Brevet FR2698454A1 — publié le 19940527

SYSTEME OPTIQUE DE SUPERPOSITION DE DONNEES SUR UNE SCENE La présente invention concerne un système optique permettant de superposer des données d'information visibles sur une vue de fond observée par un observateur. Les systèmes selon l'invention présentent un large domaine d'application Ils peuvent être utilisés dans l'industrie lorsqu'un technicien examine une pièce en effectuant certains contacts électriques, et perçoit simultanément des données provenant d'un instrument de mesure dans son champ d'observation Ces systèmes optiques peuvent être utilisés par les conducteurs, qui ont une vue en champ libre de la route et de l'environnement qui se trouvent devant eux, tandis que des paramètres critiques et des signaux d'avertissement se superposent à ladite vue. Ces systèmes optiques peuvent être utilisés par les pilotes pour observer l'environnement extérieur tout en recevant les données requises d'un ou plusieurs instruments La portée de la présente invention inclut de nombreuses autres applications. Il existe une grande variété d'instruments optiques permettant de superposer des données sur un fond donné Ce sont en général des dispositifs d'affichage tête-haute qui permettent simultanément l'observation de l'environnement extérieur et la superposition de données importantes pour l'observateur. Parmi les instruments de ce type, on peut mentionner les collimateurs de navigation utilisés par les pilotes et les conducteurs Les caractéristiques de l'affichage sont dictées par un certain nombre de conditions, telles que: confort de l'oeil, diamètre de35 la pupille de sortie, champ d'observation des symboles, poids du système et, l'une des plus importantes, un champ d'observation de l'extérieur non obstrué De tels systèmes comprennent essentiellement un collimateur présentant un large champ d'observation et une plage5 d'accommodation plus grande que la distance focale du système De tels systèmes font partie de collimateurs de navigation (HUD) et se trouvent dans les simulateurs de vol Divers brevets concernent différents modes de réalisation de tels dispositifs, tels que GB-A-1 139 269, GB-A-2 108 702 ET US-A-4 269 476 Aucun desdits systèmes ne permet d'obtenir un HUD satisfaisant, lequel fournit des solutions optimales par rapport aux conditions énumérées ci-dessus. La présente invention propose un système amélioré de ce type. La présente invention a pour but de pallier les inconvénients énumérés ci-dessus, et a pour objet de proposer un système optique du type axial, fondé sur un système optique monobloc, dont l'élément réalisant la collimation est un miroir sphérique disposé sur l'axe optique La présente invention a pour objet de permettre à l'observateur de percevoir des symboles dans un large champ d'observation avec une obstruction minimale de la scène extérieure et un grand confort pour l'oeil. La présente invention atteint son but en proposant un système optique intégré pour observer simultanément une scène extérieure (ou scène observée) et des données d'information superposées à ladite scène, caractérisé en ce qu'il est constitué d'une lentille divisée en deux parties par un séparateur de rayons, ladite lentille possédant une première surface faisant face à l'observateur, et une seconde surface, convexe et partiellement réfléchissante, sur l'axe optique principal, définissant un miroir concave partiellement réfléchissant faisant face à la première surface, ladite lentille possédant une troisième surface parallèle à l'axe optique principal ou faisant un angle aigu avec lui, faisant face à la source des données d'information superposées, ledit séparateur allant de la partie supérieure de la première surface jusqu'à la partie inférieure dudit miroir concave, de sorte que la source des données d'information est située au foyer de ladite surface concave, de sorte que le faisceau provenant de la source de données traverse la troisième surface, est renvoyé par le séparateur vers ledit miroir concave partiellement réfléchissant et de là via le séparateur vers la première surface et de là vers l'oeil de l'observateur, qui observe simultanément lesdites données d'information et ladite scène à travers la lentille, y15 compris le séparateur, le long de l'axe optique principal. