Brevet FR2677463A1 — publié le 19921211

VISUEL COLLIMITE A GRANDS CHAMPS HORIZONTAL ET VERTICAL, EN PARTICULIER POUR SIMULATEURS La présente invention se rapporte à un visuel collimaté à grands champs horizontal et vertical, en particulier pour simulateurs. Dans les visuels collimatés à miroir sphérique et écran hors d'axe pour simulateurs, le champ vertical est de 60 au maximum, afin de limiter les défauts optiques à des valeurs acceptables. Dans certaines applications, en particulier les simulateurs d'avions d'armes, il est nécessaire d'augmenter le champ vertical jusqu a une valeur d'environ 1300 si l'on veut reproduire les conditions réelles de visibilité. Les solutions classiques imposent donc soit de limiter le champ vertical, en conservant une qualité optique correcte, soit d'augmenter ce champ vertical, mais en tolérant des défauts optiques excessifs. La présente invention a pour objet un visuel collimaté à grand champ horizontal, présentant également un grand champ vertical, sans pour autant être affecté de défauts optiques notables, et dont la luminance soit la plus élevée possible sur toute la surface visualisée, sans nécessiter de sources lumineuses puissantes. Le visuel conforme à l'invention comporte au moins deux dispositifs de formation d'images, chacun comportant un dispositif de projection, un miroir sphérique et un écran sphérique, l'un d'eux assurant la visualisation de la partie inférieure du champ vertical, et au moins un autre la visualisation du reste du champ vertical. Selon un premier mode de réalisation, les écrans et miroirs de ces deux dispositifs sont sensiblement de mêmes dimensions respectives, et superposés. Selon un second mode de réalisation, le premier dispositif de formation d'images, chargé de la visualisation de la partie inférieure du champ vertical, est celui dont l'écran et le miroir sont les plus grands, le deuxième à un miroir et un écran plus petits que ceux du premier et partiellement disposés à l'intérieur du miroir et de l'écran du premier, et le troisième, lorsqu'il existe, a un miroir et un écran plus petits que ceux du deuxième et disposés à l'intérieur du miroir et de l'écran du deuxième. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée de plusieurs modes de réalisation, pris à titre d'exemples non limitatifs et illustrés par le dessin annexé) sur lequel - la figure 1 est un exemple d'épure de visibilité d'un avion d'armes - les figures 2 et 3 sont des vues schématiques en coupe de visuels conformes à l'invention, à deux dispositifs superposés de formation d'images ; et - les figures 4 et 5 sont des vues schématiques en coupe de visuels conformes à l'invention, à deux et trois dispositifs de formation d'images, respectivement. L'invention est décrite ci-dessous en référence à un simulateur d'avions d'armes, mais il est bien entendu qu'elle n'est pas limitée à une telle application, et qu'elle peut être mise en oeuvre pour toute visualisation nécessitant un grand champ vertical (nettement supérieur à 600, et pouvant aller jusqu'à environ 1300 ou même plus). L'épure de visibilité de la figure 1 montre que, dans l'application à un avion d'armes, le champ horizontal peut couvrir jusqu a 3600, et le champ vertical 400 vers le bas (par rapport à l'horizontale de l'observateur) et 900 vers le haut. Le mode de réalisation de la figure 2 couvre un champ horizontal d'environ 2000 et un champ vertical de 900 (soit -400 à +500). Ce mode de réalisation comporte deux dispositifs 1, 2 de formation d'images superposés, chargés respectivement de la visualisation de la partie inférieure du champ vertical (sur environ 500) et de sa partie supérieure (sur environ 400). Le dispositif 1 comporte essentiellement un miroir sphérique 3, un écran sphérique 4 disposé à l'intérieur du miroir 3 et plus petit que celui-ci, et un dispositif de projection 5, disposé à l'intérieur de l'écran, par exemple sous la cabine simulée de pilotage 6. Ce dispositif de projection 5, ainsi que tous ceux mentionnés ci-dessous, est de tout type approprié (à cristaux liquides, à tubes à rayons cathodiques, . . .) . Le dispositif 2, semblable au dispositif 1, comporte essentiellement un miroir sphérique 7, un écran sphérique 8 disposé à l'intérieur du miroir 7, et un dispositif de projection 9, disposé par exemple au-dessus de la cabine 6. Les deux dispositifs 1, 2 sont centrés sur le même axe vertical 10 passant approximativement par l'oeil du pilote installé