Brevet FR2678079A1 — publié le 19921224

DISPOSITIF DE VISUALISATION TETE HAUTE POUR VEHICULES L'invention se situe dans le domaine des dispositifs de visualisation holographiques tête haute pour enceintes mobiles ou immobiles. I1 arrive souvent qu'un observateur placé à l'intérieur d'une enceinte ait besoin de regarder en permanence à l'extérieur de l'enceinte par exemple pour la piloter, tout en ayant à sa disposition des informations complémentaires. Les dispositifs holographiques de visualisation dits tête haute permettent de réaliser cette double contrainte. De tels dispositifs comportent à cette fin un afficheur collimaté ou non sur lequel sont produits les informations ou symboles à visualiser, un hologramme situé dans le champs de vision de l'observateur qui a pour fonction de superposer à l'image de l'extérieur de l'enceinte l'image de l'afficheur, éventuellement des moyens intermédiaires pour envoyer vers l'hologramme l'image de l'afficheur. En général l'observateur regarde l'extérieur de l'enceinte à travers un pare-brise et l'hologramme a une fonction optique telle que l'image virtuelle de l'afficheur est vue également comme étant à l'extérieur de l'enceinte. Les dispositifs de visualisation tête haute sont maintenant couramment utilisés sur les véhicules aériens. Ils commencent aussi à être utilisés sur les véhicules terrestres, haut de gamme seulement, en raison de leur prix. On peut imaginer qu'ils puissent être utilisés sur des plate-formes fixes, par exemple, une tour de contrôle d'aérodrome, et d'une façon générale chaque fois qu'il est important de visualiser simultanément deux jeux d'informations. Les problèmes techniques que l'on a pour réaliser de telles visualisations sont les suivants il faut et c'est une condition essentielle que l'hologramme renvoie vers l'observateur une image ayant une luminosité suffisante pour que l'observateur puisse la distinguer malgré la luminosité de l'image située à l'extérieur de l'enceinte. L'importance de cette question de luminosité sera illustrée par l'exemple des étoiles et du soleil. Un observateur est capable de voir des objets de faible luminosité tels que les étoiles ou la lune pour peu qu'il ne soit pas ébloui par un objet très lumineux tel que le soleil. Dès que le soleil est présent il devient incapable de voir les étoiles, par contre dans certaines conditions il peut encore apercevoir la lune si cette dernière renvoie dans sa direction une quantité de lumière suffisante. Il en va de même pour l'image virtuelle renvoyée par l'hologramme. Elle peut être d'une luminosité inférieure à la luminosité extérieure, elle ne doit pas l'être trop sans quoi Image devient très pâle et en dessous d'un certain seuil disparaît. La luminosité de l'image renvoyée par l'hologramme dépend elle-même de plusieurs facteurs.Ces facteurs sont la luminosité de l'afficheur qui génère l'image, le rendement optique des dispositifs intermédiaires d'envoi de l'image de l'afficheur vers l'hologramme et enfin les qualités de l'hologramme lui-même. Il convient également que ce que l'on appelle la boîte à oeil de l'hologramme soit la plus grande possible. La boîte à oeil est I'ensemble du volume à l'intérieur duquel un des yeux d'un observateur peut apercevoir, toute ou en partie, l'image renvoyée par l'hologramme. C'est la dimension et la forme de la boîte à oeil qui va permettre à l'observateur une mobilité plus ou moins grande tout en continuant à voir l'image renvoyée par l'hologramme, ou s'il n'en voit qu'une partie lui permettre de se positionner pour la voir entièrement. Les dimensions de la boîte à oeil sont en général définies par les dimensions de l'hologramme et par les champs extrêmes.Le volume de la boîte à oeil est donc en général représenté par un volume bordé par des droites s'appuyant sur le contour de l'hologramme représentant chacune le rayon de bord extrême local. Enfin il est souhaitable que l'image de l'afficheur soit aussi nette que possible. Tous les facteurs énumérés ci-dessus dépendent de nombreux paramètres, l'un deux le hors axe holographique semble jusqu a présent avoir été négligé par les concepteurs de visualisation. On appelle hors axe holographique l'angle que fait un rayon lumineux partant de l'hologramme avec la perpendiculaire locale à l'hologramme. La présente invention a donc pour but d'améliorer les qualités optiques d'une