Brevet FR2594563A1 — publié le 19870821

DISPOSITIF DE VISUALISATION COLLIMATEE TETE HAUTE, COMPACT ET ESCAMOTABLE La présente invention concerne un dispositif de visualisation collimatée tête haute, compact et escamotable. Ces dispositifs, généralement utilisés à bord d'aéronefs permettent d'observer une image synthétique collimatée et superposée à la vision naturelle du paysage vu à travers la glace du cokpit. Ils sont souvent désignés par l'appellation viseurs tête haute, ou HUD (abréviation de Head-tJp Display). Ces appareils viseurs comportent une optique de combinaison d'images pour transmettre vers l'observateur le rayonnement provenant du paysage et pour réfléchir vers l'observateur le rayonnement 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 l'image des symboles à visualiser et qui sont positionnés dans le plan focal de l'objectif. Pour ce faire, les moyens générateurs d'objets lumineux utilisent souvent un tube cathodique, procurant une haute définition des symboles sur écran, cette image étant renvoyée ensuite à l'infini par l'objectif. L'invention s'applique avantageusement à un viseur tête haute monté en position basse, Cest-à-dire dans lequel l'optique de combinaison est disposée vers le bas du pare brise, mais peut aussi s'appliquer à un montage en position haute ou l'optique de combinaison est disposé vers le haut du pare brise. II est essentiel que le pilote voit la totalité des objets lumineux projetés sans déplacements gênants de la tête et sans avoir à s'approcher outre mesure de la glace semi-transparente du dispositif collimateur à travers laquelle s'effectue l'observation. L'image du bord de l'objectif dans la glace agit comme une pupille optique. Le champ utile de appareil est constitué, en vision monoculaire, par un cône centré sur l'oeil et s'appuyant sur la pupille optique et, en vision binoculaire, par ensemble des deux c8nes centrés respectivement sur les yeux de l'observateur et s'appuyant chacun sur la pupille optique. La vision des repères selon une direction de visée considérée, reste assurée pour des déplacements de chaque oeil compris dans une aire correspondant à celle de la pupille optique. Il est important d'obtenir une pupille optique de grande dimension pour accroître le confort du pilote en lui assurant une vision aisée à une distance suffisamment éloignée de la glace semitransparente. En pratique, l'accroissement des dimensions de la pupille optique s'effectue généralement au détriment des dimensions et de la compacité de l'appareil. Ce dernier en montage tête haute doit présenter une dimension aussi réduite que possible, notamment selon le sens de la hauteur, en sorte de faciliter sa mise en place et de ne procurer aucune gêne pour la vision et les mouvements du pilote. Pour des dispositifs collimateurs présentant de bonnes qualités optiques et en particulier, un fonctionnement exempt de distorsions ou de parallaxe, la hauteur minimale possible du boîtier est sensiblement imposée par le diamètre de l'objectif. I1 est connu d'accroître en site la pupille optique de l'appareil et consécutivement le champ de vision instantanée de l'observateur sans modifier le diamètre de l'objectif optique, à l'aide d'une deuxième glace plane disposée parallèlement à la première glace. Une solution de ce genre décrite dans le brevet français nO 2 389 911 utilise une deuxième glace semi-transparente disposée à une distance plus éloignée de l'objectif optique pour produire une pupille additionnelle et obtenir une pupille résultante agrandie vers les sites hauts relativement à la pupille optique initiale. Le traitement semi-transparent sur la première glace est limité supérieurement. Dans ces matériels, le module électronique générateur d'objets lumineux et l'optique de collimation sont maintenus dans un boîtier auquel se trouve par ailleurs mécaniquement rattaché l'optique de combinaison d'images. Cette dernière ainsi que les montants mécaniques qui la supportent présentent un masque qui peut être important. On se rend bien compte que cet effet de masque est très gênant pour l'exploitation s'il se situe dans le champ de vision de l'observateur à travers le pare brise. Cet effet de masque est encore accru dans les versions à deux glaces du type précité. En outre, dans des versions tête haute montées en position haute et en particulier utilisées sur hélicoptère, il faut aussi considérer l'effet de masque produit par le boîtier. Le but de l'invention est de réaliser un viseur tête haute qui satisfait à la fois à des critères de vision instantanée dans un champ étendu en site et à un effet de masque minimal de l'optique de combinaison située hors du boîtier, de manière à remédier aux défauts et limitations précités. Selon l'invention ce but est atteint en disposant un montage de deux glaces planes parallèles à l'intérieur de boîtier pour produire l'effet d'accroissement