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, la surface de la lentille faisant face à l'observateur est une surface plane. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, la surface de la lentille faisant face à l'observateur est une surface concave de sorte que la vergence de la lentille dans la direction de la scène observée est nulle. Selon encore un autre mode de réalisation de l'invention, une lentille supplémentaire divergente est collée sur la surface convexe de la première lentille, en face de la scène observée, de sorte que le système comprend une unité constituée d'une lentille doublet formée d'une lentille convergente et d'une lentille divergente liées à une surface courbe commune, servant de miroir partiellement réfléchissant, ayant une surface parallèle à ou faisant un angle avec l'axe optique du doublet en face de la source de données, dans lequel la lentille convergente est divisée par un séparateur en une partie supérieure et une partie inférieure, lequel sépa- rateur part de la partie supérieure de la surface exté- rieure faisant face à l'observateur, près de la surface supérieure du doublet, et descend vers la surface courbe,5 ladite surface supérieure étant adaptée de manière à transmettre les images de "données" au séparateur et de celui-ci au miroir courbe. Dans ce mode de réalisation, le doublet peut avoir une vergence nulle dans la direction d'observation de la scène extérieure. Selon encore un autre mode de réalisation, la surface faisant face à la source de données est courbe. Dans un système optique selon l'invention, le miroir partiellement réfléchissant peut être un miroir dichroïque; d'autre part, avantageusement, l'aire optique efficace de la surface faisant face à la scène observée est plus grande que la surface faisant face à l'observateur de sorte que le pourtour de la lentille n'obstrue pas la scène observée; par ailleurs, la forme de la surface extérieure de la lentille peut être un tronc de cône dont la base est du côté de la scène observée et dont le sommet est situé derrière l'oeil de l'observateur. Selon un mode supplémentaire de réalisation de l'invention, la lentille divergente est fixée sur la sur- face de la lentille convergente faisant face à l'obser- vateur, moyennant quoi le doublet est de vergence nulle. Dans un système optique selon l'invention, le miroir peut posséder une surface sphérique, conique ou torique; en outre, la surface réfléchissante du miroir est avantageusement munie d'un revêtement multicouche ou d'un revêtement holographique. L'élément principal du système est formé d'un bloc en matériau transparent (verre, acrylique) constituant un doublet, de vergence nulle de par sa forme Ce doublet est poli au niveau de sa surface supérieure, près de l'affichage -l'élément secondaire et de préférence poli à sa périphérie en une forme tronconique, dont la petite base est proche de l'oeil et fait partie de la lentille convergente du doublet Le doublet comporte deux lentilles, une lentille convergente telle qu'une lentille plan-convexe, et une lentille divergente telle qu'une lentille plan-concave La lentille convergente est formée de deux parties séparées par un plan incliné constituant un séparateur de rayons. La lentille divergente du doublet, de même rayon que la lentille convergente du doublet, est munie d'une face transmettant partiellement la lumière grâce à un revêtement partiellement réfléchissant tel qu'un revêtement dichroïque ou un revêtement holographique. La lumière issue de l'affichage, qui est situé au foyer du miroir courbe, pénètre dans le doublet par sa partie supérieure, est partiellement réfléchie par le séparateur de rayons en direction du miroir Le miroir réfléchit la lumière sous forme d'un faisceau parallèle via le séparateur de rayons, qui transmet ledit faisceau en direction de la surface externe du doublet vers l'oeil de l'observateur. La pupille de sortie est située près du centre de courbure du miroir Dans le cas o la lentille n'est pas dans l'air, le centre de courbure est le centre de courbure tel qu'il