Brevet FR2584843A1 — publié le 19870116

APPAREIL DE VISUALISATION A CHAMP ETENDU DANS LEQUEL LTIMAGE EST FORMEE PAR LA JUXTAPOSITION D'AU MOINS DEUX IMAGES PARTIELLES. La présente invention concerne un appareil de visualisation à champ étendu dans lequel l'image est formée par la juxta- position d'au moins deux images partielles obtenues à l'aide de deux dispositifs de projection respectifs. Elle s'applique notamment, mais non exclusivement, à la réalisation d'instruments de visualisation de type tête haute destinés à l'équipement de cabines de pilotage d'aéro- dynes, par exemple des avions ou des hélicoptères. D'une manière générale, on sait que ces instruments de visualisation sont conçus de manière à permettre au pilote la visualisation des informations utiles à l'accomplisse- ment de sa mission et plus particulièrement aux informations de pilotage sans interrompre sa vision à l'extérieur. Dans l'état actuel de la technique, ces instruments font habituellement intervenir un montage optique permettant de projeter à l'infini, sur un écran mélangeur optique situé dans le champ de vision du pilote ou même éventuellement sur le pare-brise, une image lumineuse engendrée sur un organe de formation d'une image. - 2- Cet organe de formation d'une image peut avantageusement comprendre une source de rayonnement laser émettant sur un écran en verre dépoli par l'intermédiaire d'un modulateur et de deux déflecteurs opto-électroniques à action croisée. La commande de ce modulateur et de ces deux déflecteurs est alors assurée par un générateur de symboles couplé à un processeur. Dans ce cas, l'écran peut alors consister en un mélangeur holographique éventuellement incorporé au pare-brise de l'aérodyne. Or, il s'avère qu'à l'heure actuelle, la couverture de champ de ces dispositifs de visualisation est limitée (30 gisement, 20 site) et ne peut pas être étendue, notamment pour des raisons: - mécaniques (rigidité-harmonisation) , - optiques (qualité d'image-aberrations), - technologiques (réalisation d'hologrammes de très grandes dimensions). L'invention a donc tout d'abord pour but de supprimer cet inconvénient. Elle propose de réaliser une image continue par juxtaposition dans le champ de vision du pilote de deux images partielles projetées sur un ou plusieurs écrans, au moyen d'au moins deux dispositifs de projection respectifs. Une telle approche nécessite de résoudre le problème de la continuité de l'image à la jonction des deux images partiel- les. En effet, outre les problèmes d'aberration dont sont sujet- tes les zones périphériques de l'image, la moindre variation d'orientation des dispositifs de projection et/ou de l'écran peut provoquer une discontinuité importante de l'image au niveau de la susdite jonction. - 3 - Ces problèmes se trouvent résolus par l'appareil selon l'invention qui comprend, d'une façon générale: - au moins deux ensembles optoélectroniques commandés par au moins un générateur de symboles électronique, de maniè- re à engendrer deux images partielles respectives, sensi- blement complémentaires, de l'image que l'on désire obte- nir; - au moins deux dispositifs de projection respectivement associés auxdits ensembles, ces deux dispositifs étant agencés de manière à projeter jointivement sur au moins un écran les deux images partielles en vue de recréer sur cet écran l'image complète que l'on désire obtenir; au moins deux dispositifs de détection de la position relative et/ou de l'orientation des deux dispositifs de projection par rapport à l'écran; un processeur agissant sur le générateur de symboles pour corriger en temps réel les images partielles en fonction des informations délivrées par lesdits dispositifs de détection. Il convient de noter que l'appareil précédemment décrit peut comprendre deux écrans respectivement associés aux deux dispositifs de projection, ces deux écrans étant alors agen- cés de manière à ce que les deux images partielles apparais- sent jointivement dans le champ de vision de l'observateur, par exemple du pilote. Par ailleurs, les susdits dispositifs de détection peuvent comprendre chacun une source de rayonnement apte à émettre sur l'écran un faisceau rectiligne et un réflecteur, soli- daire de l'écran, agencé de manière à réfléchir le faisceau sur la plage sensible d'un récepteur conçu de manière à fournir une information relative à la position dudit fais- ceau sur ladite plage sensible. - 4 - Bien entendu, l'invention ne se limite pas à un appareil permettant d'obtenir une image complète par juxtaposition de deux images partielles. En effet, l'image complète pourrait être obtenue par juxta- position d'un nombre plus important d'images partielles. Il