visualisation tête haute, toutes choses étant égales par ailleurs, en diminuant au maximum le hors axe holographique, car toutes choses égales par ailleurs ces qualités sont meilleures lorsque cet angle est faible. Dans ce qui suit on admet que le générateur de l'image que doit voir l'observateur est un afficheur et que cet afficheur envoie vers l'hologramme directement ou par I'intermédiaire d'un dispositif optique intermédiaire son image vers l'hologramme. Lorsqu'il sera question d'image source, il s'agira de l'image de l'afficheur ou s'il existe un dispositif optique intermédiaire de l'image de l'afficheur formé par le dispositif optique intermédiaire. Le problème technique que résout la présente invention est donc de savoir quelle est la meilleure position relative, hologramme image-source, pour toutes choses égales par ailleurs avoir la meilleure visualisation possible au point de vue luminosité, dimension de boîte à oeil et netteté de l'image. La valeur du "hors axe" ne dépend en effet que des positions relatives des axes de l'hologramme et de l'image source. Le but ultime de l'invention est évidemment de réduire le coût de production des visualisations, en utilisant pour cela un hologramme de fabrication simple, et possédant malgré tout les qualités optiques requises. A cette fin l'invention a pour objet un dispositif de visualisation holographique tête haute du type comportant un hologramme ayant un centre et recevant de la part de moyens générateurs d'image, une image source, ayant un centre et un contour, les positions relatives de l'hologramme et de l'image source étant données par l'angle i que fait une droite D2 joignant le centre de l'image source au centre de l'hologramme, avec la droite D normale en ce point à l'hologramme caractérisé en ce que l'angle i est aussi faible que possible. L'angle i le plus faible possible est évidemment l'angle nul. On remarquera toutefois que cette position est exclue car cela signifierait que la droite D normale à l'hologramme serait à la fois l'axe de la boîte à oeil et l'axe des moyens générateurs d'image. Cela crée nécessairement une gêne à la vision ou à la formation de l'image de l'afficheur sur l'hologramme. Il y a gêne à la formation de l'image si la tête de l'observateur est entre la dernière partie du dispositif optique et l'hologramme, il y a gêne à la vue si la dernière partie du dispositif optique est entre la tête de l'observateur et l'hologramme. Donc par angle le plus faible possible on veut dire l'angle le plus faible possible, compte tenu des contraintes introduites par la forme du volume de l'enceinte et les places que peut y occuper l'observateur. En général la place de l'hologramme sera déterminée dans l'enceinte par le fait que l'image vue à travers l'hologramme doit être superposée à l'image que l'on veut observer en même temps. Ainsi par exemple si l'enceinte est une automobile la vue vers l'extérieur se faisant à travers un pare-brise la position de l'hologramme devra être telle qu'elle permette de voir l'image source à l'avant du véhicule à travers le pare-brise. De préférence dans ce cas l'hologramme sera placé dans la partie du pare-brise où la luminosité est la moins forte. C'est dans ce cas le bas du pare-brise car pour le bas du pare-brise les lignes joignant l'oeil de l'observateur à un point bas du pare-brise rencontrent le sol qui est toujours moins lumineux que le ciel. Si l'afficheur éclaire directement l'hologramme, ce qui pour des questions de rendement lumineux est préférable, la place de l'hologramme étant fixée, le lieu de la droite D2 joignant les centres de l'hologramme et de l'afficheur est une surface conique ayant pour centre le centre de l'hologramme et pour angle au sommet minimum un angle permettant au rayon réfléchi par l'hologramme d'atteindre le centre du volume ou peut se trouver l'oeil de l'observateur. De plus, afin que les différences d'incidences des rayons issus de l'afficheur en un point quelconque de l'hologramme soit minimales, l'afficheur doit être le plus loin possible de l'hologramme.L'hologramme étant dans le bas du pare-brise et le conducteur le regardant de haut il sera souhaitable de placer l'afficheur dans les parties hautes de la surface conique, par exemple dans les parties hautes du pare-brise, ou dans une automobile, au plafond, du côté latéral situé du côté du chauffeur