Brevet FR2644249A1 — publié le 19900914

SYSTEME OPTIQUE DE COLLIMATION, EN PARTICUIJER POUR VISUEL DE CASQUE La présente invention concerne un système optique de collimation qui est prévu pour etre monté sur un casque porté par un observateur, c'est-à-dire pour constituer un visuel de casque. Son application est plus particulièrement envisagée dans le domaine aéronautique. Les avions d'armes et les hélicoptères de combat nécessitent la présentation au pilote d'informations de pilotage et de conduite de tir superposées au paysage extérieur. Ce rôle est aujourd'hui assuré par le viseur tête haute, présent dans tous les avions d'armes modernes et dans certains hélicoptères. L'inconvénient de ce type de visualisation est qu'elle ne peut présenter une image que dans un champ limité et toujours centré dans l'axe de l'avlon. Par contre, le pilote peut avoir à effectuer des visées éloignées de l'axe de l'avion, d'où l'idée d'une visualisation liée à la position de la tête du pilote. Un tel concept nécessite d'une part, un système permettant de détecter la position de la tête, et d'autre part, un système optoélectronique permettant d'élaborer une image lumineuse et de la collimater. Ces deux systèmes doivent être disposés sur le casque du pilote, ce qui implique des contraintes très importantes, notamment sur le poids. Un système optique selon l'invention permet de collimater l'image et présente des avantages ergonomiques et des performances de champ intéressantes. Les contraintes essentielles prises en compte pour réaliser le système sont les suivantes - procurer une gêne visuelle minimale ; en effet, le système optique collimatant l'image doit gêner le moins possible la vision du monde extérieur et également éviter de créer un masque dans le champ de vision - la sécurité ; le système optique étant près de l'oeil il doit assurer, en cas de choc, que l'oeil ne sera pas blessé - le poids ; le poids doit être minimal notamment si le système est destiné à être montée sur un avion d'armes, il devra être aussi léger que possible pour éviter la fatigue, surtout sous facteur de charge important. En outre, le système de collimation doit répondre à des performances qui concernent généralement un champ important, une résolution compatible de l'oeil et une forte luminosité. Dans le document SPIE, volume 778, Display System Optics (1987), un articIe de James E. MELZER et Eric W. LARKIN intitulé "An integral approach to helmet display system design", pages 83 à 88, décrit un visuel de casque comportant un générateur d'une image lumineuse synthétique à collimater, un objectif de collimation du rayonnement lumineux correspondant à l'image synthétique et une optique de combinaison composée d'un montage afocal de deux miroirs paraboliques, un premier miroir réfléchissant le rayonnement de l'image collimatée vers le deuxième miroir lequel est partiellement réfléchissant pour réfléchir ce rayonnement vers l'observateur et permettre simultanément la transmission du rayonnement provenant de I'extérieur et compris dans le champ du système. En outre, le visuel de casque comporte un certain nombre de miroirs de renvoi pour dévier le trajet optique et permettre le montage sur casque.Dans ce montage antérieur, les miroirs paraboliques travaillent hors d'axe, ce qui est cause d'aberrations et diminue la qualité de l'image à moins de limiter assez fortement le champ du viseur. Le but de l'invention est de remédier à ces inconvénients, en particulier en aménageant le système optique entre les deux miroirs paraboliques. Selon l'invention, il est réalisé un visuel de ce type dans lequel l'optique de combinaison est constituée à l'aide d'une lame transparente à deux faces parallèles comportant les deux miroirs paraboliques disposés respectivement à ses deux extrémités, le rayonnement collimaté entrant par une des deux faces parallèles et subissant plusieurs réflexions totales sur les faces parallèles lors du trajet compris entre les deux miroirs d'extrémité et ressortant vers l'observateur par la même face parallèle que celle par laquelle il est entré. La présente invention sera mleux comprise à l'aide de la description ci-après, donnée à titre d'exemple à l'aide des figures annexées qui représentent - la figure 1, un schéma simplifié d'un système optique de collimation selon l'invention; - la figure 2, un schéma plus détaillé d'une réalisation montrant un système optique de collimation selon l'invention associé à un casque. Dans les différentes figures les éléments correspondants sont désignés par les mêmes repères. La figure 1 montre un système optique de collimation qui comporte en série sur un même trajet optique : un générateur d'images lumineuses 1, un objectif de collimation 2, un premier miroir parabolique 4, et un deuxième miroir parabolique 5. Les miroirs 4 et 5 forment un système afocal ; leur foyer commun F a été indiqué sur la figure 1. Le miroir 4 est totalement réfléchissant et le miroir 5 semi-transparent pour laisser passer le rayonnement provenant du paysage extérieur. Les miroirs paraboliques 4 et 5 constituent les extrémités d'un conducteur de lumière formé d'une lame 10 en matériau transparent, à deux faces parallèles lOAV, 10 AR. Les miroirs paraboliques 4 et 5, forment une optique afocale de grossissement 1. Le cheminement des rayons est indiqué par des traits interrompus munis de flèches; il est tel que le rayonnement issu du générateur d'images 1 rentre dans la lame 10 et en ressort, après réflexion sur les miroirs 4 et 5, par la même face, lOAR ; une telle conception facilite le montage sur un casque. L'objectif de collimation 2 forme l'image à l'infini de l'image lumineuse élaborée par