est clair que, dans ce cas, l'appareil devra comprendre autant d'ensembles opto-électroniques, de dispositifs de projection et de dispositifs de détection, qu'il y a d'ima- ges partielles. De même, cet appareil pourra comprendre un nombre d'écrans égal à celui des images partielles projetées. Ces écrans pourront alors être jointifs ou même décalés dans le champ de vision de l'observateur. Selon un mode d'exécution particulièrement avantageux de l'invention, les susdits ensembles opto-électroniques comprennent chacun, pour la formation des images partielles, une source de rayonnement laser qui émet sur un élément diffusant par l'intermédiaire d'un système opto-électroni- que comprenant un modulateur et deux déflecteurs optiques croisés électriquement commandables pilotés par le généra- teur de symboles. Dans ce cas, les écrans sur lesquels sont projetées les images partielles peuvent consister en des mélangeurs holographiques et les réflecteurs associés aux susdits détecteurs peuvent alors consister en des réflec- teurs holographiques réalisés sur les susdits mélangeurs. Ces réflecteurs peuvent être agencés pour réfléchir sur la plage sensible du susdit récepteur des faisceaux émis par des sources de rayonnement laser additionnelles ou même une fraction des faisceaux émis par les susdits ensembles opto- électroniques. Selon un autre mode d'exécution avantageux de l'invention, l'appareil est agencé de manière à réaliser une image par juxtaposition de trois images partielles réalisées sur trois mélangeurs holographiques respectifs, à savoir: un mélan- - 5 - geur central et deux mélangeurs latéraux, au moyen de trois ensembles optiques comprenant chacun une source de rayonne- ment laser, un modulateur, deux déflecteurs optiques croisés et un élément diffusant. Dans ce cas, les dispositifs de projection associés aux deux mélangeurs latéraux sont réglés de manière à ce que leurs axes optiques passent respective- ment dans les deux yeux de l'observateur, tandis que le dispositif de projection affecté au mélangeur central est réglé de manière à ce que son axe optique passe par le point médian du segment reliant les deux yeux (position de l'oeil cyclope). Des modes de réalisation de l'invention seront décrits ci- après, à titre d'exemples non limitatifs, avec référence aux dessins annexés dans lesquels: La figure 1 est une vue schématique, en perspective, d'un appareil de visualisation au moyen duquel l'image que l'on désire obtenir est formée par la juxtaposi- tion de deux images partielles; La figure 2 est un schéma de principe d'un dispositif permettant d'engendrer une image partielle au moyen d'une source de rayonnement laser et d'un mélangeur holographique; La figure 3 est un schéma théorique illustrant un mode d'obtention d'un réflecteur holographique lors de la réalisation du mélangeur holographique; La figure 4 est une vue schématique de dessus d'un viseur tête haute à champ étendu équipant le poste de pilotage d'un avion, ce viseur utilisant trois mélan- geurs holographiques agencés de manière à obtenir la juxtaposition de trois images partielles; -6- La figure 5 est un schéma optique montrant la disposi- tion des montants latéraux du mélangeur holographique central dans des zones aveugles du champ de vision du pilote; Les figures 6 et 7 montrent, respectivement, l'image d'un terrain synthétique engendré sur le mélangeur central d'un viseur tête haute classique (figure 6) et une image analogue formée par la juxtaposition de trois images partielles engendrées sur un mélangeur central et sur deux mélangeurs latéraux, dans un appa- reil de visualisation selon l'invention (figure 7). L'appareil représenté sur la figure 1 est conçu de manière à réaliser une image continue par juxtaposition de deux images partielles projetées sur deux écrans jointifs 1, 2 (ou éven- tuellement sur un même écran) au moyen de deux dispositifs de projection respectifs 3, 4. Chacun de ces dispositifs de projection comprend un disposi- tif optique 5, 6 apte à réaliser une image intermédiaire à partir de celle obtenue sur un élément diffusant 7, 8 tel qu'un verre dépoli. Dans cet exemple, le faisceau lumineux émis par ce dispositif de projection 3, 4 est réfléchi sur un écran 1, 2 correspondant au moyen d'un miroir 9, 10. L'élément diffusant 7, 8, sur lequel est formée l'image peut, par exemple, consister en l'écran d'un tube cathodique piloté par un générateur de symboles lui-même relié à un processeur. Toutefois, selon un mode d'exécution particulièrement avan- tageux de l'invention, le dispositif de formation des images peut comprendre, comme représenté, une source lumineuse 12, 13 émettant un rayonnement linéaire