Brevet FR2625336A1 — publié le 19890630

La présente invention cnncerne les systèmes de- vi- sualisation et plus particulièrement des systèmes de visuali- sation tête haute qui assurent la figuration d'un objet su- perposée à une vue extérieure. Il est souhaitable que les systèmes de visualisa- tion tête haute assurent un grand champ de vision et que la vision soit binoculaire. Malheureusement, l'espace disponible pour l'installation des composants d'un systèmes de visualisa- tion tête haute est habituellement très limité, par exemple dans le cas d'une installation dans l'habitacle ou poste de pilotage d'un aéronef, ce qui limite le champ de vision pouvant être obtenu. Dans les systèmes classiques de visualisation tête haute, la lumière d'un objet est dirigée sur un combinateur qui est un élément optique incliné ayant la propriété de réfléchir la lumière tombant sur sa surface, de façon qu'elle apparaisse comme étant superposée à une vue extérieure à tra- vers le combinateur. Afin que l'image puisse apparaître à l'infini ou autre distance préférée, un élément optique collimateur est disposé sur le trajet optique. Le champ instantané de vision d'un système classique de visualisation tête haute, c'est-à-dire le champ angulaire de l'image super- posée et de l'image collimatée que peut voir l'observateur en utilisant les deux yeux, est limité par la dimension de l'élément collimateur et par l'angle sous-tendu par son image dans le combinateur, ce qui sera appelé "l'ouverture du système". Le champ de vision binoculaire est le champ que voient simulta- nément les deux yeux et il est limité à la petite région de chevauchement des ouvertures pour chaque oeil. Afin de surmonter la limitation ci-dessus, il a été utilisé des combinateurs à puissance optique sous la forme de miroirs hors axe. Pour faciliter l'installation dans un aéronef, dans un tel système, une image intermédiaire formée par une lentille relais est collimatée et combinée avec la vue extérieure. Le champ de vision est limité comme précédemment par les dimensions de l'élément combinateur,et en plus par le diamètre de la lentille relais qui forme une image à proximité de l'observateur, ce qui engendre une puDille de sortie à travers laquelle l'image combinée peut être observée. Le champ global de vision sous-tendu par le combinateuL peuL être vu par l'un ou l'autre oeil ou par les deux yeux s'ils sont placés dans le volume de la pupille de sortie. Malheureu- sement, les aberrations produites dans de tels systèmes agen- cés pour un grand champ de vision sont graves. L'utilisation d'une lentille relais laisse une certaine-marge pour effectuer une correction mais, même avec un système optique relais com- plexe à plusieurs éléments, il faut tolérer une aberration et une disparité binoculaire importantes, si l'on veut obte- nir les avantages d'un grand champ de vision. Un tel système peut rarement être conformé pour une installation dans un aéronef sans utiliser un seul élément encombrant, difficile à réaliser, et servant aussi bien de collimateur que de combina- teur, qu'il est difficile de maintenir précisément en position, étant donné qu'il occupe obligatoirement une position vulné- rable au-dessus du tableau de bord de l'aéronef. Au cours des dernières années, on s'est beaucoup intéressé à la possibilité d'utiliser des éléments optiques de diffraction dans les systèmes de visualisation tête haute. De tels éléments peuvent offrir des avantages intéressants à cause de leur faible masse, de leur grand pouvoir de trans- mission, de leur réponse dans une bande et un angle étroits et de leur correction partielle de l'aberration. Malheureuse- ment, il n'a pas été possible de tirer entièrement profit des avantages potentiels qu'offrent les éléments de diffraction et,en particulier,la perspective de systèmes comprenant de grands éléments optiques de diffraction de faible masse et peu coû- teux n'a pas été satisfaite. Les fortes aberrations fondamenta- les des systèmes à miroirs hors axe, comme décrit plus haut, dans lesquels des combinateurs de diffraction ont été utilisés jusqu'à présent, ont également empêché d'atteindre les niveaux idéaux de précision et de disparité binoculaire,dans les sys- tèmes de visualisation tête haute à grand champ de vision, avec une pupille de sortie de grandeur convenable pour per- mettre une liberté suffisante