Brevet FR2542459A1 — publié le 19840914

VISEUR TETE HAUTE La présente invention concerne un dispositif de visualisation per- mettant d'observer une image synthétique collimatée et superposée à la vision naturelle du paysage Ces dispositifs, généralement utilisés à bord d'aéronefs, sont souvent désignés par l'appelation viseur tête haute, ou HUD (abréviation de head-up display), par opposition à la vision tête basse d'un appareil sur la planche de bord. L'invention est plus particulièrement envisagée pour une utili- sation aéroportée, notamment sur un hélicoptère, pour y constituer tout aussi bien un viseur de tir qu'un instrument de pilotage c'est-à- dire un collimateur de vol. Ces appareils comportent généralement une optique de combi- naison d'images pour transmettre vers l'observateur le rayonnement provenant du paysage et pour réfléchir vers l'observateur le rayon- nement correspondant à une image synthétique à visualiser Celle-ci est produite par un montage collimateur optique comprenant un objectif optique et des objets lumineux représentant les symboles à visualiser et qui sont positionnés dans le plan focal de l'objectif. Pour ce faire, les moyens générateurs d'objets lumineux utilisent généralement un tube cathodique, la figuration de symboles repré- sentée sur l'écran étant renvoyée à l'infini par l'objectif. Selon des solutions conventionnelles, l'optique de combinaison consiste en une glace partiellement transparente, ou plusieurs glaces parallèles pour accroître la pupille optique et donc le champ instantané sans changer le diamètre de l'optique collimatrice. Dans ces matériels, le tube cathodique avec des circuits associés (alimentation, balayage), et l'optique de collimation sont maintenus dans un boîtier auquel se trouve par ailleurs mécani- quement rattaché l'optique de combinaison d'images Ce boîtier, ainsi que, les montants mécaniques qui supportent l'optique de combinaison, présentent un masque qui peut être important, la cause principale étant l'encombrement du boîtier On se rend bien compte que cet effet de masque peut devenir très gênant pour l'exploitation s'il se situe dans le champ de vision de l'observateur. D'autre part, coté aéronefs, les hélicoptères essentiellement se caractérisent par une grande verrière et des conditions de vol, en vol tactique notamment, telles que l'on doit chercher à minimiser le masque introduit par un dispositif de visée tête haute, même pour une implantation dans la partie haute de la cabine. Le but de l'invention est de réaliser un viseur tête haute répondant à ces exigences en étant adapté à la configuration de la cabine de l'aéronef o il se trouve implanté, en sorte que le masque qu'il produit pour l'observateur se trouve quasi-totalement confondu avec un masque naturel existant dans la cabine, ce qui revient à produire un viseur pratiquement sans masque et ne limitant donc pas le champ d'observation Le viseur est plus particulièrement envisagé pour être installé dans la partie supérieure de la cabine. Suivant des techniques connues en matière de viseurs, un réflecteur sphérique constitue l'optique de collimation Suivant l'utilisation dite "sur l'axe", l'optique sphérique réféchissante est située au dessus d'une glace partiellement réfléchissante qui assure la combinaison d'images Suivant d'autres solutions quasi-axiales des optiques holographique correspondantes sont utilisées, comportant un premier élément diffracteur réalisé à l'aide d'un verre sphérique et au moins un deuxième élément diffracteur réalisé avec un verre plan, l'ensemble assurant les fonctions de collimation et de combi- naison d'images. Un système de ce genre est décrit dans la publication European Patent Application O 009 332 Le viseur tête haute est prévu pour une exploitation en position basse, le tube cathodique étant monté sur la planche de bord Le bloc optique constitué par les deux éléments optiques holographiques se trouve essentiellement placé dans le champ visuel d'observation et est rigidement fixé par le bas et latéralement au boîtier et à la planche de bord. Cette solution n'est guère transposable telle quelle pour les besoins d'une exploitation en position haute, notamment à bord d'un hélicoptère compte-tenu d'un effet de masque important Le module optique comporte l'élément diffracteur sphérique et l'élément dif- fracteur plan assemblés de manière à présenter en coupe trans- versale une structure sensiblement triangulaire, formant chacun un côté d'un triangle dont le troisième côté est constitué par un élément support mécanique ou une partie du boîtier Cette solution ne permet pas une utilisation sur l'axe; le rayonnement issu du tube cathodique doit traverser le miroir sphérique