apparaît après réfraction par la surface optique qui se trouve près de l'oeil de l'observateur. La présente invention est illustrée à titre d'exemple par les figures schématiques ci-jointes, qui ne sont pas à l'échelle et dans lesquelles: les figures IA et IB montrent des systèmes se rapportant à l'art antérieur; la figure 2 est une vue de côté du mode de réalisation de l'invention le plus simple; la figure 3 est une vue de côté d'un autre mode de réalisation, similaire à celui de la figure 2, mais de vergence nulle; la figure 4 est un mode de réalisation d'un système de lentille doublet selon l'invention; la figure 5 illustre l'angle d'ouverture du cône; la figure 6 est une vue latérale en projection de la figure 5; la figure 7 est une vue en perspective d'un doublet selon l'invention; la figure 8 est une vue de côté d'un autre mode de réalisation, dans lequel la lentille divergente est liée à la lentille convergente au niveau de la surface proche de l'observateur. Sur la figure IA, le système comprend deux miroirs: un miroir sphérique 11, qui sert de collimateur en réflexion et de vitre de vergence nulle en transmission; le second miroir 12 sert de séparateur de rayons La lumière issue de la surface d'affichage 13 est dirigée vers le miroir séparateur de rayons 12, est réfléchie par celui- ci en direction du miroir sphérique 11 Le miroir sphérique sert de collimateur et réfléchit la lumière ayant subi la collimation en direction du miroir séparateur 12 qui la renvoie vers l'oeil du pilote ou de l'observateur, 14, qui est situé près du centre de courbure du miroir 15 Ce système présente un certain nombre d'inconvénients mécaniques et optiques, il exige un montage mécanique de haute précision des éléments les uns par rapport aux autres, et la complexité nécessaire de tels montages a tendance à causer des obstructions au moins partielles de la scène observée Même une petite obstruction au voisinage de l'oeil obstrue un angle de vue appréciable. Dans un tel système, l'oeil est situé au centre de courbure du miroir, dont le rayon de courbure est R, et l'affichage se trouve à la moitié de cette distance, étant donné que la distance focale d'un miroir sphérique est égale à la moitié de son rayon, soit R/2 Le séparateur de rayons partage la distance focale en deux segments, l'axe horizontal X et l'axe vertical Y, tels que X + Y = R/2 Y est donc la hauteur de l'affichage par rapport à l'axe optique. Le but recherché consiste à rendre cette hauteur aussi grande que possible afin de réduire l'obstruction de la partie supérieure du champ d'observation extérieur. Cette hauteur étant également fonction de la distance au séparateur, plus l'affichage sera loin, plus le champ d'observation des symboles sera réduit Avec les paramètres indiqués, pour un champ d'observation vertical, l'accommodation de l'oeil étant obtenue à une distance E de la dernière surface, le diamètre de la pupille de sortie étant désigné par 0, l'épaisseur du système par T, et l'indice de réfraction du milieu par n, on montre que: ( 1) Xmin = T 0/2 E tan(a) ( 2) Ymax = R/2 Xmin ( 3) R/n = E + T/n ( 4) R = n E + T Lorsqu'on reporte ( 4) dans ( 2), il vient Ymax = n E/2 = T/2 Xmin ce qui indique clairement que plus N sera grand, plus la valeur de Ymax augmentera et ainsi, la taille du champ d'observation extérieur augmentera de manière correspondante. La figure IB décrit également un dispositif se rapportant à l'art antérieur Ledit dispositif repose sur la surface arrière du miroir, laquelle fait partie intégrante d'un corps solide transparent La lumière issue de 21 est dirigée vers la surface d'entrée 22 dudit corps et continue son trajet jusqu'au séparateur de rayons 23, le traverse sans réflexion, arrive sur le miroir 24, dont l'axe optique est perpendiculaire à l'axe du champ d'observation central, est réfléchie en direction du séparateur de rayons 23 et retourne vers l'oeil de l'observateur, 26 Cette version pallie10 certains des inconvénients du dispositif de la figure IA, mais présente certains problèmes. Etant donné que l'axe du miroir sphérique est perpendiculaire à l'axe optique principal, sa projection empêche la vision sous l'angle désigné