dans la cabine 6 (en supposant que le pilote occupe une position moyenne dans la cabine 6). Avec cette disposition, le pilote n'est hors d'axe que verticalement, ce qui élimine les erreurs de "dipvergence" et réduit sensiblement les erreurs de convergence par rapport aux configurations classiques à deux observateurs (pilote et copilote) pour lesquelles ces observateurs sont hors d'axe aussi bien horizontalement que verticalement. Le champ horizontal est limité par l'implantation des projecteurs 5, 9 à l'intérieur des écrans sphériques respectifs. Selon un exemple de réalisation, les miroirs 3 et 7 ont tous deux un rayon compris entre 3 m et 4 m environ, le miroir 3 ayant une hauteur d'environ 3,5 m et le miroir 7 une hauteur d'environ 3 m. Les écrans 4 et 8 ont un rayon d'environ 1,5 à 2 m et une hauteur d'environ 1,3 m pour l'écran 4 et 0,9 m pour l'écran 8. L'écran 4 est disposé de façon que son bord supérieur soit en-dessous des rayons il joignant l'oeil de l'observateur au bord inférieur du miroir 3. De façon analogue, L'écran 8 est disposé pour que son bord inférieur soit au-dessus des rayons 12 joignant l'oeil de l'observateur au bord supérieur du miroir 7. On a représenté en figure 3 une variante du visuel de la figure 2, pour laquelle, grâce à la fixation des projecteurs à l'extérieur des miroirs, on peut obtenir un champ horizontal de 3600. Sur la figure 3, les éléments semblables à ceux de la figure 2 sont affectés des mêmes références numériques avec un "A". Les miroirs 3A, 7A et les écrans 4A, 8A ont les mêmes rayons et hauteurs que leurs homologues de la figure 2, mais ils s'étendent tous sur 3600 horizontalement. Leurs dispositions respectives sont pratiquement les mêmes que dans le mode de réalisation de la figure 2. Le dispositif de projection 5A (un seul dispositif de projection est représenté sur le dessin, mais en fait le visuel en comporte plusieurs, répartis tout autour du miroir 3A) est placé à l'extérieur du miroir 3A, près de son bord inférieur. Pour réduire l'encombrement, ce dispositif 5A est placé le long de la face extérieure du miroir 3A, et coopère avec un miroir (par exemple un miroir plan) 13 pour éclairer la face extérieure de l'écran 4A. De même, un dispositif de projection 9A est placé à l'extérieur du miroir 7A, près de son bord supérieur, le long de sa face externe, et coopère avec un miroir 14 pour illuminer la face extérieure de l'écran 8A (bien entendu, plusieurs dispositifs de projection tels que 9A sont répartis tout autour du miroir 7A). La solution de la figure 3 permet un gain en luminance (dans un rapport 1 : 2 environ) par rapport à la solution de la figure 2, grâce à l'éclairage des écrans par l'extérieur, ce qui les fait fonctionner en réflexion (au lieu de transmission selon la figure 2). Bien entendu, les dispositions relatives des écrans et miroirs des dispositifs 1A et 2A sont optimisés pour éviter toute variation de la distance de collimation entre les dispositifs 1A et 2A. Les visuels des figures 4 et 5 sont, comme on le verra ci-dessous, moins encombrants et moins volumineux que ceux des figures 2 et 3, et sont donc plus facilement implantables sur des plateformes mobiles de simulateurs (par exemple des plateformes à six degrés de liberté). Le visuel de la figure 4, permet de présenter des images ayant un champ horizontal de 3600 et un champ vertical de 900 environ (-400 à +500). Il comporte un premier dispositif de formation images 15 comprenant essentiellement un grand miroir sphérique 16 (ayant sensiblement les mêmes dimensions que le miroir 3A), un écran sphérique 17 (ayant sensiblement les mêmes dimensions que l'écran 4A) dont seule la partie inférieure est à l'intérieur du miroir 16, et des dispositifs de projection 18, disposés à l'extérieur du miroir 16, le long de sa partie supérieure, et coopérant avec des miroirs plans 19 pour éclairer la face extérieure de l'écran 17. Du fait que, dans ce mode de réalisation, L'écran 17 n'est pas complètement à l'intérieur du miroir 16, sa forme est légèrement différente de celle du miroir 3A.Alors que pour le mode de réalisation de la figure 3, le miroir 3A a sensiblement la forme d'une portion de surface sphérique comprise entre deux "tropiques", le miroir 16 a sensiblement la forme d'une portion de surface sphérique comprise entre un "tropique" et le "cercle polaire" correspondant. Par contre, les écrans 4A et 17 ont sensiblement la même forme de portions de surfaces