de pupille en site, en n'ayant qu'une seule glace plane extérieure au boîtier et qui constitue l'optique de combinaison. I1 en résulte une compacité plus élevée de la partie optique extérieure au boîtier et une qualité optique accrue, la perception du paysage extérieur ne s'effectuant qu'à travers une seule glace ; L'effet de masque se trouve réduit, notamment par l'utilisation de montants de plus faibles dimensions. En complément, pour accroître le confort du pilote il est prévu d'escamoter la glace de combinaison lorsque le collimateur n'est pas utilisé, en l'amenant dans une position de repos hors du champ d'observation du paysage extérieur à travers le pare brise. Selon l'invention il est proposé de réaliser un viseur tête haute comportant un objectif optique de collimation et une glace semitransparente de combinaison pour visualiser à l'infini des données lumineuses et les observer en superposition avec le paysage, des moyens électroniques générateurs des données lumineuses à visuali ser, un boîtier fixé au véhicule porteur et contenant les moyens électroniques générateurs et l'optique de collimation, et un montage de deux miroirs plans parallèles pour agrandir la pupille optique en site et corrélativement le champ instantané de vision des données.Le montage est disposé en totalité à intérieur du boîtier en aval de l'objectif collimateur et est composé d'un premier miroir semi-transparent suivi d'un second miroir réfléchissant, la glace de combinaison située à l'extérieur du boîtier assurant la réflexion vers l'observateur des données collimatées dans la pupille agrandie produite par le montage. Les particularités et avantages de la présente invention apparaitront dans la description qui suit donnée à titre d'exemple, à l'aide des figures annexées qui représentent: - Fig.l, un schéma général d'un dispositif de visualisation conforme à l'invention - Fig.2, un exemple de réalisation montrant le boîtier et la disposition du générateur d'image et de l'optique associée; - Fig.3 et Fig.4, le même exemple de réalisation montrant en vue d'élévation l'ensemble du dispositif avant respectivement la glace de combinaison en position exploitation et en position escamotée; - Fiv.5, un exemple de réalisation du mécanisme d'escamotage de la glace de combinaison dans la position exploitation du collimateur; - Fig.6, le même mécanisme d'escamotage en position repos correspondant à une non-exploitation du collimateur; ; - Fig.7, un exemple de réalisation d'une installation de protection de la glace de combinaison en position escamotée, pour un dispositif de visualisation tête haute monté en position basse. En se reportant à la figure 1, on distingue les éléments essentiels du collimateur conforme à l'invention, comportant, dans un boîtier 1: un générateur d'image 2, par exemple du type à tube cathodique; une optique collimatrice 3 pour projeter à l'infini l'image qui se trouve située dans le plan focal; un miroir partiellement transparent 4 et un miroir réfléchissant 5. Une partie du rayonnement issu de l'optique 3 est réfléchi par le miroir 4 et une autre partie par le miroir 5, ces deux éléments étant disposés parallèlement et de manière successive sur l'axe Z de l'optique 3. Ils sont inclinés sur l'axe optique Z pour renvoyer le rayonnement vers la glace de combinaison 6 située à l'extérieur du boîtier 1.La glace 6 a une inclinaison qui peut être du même ordre que celle des éléments 4 et S, ou différente; la valeur d'inclinaison sera généralement déterminée pour faire coincider la direction normale de visée Z1 de l'observateur avec le centre du champ instantané 83 de vision de l'image collimatée dans la pupille agrandie. Une glace de traversée 7 permet le passage du rayonnement tout en préservant l'étanchéité du boîtier 1. La glace 6 est partiellement transparente ou de type holographique, pour assurer la réflexion du rayonnement provenant du générateur d'image 2 et la transmission du rayonnement provenant du paysage extérieur, et permettre l'obervation simultanée pour un observateur en O. En outre, un mécanisme d'escamotage 8 permet de rabattre la glace 6 dans la position de repos référencée 6R lorsqu'on ne désire pas utiliser le dispositif collimateur et afin de libérer le champ visuel de la glace 6 et de ses montants mécaniques de couplage au boîtier. Le mécanisme d'escamotage 8 permet de positionner la glace 6R parallèlement à la glace de traversée 7. L'ensemble des deux miroirs 4 et 5 agit comme un système à glace double cité précédemment et ayant pour but d'accroître le champ instantané d'observation en site de l'image collimatée. On a représenté cet accroissement par les pupilles P1 et P2 résultant respectivement à l'image de la pupille de l'objectif 3 vue à travers la glace de combinaison 6 après réflexion sur le miroir 4 d'une part et sur le miroir 5 d'autre part. La réalisation des