de mouvement de la tête de l'observateur. Il a été propnsé. des systèmes sur axe, ayant l'avan- tage d'une plus faible aberration d-une façon inhérente- oans lesquels un collimateur placé au-dessus de la ligne de vision extérieure réfléchit sur un combinateur plan placé sur la ligne de vision. Bien que le rendement de tels systèmes soit potentiellement acceptable, le grand collimateur qui serait nécessaire dans un système à grand champ de vision est incom- patible avec les limitations d'encombrement qui s'appliquent dans un aéronef. Selon la. présente invention, un système de visuali- sation comporte un dispositif de production d'un objet, un collimateur pour produire une image collimatée de l'objet, un combinateur pour produire une représentation de l'image superposée à une vue extérieure à travers le combinateur à partir d'une position d'observation et un système optique relais sur le trajet optique à partir de l'objet et entre ce dernier et le collimateur, le système optique relais présen- tant des éléments espacés pour former une première pupille de sortie à proximité de la position d'observation et une seconde pupille de sortie à proximité du combinateur. Les volumes des première et seconde pupilles de sortie sont avantageusement choisis pour qu'ils se chevau- chent et produisent un champ de vision binoculaire s'étendant en direction du combinateur à partir de la position d'obser- vation. Il est évident que cette disposition constitue un système de visualisation dans lequel l'observateur peut effectuer des mouvements autour de la position d'observation sans perdre la vision binoculaire. Dans une forme de réalisation préférée de la pré- sente invention, la lumière de l'objet est déviée par un élé- ment optique réfléchissant placé d'un côté de la ligne cen- trale de l'image représentée, de l'observateur au combinateur, sur un collimateur placé de l'autre côté de la ligne centrale de l'image. Les éléments optiques sont avantageusement utili- sés sur l'axe ou près de l'axe,et le combinateur est de préfé- rence plan afin d'obtenir un champ maximal de vision en élé- vation et une distribution symétrique des aberrations autour de la ligne centrale de l'image. Un système de visualisation tête haute selon la présente invention peut être avantageusement ins-taiié dans un aéronef en prolongeant vers le bas le Pajet optique de l'image à un réflecteur placé au-dessus de la ligne centrale de l'image. Ainsi, le dispositif destiné à produire l'objet, par exemple un tube à rayons cathodiques, peut être situé dans l'espace réservé au tableau de bord de l'aéronef, en supprimant l'assombrissement de la vision extérieure provoqué par les composants du système placés d'une façon classique au-dessus du tableau de bord. La présente invention facilite l'installation d'une seconde visualisation pour une observa- tion tête basse, de préférence avec un trajet optique brisé entre les éléments espacés du système optique relais. Dans une autre forme de réalisation préférée de la présente invention, il est prévu des éléments optiques d'un système d'enregistrement dans la seconde pupille de sortie, de façon à pouvoir effectuer un enregistrement de l'image simultanément à la vision extérieure, tels qu'elle se présente exactement à l'observateur. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels: la figure 1 illustre un système de visualisation tête haute selon la présente invention; la figure 2 illustre un agencement utilisé pour fonc- tionner près de l'axe; et la figure 3 représente un autre système de visualisa- tion selon l'invention qui est destiné à être installé dans un aéronef. Lorsque les éléments sont identiques, ils sont dési- gnés par les mêmes références numériques. Un tube à rayons cathodique 12 (Figure 1) produit un objet sous la forme d'une représentation 14 dont il s'agit de former l'image. La lumière de la représentation 14 entre dans un relais optique 17 qui est destiné à former une image réelle 18 de la représentation devant un réflecteur 15 qui dirige la lumière sur un collimateur 16 de réflexion et de diffraction,qui délivre une image collimatée de la représen- tation 14 pour qu'elle soit combinée, par un combinateur 10, avec une vision avant extérieure à partir d'une position d'observation 11. Le réflecteur 15 et le collimateur 16 sont placés chacun de chaque côté de la ligne