Brevet FR2613497A1 — publié le 19881007

VISEUR BINOCULAIRE, HOLOGRAPHIQUE1 ET A GRAND CHAMP, UTILISABLE SUR CASQUE La présente invention concerne un viseur bixloculaire, holographique et à grand champ. On entend par viseur un dispositif dans lequel une image lumineuse collimatée est observée en superposition sur la vision du paysage extérieur. Une optique collimatrice renvoit à l'infini l'image lumineuse correspondant aux données à collimater; ceci se traduit par l'absence d'effort d'accomodation pour l'oeil de l'observateur et un grand confort visuel. De manière conventionnelle, l'image lumineuse est renvoyée par une optique de combinaison vers l'obsevateur; cette optique est traversée par le rayonnement provenant du paysage extérieur. Ainsi, l'observateur, tel le pilote d'un aéronef, voit en superposition sur le paysage l'image lumineuse collimatée correspondant, par exemple, à une image synthétique de données de pilotage. Les techniques récentes dans le doma ine des collimateurs tête haute sont dirigées essentiellement vers un accroissement du champ de vision instantanée de l'image collimatée, ainsi que vers l'obtention d'un rendement optique amélioré. Une solution connue consiste à utiliser un miroir sphérique sur l'axe ce qui permet également de limiter les aberrations optiques. Suivant une réalisation de c e genre décrite dans la demande de brevet français publiée sous le N 2 542 459, l'axe optique du miroir sphérique correspond à l'axe normal de vision de l'observateur dont l'oeil est placé au centre du miroir; ce dernier est combiné avec un mi 'oir plan semi-transparent qui a pour rôle de renvoyer l'axe optique du générateur d'image lumineuse vers le miroir sphériq ue côté concave lequel produit la collimation et renvoit l'image collimatée vers l'observateur. Pour accroître le rendement on utilise un miroir sphérique holographique qui réfléchit la longueur d'onde correspondant au générateur d'image qui peut consister en une visualisation à tube cathodique. Le principal inconvénient de cette solution est que le champ circulaire, bien qu'agrandi, reste cependant limité à des valeurs de l'ordre de à 40 en vision monoculaire. Pour un accroissement plus o0 important du champ on est amené à une utilisation hors d'axe du miroir sphérique car le miroir plan partiellement transparent se trouve alors trop rapproché de l'oeil de l'observateur; il en résulte des aberrations optiques et des difficultés de mise en oeuvre. Suivant une autre solution indiquée dans "Optical Engineering" de Sept. /Oct. 1985/Vol. 24-N 5/pages 769-780, article intitulé "Holographic mirrors", on utilise un miroir semi-transparent plan pour renvoyer l'axe du générateur d'images lumineuses vers l'oeil de l'observateur. Le rayonnement correspondant réfléchi par ce miroir traverse un miroir sphérique, lequel est suivi par un montage plan bir4fringent perpendiculaire à l'axe optique du miroir F phérique correspondant à la direction normale de vision. L'utili.ation de ce montage biréfringent coopère avec un polariseur,n amont pour polariser le rayonnement de l'image lumineuse et rermet de la récupérer ensuite après collimation par le miroir sphérique. On obtient ainsi une sélection de la voie du paysage et celle de l'imagerie en fonction de leur polarisation. Cette solution permet une augmentation du champ qui peut atteindre 60 vertical sur 135 horizontal en binoculaire (le champ monoculaire étant de 80 circulaire), mals elle n'est absolument pas performante du point de vue photométrique et pose des problèmes pour une utilisation en situation réelle. En effet, la transmission sur la voie optique d'observation du pay'sage est inférieure à 10% et celle sur la voie d'observation de l'image synthétique est limitée à 1,6% environ. Ceci résulte d(,s pertes introduites sur les miroirs lors des multiples réfle ions et transmissions, et par traversée des polariseurs. Il i 'est pas possible d'utiliser un hologramme, le système étant