miroirs 4 et 5 en particulier du point de vue dimensionnel et de l'entendue des traitements réflecteurs est fonction notamment de la forme désirée pour la pupille agrandie, de la position du point O d'observation, du champ total à produire. L'avantage procuré dans la solution proposée est que les deux optiques 4 et 5 sont hors du champ visuel d'observation puisque situées dans le boîtier 1.Elles ne présentent donc aucune gêne pour Pobservateur. En considérant un accrois sement de la pupille vers les sites hauts c'est le miroir 5 qui le produit dans ce montage. La glace semi-transparente 6 extérieure au boîtier 1 réfléchit le rayonnement renvoyé par les éléments 4 et 5 et correspondant à la pupille agrandie, vers l'observateur; par ailleurs cette glace transmet de manière conventionnelle le rayonnement provenant du paysage. Ainsi qu'on peut s'en rendre compte la glace 6 n'est pas obligatoirement parallèle aux miroirs 4 et 5. L'optique de combinaison réduite à une glace 6 unique placée dans le champ agrandi produit un effet de masque minime. En outre, il est prévu de protéger la glace de combinaison 6 en position repos 6R à l'aide d'un rideau dont on donnera ultérieurement un exemple de réalisation à la figure 7. Cette protection permet d'éviter de détériorer la glace et de supprimer les réflexions parasites, notamment solaires, qui pourraient gêner le pilote. En position repos la glace rangée sur le dessus du boîtier du collimateur crée un masque minimum sur la visibilité basse avion compte tenu de ces formes. Les figures 2 à 4 montrent un exemple de réalisation. Sur la figure 2 on a représenté le boîtier 1 en vue de dessus avec la glace de traversée 7. Le boîtier est partiellement ouvert pour montrer à l'intérieur la disposition du générateur d'image 2 du type à tube cathodique et l'optique collimatrice associée comprenant un premier groupement de lentilles 3A et un deuxième groupement de lentilles 35 avec, entre les deux groupements, un miroir de renvoi réfléchissant 11. Cette disposition permet de gagner sur l'encombrement en longueur du boîtier en permettant de renvoyer le tube Z latéralement. La figure 3, représente la disposition générale de la figure 1 en position exploitation, la glace 6 étant relevée, on a figuré également la glace 12 du hublot du cokpit. Par souci de simplification, on n'a pas représenté les mécanismes de couplage de la glace 6 au boîtierl ni le dispositif d'éscamotage 8. Sur la figure 4, les mêmes éléments sont représentés en position de repos, durant les périodes de non-exploitation du dispo sitif collimateur. La glace 6R en position escamotée se range sur le dessus du boîtier au-dessus de la glace de traversée 7 créant un masque minimum, voir nul, pour la visibilité basse du paysage à travers le hublot 12. Un exemple de réalisation du dispositif d'escamotage est représenté sur la figure 5 en position exploitation et sur la figure 6 en position repos. Ce dispositif d'escamotage de la glace 6 permet de libérer au maximum le champ de vision du paysage extérieur par le pilote pendant les phases de vol n'utilisant pas le collimateur. La précision requise nécessite une reproductibilité du positionnement de la glace partiellement transparente 6 en position utilisation. Celle-ci est assurée par un système de butée mécanique 29. Le déplacement de la glace 6 entre sa position normale d'utilisation comme élément de combinaison, et celle de rangement indiquée 6R se fait par l'intermédiaire d'un ensemble mécanique qui peut consister comme représenté en une biellette 22 et deux éléments 21 et 23 munis de glissières pour pouvoir coulisser l'un dans l'autre. Cet ensemble mécanique permet d'amener la glace 6 dans sa position 6R par un mouvement de translation de l'élément 23 par rapport à l'élément 21 selon la direction A le long d'une glissière tout en procurant simultanément une rotation d'angle o( de l'élément 21 autour d'un axe de rotation 24. La direction A correspond à la direction longitudinale de l'élément 21 passant par le centre de rotation 24 de cet élément. Au cours de ce mouvement la biellette 22 a elle-même tourné d'un angle 8 autour de son axe 25. La pièce support 23 qui coulisse dans 21 est reliée à la biellette 22 par l'intermédiaire d'un axe de rotation 26. L'ensemble est commandé manuellement par le pilote. La figure 6 représente le dispositif d'escamotage après exécution de ses mouvements respectifs et positionnement de la glace dans sa position de repos 6R. La figure 7 montre un exemple de réalisation des moyens de protection de la glace 6 en position escamotée 6R. Pour éviter de la rayer et également empêcher les réflexions parasites de source extérieures en particulier du soleil, vers l'observateur. Cet ensemble est constitué par un rideau opaque 31 qui peut être tiré manuellement par une languette 32 pour venir couvrir la glace 6R. Les parties latérales du