Brevet FR2632086A1 — publié le 19891201

L'invention concerne un appareil d'affichage destiné à afficher une information au moyen d'un réseau de diffraction tel qu'un hologramme. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique NI 4 613 200 décrit un appareil d'affichage utilisant la combinaison d'un jeu d'hologrammes et d'une unité d'af- fichage, appareil dans lequel la lumière provenant de l'unité d'affichage est réfléchie et diffractée par un hologramme vers l'autre hologramme et est de nouveau réfléchie et diffractée par cet autre hologramme vers l'observateur afin d'entrer dans la pupille de ce dernier. Etant donné que la longueur du chemin optique entre l'unité d'affichage et l'hologramme plus proche de celle-ci est plus grande que celle comprise entre les deux hologrammes, l'appareil a pour inconvénients que sa dimension d'ensemble est inévitablement importante et que la zone de vision, dans laquelle l'observateur peut observer la formation affichée est limitée. Compte tenu de ce qui précède, l'objet de la présente invention est de proposer un appareil d'affichage de faible dimension et pouvant élargir la zone de vision de l'observateur. L'objet ci-dessus peut être réalisé, conformé- ment à la présente invention, par un appareil comprenant une unité d'affichage, un premier réseau de diffraction destiné a diffracter la lumière provenant de l'unité d'affichage, et un second réseau de diffraction destiné à diffracter la lumière provenant du premier réseau de diffraction, l'appareil étant conçu de façon que la longueur du chemin optique entre l'unité d'affichage et le premier réseau de diffraction soit plus courte que celle comprise entre les premier et second réseaux de diffrac- tion. Dans le cas de l'utilisation d'une unité d'affichage relativement petite, les premier et second réseaux de diffraction constituent avantageusement un système optique agrandisseur afin de faciliter l'observa- tion de l'information affichée par l'observateur. En outre, conformément à la présente invention, le premier réseau de diffraction est avantageusement placé de façon que l'angle d'incidence el de la lumière arrivant à ce premier réseau de diffraction soit plus grand que l'angle d'émergence e2 de la lumière sortant dudit premier réseau de diffraction en direction du second réseau de diffraction. En par- ticulier, l'observateur peut observer de façon extrêmement satisfaisante l'information affichée agrandie si la condition cose2/cos91 2 1,2 est satisfaite. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels: - la figure 1 est une vue schématique de côté d'une première forme de réalisation de l'invention; - la figure 2 est une vue schématique, avec coupe longitudinale, d'une troisième forme de réalisation de l'invention; et la figure 3 est une vue schématique d'une quatrième forme de réalisation de l'invention. La figure 1 est une vue schématique d'une première forme de réalisation de l'invention appliquée à un dispositif d'affichage tête haute pour une automobile. La figure 1 illustre le siège du conducteur d'une automobile et montre le chemin de la lumière émise à partir d'une unité 31 d'affichage. Un faisceau lumineux 32, portant une information à afficher, émis à partir d'une surface d'affichage de l'unité 31 d'affichage tel qu'un tube à rayon cathodique ou un tube d'affichage fluorescent, est diffracté avec réflexion par un réseau 11 de diffraction avec réflexion prévu sur un substrat 10, et un faisceau lumineux résultant 3 entre dans un réseau de diffraction du type à phase de volume avec réflexion (hologramme de type volume) 35 placé entre des substrats transparents 34 et 37. Un faisceau lumineux 36, diffracté avec réflexion par le réseau 35 de diffraction, arrive à la pupille 51 du conducteur de manière que l'affichage soit observé. Une plaque 29 formant écran empêche l'unité 31 d'affichage d'être vue directement depuis l'extérieur et protège l'unité 31 d'affichage de l'éclairage extérieur. Dans la présente forme de réalisation, l'unité d'affichage 31 et le réseau 11 de diffraction sont disposés de façon que la longueur du chemin optique allant de l'unité 31 d'affichage jusqu'au réseau 11 de diffraction soit plus courte que celle allant du réseau 11 de diffrac- tion jusqu'au réseau 35 de