dirigé sur l'élément diffusant 7, 8, et dont l'orientation est commandée par un -7- - générateur de symboles 14, 15 piloté par un processeur 16, de manière à réaliser les images souhaitées par un balayage approprié de l'élément diffusant 7, 8. Un tel dispositif sera décrit plus en détail à propos de la figure 2. Par ailleurs, dans cet exemple, la continuité, au niveau du raccordement des deux images partielles projetées sur les deux écrans 1, 2, est obtenue au moyen de deux dispositifs de correction comprenant chacun une source de rayonnement 17, 18 émettant un faisceau rectiligne sur un élément réflecteur 19, 20 prévu sur un écran 1, 2 correspondant, et un détecteur opto-électronique 22, 23 dont la face sensible est placée dans le trajet du faisceau réfléchi par ledit réflecteur 19, 20, et des moyens permettant de fournir un signal électrique représentatif de la position de ce fais- ceau réfléchi sur ladite face sensible. Ainsi, dans le cas o la source de rayonnement 17, 18 est solidaire de la structure du dispositif de projection 3, 4, le signal émis par le détecteur 22, 23 sera représentatif de l'orientation relative de l'écran 1, 2 par rapport au dispo- sitif de projection 3, 4. Ce signal est alors transmis au processeur 16 qui, en fonc- tion de la position détectée, déterminera les corrections que doit effectuer le générateur de symboles 14, 15 pour permettre un raccordement exempt de discontinuité des deux images partielles projetées sur les deux écrans 1, 2. Il convient de noter que la susdite source de rayonnement 17, 18 peut consister en la source lumineuse 12, 13 servant à la formation des images partielles sur l'élément diffusant 7, 8. Dans ce cas, le générateur de symboles 14, 15 devra être conçu de manière à ce que la source lumineuse 12, 13 émette périodiquement un rayon lumineux sur le miroir 19, 20 affecté à l'écran 1, 2 correspondant. - 8 - Dans l'exemple représenté sur la figure 2, la source lumi- neuse servant à la formation des images partielles, consiste en un générateur de rayonnement laser 30 qui émet un fais- ceau rectiligne dans l'axe d'un dispositif de balayage optique, par l'intermédiaire d'une liaison à fibres optiques 31. Ce dispositif de balayage optique comprend, pilotés par un générateur de symboles 33, un modulateur optique 34 et deux déflecteurs croisés Dx, Dy. Le faisceau lumineux émis par ce dispositif de balayage est orienté sur un dépoli 35 sur lequel se forme l'image lumineuse (partielle) élaborée par le générateur de symboles 30. La position de l'image sur le dépoli peut être détectée au moyen d'un dispositif de détec- tion rebouclé sur le générateur de symboles. Cette image partielle est ensuite projetée (dispositif de projection 36, miroir 37) sur un mélangeur holographique 38 (c'est-à-dire un écran transparent sur lequel on a enregis- tré un hologramme) qui joue un rôle similaire à celui des écrans 1, 2 précédemment mentionnés, à la différence que l'opérateur dont on n'a représenté qu'un oeil 39, aperçoit alors l'image se dessiner en superposition des éléments extérieurs qu'il voit au travers du mélangeur 38. Pour permettre à l'opérateur d'avoir un champ total de vision de l'image, l'appareil est agencé de manière à ce que son oeil 39 soit sensiblement centré sur l'axe optique de l'ensemble optique formé par l'objectif 36, le miroir 37 et le mélangeur holographique 38, et que, par ailleurs, cet ensemble travaille en conjugaison de pupille. Le mélangeur holographique 38 forme, dans le plan de l'oeil, l'image de la pupille de sortie de l'objectif 36. Dans cet exemple, le miroir associé au mélangeur holographi- que (qui correspond à l'un des deux miroirs 19 et 20 précé- demment mentionnés) peut consister en un réflecteur hologra- phique 40 agencé de manière à recevoir périodiquement un rayon laser émis par l'ensemble des déflecteurs Dx, Dy. -9- Ce réflecteur holographique 40 peut être avantageusement réalisé, lors de l'enregistrement de l'hologramme du mélan- geur 38, en enregistrant localement un miroir plan hologra- phique dans le même support photosensible. Selon ce mode de réalisation, le réflecteur holographique est réalisé en disposant, au cours d'une étape supplémentai- re, avant développement et sans démontage, un miroir 41, ce miroir 41 et le point source R étant situés de part et d'au- tre de la plaque 38' portant l'émulsion 42 (enregistrement monofaisceau d'un miroir plan local). Le mélangeur présente donc localement deux fonctions: assurer l'imagerie et réfléchir dans la direction appropriée le rayon test. Comme précédemment mentionné, l'invention ne se limite pas à un appareil de visualisation selon lequel l'image est obte- nue par juxtaposition