Brevet FR2638242A1 — publié le 19900427

SYSTEME OPTIQUE DE COLLIMATION, NOTAMMENT POUR VISUEL DE CASQUE La présente invention concerne un système optique de collimation qui est prévu plus particulièrement pour être monté sur un casque porté par l'observateur, ctest-a-dire pour constituer un visuel de casque. Son application est plus particulièrement envisagée dans le domaine aéronautique, l'observateur étant le pilote d'un avion ou d'un héllcoptère. Les avions d'armes ou les hélicoptères de combat nécessitent la présentation 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 et certains hélicoptères. L'inconvénient de ce type de visualisation est quelle ne peut présenter une image que dans un champ limité et toujours centré dans l'axe de l'avion. Par contre, le pilote peut avoir â effectuer des visées éloignées de l'axe de l'avion. L'idée d'une visualisation liée à la tête du pilote apparaît alors, celui-ci entraînant le champ de cette visualisation avec lui.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 et l'oeil du pilote 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. Il est connu par le document SPIE, Volume 778, Display System Optics (1987), un article de James E. MELZER et Eric W. LARKIN intitulé "An integral approach to helmet display system design" pages 83 à 88, 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 collimcltée vers le deuxième miroir lequel est partiellement réfléchissant pour réfléchir ce rayonnement vers l'observateur et permettre simultanément la transmission du rayonnement provenant de l'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 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 faces parallèles comportant les deux miroirs paraboliques en deux extrémités, le rayonnement collimaté entrant par une première face parallèle et subissant plusieurs réflexions totales sur les faces parallèles lors du trajet compris entre les deux miroirs d'extrémité et ressortant par la seconde face parallèle vers l'observateur, la lame transparente ne procurant pas de gêne pour la vision extérieure en dehors du champ du visuel. Les 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 - Figure 1, un schéma simplifié d'un système optique collimateur conforme à l'invention; - Figure 2, un schéma partiel montrant le cheminement des rayons compris dans le champ du visuel de casque - Figure 3, un schéma analogue à celui de la figure 2 dans une réalisation dite "repliée" de la lame à faces parallèles - Figure 4, un schéma simplifié montrant la disposition de la lame de verre devant l'observateur dans le cadre 'd'une réalisation visuel de casque - Figure 5, une vue en section de la lame de verre selon une direction de visualisation pour montrer la taille des faces latérales évitant un effet de masque - Figure 6, un schéma d'un exemple de réalisation sous forme d'un visuel de casque. En se référant à la figure 1, le système optique collimateur comporte, de manière connue, un générateur d'images lumineuses 1, une optique de collimation 2, un premier miroir réflecteur parabolique 4, et un deuxième réflecteur parabolique 5. Les miroirs 4 et 5 forment un système afocal, leur foyer commun est désigné F1. Le miroir 4 est totalement réfléchissant et le miroir 5 semi-transparent pour laisser passer le rayonnement provenant du paysage extérieur. Conformément à l'invention, les miroirs paraboliques 4 et 5 sont disposés en extrémité d'un conducteur de lumière formé d'une lame à faces parallèles 10 en matériau transparent tel que un verre ou un plastique. Les surfaces paraboliques réfléchissantes 4 et 5 sont situées dans l'épaisseur de la lame en deux extrémités opposées et constituent une formule optique afocale de grossissement 1 assimilable à un transport d'image. Le cheminement des rayons est indiqué pour l'axe optique sur la figure 1 et sur la figure 2 pour trois faisceaux, l'un parallèle Â l'axe optique, le second et le troisième correspondant aux angles limites du champ présenté par le système. L'objectif collimateur 2 forme, de manière habituelle, l'image à l'infini de la présentation lumineuse élaborée par le générateur 1 sur l'écran d'un tube à rayons cathodiques ou d'un panneau à cristaux liquides, ou