diffraction, et que les réseaux 11 et 35 de diffraction constituent un système optique agrandisseur comme expliqué ci-après. L'unité 31 d'af- fichage affiche diverses informations nécessaires à la conduite sur la surface d'affichage, afin d'aider les manoeuvres de conduite du conducteur. Le réseau 35 de diffraction est destiné, comme expliqué précédemment, a transmettre le faisceau lumineux provenant de l'unité d'affichage 31 à la pupille du conducteur. Le réseau 35 de diffraction de la présente forme de réalisation possède un pouvoir de réfraction de manière que le conducteur observe une image virtuelle agrandie de la surface d'affichage de l'unité 31, laquelle image est formée par le réseau 35 de diffraction. Cette image virtuelle agrandie est habituellement formée en avant de l'automobile. Les substrats transparents 34, 37 et le réseau 35 de diffraction sont translucides à la lumière 100 provenant d'un objet se trouvant devant l'automobile, de manière que l'observateur puisse observer les objets ou la scène en avant de l'automobile à travers ces éléments. Le substrat transparent 34 ou 37 est collé au pare-brise de l'automobile. 1l est également possible d'incorporer le réseau 35 de diffraction dans le parebrise de telle manière que le substrat transparent 34, 37 constitue une partie dudit pare-brise de l'automobile. L'unité d'affichage 31 est composée d'un tube à rayons cathodiques à haute luminosité, utilisant une matière fluorescente ayant une longueur d'onde de crête d'émission au voisinage de 543 nanomètres, telle que P43 ou P53. La longueur du chemin optique g1 entre l'unité 31 d'affichage et le réseau 11 de diffraction est de 80 mm; la longueur du chemin optique 2 entre les réseaux 11 et de diffraction est de 156 mm; l'angle d'incidence e1 de la lumière sur le réseau de diffraction est de 45; et l'angle d'émergence e2 à partir du réseau 11 de diffraction est de 5'. Le réseau 11 de diffraction est un réseau du type à relief réfléchissant obtenu par formation de gorges périodiques sur la face d'entrée d'un substrat, par travail mécanique. On peut également utiliser un réseau de diffraction du type à relief formé sur la face arrière d'un substrat transparent, ou un réseau de diffraction du type à volume réfléchissant tel qu'un hologramme. La surface a relief du réseau 11 est munie d'un film réfléchissant, par exemple en aluminium, pour réfléchir efficacement la lumière provenant de l'unité 31 d'affichage. Le réseau 11 de diffraction peut se présenter sous la forme d'un réseau linéaire de pas constant, sous une forme faisant converger la lumière telle qu'une partie d'une plaque à zones, ou sous une forme fonctionnant à la manière d'une lentille cylindrique. Le réseau de diffraction peut être obtenu, en plus du travail mécanique mentionné ci-dessus, par un procédé lithographique dans lequel le dessin d'un réseau porté par un masque est imprimé, ou par formation d'un dessin holographique par l'interférence de deux faisceaux laser. De plus, il n'est pas nécessaire que le réseau de diffraction soit d'une forme plane, mais il peut prendre une forme convexe, concave ou cylindrique. Etant donné que les recherches effectuées pour la présente invention ont mis en évidence qu'une fonction suffisante telle qu'un affichage apparent peut être obtenue avec un réseau linéaire de pas constant, la présente forme de réalisation utilise, en tant que premier réseau 11 de diffraction, un réseau de diffraction du type à relief obtenu par gravure d'un réseau linéaire de pas constant sur la surface d'un substrat. L'utilisation d'un tel réseau de diffraction du type a relief contribue à la réduction de coût de l'appareil d'affichage, car il peut être produit aisément en grande série. Dans la présente forme de réalisation, le premier réseau 11 de diffraction possède un pas P1 de réseau de 0,88 Mm. Le faisceau lumineux 33 arrive au second réseau 35 de diffraction sous un angle d'incidence 83 = 25' et est diffracté avec réflexion de façon à avoir un angle d'émergence 84 = 45 . Le réseau 35 de diffraction possède un pas P2 de réseau de 1,91 Jm. Ce réseau de diffraction peut être composé de diverses matières telles qu'une matière du type poly(N-vinylcarbazole), une gélatine d'acide bichromique ou de la gommé arabique. Dans