par exemple sur un montant latéral du pare-brise. En raison du gain de rendement obtenu du seul fait de l'emplacement relatif de l'afficheur et de l'hologramme il sera possible de réaliser un hologramme à partir d'un banc de réalisation simple. Il convient de noter que le banc permettant de réaliser un hologramme utilisable dans le dispositif selon l'invention peut rester simple, que l'hologramme soit à réflexion cartésienne ou non. On sait que l'hologramme est à réflexion non cartésienne si l'angle de réflexion d'un rayon issus de l'hologramme est différent de l'angle d'incidence du rayon correspondant. L'invention sera maintenant décrite en référence aux dessins annexés dans lesquels - les figures la et b illustrent le mode de détermination de l'angle i le plus faible possible - la figure 2 est un exemple de réalisation - les figures 3a et 3b représentent les positions relatives des différents moyens constituant le dispositif de visualisation tête haute en vue de dessus et en vue de côté - les figures 4a et 4b représentent une autre implantation du dispositif dans une automobile - la figure 5 représente le schéma de réalisation de l'hologramme utilisé dans le dispositif selon l'invention; Les éléments ayant même fonction ont les mêmes numéros sur toutes les figures. La figure 1 est destiné à faire comprendre ce que représente l'angle d'incidence le plus faible possible. Cette figure représente en projection sur un plan un volume 1 susceptible d'être occupé par un observateur équipé. On sait en général où peut être situé l'observateur, on sait donc définir le volume maximum qui sera occupé par l'observateur compte tenu des équipements ou accessoires dont il peut être muni. La détermination de ce volume ne fait pas partie de l'invention. On sait aussi dans quel volume peuvent évoluer les yeux de l'observateur. La projection de ce volume a été représentée en 2 sur la figure 1. Les projections du contour des volumes 1 et 2 ont été représentés sur la figure l par des courbes régulières. Ces courbes pourraient par exemple figurer la projection horizontale de ces volumes. Dans le cas général ces volumes pouvant être quelconque leur projection sur un plan peut avoir une forme quelconque également. Un hologramme 3 est matérialisé sur la figure 1 par un trait.La projection du contour de l'hologramme est représenté par deux points 4 et 5 situés à l'extrémité de ce trait. De chacun des points 4 et 5 part une droite qui est tangente au volume 2, la surface comprise entre ces deux droites représente la projection d'un volume généré par des droites s'appuyant d'une part sur le contour de l'hologramme 3 et d'autre part tangentes au volume 2. L'image source ne peut se trouver dans ce volume car alors le dispositif générant l'image source créerait une gêne à la vue de l'hologramme. Ce premier volume est référencé 6 sur la figure 1. Des points 4 et 5 partent également des droites qui sont tangentes au volume 1. Les plus extérieure de ces droites par rapport au volume 1 engendrent un volume. La surface délimitant ce volume est engendrée par des droites qui s'appuient d'une part sur le contour de l'hologramme 3 et qui sont d'autre part tangentes au volume 1. Le dispositif générateur de l'image source ne peut se trouver dans ce volume car alors l'observateur équipé gênerait la projection de l'image source vers l'hologramme. La projection de ce volume a été référencé 7 sur la figure la. Les volume 6 et 7 sont représentés sur cette figure hachurés de la droite vers la gauche pour le volume 6 et de la gauche vers la droite pour le volume 7. Les volumes 6 et 7 constituent l'ensemble du volume interdit pour l'image source. La figure lb représente compte-tenu de ce volume interdit ce que l'on entend par angle d'incidence i le plus faible possible. Sur cette figure est représentée une droite D1 cette droite passe par le centre O de l'hologramme 3 et - par le centre du volume 2. Idéalement cette droite représente l'axe de la boîte à oeil de l'hologramme 3. Sur cette figure est représentée également une image source 8 ayant un contour 9. Dire que l'angle i est le plus faible possible cela revient à dire que le contour 9 de l'image 8 doit être pour cela tangent à l'un des volumes interdit 6 ou 7. C'est en effet dans ces conditions que la droite D2 joignant le centre de l'image 8 au centre O de l'hologramme 3 fera avec la