de deux images partielles. Ainsi, par exemple, dans le cadre d'un système de visualisa- tion tête haute équipant la cabine de pilotage d'un aérody- ne, l'appareil pourra avantageusement faire intervenir trois mélangeurs holographiques sur lesquels sont projetées trois images partielles qui, raccordées entre elles, forment une image continue entièrement située dans le champ de vision du pilote. La figure 4 permet d'illustrer un exemple d'exécution d'un tel appareil. Sur cette figure, on a représenté schématique- ment le pilote, vu de dessus, par son casque 43 et par ses épaules 44, 45. La position de ses yeux a été indiquée par les références 0d, Og. Le système de visualisation tête haute équipant la cabine de pilotage fait alors intervenir, à hauteur du pare-brise, un mélangeur holographique central 46 centré sur l'axe de vision normal X'X du pilote, et deux mélangeurs holographiques latéraux 47, 48 situés de part et d'autre du mélangeur central 46 et en retrait de celui-ci. - 10 - Chacun de ces mélangeurs optiques 46, 47, 48 est associé à un ensemble "formation d'une image partielle"/"dispositif de projection"/"dispositif de détection d'orientation" tel que ceux qui se trouvent décrits sur les figures 1 et 2. L'ensemble associé au mélangeur central 46 est de préférence disposé audessous de celui-ci, tandis que les ensembles associés aux deux mélangeurs latéraux 47, 48 sont disposés en arrière du pilote et sont agencés de manière à émettre au-dessus des épaules 44, 45. Dans ce cas, les dispositifs de détection d'orientation associés aux mélangeurs latéraux permettent de prendre en compte les déformations éventuelles de structure de l'avion, mélangeurs et dispositifs de projection étant très éloignés. Les dispositifs de projection associés aux deux mélangeurs latéraux 47, 48 sont réglés de manière à ce que leurs axes optiques passent par les deux yeux 0d, 0g du pilote, tandis que le dispositif de projection associé au mélangeur central est réglé de manière à ce que son axe optique passe par le point médian M du segment Od-Og reliant les deux yeux du pilote. Les trois systèmes fonctionnent alors en conjugaison de pupille (binoculaire pour le système central, monoculaire pour les deux systèmes latéraux). Dans l'exemple représenté sur la figure 4, le mélangeur cen- tral 46 est porté par une armature comprenant deux montants latéraux 49, 50. L'invention prévoit donc une disposition permettant d'éviter que ces montants latéraux 49, 50 ne viennent partiellement masquer la vision du pilote sur les mélangeurs latéraux 47, 48 et induisent une discontinuité de l'image. Telle qu'illustrée sur la figure 5, cette disposition consiste à faire en sorte que, d'un même côté de l'axe de vision X'X, le bord latéral intérieur 51, 52 du mélangeur latéral 47, 48 s'appuie sur la surface engendrée par les droites passant par le point médian M et le bord latéral du mélangeur 46, et que ledit montant latéral 49, 50 s'étende - 11 - dans l'espace compris entre ladite surface et la surface engendrée par les droites passant par l'oeil 0d' Og et ledit bord intérieur 51, 52. Les figures 6 et 7 mettent en relief l'avantage de l'appa- reil de visualisation précédemment décrit (figure 7) par rapport à un viseur tête haute de conception classique (figure 6) ne comprenant qu'un mélangeur central 51, dans le cas de la représentation d'un terrain synthétique. Il est clair que dans le cas de la figure 7, la juxtaposi- tion des trois images partielles formées sur les mélangeurs 46, 47, 48 permet d'obtenir une vision panoramique très proche de celle que le pilote aurait lors d'une vision réel- le au travers du pare-brise 52 de l'aérodyne. On remarquera qu'au niveau de la jonction entre le mélangeur central 46 et les mélangeurs latéraux 47, 48, les courbes de niveau du terrain se raccordent sans discontinuité. - 12 - Revendications de brevet 1. Appareil de visualisation à champ étendu dans lequel l'image est formée par la juxtaposition d'au moins deux images partielles obtenues à l'aide de deux dispositifs de projection respectifs, caractérisé en ce qu'il comprend: - au moins deux ensembles opto-électroniques (12, 13, 7, 8) commandés par au moins un générateur de symboles électro- nique (14, 15), de manière à engendrer deux images par- tielles respectives, sensiblement complémentaires de l'image que l'on désire obtenir; - au moins deux dispositifs de projection (5, 6, 9, 10) respectivement associés auxdits ensembles, ces deux dispositifs étant agencés de manière à projeter jointive- ment sur au moins un écran (1, 2) les deux images partiel- les, en vue de recréer, sur cet écran (1, 2), l'image complète que l'on désire obtenir; - au moins deux dispositifs de détection (17 à 23) de la position relative et/ou de l'orientation des deux disposi- tifs de projection (5, 6, 9, 10) par rapport à l'écran (1, 2); et - un processeur (16) agissant sur le générateur de symboles (14, 15) pour corriger en temps réel les images partielles en fonction des informations délivrées par lesdits dispo- sitifs de détection (17 à 23). 