rideau et le montant terminal 33 coulissent par les bords latéraux dans des glissières 35. La forme du bandeau d'extrémité 33 peut être faite par exemple de manière à pouvoir s'enclencher dans une encoche correspondante 36 de chacune des glissières pour être maintenu en fin de course en position verrouillage. Le rideau par son autre extrémité est rendu solidaire d'un axe mécanique 37 qui peut tourner par l'intermédiaire de paliers de roulement 38. Les paliers de roulement sont solidaires par leur couronne extérieure du boîtier 1. Un ressort de rappel 40 permet de ramener le rideau qui s'enroule autour de Paxe 37 pour libérer la glace 6R et la rétablir dans sa position d'exploitation 6. La description ci-dessus admet de nombreuses variantes conformes aux caractéristiques exposées de l'invention. En particulier le tube cathodique peut être remplacé par une autre source lumineuse telle que un écran à cristaux liquides, à diodes électroluminescentes, à plasma, etc... La glace 6 comporte avantageusement un hologramme pour améliorer le contraste et la transparence du paysage et pour accroître le taux de réflexion de l'imagerie collimatée et ce faisant, accroître considérablement le rendement énergétique de l'optique de combinaison. REVENDICATIONS 1. Dispositif de visualisation collimatée tête haute, comportant un objectif optique de collimation et une glace semi-transparente de combinaison pour visualiser à l'infini des données lumineuses et les observer en superposition avec le paysage, des moyens électroniques générateurs des données lumineuses à visualiser, un boîtier fixé au véhicule porteur et contenant les moyens électroniques générateurs et l'optique de collimation, et un montage de deux miroirs plans parallèles pour agrandir la pupille optique en site et corrélativement le champ instantané de vision des données, le dispositif se caractérisant par le fait que ledit montage est disposé en totalité à l'intérieur du boîtier (1) en aval de l'objectif collimateur (3) et est composé d'un premier miroir (4) semi-transparent suivi d'un second miroir (5) réfléchissant, la glace de combinaison située à l'extérieur du boîtier assurant la réflexion vers l'observateur des données collimatées dans la pupille agrandie produite par ledit montage. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, un dispositif mécanique d'escamotage (8) de la glace de combinaison permettant de la ramener dans une position de repos (6R) se situant en dehors du champ d'observation désiré pour la vision du paysage extérieur. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la position de repos (6R) correspond à un positionnement de la glace de combinaison (6) sensiblement parallèle à une glace de traversée (7) dont est muni le boitier (1) pour laisser passer le rayonnement correspondant auxdites données collimatées dans la pupille agrandie. 4. Dispositif selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que le dispositif mécanique d'escamotage comporte une biellette (22) et deux éléments (21, 23) coulissant l'un dans l'autre le long de glissières, un de ces éléments (21) supportant la glace de combinaison (6). 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, un moyen de protection de la glace de combinaison (6), ce moyen de protection (31) recouvrant la glace (6) en position repos (6R) et empêchant les réflexions parasites. 6. Dispositif selon la revendication S, caractérisé en ce que ledit moyen de protection est constitué par un rideau (31) opaque pour le rayonnement ambiant et qui vient se placer au-dessus de la glace de combinaison en position repos (6R). 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que dans le boîtier (1) se trouve inclus, en aval de l'optique de collimation (3), ledit premier miroir plan (4) semitransparent puis ledit deuxième miroir plan réfléchissant (5), ces deux miroirs étant disposés parallèlement et inclinés sur l'axe optique (Z! de l'optique collimatrice (3) pour renvoyer le rayonnement collimaté à l'extérieur du boîtier vers la glace de combinaison (6), la traversée du boîtier s'effectuant à travers une glace de traversée (7). 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens électroniques générateurs de données lumineuses (2) comportent un tube cathodique (2) et que l'optique de collimation (3) est constituée de deux groupements de lentilles (3A et 3B) et d'un miroir de renvoi réfléchissant (11) pour permettre une disposition latérale du tube. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la glace de combinaison (6) est réalisée avec un hologramme adapté pour optimaliser le taux de réflexion du rayonnement de l'image collimatée et celui de transmission du rayonnement extérieur provenant du paysage. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le boîtier (1) est situé au-dessous de la glace de combinaison (6) pour une utilisation en position basse.