totalement sur l'axe, les voies ne sont pas séparables par holographie. Le but de l'invention est de reméd ier aux inconvénients précités et de réaliser un dispositif de visualisation avec un champ encore agrandi et un re.ndement énergétique important tout en constituant un système ergonomique. A titre indicatif, la solution proposée dans ce qui suit permet d'obtenir aisément un champ de l'ordre d- 60 en site sur environ 120 en gisement et en vision binoculaire, et avec des rendements de l'ordre de 40% pour la voie image et 30% pour la vole paysage. Un autre objet de l'invention est l'utilisation d'un dispositif de visualisation conforme à l'invention pour réaliser un viseur de casque binoculaire. Le but précité est atteint en réalisant u'n viseur binoculaire utilisant, en vision monoculaire, un dispositif collimateur groupant successivement: un générateur d'une image lumineuse à collimater, une formule optique relais. et un ensemble optique de collimation et de combinaison, cet ensemble étant composé d'un élément optique mélangeur pour transmettre la voie du paysage et réfléchir la voie image et qui est suivi de deux éléments optiques collimateurs, dont un premie- élément sphérique, pour transmettre les deux voies avec colliuration de la voie image. L'élément optique mélangeur, ainsi que chacun des deux éléments optiques collimateurs, comportent un hol],gramme. L'élément optique mélangeur est constitué préféren'iellement d'une lame plane holographique dont l'hologramme est du type miroir qui permet d'assurer une transmission élevée d, la voie du paysage conjointement avec une réflexion optimale de la voie image. Le deuxième élément optique collimateur est également sphérique comme le premier, mais de plus faible courbure, pour former un ensemble bi-convexe disposé en aval de l'élément 2613 4 9 7 optique mélangeur suivant le sens du trajet optique d- la vole image. Les hologrammes des deux éléments optiques collimateurs sont déterminés pour assurer la diffraction par réflexion dans une bande spectrale délimitée correspondante à celle d- la voie image. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront dans la description qui suit donnée à titre d'exemple, à l'aide des figures annexées qui représentent: - Fig. 1, un schéma en perspective d'un viseur binoculaire conforme à l'invention porté par un observateur; - Fig.2, un schéma général des éléments du viseur de la figure 1 intervenant pour chaque chaîne d, vision monoculaire - Fig.3, un schéma détaillé du trajet optique de la vole image d'une chaine de vision monoculaire; - Fig.4, le schéma partiel de la figure 3 en vue de dessus pour montrer le cheminement correspondant des rayons dans ce plan; - Fig. 5, un schéma représentatif du montage binoculaire et du recouvrement des champs, en vue de dessus; - Fig.6, un schéma correspondant à celui de la figure pour illustrer le recouvrement de chaque zone de rendement photométrique nul par l'autre champ monoculaire, respect ivement. - Fig.7, un schéma de la partie optique ccUimatrice holographique relatif à un mode de réalisation; - Fig.8, un schéma relatif à une réalis:ation de l'optique relais. L'invention concerne un appareil viseur, adaptable sur casque, dont le champ binoculaire peut atteindre 60Cx120 O et dont l'allure générale en exploitation est indiquée sommairement sur la figure 1. Il se compose de deux parties semblables chacune assurant une vision monoculaire et comportant successivement: un générateur lA-lB d'une image lumineuse à collimater, une formule optique relais 2A-2B, et un ensemble optique de collimation et de combinaison composé d'un élément optique mélangeur holographique 3A, 3B, et de deux éléments optiques collimateurs holographiques 4A-4B. L'élaboration de l'image peut être faite au moyen d'un tube cathodique miniature lA-lB pour chaque oeil. Les images peuvent être identiques ou différentes. L'optique relais 2A-2B est coudée pour des raisons d'encombrement au mr yen