la présente forme de réalisation, on utilise du poly(N- vinylcarbazole). Dans la présente forme de réalisation, on utilise une structure capable d'empêcher le flou de l'image, provoqué par une dispersion de couleur, du fait du réseau 35 de diffraction, de l'information affichée et observée par le conducteur. On expliquera ci-après brièvement cette technologie. La lumière provenant de l'unité d'affichage 31 possède une largeur finie de bande de longueur d'onde, par exemple une demi-largeur de 10 à 300 nm, et le réseau 35 de diffraction du type à phase en volume à réflexion possède également des caractéristiques de dispersion de la longueur d'onde avec une demi-largeur de 10 à 100 nm. La détérioration la plus marquée de qualité de l'image, dans l'observation d'un affichage obtenu par la combinaison d'une telle source de lumière et d'un tel réseau de diffraction, est le flou de l'image en direction verticale de cette dernière. Ce flou d'image peut être corrigé de la manière suivante. On considère un rayon lumineux d'une longueur d'onde légèrement plus grande que la longueur d'onde centrale (par exemple 545 ou 553 nm par rapport à 543 nm). En remontant le rayon lumineux de ladite longueur d'onde le long du chemin 36, à partir de la pupille 51, on peut déterminer des rayons 33', 32'. Par conséquent, si le réseau 11 de diffraction est réalisé de manière que le rayon 32' croise un rayon 32, correspondant à la longueur d'onde centrale, sur l'unité d'affichage 31, le flou de l'image dans la direction verticale de l'information affichée est corrigé lorsque l'on observe dans la position de la pupille 51. La structure mentionnée ci-dessus peut être obtenue si la condition suivante est satisfaite: (2) =(P2 cos83 cose2 cos2e 1 1 cos221 cos2e o P1 = 0/IsinG 1 -sine21 P2 = X0/Isine4 - sin831 Dans la présente forme de réalisation, l'appareil est conçu de façon à satisfaire cette condition afin d'améliorer la qualité de l'image affichée. Bien que d'autres aberrations soient également générées, il est cependant confirmé expérimentalement que la correction de l'aberration de couleur mentionnée ci- dessus est la plus efficace. Dans la première forme de réalisation, les distances Q1 = 80 mm et 42 = 156 mm, satisfaisant une condition ( 2/ 1) = 1,95 > 1, donnent un appareil compact offrant une zone de vision élargie pour le conducteur. De plus, l'agrandissement de l'image dans la direction verticale est m = (cose2/cose1) = 1,41, principalement du fait de la fonction du réseau 11 de diffraction, améliorant notablement la visibilité de l'image affichée. On a obtenu une deuxième forme de réalisation, ayant la même structure que la première forme de réalisa- tion, en utilisant un tube d'affichage de couleur rouge ayant une longueur d'onde centrale de 620 nm en tant qu'unité 31 d'affichage. Le réseau 11 de diffraction avait un pas de 1,0 gm, tandis que le réseau 35 de diffraction avait un pas P2 = 2,18 gm, satisfaisant la condition de Bragg pour la longueur d'onde centrale mentionnée ci- dessus. On a ainsi obtenu un affichage sans flou de l'image et avec une large zone de vision, dans laquelle l'image est agrandie de 1,41 fois dans la direction verticale par la fonction du réseau 11 de diffraction comme dans la première forme de réalisation. On se réfère à présent à la figure 2 pour expliquer une troisième forme de réalisation selon l'invention. Une unité 31 d'affichage à cristaux liquides est éclairée par l'arrière au moyen d'une source 1 de lumière et d'une lentille 30 d'illumination. Un rayon central 32 de l'image formée sur la surface d'affichage de l'unité d'affichage 31 entre dans un réseau 11 de diffrac- tion à relief transmissif formé sur la face inférieure d'un substrat transparent 10 et y est diffracté pour former un rayon 33. Ledit réseau 11 de diffraction du type à relief est formé sur la face d'entrée du subtrat transparent 10, qui est réalisé d'une seule pièce avec un élément 29 formant écran. La lumière diffractée 33 est réfléchie vers la pupille 51 du conducteur afin de former une lumière 36 par un réseau de diffraction du type a phase en volume (hologramme du type à volume) 35 qui est formé sur la phase d'entrée d'un substrat transparent 34 et qui est transpa- rent à un rayon lumineux 100. Egalement