sphériques comprises entre un "équateur" et un "tropique". Les éléments 16 à 19 sont disposés de façon que la limite inférieure 20 du faisceau lumineux renvoyé par le miroir 19 vers le bord inférieur de l'écran 17 soit légèrement au-dessus des rayons 21 joignant l'oeil de l'observateur au bord supérieur du miroir 16, afin que l'observateur ne voie que l'image formée sur le miroir 16, sans être gêné par le faisceau réfléchi par le miroir 19. L'écran 17 a par exemple un rayon d'environ 1,5 m, et est disposé au-dessus de la cabine 6. A l'intérieur de l'écran 17, on fixe le deuxième dispositif 22 de formation d'images, chargé de visualiser la partie supérieure du champ vertical. Le dispositif 22 comporte essentiellement un miroir sphérique 23, un écran sphérique 24 et des projecteurs 25 éclairant la face extérieure de l'écran 24. Le miroir 23, un peu plus petit que l'écran 17 en rayon et en hauteur, est placé à l'intérieur de ce dernier, de façon que leurs bords inférieurs soient dans un même plan. Le diamètre extérieur du bord inférieur du miroir 23 est légèrement inférieur au diamètre intérieur du bord inférieur de l'écran 17. La hauteur du miroir 23 est inférieure à celle de l'écran 17, elle est par exemple comprise entre les 2/3 et les 3/4 de la hauteur de l'écran 17. A l'intérieur du miroir 23, on dispose l'écran 24 qui est nettement plus petit que lui. Par exemple, le rayon de écran est d'environ la moitié du rayon du miroir 23, et sa hauteur est d'environ 1/3 de celle du miroir 23. Le bord inférieur de l'écran 24 est à peu près au niveau du milieu de la hauteur du miroir 23. Sa position précise est déterminée de façon que ce bord inférieur soit sensiblement tangent aux rayons 26 joignant l'oeil de l'observateur au bord supérieur du miroir 23. Les projecteurs 25 sont, par exemple, disposés au-dessus du bord supérieur du miroir 23, de façon à n'éclairer que la surface externe de l'écran 24. Bien entendu, les projecteurs 25 pourraient être disposés autrement, par exemple le long de la paroi extérieure du miroir 23 et coopérer avec des petits miroirs complémentaires, tels que les miroirs 19. Tous les miroirs et écrans sphériques de ce mode de réalisation sont centrés sur un axe vertical 27 passant sensiblement par l'oeil de l'observateur. Dans ce mode de réalisation de la figure 4, les miroir 16 et écran 17 s'évasent vers le haut, tandis que le miroir 23 et l'écran 24 s'évasent vers le bas. Le miroir 23 a sensiblement la forme d'une portion de surface sphérique comprise entre un "équateur't et un "tropique", alors que l'écran 24 a sensiblement la forme d'une portion de surface sphérique comprise entre un "tropique" et le "cercle polaire" correspondant. On a représenté en figure 5 un autre mode de réalisation de visuel à dispositifs de formation d'images imbriqués, ce visuel étant fixé sur une plateforme mobile 28 du type à six degrés de liberté. Du fait que la plateforme est de petites dimensions, le visuel- représenté couvre un champ horizontal d'environ 2000, mais il est bien entendu qu'avec une plateforme de plus grandes dimensions, le visuel pourrait couvrir 3600, comme celui de la figure 4. Le visuel de la figure 5 comporte trois dispositifs de formation d'image 29, 30, 31 (référencés ici dans l'ordre décroissant de dimensions), relatifs respectivement à la partie inférieure, centrale et supérieure du champ vertical. Le dispositif 29 est semblable au dispositif 15 de la figure 4, à la différence que ses miroir 32 et écran 33 s'étendent horizontalement sur 2000 environ au lieu de 3600, et qu'il comporte un moins grand nombre de projecteurs (par exemple trois). On a représenté sur le dessin l'un de ses projecteurs, référencé 34, qui coopère avec un miroir plan 35. De même, le dispositif 30 est semblable au dispositif 22 de la figure 4, à la différence que ses miroir 36 et écran 37 s'étendent horizontalement sur 2000 environ au lieu de 3600, et qu'il comporte au moins un grand nombre de projecteurs (par exemple trois). On a représenté sur le dessin l'un de ses projecteurs, référencé 38. Les dispositifs 29 et 30 couvrent, dans le sens vertical, le même champ que les dispositifs 15 et 22 de la figure 4. Le dispositif 31 comporte un miroir sphérique 39, un écran sphérique 40, et un dispositif de projection 41 qui comporte, dans le cas présent, deux projecteurs. Le miroir 39 est disposé à l'intérieur de l'écran 37, mais en déborde vers le bas et l'arrière. Le miroir 39 a