par exemple d'une structure prismatique. L'élément optique mélangeur 3A-3B est constitué à l'aide d'une lame plane qui assure la transmission de voie du paysage extérieur et la réflexion de la voie image issue du tube. La lame plane comporte un hologramme afin d'augmenter le rendement photomét ique sur la voie du tube en ne réfléchissant que le spectre Jéduit de longueur d'onde correspondant à la voie image et en transmettant toutes les autres longueurs d'onde du spectre visible sans atténuation. L'optique collimatrice 4A-4B dite combineur dans ce qui suit, collimate à l'infini l'image venant de l'optique relais et réfléchie par la lame 3A-3B, et elle transmet sans modification le rayonnement lumineux de la voie paysage. La figure 2 montre la combinaison des éléments intervenant en vision monoeulaire. Sur ce schéma simplifié sont indiqués trois hologrammes H1, H2 et H3 posés respectivement sur la lame mélangeuse 3A et sur deux éléments optiques 41 et 42 constituant le combineur 4A. L'élément optique 41 a une forme sphérique; l'élément optique 42 a une forme également cphérique mais de moindre courbure. L'ensemble forme une optique biconvexe. Les figures 3 et 4 illustrent le cheminement optique de la voie image pour chaque chaîne de vision monoeul-ire. Les rayons de champ sont représentés pour trois dire tions la direction axiale et deux directions symétriques par rapoort à la direction axiale. On remarque que la direction de l'ax- central ou axe optique du système, ne subit de collimati,n. Ceci entraîne une zone de rendement photométrique nul et donc un trou noir dans le champ monoculaire. Ce défaut est comlensé par le recouvrement des champs en binoculaire, comme on le verra ultérieurement. La pupille de l'oeil Po (plus précisément il s'agit de la boîte à oeil, c'est-à-dire de la zone o l'on peut déplacer l'oeil sans altérer la vision) est conjuguée de la pupille de l'optique relais. Le champ en site représenté sur la figure 3A correspond à + 30 et celui en gisement apparaisssant sur la figure 4 en vue de dessus est de + 42,5 soit 85 latéral pour 60 de haut ev vision monoculaire. La figure 5 Illustre le recouvrement des champs en vision binoculaire les yeux étant à la distance D1 de l'ordre de 6,5cm, les optiques de collimation 4A-4B étant disposées comme représentées, faisant entre elles un angle assurant le recouvrement désiré, par exemple de 50 dans la réalisation concernée, de manière à couvrir le trou noir axial relatif à la vision monoculaire de l'autre oeil comme l'illustre la Figure 6. Les champs nonoculaires gauche et droite, de forme circulaire, y sont référencés CG et CD. Le tronquage en hauteur r,ésulte de la taille et des dimensions des lames mélangeuses 3A-3]b placées en amont (voir Fig.l). Les caractéristiques optiques du viseur sont les suivantes pour la réalisation considérée: champ menoculaire circulaire de 85 ; champ binoculaire 60 en vertical par 120 en horizontal; pupille d'oeil Po considérée de 15mm de diamètre; rendement sur la vole image ou voie du tlube 40%, rendement sur la vole du paysage 30%; diamètre de la ache sur la vole image 1, Smrd environ au centre du champ monoculaire à 3,5mrd environ à 40 . Le viseur selon l'invention présente un haut rendement photométrique, tant sur la voie image que sur celle du paysage. Cette nette amélioration résulte essentiellement de l'utilisation du combineur cUollimateur holographique 4A-4B. Le combineur holographique 4A-4B se comporte comme un système afocal sur la voie du paysage c'est-à-dire de la vision extérieure. Sa focale est déterminée en fonction de l'encombrement sur la voie image. Les aberrations sur la voie 2613 4 9 7 image et la distorsion sur la vole paysage sont minimisées. Les rendements photométriques sur les deux voies sont maximisés, ainsi que le diamètre de la pupille ou boite à oeil Po. L'architecture du combineur apparait sur les ?igures 3 et 4. Le combineur est constitué de deux hologrammes diffractant par