droite D1 L'angle le plus faible possible. L'angle des droites D1 et D2 est égal à la somme des angles i et r. Cette somme est égale à 2i lorsque la réflexion est cartésienne donc minimum lorsque i est minimum. Cette somme est une fonction monotone croissante de i lorsque la réflexion n'est pas cartésienne. Dans les deux cas il revient au même de dire que l'angle i est minimum ou que l'angle des droites D1 et D2 est minimum. Dans le cas le plus général la condition de tangence du contour 9 aux volumes interdits 6 ou 7 ne pourra être respecté car d'autres contraintes interviennent. I1 est donc bien précisé qu'il s'agit d'un optimum, l'angle i le plus petit pourra être déterminé par des contraintes supplémentaires imposant des angles d'incidence et de réflexion un peu supérieurs à cet optimum. L'invention sera maintenant explicitée sur un exemple de réalisation dans le cas d'une automobile en référence à la figure 2. La figure 2 représente un exemple de réalisation. L'enceinte est dans cet exemple une automobile. Un observateur 11 regarde vers l'extérieur d'une automobile 10 à travers une surface transparente 12 de cette enceinte constituée dans ce cas par un pare-brise. Le double jeu d'information que l'observateur il doit voir simultanément est constitué dans ce cas d'une part par l'image de l'extérieur de l'enceinte et d'autre part par des informations générées par un afficheur 13 éclairant un hologramme 3. Cet hologramme est fixé de façon classique sur une lame de verre plane ou légèrement incurvée. L'hologramme est positionné le plus loin possible de l'afficheur 13 et de l'oeil 14 de l'observateur entre le pare-brise 12 et une planche de bord 27. Le haut du support de l'hologramme 3 affleure le pare-brise 12 et le bas repose sur la planche de bord 27 en sorte que le support de l'hologramme occupe toute la hauteur locale disponible entre le pare-brise 12 et la planche de bord 27. L'afficheur est situé dans le haut du pare-brise de l'automobile de préférence sur le montant latéral 28 du pare-brise 12 situé du côté de l'observateur 11. Cette installation diffère des installations connues par la valeur des angles d'incidence et de réflexion des rayons issus de l'afficheur 13 et réfléchi vers l'oeil 14 de l'observateur situé idéalement sur l'axe D1 de la boîte à oeil de l'hologramme 3. Cet exemple de réalisation sera maintenant illustré en détail en référence aux figures 3a et 3b qui représentent les positions relatives des différents moyens dans des projections en vue de dessus 3(a) et en vue de côté (3b). Dans cet exemple de réalisation la projection x de l'hologramme est incliné de 120 par rapport à Ia projection horizontale X d'un plan perpendiculaire à l'axe longitudinal de la voiture et sa projection y l'est de 220 par rapport à la projection verticale Y d'un plan vertical perpendiculaire à l'axe de la voiture supposée elle horizontale. La distance de l'observateur 11, matérialisé sur la figure par un oeil, 14 à l'hologramme 3 est de 800mm, la distance afficheur 13, hologramme 3 est de 600mm. L'angle d'incidence du rayon issu du centre de l'afficheur et frappant le centre de l'hologramme est d'environ 160. Dans cet exemple il est supposé que le pare-brise 12 est incliné de 300 par rapport à l'horizontale. Cela permet de placer un hologramme de hauteur 90mm incliné comme spécifié plus haut au dessus d'une planche de bord 27 à 144mm en arrière du point bas du pare-brise. L'afficheur peut être dans ce cas un afficheur à diode laser émettant sur la longueur d'onde pour laquelle l'hologramme a été conçu. Si les surfaces de I'hologramme et de l'afficheur, et les distances possibles entre ces deux éléments ne permettent pas une bonne adéquation des images de ces deux éléments, il est possible d'adjoindre une lentille de champs 15 (figure 2) entre ces deux éléments. L'effet de cette lentille est de collimater ou de précollimater l'image de l'afficheur. Cet effet est représenté en détail figure 3c. Pour augmenter les performances optiques on peut complexifier l'optique relais, tout en maintenant des coûts bas par l'utilisation d'optiques plastique par exemple. Les figure 4a et 4b représentent l'implantation d'un dispositif selon l'invention toujours dans le cas d'une automobile ayant un pare-brise incliné à 30 en vue de côté. Un dispositif intermédiaire entre l'hologramme et l'afficheur est constitué