centrale 31 de la représentation. Dans cette forme de réalisation, le réflecteur 15 est à facettes à titre de variante d'un miroir plan, de sorte qu'une rotation supplémentaire des parties du miroir peut être exécutée pour assurer un obscurcissement minimal de la vision extérieure, sans changer l'angle de réflexion. Selon la présente invention, le relais optique 17 comprend des éléments espacés. Pour plus de clarté, ils sont représentés sous la forme d'une première lentille relais L1 et d'une seconde lentille relais L2, bien que les lentilles relais puissent être elles-mêmes constituées par des groupes de plusieurs lentilles élémentaires selon les principes connus. La première lentille relais L1 est figurée sur le collimateur 16 à la position de l'observateur ou près de cette dernière, ce qui engendre une première pupille de sortie Pl' On obtient une vision binoculaire si les deux yeux de l'observateur se trouvent à l'intérieur de la pupille de sortie. La seconde lentille relais L2 est également figurée par le groupe de lentilles L1 et le collimateur 16 pour en- gendrer une seconde pupille P2 qui, en raison du grossisse- ment assuré par la lentille L1, peut être positionnée près du combinateur 10. La présence de la seconde pupille de sortie P2 vers l'avant prolonge le champ de vision binoculaire, de sorte que la totalité du champ de vision binoculaire est maintenue, si la position d'observation 11 est avancée en direction du combinateur, en englobant un mouvement au-delà de la première pupille de sortie P1, dans le volume de che- vauchement du volume V1 de la première pupille de sortie et du volume V2 de la seconde pupille de sortie. On se rend compte maintenant que le système de la présente inven- tion peut être conformé pour être installé dans les limites d'encombrement d'un aéronef, par exemple entre un pare-brise 19 et une ligne d'éjection 20 pour assurer un grand champ de vision binoculaire, tout en tolérant un mouvement de l'ob- servateur vers l'avant, et sans recourir au système optique hors axe des systèmes antérieurs,ce qui évite l'aberration associée et la correction coûteuse de cette dernière. Un autre avantage de la présente invention est une distribution favorable de la masse, étant donné qu'il est évident que les composants du système peuvent être montés dans un bâti de construction monobloc dont les centres de masse et d'inertie peuvent être établis, pour une installation dans un aéronef par exemplede façon à se trouver dans l'espace réservé au tableau de bord, en facilitant ainsi le montage fiable et en réduisant la sensibilité aux vibrations. Un système de visualisation tête haute selon l'in- vention offre des avantages particuliers. L'utilisation d'un élément optique de diffraction à bande étroite pour le colli- mateur 16 assure l'élimination de la lumière extérieure pré- sentant des longueurs d'onde situées en dehors de sa largeur de bande et de la lumière arrivant suivant des angles hors axe. Dans un système comportant un combinateur plan 22 (Figure 2) placé pour fonctionner près de l'axe (B), l'angle d'incidence 0 pour la transmission à travers le combinateur 22 n'est pas égal à l'angle d'incidence-;2 destiné à la réflexion. Le com- binateur 22 peut être réalisé pour assurer une bonne transmis- sion de la lumière arrivant suivant un premier angle d'inci- dence. 1 et pour assurer une bonne réflexion de la lumière arrivant suivant un second angle d'incidence c2, conformément aux principes connus des éléments optiques de diffraction. Un autre avantage réside dans le fait que la possi- bilité d'une atténuation ou "délavage" de la représentation par la lumière solaire est très atténuée par un réflecteur 15 opaque (Figure 1) qui bloque les axes optiques du combinateur 10 et du collimateur 16, d'une part, et du relais optique 17, d'autre part. La lumière solaire,qui vient frapper directement la lentille relais L1 et qui atteint donc le relais optique, est atténuée par un filtre 21 qui peut être un filtre du type nid d'abeilles comprenant des lames disposées perpendiculai- rement au plan de la lentille relais L2 et qui est hors du foyer par rapport à la position ll de l'observateur. Dans l'aviation militaire, le poste de pilotage d'un avion comporte d'une façon classique un dispositif de visua- lisation tête basse qui est monté au-dessous du système de -7 visualisation tête