réflexion les rayons venant du tube générateur d'image qui correspondent donc a une longueur d'onde fixée ou à une bande spectrale très réduite, sont transmis par l'holograiumne H2, ensuite diffractés par réflexion par l'hologramme J]3, puis diffractés par réflexion par l'hologramme H2, et enfin transmis par l'hologramme H3. Ceci est rendu possible par le fait qu'un hologramme est un composant optique qui, à longueur d'onde fixée, diffracte les rayons tombant à une incidence donnée et transmet sans transformation le rayonnement tombant aux autres incidences. Les rayons venant du paysage qui contiennent les longueurs d'onde du spectre visible sont transmis par l'hologramme H2 puis par l'hologramme H3. Ceci est dû au fait, qu'à incidence fixée, un hologramme ne diffracte que les rayons d'une longueur d'onde fixée et transmet sans transfornation les rayons des autres longueurs d'onde. Ainsi le spectre visible est quasi-intégralement transmis à l'exception du spectre restreint affecté à la diffraction de la voie d'image. Sur la voie image, au centre de chaqu- champ monoculaire, la zone de rendement photométrique nul crée un trou dans le champ de 14 de diamètre environ. L'utili-;ation en binoculaire avec le recouvrement de champ indiqué à] aide des figures 5 et 6 permet de remédier à ces deux trous de rendement nul. De plus, afin d'accroître le rendement photométrique du combineur sur la pupille, la modulation d'indice de chacun des deux hologrammes H2 et H3 peut être réalisée variable suivant le point considéré sur ces hologrammes. Les hologrammes H2 et H3 sont du ty 'e miroir c'est-à-dire qu'ils n'agissent qu'en tant que filtres interférentiels. La fonction optique d'un tel hologramme est égale à celle de son support. L'hologramme miroir est éalisé de 26 1 3 4 97 manière connue, en disposant la couche de matériau photosensible à enregistrer entre une lame de verre qui constitue son support et un miroir d'enregistrement de même courbure. Un liquide adaptateur d'indice peut être prévu entre le matériau photosensible et le miroir. La figure 7 indique les paramètres à considérer pour un exemple de réalisation du combineur. Ces paramètres sont les rayons de courbure Ri à RG6 et les positions dl à d7 des différentes lames du combineur c'est-à-dire les suppor ts 41 et 42 en verre, ou matériau transparent, et les hologramnmes H2 et H3. La distance dl correspond à la distance entre la pupille de l'oeil P et l'hologramme H3. De même la dist ance d7 o représente la distance entre l'hologramme H2 et la lame mélangeuse 3A. Les positions dl à d7 sont succe:sivement axiales. Elles sont indiquées ci-après ainsi que les rayns Ri à R6, les dimensions sont en millimètres d1 = 38 R1 = 3100 d2 = d2= 1 R2 = 530 d3 4 R3 =6000 d4 =10 R4 = 100 d5 d5= 4 R5 = 93 d6 =1 R6 = 110 d7= 20 La lame plane holographique 3A ou 3B assure le mixage entre la voie du paysage et celle du tube. L'hologramrle utilisé est également du type miroir. La lame est inclinée par apport à l'axe du combineur, par exemple de 40 à 45 . La figure 8, représente en développé l'optique relais 2A déjà visible en détail sur la figure 3 et qui Pssure le transport de l'image du tube lA vers le combineur IA après réflexion sur la lame plane holographique 3A. Cette optique compense les aberrations résiduelles du combineur. Pour la réalisation proposée, elle se compose d'un montage de huit lentilles et d'un prisme. Le premier élément LI constitue un ménisque convergent. Vient ensuite un doublet L2, L3 groupant un ménisque divergent et un ménisque convergent; on trouve ensuite un triplet L4,L5,L6 constitué d'une lentille biconcave L4, une lentille biconvexe L5 et d'un ménisque convergent L6. L'élément L7 est un ménisque convergent et l'élément L8 une lentille biconvexe. Le prisme terminal P permet le repli du trajet optique et est terminé par des faces courbes venant épouser d'un côté le dioptre sphérique correspondant de la lentille L8 et se situant de l'autre côté devant l'écran du tube dont l'épaisseur de verre est représentée par la pièce terminale V. Le viseur binoculaire proposé permet un grai.d champ d'observation; il peut être monté sur un casque. Les applications essentielles envisagées sont l'aide à la navigation des pilotes d'avions ou d'hélicoptères, ainsi que la simulation de pilotage. Le générateur d'image 1A ou lB peut êtr- réalisé différemment, avec une matrice à cristaux liquides par exemple. 