dans cette forme de réalisation, l'observateur peut observer l'objet se trouvant devant lui grâce à la lumière 100. De plus, l'image de l'unité d'affichage 31 est agrandie dans la direction verticale principalement par la fonction du réseau 11 de diffraction, comme expliqué ci-après. Etant donné que la pupille 51 est suffisamment éloignée de l'unité d'affichage 31, un rayon 32a provenant de la partie supérieure de la surface d'affichage de l'unite d'affichage 31 et un rayon 32b provenant de la partie inférieure de ladite surface d'affichage peuvent être considérés comme sensiblement parallèles au rayon 32. Etant donné que les rayons 33a, 33b, après la diffraction, sont également sensiblement parallèles au rayon 33, on obtient un agrandissement de l'image de m = (cose2/cose1) fois, o e1 et e2 sont les angles des rayons par rapport au réseau 11 de diffraction. Les paramètres de la présente forme de réalisation sont les suivants: : 555 nm (au centre de la bande de longueurs d'onde visible et apparaissant le plus clair à l'oeil) e: 50', e3: 35', e2: 0', el: 34 P2: 2,88 Mm, P1: 0,99 pm, i2: 200 mm, 1: 100 mm agrandissement de l'image m = 1,21. Expérimentalement, il a été confirmé que l'agrandissement de l'image de 1, 21 fois produit une image agrandie, avec une zone de vision élargie pour l'obser- vateur et avec une meilleure visibilité lorsqu'on l'observe au niveau de la pupille 51. L'utilisation d'un réseau de diffraction transmissif comme dans la présente forme de réalisation permet de diminuer les dimensions de l'ensemble de l'appareil. Dans la présente forme de réalisation, aussi, le substrat 10 portant le réseau 11 de diffraction peut servir de capot pour l'unité d'affichage 31. La figure 3 est une vue schématique d'une quatrième forme de réalisation de la présente invention, dans laquelle un rayon 32 provenant d'un tube d'affichage fluorescent 31, émettant principalement de la lumière verte, est diffracté avec réflexion par un réseau 11 de diffraction du type à relief formé sur la surface du côté opposé au côté d'entrée de la lumière (surface arrière) d'un substrat 10 pour former un rayon 33 qui entre ensuite dans un réseau de diffraction du type à phase en volume (hologramme du type à volume) 35 formé sur un substrat transparent 34. Ce réseau 35 est recouvert d'un film protecteur transparent 37. Un rayon 36 obtenu par réfle- xion-diffraction du réseau 35 entre dans la pupille 51 de l'observateur. Les paramètres de la présente forme de réalisation sont les suivants: 0: 510 nm 04: 45', 83: 60 , e2: -5, 8el 55 P2: 3,21 Nm, P1: 0,563 Nm Q2: 295 nm, 1: 60 mm m = 1,74 fois. De plus, l'appareil de la présente forme de réalisation produit les mêmes effets que les formes de réalisation précédentes. Etant donné que le réseau 11 de diffraction en relief est formé sur la face arrière d'une plaque en résine acrylique (indice de réfraction 1,49) et que les plans inclinés du réseau 11 ont un angle d'inclinaison de 18,4 par rapport à la surface du substrat, la lumière incidente sur le réseau 11 et la lumière diffractée avec réflexion qui en part forment un petit angle d'environ 15- par rapport auxdits plans inclinés. Par conséquent, on obtient une efficacité de réflexion-diffraction en raison de l'éclipse réduite occasionnée par les zones d'angle du réseau. Comme expliqué dans les formes de réalisation précédentes, un réseau 11 de diffraction, qui corrige efficacement le flou de l'image provoqué par la dispersion verticale de la longueur d'onde dans le réseau 35 de diffraction du type à phase en volume, est utilisé également pour agrandir l'image dans la direction verticale de l'image affichée. Le réseau 11 de diffraction est placé à proximité de l'unité 31 d'affichage, ce qui permet de réduire les dimensions du réseau 11 et de l'ensemble de l'appareil. De plus, la zone de vision offerte à l'obser- vateur est élargie afin qu'un affichage offrant une meilleure visibilité puisse être vu quelle que soit la position de la pupille de l'observateur. Bien que l'appareil d'affichage montré sur la figure 1 soit conçu sous la forme d'un appareil d'affichage à tête haute pour une automobile, l'appareil d'affichage selon l'invention convient également à d'autres véhicules ou à un appareil d'affichage isolé. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à l'appareil et au procédé décrits et représentés sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Appareil d'affichage, caractérisé en ce qu'il comporte une unité d'affichage (31), un premier réseau (11) de diffraction destiné & diffracter la lumière (32) provenant de l'unité d'affichage, et un second réseau (35) de diffraction destiné à diffracter la lumière diffractée (33) provenant du premier réseau de diffrac- tion, l'appareil étant conçu de manière que la longueur du chemin optique entre l'unité d'affichage et le premier réseau de diffraction soit plus courte que celle comprise entre les premier et second réseaux de diffraction. 2. Appareil selon la revendication 1, carac- térisé en ce que le premier réseau de diffraction est disposé de façon que l'angle d'incidence eIl de la lumière arrivant au premier réseau de diffraction soit plus petit que l'angle d'émergence e2 de la lumière émergeant du premier réseau de diffraction en direction du second réseau de diffraction. 3. Appareil selon la revendication 2, carac- térisé en ce que le premier réseau de diffraction est disposé de façon à satisfaire la condition (cose2/cosel) 2 1,2. 4. Appareil selon la revendication 1, carac- térisé en ce que le premier réseau de diffraction est composé d'un réseau de diffraction du type a relief. 5. Appareil selon la revendication 4, carac- térisé en ce que le réseau de diffraction du type à relief est construit de façon à diriger la lumière provenant de l'unité d'affichage vers le second réseau de diffraction par réflexion-diffraction. 6. Appareil selon la revendication 5, carac- térisé en ce que le second réseau de diffraction est composé d'un réseau de diffraction du type & phase en volume. 7. Appareil selon la revendication 6, carac- térisé en ce que le réseau de diffraction du type à phase est conçu de façon & diriger la lumière diffractée provenant du réseau de diffraction du type à relief en direction de la pupille (51) d'un observateur par réflexion-diffraction. 8. Appareil selon la revendication 7, carac- térisé en ce que le réseau de diffraction du type à phase est transparent à une lumière différente de la lumière diffractée, de manière à guider la lumière différente vers la pupille d'un observateur. 9. Appareil selon la revendication 4, carac- térisé en ce que le réseau de diffraction du type à relief est formé sur une face, opposée à la face d'entrée de la lumière provenant de l'unité d'affichage, d'un subtrat transparent (10) qui est transparent à ladite lumière. 10. Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que le réseau de diffraction du type à relief est conçu de façon à diriger la lumière provenant de l'unité d'affichage vers le second réseau de diffraction par transmission-diffraction. 11. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un moyen (29) destiné à empêcher la lumière provenant de l'unité d'affichage d'arriver, sans passer à travers les premier et second réseaux de diffraction, à la pupille recevant la lumière diffractée dudit second réseau de diffraction. 12. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier réseau de diffraction est conçu de façon à corriger la dispersion de couleur de la lumière provenant de l'unité d'affichage par le second réseau de diffraction. 13. Appareil selon la revendication 12, caractérisé en ce que le premier réseau de diffraction est composé d'un hologramme du type à volume. 14. Appareil selon la revendication 13, caractérisé en ce que l'hologramme est pris en sandwich entre des substrats transparents (34, 37). 15. Appareil d'affichage, caractérisé en ce qu'il comporte une unité d'affichage (31), un hologrammo (35) destiné & former une lumière diffractée avec réflexion par réception de la lumière provenant de l'unité d'af- fichage, et un réseau (11) de diffraction disposé entre l'unité d'affichage et l'hologramme afin de diriger la lumière (32) provenant de l'unité d'affichage vers ledit hologramme, par diffraction, l'appareil étant conçu de manière que la longueur du chemin optique entre ledit réseau de diffraction et l'unité d'affichage soit plus courte que celle comprise entre le réseau de diffraction et l'hologramme. 