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un écran (1, 2) associé à chacun des dispositifs de projection (5, 6, 9, 10), les écrans (1, 2) étant agencés de manière à ce que les images partielles apparaissent jointivement dans le champ de vision d'un observateur. - 13 - 3. Appareil selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les susdits dispositifs de détection comprennent chacun une source de rayonnement (17, 18) apte à émettre sur l'écran (1, 2) un faisceau rectiligne, et un réflecteur (19, 20), solidaire de l'écran (1, 2), agencé de manière à réfléchir le faisceau sur la plage sensible d'un récepteur (22, 23) conçu de manière à fournir une informa- tion relative à la position dudit faisceau sur ladite plage sensible. 4. Appareil selon l'une des revendications précéden- tes, caractérisé en ce que les susdits ensembles opto-électroni- ques comprennent chacun, pour la formation des images par- tielles, une source de rayonnement laser (30) qui émet sur un élément diffusant (35) par l'intermédiaire d'un système opto-électronique comprenant un modulateur (34) et deux déflecteurs optiques croisés (Dx, Dy) électriquement commandables, pilotés par le générateur de symboles (30), et en ce que le ou les écrans (38) sur lequel sont projetées les images partielles consiste en un mélangeur holographi- que. 5. Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que les réflecteurs associés aux susdits détecteurs (22, 23) consistent en des réflecteurs hologra- phiques (40) réalisés sur les susdits mélangeurs (38). 6. Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que le réflecteur holographique (40) est réalisé lors de l'enregistrement de l'hologramme du mélan- geur (38), en disposant, au cours d'une étape supplémentai- re, avant développement et sans démontage du mélangeur (38) un miroir (41) , et en ce que ce miroir 41 et le point source (R) sont situés de part et d'autre de la plaque portant l'émulsion (enregistrement monofaisceau d'un miroir plan local), de sorte que le mélangeur présente localement deux - 14 - fonctions: assurer l'imagerie et réfléchir dans la direc- tion appropriée le rayon test. 7. Appareil selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que le susdit générateur de symboles (30) est conçu de manière à ce que les susdits ensembles opto- électroniques (34, Dx, Dy, 35) émettent périodiquement un rayonnement laser sur lesdits réflecteurs holographiques (40). 8. Appareil selon l'une des revendications précéden- tes, plus particulièrement destiné à réaliser une image par juxtaposition de trois images partielles réalisées sur trois mélangeurs holographiques respectifs, à savoir: un mélan- geur central (46) et deux mélangeurs latéraux (47, 48), au moyen de trois ensembles optiques comprenant chacun une source de rayonnement laser (30), un modulateur (34), deux déflecteurs optiques croisés (Dx, Dy) et un élément diffu- sant (35), caractérisé en ce que les dispositifs de projection (36, 37) associés aux deux mélangeurs latéraux (47, 48) sont réglés de manière à ce que leurs axes optiques passent par les deux yeux (Od' Qg) de l'observateur, tandis que le dispositif de projection affecté au mélangeur central (46) est réglé de manière à ce que son axe optique passe sensiblement par le point médian (M) du segment reliant les deux yeux (Od' Og), les trois sytèmes fonctionnant en conjugaison de pupille (binoculaire pour le système central, monoculaire pour les deux systèmes latéraux). 9. Appareil selon la revendication 8, caractérisé en ce que les deux mélangeurs latéraux (47, 48) sont décalés en aval du mélangeur central (46) par rapport à l'observateur. 10. Appareil selon l'une des revendications 7 et 8, dans lequel le mélangeur central (46) est porté par une armature comprenant deux montants latéraux (49, 50), - 15 - caractérisé en ce que d'un même côté de l'axe de vision de l'observateur (X'X), le bord latéral intérieur (51, 52) du mélangeur latéral (47, 48) s'appuie sur la surface engendrée par les droites passant par le point médian (M) et le bord latéral du mélangeur central (46), et en ce que ledit mon- tant latéral (49, 50) s'étend dans l'espace compris entre ladite surface et une surface engendrée par les droites passant par l'oeil (Od, Qg) et ledit bord intérieur (51, 52).