2613 4 9 7 REVENDICATIONS 1. Viseur binoculaire utilisant, en vision monoculaire, un dispositif collimateur groupant successivement: un générateur d'une image lumineuse à collimater une formule optique relais, et un ensemble optique de collimation et de combinaison, cet ensemble étant composé d'un élémeni optique mélangeur pour transmettre la vole du paysage et réfléchir la voie image et étant suivi d'un combineur constitué de deux éléments optiques dont un sphérique pour transmettre les deux voles avec collimation de la voie image, ledit viseur étant caractérisé en ce que l'élément mélangeur (3A-3B) ainsi que les deux éléments optiques combineurs (41,42; 4A-4B) comportent chacun un hologramme (H1,H2,H3), ledit dispositif cillimateur assurant la vision monoculaire étant doublé pour assurer la vision binoculaire. 2. Viseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux éléments optiques (41,42) du combineur (4A-4B) forment un ensemble biconvexe disposé en aval de l'élément optique mélangeur (3A-3B) constitué par une lame. 3. Viseur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'hologramme (H1) de l'élément optique mélangeur (3A-3B) est déterminé pour assurer une transmission optimale de la voie paysage et une réflexion optimale du speci tre limité correspondant à la voie image, et que les hologrammes (H2,H3) des éléments optiques combineurs (4A-4B) produisent la diffraction par réflexion dans une bande spectrale délimitée correspondant à la voie image et la transmission quasi intégrale du visible de la voie paysage. 4. Viseur selon la revendication 3, caractéri é en ce que le rayonnement de la voie image est réfléchi par l'élément optique mélangeur (3A-3B), puis transmis par un premier hologramme (H2) du combineur, diffracté par une deuxième hologramme (H3) du combineur, diffracté à nouveau par le premier hologramme du combineur (H2), et enfin transmis par le deuxième hologramme (H3)du combineur vers l'observateur, à l'exception du rayonnement axial qui produit une zone de rendement photométrique nul. 5. Viseur selon l'in des ensembles de revendications 2 et 3, ou 2 et 4, caractérisé en ce que le combineur (4t,4B) est constitué par des supports (41,42) en matériau transparent et desdites hologrammes (H2,H3) dont les positions et épaisseurs axiales et rayons de courbure sont les suivants, exprimés en millimètres dl = 38 R1 = 3100 (H3) d2 = 1 (H3) R2 = 530 (H3-42) d3 = 4 (42) R3 = 6000 (42) d =10 R4= 100 (41) 4 4 d5 = 4 (41) R5 = 93 (41-H2) d6 = 1 (H2) R6 = 110 (H2) d7 = 20 dl étant la position du premier hologramme (H3) par rapport à la pupille d'observation (P o) et d7 la position dudit deuxième hologramme (H2) par rapport à la lame mélangeuse (3A,3B). 6. Viseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les combineurs (4A-IB) sont décalés angulairement de manière à produire des recouv ement de champ (CG,CD) qui éliminent l'effet de rayonnement axial non collimaté dans chaque champ de vision monoculaire. 7. Viseur selon l'une quelconque des reverdications précédentes, caractérisé en ce que les hologrammes (HI,H2,H3) sont du type miroir. 8. Viseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les hologrammes (H',H3) du combineur sont à modulation d'indice variable. 9. Viseur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'optique relais (2A,2B) compense les aberrations résiduelles du combineur et est 26 13 4 9 7 constituée au moyen de huit lentilles et d'un prisme en vis-à-vis du dispositif générateur d'image (V).