16. Appareil selon la revendication 15, caractérisé en ce que le réseau de diffraction est composé d'un réseau de diffraction réfléchissant destiné à diriger la lumière provenant de l'unité d'affichage vers l'holo- gramme par réflexion-diffraction. 17. Appareil selon la revendication 15, caractérisé en ce que le réseau de diffraction est composé d'un réseau de diffraction du type à relief. 18. Appareil selon la revendication 16, caractérisé en ce que l'hologramme comprend un réseau de diffraction de phase du type à volume. 19. Appareil selon la revendication 17, caractérisé en ce que l'hologramme comprend un réseau de diffraction de phase du type à volume. 20. Appareil selon la revendication 15, caractérisé en ce que le réseau de diffraction est disposé de façon à corriger la dispersion de couleur, provoquée par l'hologramme, de la lumière provenant de l'unité d'af- fichage. 21. Appareil selon la revendication 15, caractérisé en ce que l'hologramme possède un pouvoir de réfraction. 22. Appareil selon la revendication 21, caractérisé en ce que le réseau de diffraction est disposé de façon que l'angle d'incidence (el) de la lumière entrant dans le réseau de diffraction soit plus petit que l'angle d'émergence e2 de la lumière émergeant du réseau de diffraction en direction de l'hologramme. 23. Appareil selon la revendication 22, caractérisé en ce que le réseau de diffraction est disposé de façon à satisfaire la condition (cose2/cosel) k 1,2. 24. Appareil selon la revendication 21, caractérisé en ce que l'hologramme est composé d'une matière constituée principalement de poly(N-vinylcar- bazole). 25. Appareil d'affichage, caractérisé en ce qu'il comporte une unité d'affichage (31), un hologramme (35) destiné à former une lumière diffractée (36) en recevant la lumière provenant de l'unité d'affichage, et un réseau (11) de diffraction du type à relief disposé entre l'unité d'affichage et l'hologramme afin de diriger la lumière (32) provenant de l'unité d'affichage vers l'hologramme, par diffraction. 26. Appareil selon la revendication 25, caractérisé en ce que le réseau de diffraction est disposé de façon à corriger la dispersion de couleur, provoquée par l'hologramme, de la lumière arrivant de l'unité d'af- fichage. 27. Appareil selon la revendication 26, caractérisé en ce que l'hologramme possède un pouvoir de réfraction. 28. Appareil selon la revendicatioin 26, caractérisé en ce que le réseau de diffraction est disposé de manière que l'angle d'incidence 91 de la lumière entrant dans le réseau de diffraction soit plus petit que l'angle d'émergence e2 de la lumière émergeant dudit réseau de diffraction vers l'hologramme. 29. Appareil selon la revendication 28, caractérisé en ce que le réseau de diffraction est disposé de façon à satisfaire la condition (cos92/cose1) k 1,2. 30. Appareil selon la revendication 26, caractérisé en ce que l'hologramme est composé d'une matière constituée principalement de poly(N-vinylcar- bazole). 31. Procédé d'affichage, caractérisé en ce qu'il consiste à diffracter de la lumière (32) provenant d'une unité d'affichage (31) avec un premier réseau (11) de diffraction, et à diffracter la lumière diffractée (33), obtenue dans ladite étape de diffraction effectuée par le premier réseau de diffraction, à l'aide d'un second réseau (35) de diffraction, les deux étapes ci-dessus étant menées de façon que la longueur du chemin optique allant de l'unité d'affichage au premier réseau de diffraction soit plus courte que celle allant du premier réseau de diffrac- tion au second réseau de diffraction. 32. Procédé selon la revendication 31, caractérisé en ce que le premier réseau de diffraction est disposé de façon que l'angle d'incidence (el) de la lumière entrant dans le premier réseau de diffraction soit plus petit que l'angle d'émergence (82) de la lumière émergeant du premier réseau de diffraction en direction du second réseau de diffraction. 33. Procédé selon la revendication 32, caractérisé en ce que le premier réseau de diffraction est disposé de façon à satisfaire la condition (cose2/cosel) k 1,2. 34. Procédé selon la revendication 31, caractérisé en ce que le premier réseau de diffraction est conçu de façon à corriger la dispersion de couleur, provoquée par le second réseau de diffraction, sur la lumière provenant de l'unité d'affichage.