par une lentille 15 et un miroir 16, dans cette représentation l'hologramme 3 a toujours 90mm de haut il est incliné de 80 par rapport à un plan vertical transversal ce qui permet de l'implanter à 155 mm en arrière du point bas du pare-brise. L'afficheur 13 est encastré dans la planche de bord 27 et l'image de cet afficheur est envoyée vers l'hologramme par l'intermédiaire de la lentille 15 et du miroir 16. La distance oeil observateur hologramme est toujours d'environ 800mm, la distance optique afficheur hologramme est d'environ 320mm. L'angle de réflexion sur l'hologramme est dans ce cas d'environ 200. Cela signifie que l'angle entre les droites D2 et la droite D1 est de 400. Pour augmenter les performances optiques comme expliqué plus haut il est possible d'employer un hologramme 3 à réflexion non cartésienne. Dans ce cas l'angle entre les droites D1 et D étant toujours de 200 on pourra par exemple prendre un angle d'incidence de 100 ce qui améliore grandement les performances optiques. Dans ce cas, l'optique et l'afficheur doivent être excentrés. On remarque sur la figure 4b que le miroir 16 est positionné en limite du champ de vision du conducteur lorsque ce dernier regarde à travers le pare-brise.Cela signifie que le bord supérieur du miroir 16 émerge de la planche de bord 27 dans la limite possible pour ne pas gêner la vue à travers le pare-brise 12. Dans cette solution l'image étant plus proche la présence d'un groupe optique (ici une lentille) de champ au moins est nécessaire. Cette solution d'implantation respecte le principe de l'invention par la présence du miroir 16 qui projete l'image sur l'hologramme avec un angle le plus faible possible. C'est pour atteindre ce but que le miroir 16 est positionné en limite du champ de vision du conducteur (volume 6 de la figure 1). On remarque que dans les deux exemples de réalisation l'hologramme 3 est placé compte-tenu de sa hauteur le plus loin possible de l'oeil 14 de l'observateur 11. A l'endroit où il se trouve il occupe toute la hauteur locale disponible entre la planche de bord 27 et le pare-brise 12. L'exemple représenté figure 2 et 3 présente l'avantage de pouvoir être implanté sur les automobiles telles qu'elles sont conçues actuellement sans modifications importantes. L'exemple représenté figure 4 nécessite quant à lui une adaptation de la planche de bord 27 qui doit comporter une partie de surface transparente pour laisser passer les rayons lumineux en provenance du dispositif générateur d'image et de préférence une modification locale du relief de la planche pour encastrer en lignes douces la partie émergente du miroir 16. La façon dont est réalisée l'hologramme dans les deux exemples décrits ci-dessus sera maintenant explicitée en référence à la figure 5. Cette figure représente de façon classique une source laser 17, envoyant son faisceau sur un cube séparateur 18 donnant deux faisceaux faisant entre eux des directions de 900, ces faisceaux sont réfléchis par des miroirs 19, 20. Le faisceau issu du miroir 19 est considéré comme faisceau de référence, il passe à travers un objectif 21 et un trou de filtrage 22 . Le faisceau issu du miroir 20 est considéré comme faisceau objet, il passe également à travers un objectif 23 et un trou de filtrage 24. Une surface 25 comportant un matériau sensible aux radiations issues du laser 17 est placée de telle sorte qu'elle reçoit sur l'une de ses faces le faisceau issue du point P2 constitué par le trou de filtrage 22 et sur l'autre le faisceau, rendu parallèle au moyen d'une lentille de collimation 26, en provenance du point P1 constitué par le trou de filtrage 24. Le point P2 à l'enregistrement correspondra à la restitution, à la position du centre de l'image source. La direction du faisceau parallèle après collimation par la lentille 26 est, pour la restitution celle définie par la droite D1 axe de la boite à oeil. A l'enregistrement, elle provient du côté de l'hologramme opposé à celui contenant le point P2. A la restitution, un afficheur ou une image d'un afficheur vue à travers une optique relais, centré en P2 et situé dans un plan perpendiculaire, à la droite joignant P2 au centre de l'hologramme, génère des rayons ayant une faible différence d'incidences sur l'hologramme par rapport à celles des rayons du faisceau objet ayant servi à l'enregistrement. Après réflexion sur l'hologramme, le