puis être réfléchi deux fois, par le miroir plan puis par le miroir sphérique, avant de traverser finalement le miroir plan. Selon l'invention, il est proposé de réaliser un viseur tête haute comportant des moyens optiques de collimation et de combinaison pour visualiser à l'infini des données lumineuses et les observer en superposition avec le paysage, des moyens électroniques pour pro- duire les données à visualiser, et un boîtier pour supporter l'en- semble et le fixer sur le véhicule porteur, les moyens optiques comprenant deux miroirs partiellement transparents, l'un sphérique l'autre plan juxtaposés par une extrémité et éloignés l'une de l'autre par leur extrémité opposée, le viseur se caractérisant par le fait que les dites extrémités juxtaposées sont assemblées par une pièce de faible épaisseur, et sont orientées vers le bas pour un montage en position haute du viseur, les dits moyens optiques étant supportés et couplés mécaniquement au boîtier par une pièce de liaison égale- ment de faible épaisseur sensiblement contenue dans un plan passant par les dites extrémités opposées et qui coupe l'axe optique du système en un point d'observation correspondant au centre du miroir sphérique, en sorte d'utiliser celui-ci sur l'axe et n'avoir prati- quement aucun effet de masque par les moyens optiques dans le champ d'observation situé au dessous de ladite pièce de liaison. Les particularités et avantages de la présente invention appa- raîtront dans la description qui suit donnée à titre d'exemple à l'aide des figures annexées qui représentent: Fig l,un viseur tête haute conforme à l'invention monté dans une cabine d'un hélicoptère; Figs 2 et 3, le viseur tête haute de la Fig I en vue d'élevation et en vue latérale respectivement; Fig 4, un schéma partiel relatif à une variante de montage du tube cathodique du viseur de la Fig 1 Figs 5 A et 5 B, des schémas relatifs aux trajets du rayon- nement de l'image à collimater et de celui provenant de la scène extérieure, respectivement. En se reportant à la Fig 1, le viseur de tête-haute est monté à la partie supérieure de la cabine d'un hélicoptère entre la verrière 1 soutenue par des montants, tel l'élément 2, et l'observateur qui est symbolisé par un oeil positionné au point 0 La planche de bord 3 détermine la limite de visibilité basse LVB pour l'observation à partir de O du paysage extérieur à travers la verrière La position O de lobservateur* est prédéterminée par la configuration de l'habi- tacle équipé et donc, du type d'aéronef Le viseur est prévu en conséquence Le cercle C délimite une zone de débattement libre à partir de O pour la tête du pilote, zone qui doit donc rester vide de tout équipement. Le viseur se compose d'un module optique 5 de collimation et de combinaison surmonté d'un module électronique 6. Le module optique 5 est situé dans un champ d'oservation à partir de O et passant à travers la verrière 1; les directions LH et LB représentent les limites de visualisation haute et basse respec- tivement Le champ d'observation de l'image collimatée présente donc un champ vertical d'angle e correspondant qui peut atteindre aisément une vingtaine de degré ce qui permet une exploitation poussée (utilisation comme collimateur de vol, affichage de données de vol, d'informations d'approche et d'atterrisage). 5. Le module optique 5 se compose d'une stucture optique à deux éléments partiellement transparents, un miroir plan 7 et un miroir sphérique 8 Une lame fine 9 constitue avec un collage approprié les moyens de fixation des éléments optiques 7 et 8 à leur extrémité inférieure o ils sont juxtaposés La lame 9 est de faible épaisseur selon le sens vertical Y représenté afin de n'introduire pratiquement pas d'effet de masque pour l'observation à partir de O; elle sera en outre de préférence exécutée en matériau transparent pour renfor- cer encore cette impression d'absence de masque dans le champ de vision Une pièce mécanique 10 est utilisée à la partie supérieure pour coupler les extrémités opposées des miroirs, éloignées l'une de l'autre, en sorte de supporter l'ensemble et le solidariser avec le module électronique 6 La pièce 6 est de faible épaisseur et peut être assimilée à un plan incliné par rapport à l'axe optique Z du système de manière à passer sensiblement par le point O les faces supérieure et inférieure de cette pièce peuvent être parallèles, ou mieux, usinées en sorte de former un dièdre dont l'arête D passe par 0 Ainsi le champ d'observation wl correspondant est très faible pour la vision extérieure et il n'intervient pas, de toute façon, pour la perception de l'image collimatée, étant situé au dessus de la limite de visualisation haute LH Le miroir sphérique 8 