haute. La forme d'un tel système de visua- lisation est limitée par l'espace disponible dans le poste de pilotage et,dans les avions usuels, l'information aéro-élec- tronique disponible ne peut pas être convenablement affichée sur des instruments classiques. La présente invention fournit une configuration qui peut être adaptée aux limites d'encombrement d'un poste de pilotage d'avion militaire, tout en assurant un système de visualisation tête haute à grand champ de vision, avec possi- bilité convenable de donner des informations tête basse. On va décrire maintenant une telle forme de réalisation de l'in- vention. Les groupes de lentilles relais L1 et L2, le collima- teur 16 et le combinateur 10 produisent,au poste d'observation ll une image de la représentation 14 qui est superposée à une vision extérieure (Figure 3). Une image intermédiaire est pro- duite devant un réflecteur ayant la forme d'un miroir plan 30. L'image est placée de façon qu'elle soit symétrique autour d'une ligne centrale 31. On se rend compte maintenant qu'un système de visualisation tête haute à grand champ de vision, comme celui précédemment décrit, peut être installé dans les limites de l'espace d'un poste de pilotage d'avion, par exem- ple entre le pare-brise 32 et le carénage 33. Dans les postes de pilotage d'avions militaires, la ligne d'éjection 34 impose une troisième condition qui doit être satisfaite. Le collima- teur de diffraction 16 est un composant relativement léger et est monté de façon escamotable pour qu'il soit dégagé derrière la ligne d'éjection 34 en cas d'éjection. Le principal support (non représenté sur la figure 3) du collimateur 16 est placé près de son centre d'inertie pour minimiser toute vibra- tion et ce centre coïincide avec l'axe d'articulation en vue de l'escamotage. En variante, le collimateur peut être cassable en cas d'éjection. Une importante condition dans l'utilisation pratique d'un système de visualisation tête haute est la possibilité d'effectuer un enregistrement continu, au moyen d'une caméra cinématographique ou de télévision, d'une représentation de la vision extérieure, ainsi que de la totalité de l'image représentée. Dans la présente forme de realisation. Lime caméra ainsi qu'un périscope 36 satisfont à cetLe cond1bion.Une installation précise de la caméra et du périscope n'est pas indispensable. Il suffit que l'objectif de la caméra 35 se trouve dans le champ de la seconde pupille de vision P2. Cet agencement facile représente un avantage majeur par rapport aux systèmes antérieurs à grand champ de vision, dans lesquels la pupille de sortie limitée rend impossible tout enregistrement de l'ensemble du champ de vision sans avoir recours à un sys- tème optique secondaire distinct destiné à l'enregistrement, ce qui entraîne des doutes quant à l'alignement avec le système de visualisation primaire. Les avions militaires modernes contiennent habituel- lement un autre système de visualisation monté au-dessous du système de visualisation tête haute et qui est visualisé tête basse. Dans la présente invention, une image d'une représenta- tion 37 du tube à rayons cathodique 38 est engendrée pour une observation tête basse. La lumière provenant de la représenta- tion est dirigée pour son observation par des réflecteurs 39 et 40. Une image intermédiaire 43 est formée par un groupe de lentilles relais 41 et l'image est partiellement ou entièrement collimatée par u.ne lentille 42, selon la pratique courante. Le trajet optique à partir du tube à rayons cathodiques 38 passe entre des éléments optiques relais L1 et L2. Un filtre absor- bant 46, placé devant la lentille 42, atténue l'effet de la lumière extérieure incidente. Il est bien entendu que le système de visualisation tête haute et le système de visualisation tête basse décrits ci- dessus peuvent être tous deux logés directement dans les limites 32,33 et 34 de l'espace disponible. Les éléments optiques L1,L2 41,39,40,42 des systèmes de visualisation sont à proximité.et peuvent être avantageusement installés en une seule étape sous la forme d'un ensemble optique de visualisation. Il est en outre évident que l'espace est efficacement utilisé en comparaison des systèmes antérieurs. Il est possible d'obtenir une autre représentation 44 sur un tube à rayons cathodiques 45 qui peut être vu directement de la position d'observation 