Brevet FR2655742A1 — publié le 19910614

La présente Invention concerne les dispositif S optiques pour la visualisation de données lumineuses collimatées à l'infini, ces données venant généralement, mais pas obligatoire- ment, en surimpression de la vision du paysage extérieur De tels dispositifs, qui équipent les aéronefs, peuvent être montés soit sur une planche de bord en position tête haute, soit sur un casque de pilotage Ils servent principalement pour l'aide à la navigation et les viseurs de tir. Les besoins en données lumineuses vont en croissant dans les aéronefs, et les images produites doivent avoir des champs de plus en plus importants avec une qualité optique qui doit rester suffisante dans tout le champ, quelle que soit la posi- tion d'observation des yeux. Ceci a conduit peu à peu à des dispositifs optiques com- portant de nombreuses lentilles, au moins six, donc à des volu- mes et à des poids importants, qui rendent difficiles le montage de ces dispositifs dans les casques de pilotes. Le but de l'invention est de réduire le nombre de ces lentilles pour un champ encore plus grand et une résolution de l'image aussi bonne. Ceci est obtenu, en particulier, en formant la pupille de sortie (exit pupil dans la littérature anglo-saxonne) du dispo- sitif optique en permanence sur la pupille de l'oeil et en la réduisant jusqu'à une dimension bien inférieure à celle de la pupille de l'oeil. Selon l'invention un dispositif optique pour la visualisa- tion de données lumineuses collimatées à l'infini comportant, en série, des moyens de visualisation incluant un générateur d'image suivi d'une optique de collimation pour fournir à un oeil humain une image collimatée à l'infini à partir de l'image fournie par le générateur, est caractérisé en ce que les moyens de visualisation ont une pupille de sortie d'un diamètre infé- rieur à la pupille de l'oeil et dont la position est réglable et en ce qu'il comporte un oculomètre pour fournir un signal de position, représentatif des coordonnées du centre de la pupille de l'oeil, et un circuit d'asservissement ( 8) pour recevoir le signal de position et effectuer une commande des moyens de visualisation afin que la pupille de sortie soit centrée sur la pupille de l'oeil. La présente invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques apparaîtront à l'aide de la description ci- après et des figures s'y rapportant qui représentent: la figure 1, le schéma simplifié d'un dispositif opti- que selon l'art antérieur, la figure 2, le schéma simplifié d'un dispositif opti- que selon l'invention, les figures 3 et 4, des vues détaillées de dispositifs optiques selon l'invention, la figure 5, le schéma d'un montage électronique desti- né aux dispositifs optiques selon les figures 3 et 4. Sur les différentes figures les éléments correspondants sont désignés par les mêmes références. La figure 1 montre un tube cathodique, T, qui émet des rayons dans toutes les directions et éclaire ainsi une optique de collimation 4, laquelle rend ces rayons à peu près parallè- les entre eux; l'image du tube fournie par l'optique est dite collimatée à l'infini En fait les rayons, à la sortie de l'opti- que 4, ne sont pas tout à fait parallèles Le défaut de parallé- lisme, ou défaut de parallaxe, peut provenir d'une mauvaise mise au point du tube au foyer de l'optique, des aberrations résiduelles n'ayant pu être corrigées lors du calcul d'optimisa- tion de cette optique (aberration sphérique, coma, astigmatisme courbure de champ), des défauts d'usinage ou de montage (ex- centrements, inclinaisons). Pour une position de l'oeil dans le faisceau de sortie de l'optique, la pupille reçoit des rayons provenant de divers points du tube La formation sur la rétine des rayons correspon- dant à un même point du tube ne crée pas un point mals une tâche d'autant plus grande que les défauts précédents sont lin- portants L'image vue est donc plus ou moins nette; cette image ne peut être améliorée qu'en ajoutant des lentilles à l'optique. En limitant fortement la section d'un faisceau lumineux, qui transmet une image et pénètre dans la pupille de l'oeil, le nombre de rayons aberrants est réduit; et, quand la tache d'impact de ce faisceau sur la rétine devient ponctuelle, une meilleure résolution de l'image est obtenue, même lorsque le dispositif optique qui a servi à transmettre l'image ne comporte qu'un ou deux éléments optiques. Le diamètre de la pupille de sortie d'un dispositif opti- que ne peut être réduit indéfiniment à cause de la diffraction qui va affecter la qualité de l'image Un bon compromis existe pour un diamètre de quelques dixièmes de millimètre En laissant passer les rayons par un trou de cette dimension, les aberra- tions de l'optique deviennent négligeables et la diffraction bien que visible sur de très petits points ne l'est pas sur les dessins qui sont utilisés dans les viseurs et qui ont une épais- seur de traits voisine ou supérieur au milliradian Or la pupille de l'oeil a un diamètre qui varie naturellement entre 2 et 8 mm en fonction de l'environnement lumineux. La figure 2 est une vue schématique, en coupe transver- sale, d'un dispositif optique de visualisation selon l'inven- tion, avec un oeil, représenté dans deux positions différentes, AO et Ai, dans une zone o il est prévu que se fasse la visua- lisation. Le dispositif comporte, en série, une matrice plane de diodes électroluminescentes, qui constitue une source de lumière 1, un condenseur optique 2, un générateur d'image 3 et une optique de collimation 4. La lumière fournie par une source est considérée comme cohérente lorsque la source émet dans un cône d'angle inférieur ou égal au cône de diffraction Pour que le générateur d'image 3 soit éclairé en lumière cohérente, il faut que chaque point de ce générateur soit éclairé par un faisceau quasi-ponctuel; les faisceaux quasi-ponctuels, pour éclairer le générateur d'image 3, s'obtiennent par la formation sur la pupille de l'oeil de l'image d'une diode de la matrice, c'est-à-dire que, en fonction de la position de l'oeil, ce sera celle des diodes de la source 1 dont l'image se formera sur la pupille de l'oeil, qui éclairera; ainsi, dans la position AO c'est la diode DO qui éclaire tandis que dans la position Ai c'est la diode Dl qui éclaire Ainsi la tache d'aberration sur la rétine de l'oeil est très réduite, si bien que l'image vue par l'oeil de l'image fournie par le générateur et colmatée à l'infini, est nette même si l'optique 4 est aberrante Une bonne profondeur de champ est obtenue et il est possible de déplacer l'optique de collimation par rapport au générateur d'image 3 afin de modi- fier le grandissement de l'image sans, pour cela, perturber la netteté de l'image vue. Dans le dispositif optique selon la figure 2 il a été dit que la source de lumière 1 était une matrice de diodes électroluminescentes; les réalisations qui vont être décrites à l'aide des figures 3 et 4 comportent également, chacune, une source de ce type, mais d'autres types de sources peuvent être employés Ainsi la source pourra, par exemple, être constituée par une simple diode électroluminescente, par une lampe à filament incandescent, par un laser; dans ces trois cas la source sera déplacée ou sa lumière sera déviée en fonction des déplacements de l'ail afin que son image se forme en permanence sur la pupille de l'oeil De plus, et particulièrement dans le cas des diodes électroluminescentes et des lampes à filament incandescent, une réduction optique pourra être nécessaire pour fournir un faisceau suffisamment fin Il est également possible de combiner le générateur d'image et la source ponctuelle en projetant directement l'image sur la rétine de l'oeil par un balayage d'un faisceau directif, du genre balayage de télévi- sion, émis par exemple par un laser. Il est à remarquer que la réalisation d'un faisceau lumi- neux quasi-ponctuel nécessite qu'entre la source de lumière et l'oeil il n'y ait aucun élément diffusant C'est pourquoi, dans les exemples de réalisation décrits à l'aide des figures 3 et 4, le générateur d'image est constitué par un panneau à cris- tal liquide non diffusant, placé entre deux polariseurs; mais d'autres possibilités s'offrent pour réaliser le générateur d'image, en particulier celle qui a été mentionnée ci-avant et qui regroupe, à l'aide d'un laser, la source de lumière et le générateur; il est également possible d'utiliser, comme généra- teur d'image, une valve matricielle, du type à cristal liquide uniaxe et polaire, avec ses deux polariseurs placés de part et d'autre. Dans ce qui précède il a été dit que le faisceau lumineux devait suivre les déplacements de l'oeil Pour connaître ces déplacements un oculomètre sera employé dans les réalisations selon les figure 3 et 4; il s'agit d'un appareil qui observe l'oeil et, par analyse de l'image observée, fournit les coordon- nées du centre de l'iris; un tel appareil est, par exemple, décrit dans le brevet français 2 522 804 déposé le 5 mars 1982. La figure 3 est un schéma qui montre un dispositif opti- que selon l'invention, représenté plus en détail que celui de la figure 2. La figure 3 montre une source de lumière, 1, constituée par une matrice de diodes électroluminescentes Une optique de projection, 5, formée de lentilles, donne une image des diodes sur l'entrée d'un faisceau de fibres optiques F dont la sortie est placée sur un casque, non représenté, de pilote d'aéronef. Un condenseur 2 transforme le faisceau lumineux, qui émerge de la sortie de la fibre F, en un faisceau de rayons parallèles qui traverse un générateur d'image 3 constitué par un panneau à cristal liquide placé entre deux polariseurs, ce générateur est représenté alors qu'il génère, comme image, une croix; les circuits et les connexions associés au panneau pour générer des images n'ont pas été dessinés sur la figure 3 Le faisceau est ensuite focalisé par une optique de collimation 4 sur la pupille de l'oeil, A, d'un observateur après avoir traversé une glace séparatrice 7 a et s'être réfléchi sur un miroir mélangeur M; la glace séparatrice et le miroir mélangeur M sont des miroirs semi-transparents qui permettent respective- ment à l'oeil, A, de l'observateur de regarder le paysage placé devant lui, à travers le miroir mélangeur M, à un oculomètre, 6, de surveiller les mouvements de l'oeil A, la surveillance se faisant par un trajet opti- que Incluant une réflexion sur chacun des deux miroirs semi-transparents M et 7 a. L'oculomètre 6, est porté par le casque de l'observa- teur, c'est-à-dire qu'il est solidaire des éléments optiques qui vont de la sortie de la fibre F au miroir mélangeur M compris; il détermine la position de l'oeil par les coordonnées du centre de la pupille de l'oeil par rapport à ces éléments optiques et envoie cette information de position, sous forme d'un signal électrique, à un circuit d'asservissement 8 Le circuit 8 com- porte une mémoire dans laquelle sont stockées les adresses des diodes électroluminescentes de la source 1 à allumer, en fonction de la position de l'oeil; une diode est éclairée lorsque son image, c'est-à-dire la pupille de sortie du disposi- tif, se trouve au centre de la pupille de l'oeil o elle consti- tue une zone éclairée En réalité, dans l'exemple décrit, ce sont neuf diodes qui sont allumées simultanément et ces neuf diodes sont disposées en un carré de trois sur trois Toujours dans l'exemple décrit, la zone éclairée de la pupille de l'oeil a un diamètre de 0,6 mm et les déplacements de cette zone se font par pas de 0, 2 mm pour suivre des déplacements de l'oeil de 2, 6 mm de part et d'autre d'un point central; ces déplace- ments de l'oeil correspondent à une visualisation dont le champ est de 30 degrés. Le circuit d'asservissement 8 faisant correspondre, à chaque point de l'image élaborée par le générateur d'image 3, un faisceau étroit qui aboutit sensiblement au centre de la pupille de l'oeil A, l'image vue par l'oeil est nette Mais, à cause des défauts des différents éléments optiques et, en particulier, de l'optique de collimation, 3, cette image peut subir des distor- sions Or ces distorsions sont fonction du trajet optique qu'em- pruntent les rayons du faisceau, c'est-à-dire de la position des diodes qui sont allumées Comme il est connu de déterminer, pour chaque trajet, dans un système optique, la distorsion qu'amène le système dans l'image, il est possible de corriger cette distorsion en produisant l'effet inverse dans le généra- teur d'image 3; ainsi, par exemple, lorsqu'un carré dans le générateur d'image est vu comme un coussin, une correction en forme de tonneau au niveau du générateur permet à l'oeil de voir un carré Chaque fois que l'oeil bouge la correction à apporter au générateur d'image 3 doit être adaptée à la position des diodes qui sont allumées dans la source de lumière 1; ceci est réalisé à l'aide du montage selon la figure 5 Lorsque cette correction n'existe pas, le générateur d'image 3 reçoit directe- ment ses signaux d'entrée d'un circuit vidéo, 9 La figure 5 montre que la correction s'effectue en interposant entre le circuit vidéo 9 et le générateur d'image 3, un circuit transco- deur 10 qui reçoit du circuit d'asservissement 8 les coordonnées des diodes allumées et en fonction de ces coordonnées corrige les coordonnées théoriques des points d'image fournies par le circuit vidéo; le circuit transcodeur est donc un circuit pour commande d'effets spéciaux du type de ceux utilisés en télévi- sion. La figure 4 est un autre exemple de réalisation montrant un dispositif optique selon l'invention Cette réalisation se distingue de celle selon la figure 3 en ce que l'oculomètre 6 n'est plus porté par le casque de l'observateur mais est soli- daire des éléments optiques qui vont de la source de lumière 1 incluse à l'entrée de la fibre optique F; elle s'en distingue également en ce que, entre le générateur d'image 3 et l'oeil A de l'observateur, c'est la visière du casque constituée par un miroir semi-transparent concave, 4 m, à travers lequel l'oeil, A, observe le paysage, P, qui joue à la fois le rôle d'optique de collimation et de miroir mélangeur Dans cette réalisation la pupille de l'oeil est observée, par l'oculomètre 6, à l'aide d'une glace séparatrice 7 b constituée par un miroir semitransparent disposé sur le chemin optique entre optique de projection 5 et la source de lumière l; quant au condenseur 2 de la figure 3 il est supprimé de manière à alléger au maximum le casque de l'observateur sur lequel ne sont plus montés que le générateur d'image et une extrémité de la fibre optique F Cette suppression est possible parce que, dans l'exemple selon la figure 4, la surface utile du générateur d'image 3 est bien plus petite (plus de deux fois) que celle de l'optique de collima- tion 4 m Mais, à générateurs d'image identiques, la résolution de l'image vue par l'oeil est nettement inférieure à celle obte- nue dans le cas de la figure 3. Le dispositif optique selon la figure 4 a été équipé, dans l'une de ses versions, du montage électronique selon la figure 5 pour corriger les distorsions amenées, dans l'image vue par l'oeil, par l'optique de collimation que constitue le miroir 4 m. La présente invention n'est pas limitée aux exemples décrits, c'est ainsi qu'elle concerne, en particulier, des dispo- sitifs optiques o la source de lumière 1 ne transmettrait pas sa lumière au générateur d'image 3 par un trajet incluant un conducteur optique souple mais par un trajet dont tous les élé- ments seraient mécaniquement solidaires entre eux; inversement il peut être envisagé de réaliser un dispositif optique selon l'invention équipé d'un conducteur optique souple disposé entre le générateur d'image et l'oeil. L'invention s'applique également au cas o l'image à obtenir doit être en polychromie, la couleur étant obtenue, par exemple, par la fusion sur la rétine de l'oeil de trois images générées l'une en rouge, l'autre en vert, l'autre en bleu. Quelle que soit la façon de générer ces trois images et de réali- ser la fusion sur la rétine de l'oeil, il y a la possibilité de compenser les défauts chromatiques hors axe des éléments opti- ques disposés sur le trajet de chacune des Images; pour cela chaque image peut être traitée séparément par un montage du genre de celui décrit à l'aide de la figure 5. L'invention s'applique également à des dispositifs desti- nés à la visualisation de données collimatées à l'infini sans qu'il soit possible d'observer simultanément un paysage ou une quelconque autre vue Elle s'applique aussi à la visualisation binoculaire, les dispositifs relatifs aux deux yeux pouvant, grâce à des miroirs semi-transparents, comporter des parties communes mais un oculomètre et un circuit d'asservissement distincts pour chaque oeil. REVENDICATIONS 1 Dispositif optique pour la visualisation de données lumineuses collimatées à l'infini comportant, en série, des moyens de visualisation ( 1-5, F, M; 1, 3, 5, F, 4 m) incluant un générateur d'image ( 3) suivi d'une optique de collimation ( 4; 4 m) pour fournir à un oeil humain une image collimatée à l'infini à partir de l'image fournie par le générateur, caracté- risé en ce que les moyens de visualisation ont une pupille de sortie d'un diamètre inférieur à la pupille de l'oeil et dont la position est réglable et en ce qu'il comporte un oculomètre ( 6) pour fournir un signal de position, représentatif des coor- données du centre de la pupille de l'oeil, et un circuit d'asser- vissement ( 8) pour recevoir le signal de position et effectuer une commande des moyens de visualisation afin que la pupille de sortie soit centrée sur la pupille de l'oeil. 2 Dispositif optique selon la revendication 1, caractéri- sé en ce que les moyens de visualisation comportent une matrice de diodes électroluminescentes et un système optique ( 5, F, 2, 4, M; 5, E, 4 m) pour former une image des diodes de la matrice dans une zone o s'effectue la visualisation par l'oeil et en ce que la commande effectuée par le circuit d'asservisse- ment consiste à autoriser l'allumage d'au moins une diode de la matrice dont l'image donnée par le système optique est sensi- blement au voisinage du centre de la pupille de l'oeil. 3 Dispositif optique selon la revendication 1, dans lequel l'optique de collimation ( 4; 4 m) produit des distor- sions, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit transcodeur ( 10) pour modifier les caractéristiques du générateur d'image ( 3), en fonction du signal de position, afin que l'image pro- duite par le générateur d'image présente des distorsions inver- ses de celles produites par l'optique de collimation ( 4). 4 Dispositif optique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les moyens de visualisation sont por- il tés, au moins partiellement par un casque, caractérisé en ce que l'oculomètre ( 6) est porté par le casque. Dispositif optique selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel les moyens de visualisation comportent une pre- mière partie ( 3, 4 m) solidaire d'un casque et une seconde partie ( 1, 5) couplée optiquement au casque par une fibre optique sou- ple (F), caractérisé en ce que l'oculomètre ( 6) est solidaire de la seconde partie et est conçu pour observer l'oeil (A) par un trajet optique incluant la fibre optique.