un rayon compris entre celui de l'écran 37 et celui du miroir 36, par exemple d'environ 1 m, et son centre 42 n'est pas situé sur la verticale 43 passant par l'oeil de l'observateur (verticale sur laquelle sont centrés les miroirs et écrans des dispositifs 29 et 30), mais en arrière de cette verticale, sensiblement à la hauteur de l'oeil de l'observateur à environ 0,5 m en arrière de son oeil. Le miroir 39 est disposé de façon que son bord inférieur soit tangent aux rayons 44 joignant l'oeil de l'observateur au bord inférieur de l'écran 37 et au bord supérieur du miroir 36. Le miroir 39 a sensiblement la forme d'un secteur de surface sphérique comprise entre un "équateur" et le "tropique" correspondant, et s'étendant sur moins de 2000 L'écran 40 a sensiblement la forme d'un secteur de surface sphérique comprise entre un "tropique" et le tropique opposé par rapport à l'équateur, et s'étendant sur moins de 2000. Ces deux surfaces sphériques 39, 40 sont orientées vers le haut. Les projecteurs 41 sont disposés légèrement au-dessus du miroir 39, en arrière de celui-ci, et illuminent la surface extérieure de l'écran 40 qui est vue dans la surface intérieure du miroir 39. L'écran 40 est disposé légèrement en-dessous du miroir 39, de façon à être légèrement en arrière des rayons 45 joignant l'oeil de l'observateur au bord supérieur du miroir 39. Ainsi, l'observateur voit dans le miroir 32 la partie inférieure du champ vertical (sous 500 environ, par exemple), la partie centrale du champ vertical dans le miroir 36 (sous 400 environ, par exemple), et la partie supérieure du champ vertical dans le miroir 39 (sous 500 environ par exemple). Afin de limiter les défauts optiques le miroir 39 et l'écran 40 n'ont pas besoin d'avoir un grand rayon car lorsque l'observateur regarde vers le haut, sa tête s'aligne automatiquement avec son corps et ses déplacements latéraux sont réduits. Par contre, lorsque l'observateur regarde vers le bas, il déplace plus facilement la tête latéralement et un grand rayon de miroir et d'écran est nécessaire. Pour réduire les erreurs de convergence (dues au fait que l'observateur est hors d'axe dans le plan vertical), on peut remplacer l'écran sphérique supérieur 37 au moins (ou tous les écrans sphériques) par un écran torique. On notera que les modes de réalisation des figures 4 et 5 sont de hauteur relativement faible : avec un miroir 16 ou 32 ayant un rayon d'environ 3,5 à 4 m, la hauteur totale du visuel est d'environ 3,5 m. REVENDICATIONS 1. Visuel collimaté à grands champs horizontal et vertical, caractérisé par le fait qu'il comporte au moins deux dispositifs de formation d'images (1, 2 - 1A, 2A - 15, 22 - 29, 30, 31), chacun comportant un dispositif de projection (5, 9 5A, 9A - 18 - 25, 34 - 38 - 41), un miroir sphérique (3, 7 3A, 7A - 16, 23 - 32, 36, 39) et un écran sphérique (4, 8 4A, 8A - 17, 24 - 33, 37, 40), I'un d'eux assurant la visualisation de la partie inférieure du champ vertical, et au moins un autre la visualisation du reste du champ vertical. 2. Visuel selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les écrans et miroirs des deux dispositifs de formation d'images sont sensiblement de mêmes dimensions respectives et superposés (figures 2 et 3). 3. Visuel selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le premier dispositif de visualisation d'images (15, 29), chargé de la visualisation de la partie inférieure du champ vertical, est celui dont l'écran et le miroir sont les plus grands (16, 17), le deuxième dispositif de formation d'images (22, 30) ayant un miroir (23, 36) et un écran (17, 33) plus petits que ceux du premier et partiellement disposés à l'intérieur du miroir et de l'écran du premier. 4. Visuel selon la revendication 3, caractérisé par le fait qu'il comporte un troisième dispositif de formation d'images (31) comprenant un miroir (39) et un écran (40) plus petits que ceux du deuxième et disposés à l'intérieur du miroir et de l'écran du deuxième. 5. Visuel selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que les miroirs et écrans sont centrés sur un axe vertical (10, 27) passant approximativement par l'oeil de l'observateur. 6. Visuel selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le miroir et l'écran des premier et deuxième dispositifs de formation d'images s'étendent horizontalement sur 3600. 7. Visuel selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'un au moins des écrans est torique.