autre source d'image sur laquelle est tracée l'image à présenter. L'image collimatée est ensuite réfléchie par le miroir parabolique 4 et reformée en sortie selon un rayonnement parallèle par le miroir parabolique 5. La lame à faces parallèles assure le cheminement optique intermédiaire par une série de réflexions totales sur ses faces parallèles, la face avant lOAV et la face arrière 1OAR. Le miroir réflecteur parabollque semi-transparent 5 constitue l'optique de combinaison car il permet le mélange du rayonnement collimaté avec le rayonnement extérieur transmis par ce miroir vers l'observateur. Dans une application visuel de casque, ce rayonnement extérieur représente la vision du paysage dans le champ du visuel de casque. Ce champ est référencé par l'angle e dans le plan de la figure 4 ; il correspond aux inclinaisons extrêmes des rayons transmis par le système optique de collimation vers l'observateur. Les réflexions totales internes à la lame 10 sur les faces lOAV et lOAR n'entraînent aucune perte de lumière, même si ces faces lOAV et lOAR ne sont pas traitées. Les miroirs paraboliques 4 et 5 formant un système afocal, l'image à la sortie du combineur est également renvoyée à l'infini comme elle l'était à l'entrée. Les miroirs paraboliques 4 et 5 sont utilisés hors d'axe comme on peut s'en rendre compte sur la figure 2. Un miroir parabolique donne une image parfaite pour l'infini et son foyer. En outre, du fait de la symétrie du système certaines aberrations se compensent. Par contre, la courbure de champ doit être corrigée au niveau de l1objectif de collimation 2.Grâce à la lame 10, les miroirs, en particulier le miroir de combinaison 5 fait un angle moindre avec la verticale å la direction de visée (axe optique ZS de sortie, Fiv. 1) ce qui permet d'utiliser les miroirs 4 et 5 avec un hors d'axe moindre et obtenir ainsi des champs plus grands en conservant une qualité d'image correcte par rapport à un système dépourvu du conducteur optique à lame intermédiaire. L'ensemble des réflexions totales internes contribue également à faire descendre l'image du dessus de la tête de l'observateur (figure 4 et figure 6) sans avoir à utiliser des miroirs paraboliques ayant un fort hors d'axe ce qui permet ainsi l'obtention de champs importants. Le traitement du miroir de combinaison 5 peut être neutre, ou sélectif (dépôt optique filtrant ou dépôt d'un hologramme) pour ne réfléchir que la bande spectrale du générateur d'image (bande située dans le vert pour un tube cathodique); l'autre miroir parabolique 4 est totalement réfléchissant car non utilisé en transmission. Pour la vision du paysage, ou autre motif lumineux, par l'observateur à travers la lame en dehors du champ du visuel de casque, donc en dehors du miroir 5, la lame 10 n'introduit pratiquement pas de perturbation étant donné que les faces lOAV et lOAR sont utilisées en transmission pour ce rayonnement. Les faces latérales gauche lOLG et droite l0LD de la lame sont avantageusement tafllées inclinées par rapport aux lames parallèles, de manière å converger vers 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 5 montre une coupe transversale de la lame suivant une direction F indiquée sur la figure 4 pour illustrer cette taille des faces latérales l0LG et LOLO. Pour faciliter ltexécution des miroirs 4 et 5 d'extrémité la lame est avantageusement constituée comme représentée figure 4 par un élément central 10C et deux éléments terminaux lOTi et 10T2 pour former globalement un volume de type polyédrique, limité par six faces planes. Les surfaces en regard de ces trois éléments sont usinés paraboliques et sur ltune de ces surfaces un dépôt réfléchissant ou semi-réfiéchissant correspondant est effectué pour constituer respectivement les miroirs 4 et 5 d'extrémité. En outre, l'élément terminal lOT2 est taillé à sa psrtie inférieure de manière similaire aux faces latérales 1OLD et l0LG pour être vu exactement par la tranche et ne pas créer d'effet de masque (figure 4). Dans le cadre d'une application à un visuel de casque, la figure 6 représente schematiquement le positionnement de l'ensemble l'ensemble des éléments. Sur cette représentation le casque n'est pas figuré, le générateur 1 est un tube cathodique miniature. Le montage comporte en sus des miroirs déviateurs 7 et 8 pour renvoyer l'image lumineuse émise par le générateur 1 vers l'optique collimstrfce 2 et la réfléchir en sortie de cette optique vers le premier miroir réflecteur parabolique 4 à l'intérieur de la lame 10. L'ensemble formé par le tube cathodique 1, le miroir déviateur 7 et l'objectif 2 peut être réalisé monobloc et situé sur le haut du casque ainsi que le miroir déviateur 8. Le dispositif à lame 10 comportant les miroirs 4 et 5 d'extrémité peut être intégré à la visière du casque. Une solution conforme à l'invention peut présenter des performances de champ de 400 en gisement et 200 en site. L'épaisseur de la lame peut être de 10 å 15mm envlron ce qui donne un poids faible pour l'ensemble, notamment si le matériau transparent de la lame est un plastique. La figure 3 représente le cheminement des rayons dans le cas dtune version repliée de l'élément central lOC du dispositif à lame 10 qui est formé préférentiellement de trois éléments successifs 10-1,10-2,10-3, comme représenté. Cette version repliée peut dans certains cas etre plus facile à intégrer sur un casque. Un système conforme à l'invention peut être doublé, l'un pour l'oeil droit, l'autre pour l'oeil gauche, pour constituer un visuel de casque binoculaire. BaVBNDICATIONS 1. Système optique de eollímation comportant: un générateur d'une image synthétique 9 collimater, un objectif de collimation du rayonnement lumineux correspondant à ladite image synthétique, une optique de combinaison composée d'un montage afocal de deux miroirs paraboliques, un premier miroir réfléchissant pour réfléchir le rayonnement de l'image collimatée vers le second miroir lequel est partiellement transparent pour permettre simultanément la transmission du rayonnement provenant de l'extérieur et compris dans le champ du système, le système étant caractérisé en ce que l'optique de combinaison est constituée à l'aide d'une lame transparente (10) à faces parallèles comportant les deux miroirs paraboliques (4,5) en deux extrémités, ledit rayonnement collimaté entrant par une première face parallèle (lOAV) et subissant plusieurs réflexions totales sur les faces parallèles lors du trajet compris entre les deux miroirs d'extrémité et ressortant par la deuxième face parallèle (lOAR) vers l'observateur, ladite lame transparente ne procurant pas de gêne pour la vision du monde extérieur en dehors dudit champ. 2. Système selon la revendicstion 1, caractérisé en ce que la lame transparente (10) est en matériau plastique. 3. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les faces latérales (lOLl), 10lys) sont inclinées obliquement par rapport aux faces parallèles de manière à être vues par la tranche par l'observateur et ne créer aucun masque pour la vision. 4. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la lame (10) est constituée de plusieurs éléments (10-l,lO-2,10-3) pour produire une version repliée entre les deux miroirs paraboliques. 5. Systeme selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la lame (10) est formée d'au moins un élément central (lOC) et de deux éléments terminaux (lOTl,lOT2) pour former un volume global de type polyédrique, les surfaces en regard de ces éléments étant usinées et traitées pour constituer respectlvement les deux miroirs paraboliques (4,5) d'extrémité. 6. Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit second miroir (5) est traité pour être sélectif et ne réfléchir que la bande spectrale de rayonnement du générateur d'image (1) le traltement consistant en un dépôt optique filtrant ou un dépôt holographique. 7. Système selon l'un des ensembles de revendications 3 et 5, ou 3 et 6, caractérisé en ce que l'élément terminal inférieur (10T2) est taillé à sa parte inférieure pour éviter un effet de masque pour l'observateur. 8. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes et formant un visuel de casque, caractérisé en ce que le générateur d'image (1) et l'optique de collimatlon (2) sont montés vers le haut du casque et que l'optique de combinaison à lame (10) est intégrée å la visière du casque. 9. Système selon la revendication 8, utilisé en aéronautique.