11. Les tubes à rayons cathodiques 38 et-12, ainsi que les éléments électroniques associés peuvent être avantageusement conformés en un ensemble démontable pour être facilement entretenus. Dans une variante de la présente invention, plusieurs représentations peuvent être figurées sur une ligne centrale commune en utilisant plusieurs tubes à rayons cathodiques dis- tincts, relais optiques et miroirs pliants, lesdits miroirs pliants étant chacun inclinés pour diriger la lumière inci- dente sur un seul miroir collimateur. Des représentations sur des canaux distincts peuvent être avantageusement projetées à des longueurs d'ondes différentes pour assurerune présenta- tion en couleurs. REVENDICATIONS 1. Système de visualisation tête haute, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif (12) pour produire un objet, un collimateur (16) pour produire une image collimatée de l'objet, un combinateur (10) pour produire une représentation de l'objet superposée à une vision extérieure à travers le combinateur à partir d'une position d'observation (11), et un relais optique (17) sur le trajet optique partant de l'objet et entre ce dernier et le collimateur (1l6), le relais optique (17) comportant des éléments espacés pour engendrer une pre- mière pupille de vision (P1) près de la position d'observation (11) et une seconde pupille de vision (P2) près du combinateur (10). 2. Système de visualisation tête haute selon la re- vendication 1, caractérisé en ce que les volumes des première (Pl)et seconde (P2) pupilles de vision se chevauchent pour produire un champ de vision binoculaire s'étendant de la posi- tion d'observation (11) en direction du combinateur (10). 3. Système de visualisation tête haute selon la re- vendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la lumière de l'objet est déviée par un élément optique réfléchissant (15), qui est placé d'un côté de la ligne centrale (31) de la représenta- tion, sur un collimateur (16) placé de l'autre côté de ladite ligne centrale (31). 4. Système de visualisation tête haute selon la re- vendication 3, caractérisé en ce que l'élément optique réflé- chissant (15) est opaque et bloque les axes optiques du combi- nateur (10), du collimateur (16) et du relais optique (17). 5. Système de visualisation tête haute selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le collimateur (16) ou le combinateur (10) sont des élé- ments optiques de diffraction. 6. Système de visualisation tête haute selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le combinateur (10) est placé pour fonctionner sur l'axe et en ce que le collimateur (16) est un élément optique de diffraction présentant une réponse dans une bande ebroite. 7. Système de visualisation tête haute selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce.= ie combinateur (10) est un élément optique de diffraction placé pour fonctionner près de l'axe et agencé pour assurer une bonne transmission de la lumière arrivant selon un premier angle d'inci- dence (.-1) et une bonne réflexion de la lumière arrivant selon un second angle d'incidence (c42). 8. Système de visualisation tête haute selon la re- vendication 7, caractérisé en ce que le collimateur (16) est positionné pour fonctionner près de l'axe. 9. Système de visualisation tête haute selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de visualisation tête basse pre- sentant un trajet optique qui est dévié entre les éléments espacés du relais optique (17). 10. Système de visualisation tête haute selon l'une quelconque des revendications précédentes, qui est destiné à être installé dans un aéronef, caractérisé en ce que le trajet opti- que partant de l'objet est prolongé vers le bas dans l'espace réservé au tableau de bord de l'aéronef. 11. Système de visualisation tête haute selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une caméra (35) dont l'objectif se trouve dans la seconde pupille de vision (P2). 12. Système de visualisation tête haute selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ses composants sont montés dans un bâti de construction monobloc dont les centres de masse et d'inertie sont établis de façon à se trouver dans l'espace réservé au tableau de bord de l'aéronef. 13. Aéronef, caractérisé en ce qu'il est équipé d'un système de visualisation selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes.