Brevet FR2662838A1 — publié le 19911206

y? DISPOSITIF DE VISUALISATION GRAND ANGLE POUR SIMULATEUR DE FAIBLE ENCOMBREMENT La présente invention se rapporte à un dispositif de visualisation grand angle pour simulateur de faible encombrement. Pour restituer des images dans un simulateur, tel qu'un simulateur d'aéronef, on a généralement recours à des systèmes tels que des moniteurs associés à une optique de renvoi à l'infini ou à des systèmes collimatés hors d'axe à écran sphérique et miroirs, ce miroir pouvant être une sphère de grand diamètre (plusieurs mètres) De tels systèmes fonctionnent correctement mais ont un encombrement et un poids souvent très élevés, et peuvent nécessiter une infrastructure complexe. On connaît par ailleurs des dispositifs de visualisation à optique à lentilles et miroir, fixés sur un casque porté par l'utilisateur Ces dispositifs sont généralement de faible encombrement et de faible poids, mais leur champ visuel est réduit et leur rendement lumineux faible. La présente invention a pour objet un dispositif de visualisation d'images simulées qui soit simple, de faible encombrement, et qui permette de restituer les images avec un champ le plus grand possible et le meilleur rendement lumineux possible. Le dispositif de visualisation conforme à l'invention comporte pour la vision centrale un dispositif de collimation à l'infini à miroir et écran sphériques solidaires d'un casque porté par l'utilisateur, associés à un projecteur distant relié d'une part par fibre optique à un dispositif optique de reprise fixé sur le casque, et d'autre part à un générateur d'images, le générateur d'images étant relié à un dispositif détecteur de position de la tête de l'utilisateur portant le casque pour l'asservissement de la zone de vision centrale aux mouvements de la tête, et pour la vision périphérique, un dispositif de projection grand angle à distance finie sur une surface sphérique, relié au générateur d'images. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation, pris à titre d'exemple non limitatif, et illustré par le dessin annexé, sur lequel: la figure 1 est une vue schématique de la partie visualisation de zone d'intérêt d'un dispositif conforme à l'invention, la figure 2 est une vue de dessus de la partie optique, solidaire du casque, du dispositif de la figure 1, la figure 3 est une vue de côté de la partie optique de la figure 2, les figures 4 et 5 sont respectivement une vue de côté et une vue de dessus du dispositif de l'invention, et la figure 6 est une vue schématique d'un mode de réalisation de projecteur pouvant être utilisé dans le dispositif de la figure 1. Le dispositif de visualisation de zone d'intérêt ou "visuel de casquer 5 A représenté en figure 1 comporte essentiellement un générateur d'images 1, un projecteur 2, une fibre optique 3,4 de transport d'image relative à chaque oeil de l'utilisateur 5, un dispositif optique de reprise 6,7 fixé en bout de chaque fibre optique, et un dispositif optique de formation d'images correspondant 8,9, décrit plus en détail ci-dessous en référence aux figures 2 et 3. Les éléments 1 et 2 peuvent être éloignés de l'utilisateur, les fibres optiques 3 et 4 ayant la longueur nécessaire Les éléments 6 à 9 sont fixés de façon appropriée sur un casque (non représenté) porté par l'utilisateur 5 En outre, on fixe sur ce casque un dispositif 10, détecteur de la position de la tête de l'utilisateur, de type connu en soi Ce dispositif 10 est relié au générateur d'images 1 pour y commander, de façon connue en soi, les déplacements d'une "fenêtre" correspondant à la zone d'intérêt devant être vue par l'utilisateur. On a représenté en détail sur les figures 2 et 3 les dispositifs optiques 8 et 9 Ces dispositifs 8 et 9 sont identiques et comportent chacun un canal de formation d'images. Dans le présent exemple, chaque canal a un champ B horizontal d'environ 50 . Les dispositif S 8 et 9 comportent: un miroir de renvoi plan ( 11,12 respectivement), un écran sphérique ( 13,14 respectivement), et un miroir sphérique, au moins en partie semi-réfléchissant ( 15,16 respectivement) Les faces concaves des écrans et des miroirs sphériques sont tournées vers l'utilisateur Les miroirs plans et les écrans sont situés au-dessus d'un plan horizontal passant par les centres des yeux de l'observateur, alors que les miroirs sphériques semi-transparents 15,16 sont sensiblement au niveau des yeux de l'utilisateur 5 Ces miroirs 15,16 sont fixés à quelques centimètres des yeux de l'utilisateur Lorsque l'utilisateur regarde droit devant lui, son champ visuel vertical instantané, qui est d'environ 40 , couvre la partie supérieure des miroirs ,16, la partie inférieure de ces miroirs correspondant à un champ vertical d'environ 400 (angle A sur la figure 3) que l'utilisateur peut couvrir en baissant les yeux Les écrans 13,14 sont disposés par rapport aux miroirs 15,16 de façon que lorsque l'utilisateur regarde droit devant lui la limite supérieure 17 de son champ vertical soit pratiquement tangente aux bords inférieurs de ces écrans et aux bords supérieurs des miroirs 15,16 (voir figure 3) Les dispositifs 6,7 sont des dispositifs, de type connu en soi, à lentilles permettant de projeter sur les miroirs 11,12 les images transportées par les fibres 3,4 Les images formées par les dispositifs 6,7 sur les miroirs 11,12 sont renvoyées par ces miroirs 11,12 sur les écrans 13,14 L'utilisateur 5 peut ainsi, en regardant les miroirs 15,16 voir les images formées sur les écrans 13,14. Bien entendu, le générateur d'images et les projecteurs sont réalisés de façon à assurer une parfaite superposition des images vues par l'oeil droit et l'oeil gauche dans la zone de recouvrement des champs visuels de ces deux yeux Les miroirs 15 et 16 sont semi-réfléchissants pour permettre à l'utilisateur de voir à travers eux les instruments du tableau de bord 18 et la sphère 19 décrite ci-dessous en référence aux figures 4 et 5. Le dispositif 10, captant les mouvements de la tête de l'utilisateur, envoie au générateur d'images 1 des informations permettant de commander, de façon connue en soi, les déplacements relatifs de la "zone d'intérêt" vue par l'utilisateur en correspondance avec les mouvements de sa tête. La sphère, ou plus exactement portion de sphère 19, sur laquelle on visualise à distance finie une image à très grand champ ( 180 à 3600) a un rayon relativement petit ( 1,5 à 2 m environ) Cette sphère est réalisée en tout matériau approprié, à la fois le plus léger possible mais solide, et présentant le meilleur coefficient de réflexion optique possible Bien entendu, le matériau de base de la sphère peut ne pas avoir de bonnes qualités de réflexion optique, et être revêtu d'une couche de matériau bon réflecteur. La projection d'images sur la sphère 19 se fait grâce à deux objectifs à très grand angle (du type "fish eye") 20 et 21 Ces objectifs sont disposés, de préférence, sur les côtés du siège 22 de l'utilisateur, de façon à pouvoir projeter sur la sphère une image de pratiquement 360 , au moins dans le sens horizontal Bien entendu, si l'on ne désire pas projeter une image à aussi grand champ, on peut se contenter d'un seul objectif disposé frontalement, ou utiliser deux objectifs, mais de plus faible angle. Les images projetées sur la sphère se rapportent à la vision périphérique de l'utilisateur, c'est-à-dire principalement à l'espace environnant la "zone d'intérêt" collimatée qui est visualisée sur les dispositifs 8 et 9, et qui vient en quelque sorte s'incruster dans l'image à grand champ projetée sur la sphère. Le dispositif de visualisation décrit ci-dessus offre un champ visuel très important: le champ instantané total correspond aux limites visuelles de l'observateur, sauf le champ vertical, qui est limité vers le haut (par la disposition des écrans 13,14 dont les bords inférieurs imposent la limite référencée 17 en figure 3) à une valeur d'environ 200 (alors que ce champ vertical instantané n'est limité vers le bas que par la limite visuelle de l'observateur, à environ 70 ) Grâce au fait que les miroirs 15,16 sont semi-transparents, l'atténuation de la scène extérieure (projetée sur la sphère 19) n'est que d'environ 10 à 20 %. On a représenté en figure 6, un mélangeur dichroïque utilisable avec des tubes haute brillance Ce mélangeur comporte un prisme dichroïque 23 à trois faces duquel sont accolés des tubes cathodiques à haute brillance 24 à 26, respectivement rouge, vert et bleu A une quatrième face du prisme 23, on accole un dispositif 27 d'optique de couplage à une fibre optique 28 Ce dispositif mélangeur est utilisé pour chacun des canaux de visualisation relatifs à chaque oeil de l'observateur. Selon un mode de réalisation de l'invention, on utilise un projecteur à "valve de lumière" ou à cristaux liquides de types bien connu en soi. Si le projecteur utilisé est du type à tubes haute brillance, on réalise la correction des distorsions géométriques des projecteurs, et de toute la partie optique du simulateur de l'invention dans les projecteurs Il est relativement facile d'y faire toutes les corrections nécessaires, en particulier pour obtenir la superposition parfaite des images dans la zone de recouvrement (s'étendant, dans le sens horizontal, sur 30 à 400 environ) des champs visuels relatifs à l'oeil droit et à l'oeil gauche. Si le projecteur utilisé est du type à valve de lumière ou à cristaux liquides, on réalise la correction des distorsions géométriques dans le générateur d'imlage car il n'est pas possible d'effectuer de corrections dans les projecteurs. REVENDICATIONS 1 Dispositif de visualisation grand angle, pour simulateur de faible encombrement, caractérisé par le fait qu'il comporte, pour la vision centrale un dispositif de collimation à l'infini à miroir ( 15,16) et écran ( 13,14) sphériques solidaires d'un casque porté par l'utilisateur, associés à un projecteur distant ( 2) relié d'une part par fibre optique ( 3,4) à un dispositif optique de reprise ( 6,7) fixé sur le casque, et d'autre part à un générateur d'images ( 1), le générateur d'images étant relié à un dispositif ( 10) détecteur de position de la tête de l'utilisateur portant le casque pour l'asservissement de la zone de vision centrale aux mouvements de la tête, et pour la vision périphérique un dispositif de projection grand angle ( 20,21) à distance finie sur une surface sphérique ( 19), relié au générateur d'images. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la surface sphérique ( 19) est au moins une portion de sphère d'un rayon d'environ 1,5 à 2 mètres. 3 Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que le dispositif de projection grand angle sur une surface sphérique comporte au moins un objectif grand angle, du type "fish eye" ( 20,21). 4 Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les miroirs sphériques sont au moins en partie semi-réfléchissants. 5 Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le projecteur est du type à valve de lumière. 6 Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que le projecteur est du type à cristaux liquides. 7 Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que le projecteur est du type à tubes cathodiques à haute brillance. 8 Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que la correction des distorsions géométriques est effectuée dans le générateur d'images. 9 Dispositif selon la revendication 7, caractérisé par le fait que la correction des distorsions géométriques est réalisée dans les projecteurs. 10 Simulateur, caractérisé par le fait qu'il comporte un dispositif de visualisation selon l'une quelconque des revendications précédentes.