la distance entre le centre de rotation CR et le plan image P. Dans un appareil oculomètre conforme à l'invention on utilise l'image de l'oeil et la différence de réflectivité du blanc de l'oeil et de la partie pigmentée Cette partie pigmentée étant circulaire son centre qui se situe très sensiblement au centre dç la pupille peut être repéré aisément grâce à un dispositif détecteur a deux dimen- sions, ou à l'aide d'un circuit de reconnaissance de forme plus élaboré. La Fig 7 montre une utilisation sur un viseur de casque Le système viseur de casque comporte un appareil de repérage de direction qui peut être, par exemple, du type optique représenté avec un groupement de diodes électroluminescentes 20 montées sur le casque 21, un capteur 22 et un calculateur 23 pour traiter les signaux détectés en 22 et mesurer la direction de référence DR liée au casque L'alimentation successive et séquentielle des diodes est produite à partir du bloc 23 Le capteur est fixe sur l'avion, monté à l'intérieur du cockpit Des solutions de ce genres sont nombreuses on pourra se reporter notamment au brevet français 2 399 033 Le dispositif de repérage de direction peut également être réalisé selon une solution magnétique; dans cette version un capteur est solidaire du casque et l'élément radiateur est solidaire de l'avion, ou du véhicule considéré Un dispositif de mesure de ce genre est décrit dans le brevet français 2 458 838, le capteur et le radiateur compor- tent chacun un montage à trois bobines définissant les axes d'un triède cartésien Le système viseur de casque comporte en outre l'appareil oculomètre représenté par sa glace 2, l'optique 9 et la fibre 10 qui permet de positionner à distance les moyens de détec- tion et de mesure qui sont symbolisés par le bloc 24 et qui fournissent la valeur du dépointage AD au calculateur 23 Cette valeur AD représente la valeur additionnelle à rajouter en valeur-et en signe à celle mesurée par l'ensemble de repérage 20, 22 et 23 pour obtenir la direction de visée réelle et instantanée de l'opé- rateur La glace 2 est montée tournante autour d'une charnière en R pour pouvoir être placée dans la position de repos figurée en pointillé lorsque l'opérateur n'a pas besoin d'effectuer de visée Dans la version représentée, la direction de référence DR liée au casque a été choisie correspondant à la direction normale de visée DNV de l'observateur. REVENDICATIONS 1 Appareil oculomètre pour la mesure des mouvements de rotation de l'oeil dans son orbite par rapport à la tête de l'obser- vateur, l'appareil permettant de mesurer le dépointage angulaire instantané présenté par la direction de visée de l'oeil avec une direction de référence correspondant à la direction normale de visée (DNV) de l'observateur, caractérisé en ce qu'il comporte un objectif optique ( 1) pour former l'image de l'oeil dans un plan image (P), une glace semitransparente ( 2) placée entre l'oeil et l'optique pour permettre à la fois la réception par l'observateur du rayon- nement (RP) provenant du paysage extérieur et la transmission vers l'optique du rayonnement (RO) de formation de ladite image, la glace étant inclinée sur la direction de référence pour réfléchir l'un de ces rayonnements et transmettre l'autre, des moyens de photodétection bidimensionnelle ( 3) dans le plan image, et des circuits de trai- tement ( 5) des signaux détectés pour effectuer la lecture des moyens de détection et traiter les signaux pour mesurer la position du centre géométrique de l'image de l'iris de l'oeil. 2 Appareil oculomètre selon la revendication 1, caractérisé à ce qu'il comporte en outre des moyens d'éclairage de l'oeil ( 4). 3 Appareil oculomètre selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens d'éclairage consistent en une diode électro- luminescente en circuit solide, rayonnant dans le proche infrarouge, et que la glace ( 2) est traitée dichro Tque. 4 Appareil oculomètre selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé en ce que les moyens de formation d'image sont constitués à l'aide d'un faisceau de fibres optiques ordonnées ( 10) dont une extrémité est couplée par une optique ( 9) à la glace ( 2) et dont l'autre extrémité est couplée par une autre optique ( 11) aux moyens de photodétection et de traitement ( 12). il Appareil oculomètre selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé en ce que les moyens de photo- détection ( 3) comportent deux barrettes disposées selon deux direc- tions orthogonales, les barrettes étant en circuit DTC. 6 Appareil oculomètre selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens de photodétection utilisent un tube vidicon et que les circuits de traitement et de mesure procèdent à une reconnaissance de forme par corrélation ou poursuite vidéo. 7 Utilisation sur un viseur de tête ou de casque d'un appareil oculomètre selon l'une quelconque des revendications précédentes, l'ensemble viseur étant constitué par l'appareil oculomètre et par un appareil de repérage de direction ( 20, 22, 23) de type optique ou magnétique. 8 Utilisation selon la revendication 7 et dans lequel l'appareil oculomètre est de préférence réalisé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la glace de l'appareil oculomètre est montée pivotante pour être disposée hors du champ de vision lorsqu'elle n'est pas utilisée, et que les moyens de photodétection et de traitement sont situés à distance du casque.