faisceau devient collimaté et est dirigé vers l'observateur dans la direction d'enregistrement. On notera que le banc servant à réaliser l'hologramme utilisé dans l'invention est particulièrement simple puisqu'il ne comporte que les éléments théoriques de base pour la réalisation d'un hologramme par réflexion sans aucune optique additionnelle. Dans le cas de la solution décrite par les figures 2 et 3 la fonction de phase inscrite dans l'hologramme est telle qu'il est possible dans le cas de champs de visualisation faibles, par exemple ±20, d'ajouter à l'hologramme une fonction couleur. Pour cela avec le même laser 17 on réalise sur le même support sensible 25 trois enregistrements successifs. Les enregistrements seront réalisés en décalant très légèrement les points P2 et P1. Le déplacement doit être tel que les trois réseaux d'interférences enregistrés successivement sur le support sensible 25 permettent de constituer après développement un hologramme capable de réfléchir les trois longueurs d'ondes correspondant au rouge, au vert et au bleu. 1l devient ainsi possible d'utiliser une image source colorée et de la restituer avec sa couleur par réflexion sur l'hologramme. REVENDICATIONS 1. Dispositif de visualisation holographique tête haute du type comportant un hologramme (3) ayant un centre et recevant de la part de moyens générateurs d'image une image source (8), ayant un centre et un contour (9), les positions relatives de l'hologramme (3) et de l'image source (8) étant données par l'angle i que fait une droite D2 joignant le centre de l'image source (8) au centre de l'hologramme (3) avec la droite D normale en ce point à l'hologramme caractérisé en ce que l'angle i est aussi faible que possible. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'hologramme 2 est un hologramme par réflexion ayant une fonction de collimatage. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le moyen générateur image comporte un afficheur (13). 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'afficheur (13) est un afficheur à diode laser. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens générateurs d'image sont constitués par l'afficheur (13) et une lentille de précollimation (15). 6. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens générateurs d'image sont constitués par un afficheur (13) une lentille de précollimation (15) et un miroir de renvoi (16) vers l'hologramme (3). 7. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que l'hologramme (3) comporte trois réseaux d'interférence. 8. Dispositif selon la revendication 3 adapté pour usage dans une automobile (10) comportant un pare-brise (12) ayant lui-même une partie haute et une partie basse et des montants latéraux, un plafond situé en arrière du pare-brise et délimité par un avant, un arrière et deux côtés latéraux, une planche de bord (27), le dispositif étant destiné à former une image visible à travers le pare-brise (12) pour un observateur (11) dont l'oeil (14) peut occuper un volume déterminé (2), caractérisé en ce que l'hologramme (3) est situé dans le bas du pare-brise. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'hologramme (3) est situé sur la planche de bord (27) l'hologramme (3) occupant toute la hauteur locale disponible entre la planche de bord (27) et le pare-brise (12). 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'afficheur est situé au plafond du côté latéral où se trouve la boîte à oeil de l'hologramme. 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'afficheur est fixé sur un montant latéral (28) du pare-brise. 12. Dispositif selon l'une des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que les moyens générateurs d'image sont constitués par l'afficheur (13) et une lentille de précollimation (15) . 13. Dispositif selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que les moyens générateur d'image sont constitués par l'afficheur (13) une lentille de précollimation (15) et un miroir de renvoi (16). 14. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que l'afficheur (13) et la lentille de précollimation (15) sont encastrés dans la planche de bord et en ce que l'image formé par ces deux éléments est envoyé par le miroir (16) vers l'hologramme, le haut du miroir (16) arrivant à la hauteur de la droite joignant l'oeil (14) de l'observateur (11) au bas du pare-brise (9).