le générateur 1 sur un écran dans l'exemple décrit le générateur comporte un tube à rayons cathodiques; dans d'autres réalisations le générateur 1 peut comporter un panneau à cristaux liquides, ou toute autre source d'images. Limage collimatée penètre dans la lame 10 pour être réfléchie par le miroir parabolique 4 puis par le miroir parabolique 5. La lame à faces parallèles 10 assure le cheminement optique entre les miroirs 4 et 5 par une série de réflexions totales sur ses faces parallèles. Le miroir réflecteur parabolique semi-transparent 5 constitue une optique de combinaison car il permet le mélange du rayonnement collimaté provenant du générateur 1, avec le rayonnement provenant du paysage extérieur et transmis, à travers le miroir 5, vers I'observateur symbolisé par un oeil, V. Les réflexions totales internes à la lame 10 sur les faces avant, 1OAV, et arrière, lOAR > n'entraînent aucune perte de lumière, même si ces faces ne sont pas traitées. Les miroirs paraboliques 4 et 5 formant un système afocal, l'image à la sortie du miroir 5 est également renvoyée à l'infini comme elle l'était à ltentrée. Par rspport à un système optique correspondant mais dépourvu de lame à faces parallèles, les miroirs, et en particulier le miroir de combinaison 5, font un angle moindre avec la direction de visée ZS, ce qui permet d'utiliser les miroirs 4 et 5 avec un hors d'axe moindre et d'obtenir ainsi des champs plus grands en conservant une qualité d'image correcte L'ensemble des réflexions totales internes à la lame 10 contribue également à faire descendre l'image du dessus de la tête de l'observateur sans avoir à utiliser des miroirs paraboliques de renvoi ayant un fort hors d'axe, ce qui permet, là aussi, I'obtention de champs importants Le traitement du miroir de combinaison 5 est neutre dans l'exemple décrit ; dans d'autres réalisations il peut être sélectif (dépôt optique filtrant ou dépôt d'un hologramme) pour ne réfléchir que la bande spectrale du générateur d'images (bande située dans le vert pour un tube cathodique). Quant au miroir parabolique 4, il est totalement réfléchissant car non utilisé en transmission. Pour la vision du paysage ou d'un autre motif lumineux, par l'observateur, à travers la lame en dehors du champ du visuel de casque, c'est-8-dire en dehors du miroir 5, la lame 10 n'introduit pratiquement pas de perturbation étant donné que les faces avant, 1OAV, et arrière, lOAR, sont utilisées en transmission pour ce rayonnement. Les faces latérales gauche et droite de la lame 10 sont taillées en biseau selon, respectivement, deux plans qui passent par l'oeil. Ainsi, elles sont vues exactement par la tranche par l'observateur ce qui supprime le masque qu'elles pourraient créer sur la vision extérieure. La figure 1 correspond à une réalisation de laboratoire. La figure 2 correspond à une réalisation élaborée à l'aide des enseignements tirés de la réalisation selon la figure 1 ; elle a été spécialement étudiée pour être montée dans un casque C. Le système optique de collimation selon la figure 2 a été représenté, pour ses parties cachées, comme vu par transparence à travers la paroi extérieure du casque C; ce système optique se distingue de celui selon la figure 1 par l'adjonction d'un prisme 11 et d'un miroir plan 12 et par le fait que la lame 10 est prolongée vers le bas par un élément terminal transparent, lOT. Le prisme 11 et le miroir 12 sont disposés en série entre l'objectif de collimation 2 et la lame 10 et sont destinés à allonger le chemin optique pour adapter la forme du système optique à la forme du casque C. L'élément teEnal lOT a un volume dont les limites sont : le miroir 5, les prolongements de la face avant, lOAV, et des faces latérales de la lame 10 et le plan passant par l'oeil et par le bord inférieur du miroir 5. La réalisation selon la figure 2 comporte deux systèmes optiques de collimation associés au casque C pour constituer un visuel binoculaire ; le second système, identique au premier, n'est pas visible sur la figure 2. REVENDICATIONS 1. Système optique de collimation comportant en série : un générateur d'images pour fournir un rayonnement lumineux, un objectif de eollimation pour collimater le rayonnement, une optique de combinaison comportant un montage afocal avec un premier et un second miroir parabolique, le premier miroir étant réfléchissant pour réfléchir le rayonnement collimaté vers le second miroir et le second miroir étant partiellement transparent pour permettre simultanément la transmission par réflexion, vers un observateur du rayonnement reçu du premier miroir et la transmission par transparence, vers l'observateur, d'un rayonnement extérieur, caractérisé en ce que l'optique de combinaison comporte une lame transparente (10) présentant deux extrémités, une première (lOAR) et une seconde ( lOAV) face parallèle, en ce que les deux extrémités sont constituées respectivement par les deux miroirs paraboliques , et en ce que le trajet optique du rayonnement collimaté entre objectif (2) et l'observateur (V) comprend, à la suite, une traversée de la première face parallèle (lOAR), une réflexion sur le premier miroir (4), plusieurs réflexions totales sur les faces parallèles, une réflexion sur le second miroir (5) et une traversée de la première face parallèle (lOAR). 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que la lame transparente comporte des faces latérales inclinées obllquement par rapport aux faces parallèles de marnière à être vues par la tranche par l'observateur. 3. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que à la lame (10) est associée un élément termlnal (lOT) qui prolonge la lame au delà du second miroir.