peut être un élément optique conventionnnel, ou bien un élément optique holo- graphique jouant un rôle équivalent Le miroir 8 est utilisé sur l'axe ce qui permet de minimiser les aberrations rencontrées lors d'une utilisation hors d'axe ou quasi-axiale; le centre de courbure se situe au point O correspondant à l'emplacement optimal de l'oeil sur l'axe optique Z du système optique, ceci permet de limiter les aberrations de champ (coma, astigmatisme). La structure triangulaire constituée par les éléments opti- ques 7,8 et les fixations 9 et 10 présente une rigidité élevée et une bonne tenue aux vibrations On remarque ainsi que cette structure est totalement transparente, du moins toute sa partie utile située au dessous de la pièce de liaison 10 pour la visualisation de l'image collimatée. A cet avantage et celui d'une utilisation sur l'axe du miroir 8, il y a lieu de rajouter d'autres avantages résultant de la position inclinée vers l'avant du miroir 7 dont l'arête inférieure se trouve plus éloignée du point O que l'arête supérieure Cette disposition permet au pilote de se baisser fortement vers l'avant sans risque de heurter une arête vive de l'optique ou du viseur En outre, la réflexion des rayonnements parasites, notamment du rayonnement solaire est pratiquement évitée avec cette inclinaison du miroir vers l'avant. Il y a lieu de rajouter encore que les bords latéraux des glaces 7 et 8 peuvent être découpées comme il est visible sur la Fig O 2 de façon à être dans deux plans verticaux formant un dièdre coupant la droite D à faible distance de part et d'autre du point 0. Ainsi le confort de la vision est accru. Le module électronique 6 comporte un coffret 15 de circuits et un tube cathodique en 16 Le miroir sphérique 8 travaillant sur l'axe, doit voir le tube 16 par réflexion sur la glace 7 L'inclinaison de cette dernière sur l'axe Y du tube (axe passant par le centre de l'écran) permet d'obtenir la direction Z passant par O et constituant l'axe optique du système sur lequel est centré le miroir 8 Cette direction Z peut être choisie coîncidant avec l'axe longitudinal RLF de l'aéronef ou légèrement décalé comme c'est le cas ici, vers les sites hauts Il en résulte pour le tube 16, à moins d'utiliser un autre renvoi optique ce qui n'est pas exclu (Fig 4), la position sensiblement verticale figurée dans cet exemple. Le boîtier 15 du coffret électronique 6 est fixé au montant 2 et sa forme est conçue pour qu'il soit totalement compris dans le masque d'ouverture W 2 créé par ce montant en l'observant du point 0 Le point de fuite des faces inférieure et supérieure du boîtier passanst ar 0 constitue une réalisation préférentielle Le tube 16 considéré monté dans un blindage est fixé au bottier et ce blindage est par ailleurs rendu solidaire de la pièce 10 pour sup- porter le module optique Les moyens (visserie, boulons, etc) nécessaires à la fixation de ces éléments entre eux et de l'ensemble au montant 2 n'ont pas été figurés, par souci de simplification et parce que relevant du savoir faire. -Dans la version représentée Fig 1, seuls la pièce 10 et une partie du tube cathodique 16 sont hors du masque du montant 2. Etant donné la position verticale du tube 16 et si ses dimensions latérales (L, Fig 2) restent inférieures à la distance interpupillaire ( 6,5 cm environ), on peut considérer qu'il ne produit pas de masque en vision binoculaire pour observer des points suffisamment éloignés ou le fond du paysage Il y a lieu de noter que l'espace entre les champs wl et W 2 peut être réduit voire annulé dans la mesure ou la pièce de liaison 10 est intégré à la paroi inférieure du boîtier 15. La Fig 2 et 3 montrent le viseur seul de la Fig l, en vue de face et en vue transversale respectivement Les mêmes éléments portent les mêmes numéros de référence. La surface focale du miroir sphérique 8 étant également sphérique, la face avant du tube cathodique doit avoir la même courbure que la surface focale du miroir 8 Si cette condition ne peut être réalisée ou approximée de manière suffisante, il y a lieu de prévoir une lentille correctrice de champ Cette lentille 20 visible sur la Fig 2 est placée au voisinage de la face avant pour lui donner la bonne courbure. La Fig 4 représente une autre disposition possible du tube 16 à axe horizontal disposé le long du montant 2 supposé également horizontal Le coffret 15 n'a pas été figuré, le tube peut y être disposé Un miroir totalement réfléchissant 21 est rajouté pour renvoyer 'axe X selon la direction verticale Y précitée. Les Figs 5 A et 5 B illustrent le mode de fonctionnement de l'optique On considère l'élément optique 8 de type holographique étant entendu qu'il peut s'agir d'une optique en verre classique Le réseau diffracteur ou hologramme 80 se trouve de préférence dis- posé en sandwich entre deux verres courbes 81 et 82 Le miroir plan partiellement réfléchissant 7 est constitué par une lame 71 et une couche réflectrice 70 disposée sur une face. En appelant R le rayon de courbure de l'optique sphérique constituée par l'élément 8, on dispose à une distance AB+BC=R/2 de celui-ci la surface comportant les objets lumineux à collimater, ici l'écran 18 du tube cathodique 16, l'observateur en O se trouvant à la distance OC=R de l'optique sphérique 8 sur l'axe Z. Le rayonnement issu de Pécran 18 peut être inclus dans une bande spectrale bien délimitée de longueur d'ondes, l'écran étant, par exemple dans le cas d'un tube monochrome, constitué par un revêtement de luminophores qui émettent un rayonnement dans le vert Ce rayonnement est symbolisé par le rayon axial RI sur la Fig 5 A Il est partiellement réfléchi par le miroir 7 incliné sur Paxe Y du tube 16, selon la direction BC correspondant à l'axe optique Z du système L'élément diffracteur 8 renvoie ensuite le rayonnement vers le point O o se trouve placé l'oeil de l'observateur étent entendu que la couche 80 répond à des valeurs d'angle d'incidence et à une réflexion sélective des longueurs d'ondes correspondant au rayonnement vett RI émis par l'écran 18 Pour faciliter la compréhension un léger écart angulaire a été figuré entre la direction BC et le retour CO; ce rayonnement réfléchi par l'optique 8 est soumis ensuite à traversée de la glace 7. Le rayonnement R 2 en provenance de l'extérieur (Fig 5 B) tra- verse successivement les deux éléments optiques 8 et 7, étant entendu que l'élément 8 n'introduit pratiquement pas d'atténuation pour ce rayonnement visible excepté pour les longueurs d'ondes tombant dans le spectre étroit du rayonnement RI. La solution à optique diffrative 8 -permet, par l'enregistrement sélectif représenté par l'hologramme 80, de réduire au minimum les pertes par transmission du rayonnement R 2 qui assombrissent la vision du paysage L'enregistrement est effectué selon des techni- ques connues et permet d'obtenir un réseau diffractif adapté à la bande spectrale étroite du tube cathodique ainsi qu'aux valeurs d'incidence prévues En outre, l'enregistrement peut être opéré pour faire converger le rayonnement RI de l'image collimatée réfléchi en direction de la pupille de l'oeil en 0 Ceci permet de compenser notablement les pertes inévitables dans un système centré sur l'axe et subies à la réflexion en B sur 7 et à la transmission ensuite à travers cette glace Le verre 82 support de l'enregistrement est un verre courbe, sphérique ou asphérique L'élément diffractif 8 peut en outre avoir des propriétés de miroir non sphérique, permettant éventuellement une amélioration des caractéristiques optiques de collimation Ceci dépend des conditions de réalisation de cet élément, choisies en conséquence. L'utilisation d'une optique diffractive permet d'obtenir à la fois un rendement satisfaisant (par exemple 15 %) de l'ensemble glace-miroir 7-8 pour la longueur d'onde d'émission du tube catho- dique (Fig 5 A), ce qui assure une luminosité satisfaisante des sym- boles, et une bonne transparence (par exemple 70 à 80 %) pour la vision du paysage extérieur (Fig 5 B). Ceci résulte de la propriété photométrique de sélectivité spectrale d'un hologramme qui est réfléchissant pour une longueur d'onde (celle d'émission du phosphore du tube cathodique) et trans- parent pour le reste du spectre visible. Ce type de système optique permet d'obtenir: un champ total important tout en conservant une bonne qualité de collimation, un champ instantané maximum compte-tenu des contraites liées à la cabine de l'hélicoptère, un bon dégagement des zones de visibilité du paysage autour de la zone de visée (aucune pièce mécanique au dessous de la fixation), et une faible atténuation du paysage extérieur. Le viseur peut fournir un champ total O circulaire (corres- pondant à un écran 18 circulaire) de diamètre angulaire 20 . La solution préférée consiste à placer verticalement le tube à rayons cathodiques comme représenté sur la Fig l. L'électronique de commande 15 du tube est disposée selon une configuration à plat dans l'angle mort formé par l'arceau 2 de la verrière, d'ou aucune gêne supplémentaire pour le pilote L'électro- nique disposée à plat permet un accès facile et une maintenance aisée du viseur clair. La gêne apportée au copilote en vision latérale peut être réduite au minimum si l'électronique de commande 3 se confond avec un élément latéral, par exemple un montant de portière dont est prévu l'hélicoptère latéralement. La solution à miroir sphérique avec un traitement partiel- lement réfléchissant classique suffit dans le cas d'une application avec une symbologie moins chargée permettant donc un rafraîchis- sement cathodique plus fréquent. L'électronique de commande 15 peut être déportée dans le cas d'applications multiples du viseur, par exemple pour un montage sur des types d'hélicoptères différents. Parmi d'autres variantes, on peut considérer aussi le rempla- cement du tube par un autre moyen (écrans à cristaux liquides, matrice de diodes électroluminescentes, etc). REVENDICATIONS 1 Viseur de tête haute comportant des moyens optiques de collimation et de combinaison pour visualiser à l'infini des données lumineuses et les observer en superposition avec le paysage, des moyens électroniques pour produire les données à visualiser, et un boîtier pour supporter l'ensemble et le fixer sur le véhicule porteur, les moyens optiques correspondant à deux miroirs partiellement transparents, l'un sphérique et l'autre plan, juxtaposés par une extrémité et écartés l'un de l'autre par leur extrémité opposée, le viseur étant caractérisé en ce que le viseur est monté en position haute, les dites extrémités juxtaposées étant assemblées par une pièce de faible épaisseur et orientées vers le bas, les dits moyens optiques ( 7 et 8) étant supportés et couplés mécaniquement au boîtier par une pièce de liaison ( 10) également de faible épaisseur sensiblement contenue dans-un plan passant par les dites extrémités opposées et qui coupe l'axe optique du système en un point d'obser- vation ( 0) correspondant au centre du miroir sphérique ( 8), en sorte d'utiliser celui-ci sur l'axe et de n'avoir pratiquement aucun effet de masque par les moyens optiques dans le champ d'observation situé au dessous de ladite pièce de liaison. 2 Viseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens électroniques sont au moins partiellement contenus dans ledit boîtier ( 15) dont la forme est prédéterminée pour être situé dans un espace déjà masqué pour l'observation du paysage à partir dudit centre, par la présence d'une pièce opaque appartenant au véhicule porteur. 3 Viseur selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit espace est délimité par un dièdre dont l'arête passe par ledit centre. 4 Viseur selon la revendication 2 ou 3 et utilisant un tube cathodique de visualisation ( 16) pour produire les objets lumineux sur l'écran cathodique disposé dans le plan focal des moyens optiques de collimation, caractérisé en ce que le tube est disposé vertical et transversal au boîtier qu'il traverse, et est couplé mécaniquement côté écran à la pièce de liaison des miroirs. 5 Viseur selon la revendication 2 ou 3 et utilisant un tube cathodique de visualisation ( 16) pour produire les objets lumineux sur Pécran cathodique disposé dans le plan focal des moyens optiques de collimation, caractérisé en ce que le tube est disposé horizontal, contenu sensiblement dans le boîtier ( 15), et que les moyens optiques comportent en outre un miroir de renvoi ( 21) de l'image de l'écran vers le miroir plan. 6 Viseur selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que les moyens optiques comportent en outre une lentille correctrice de champ ( 20) pour corriger la courbure de la face avant du tube cathodique. 7 Viseur selon l'une quelconque des revendications précé- dentes, caractérisé en ce que le miroir sphérique et le miroir plan sont réunis en leurs extrémités juxtaposées au moyen d'une lame mince transparente collée ( 9). 8 Viseur selon l'une quelconque des revendications précé- dentes, caractérisé en ce que le miroir plan ( 7) produit une réflexion partielle du rayonnement des données lumineuses vers le miroir sphérique ( 8), lequel réfléchi à son tour ce rayonnement à nouveau vers le miroir plan qu'il traverse en direction dudit centre, le rayonnement en provenane du paysage étant transmis par traversées successives du miroir sphérique puis du miroir plan. 9 Viseur selon la revendication 8, caractérisé en ce que le miroir sphérique est constituté par un miroir hologra- phique ( 80,81,82) déterminée de manière à minimiser les pertes par réflexion et par transmission des rayonnements respectifs. Viseur selon la revendication 9, caractérisé en ce que le miroir holographique a des propriétés de miroir non sphérique, déterminées de manière à minimiser les observations optiques et à améliorer la qualité de collimation. 11 Viseur selon l'une quelconque des revendications précé- dentes, utilisé sur un hélicoptère, caractérisé en ce que le boîtier épouse la forme du masque créé par une partie d'un montant ( 2) supportant la verrière ( 1), en sorte que le viseur lui-même n'intro- duit pratiquement pas de masque pour l'observation à partir dudit centre.