par 25 Afin d'offrir un champ d'observation plus grand, le bloc doit être très épais Pour certains angles, des réflexions parasites sont susceptibles d'être provoquées par les surfaces externes du bloc de verre. DESCRIPTION DETAILLE DU DISPOSITIF DE L'INVENTION Comme l'indique la figure 2, un système optique selon l'invention comprend une lentille convergente 30, présentant une surface plane 31 et une surface concave 32 perpendiculaire à l'axe optique 33, ladite lentille étant divisée en les parties 34 et 35 par un séparateur de rayons 36, qui descend à partir de la partie supérieure 34 de la lentille située du côté de l'observateur, jusqu'à la partie inférieure de la partie 35 de la lentille La surface concave 32 est munie d'un revêtement (ou miroir semi-transparent) 32 ' qui permet à une partie de la lumière de passer et qui réfléchit l'autre partie. Le système présente une surface supérieure plane 37, parallèle à l'axe 33 Ladite surface supérieure peut aussi faire un angle aigu avec ledit axe. L'image des données destinées à être superposées est projetée d'une surface 38, qui est située à la distance focale du miroir 32 ', via la surface 37 jusqu'au séparateur de rayons 36, et de là jusqu'au miroir 32 ' qui la renvoie dans la direction de l'oeil 39 d'un observateur. L'oeil perçoit simultanément l'image d'un objet à travers le miroir semi-transparent 32 ', et ainsi voit les deux images simultanément. Etant donné que la surface 32 est une surface concave et que la surface 31 est une surface plane, l'image de l'objet 40 est perçue agrandie. Un autre mode de réalisation est illustré en référence à la figure 3, qui diffère de la figure 2 uniquement en ce que la surface 41 faisant face à l'oeil 39 de l'observateur est également une surface concave. Comme les deux surfaces 32 et 41 sont des surfaces courbes, la vergence de la lentille est nulle si la courbure est choisie correctement On obtient ainsi une image de taille normale de l'objet 40. La figure 4 est une vue de côté, en coupe, d'un dispositif selon la présente invention L'élément principal est un bloc en matériau transparent, tel que du verre ou un polymère acrylique Ce bloc constitue un doublet, et est de vergence nulle quand on regarde à travers Ledit doublet comporte deux lentilles, une lentille convergente 41, telle qu'une lentille plan- convexe et une lentille divergente 42, telle qu'une lentille plan-concave. La lentille convergente 41 est formée de deux parties, 4 la et 41 b, séparées par un séparateur de rayons incliné 43. Le plan de 43 part à l'extrémité inférieure près de la surface convexe 44 qui est commune aux deux lentilles et remonte vers la surface supérieure (ou surface d'entrée) 45 du doublet près de la source de l'affichage La surface 46, qui est à l'opposé de la surface convexe 44, constitue la surface externe du côté de l'oeil 47 de l'observateur Le rayon de courbure de la surface 44 a de la lentille divergente 42 du doublet est identique au rayon de courbure de la surface 44 de la lentille convergente 41 La surface 44 a est munie d'un revêtement partiellement réfléchissant tel un revêtement dichroïque ou un revêtement holographique, qui fait de 44 un miroir de collination Les deux lentilles sont liées l'une à l'autre au niveau de la surface 44 La lumière10 issue du plan focal 50 est dirigée vers la surface d'entrée 45 du doublet qui est sensiblement parallèle à l'axe optique de vision 51 La lumière arrive sur le séparateur 43 et est partiellement réfléchie vers l'arrière en direction du miroir de collination 44, qui, également muni d'un revêtement partiellement réfléchissant, renvoie une partie de l'énergie en direction du séparateur 43, qui cette fois transmet le faisceau en direction de la surface externe 46 et de là jusqu'à l'oeil 47 de l'observateur, qui est situé dans la région 48 du centre de courbure du miroir 44. Les rayons provenant de la scène extérieure 49 arrivent sur la surface 40 du système optique, traversent le miroir 44, le séparateur de rayons 43, la seconde surface, externe, 46 puis de là parviennent à l'oeil 47. Etant donné que la lumière issue de la surface 50 est dans le plan focal du miroir 44, elle atteint l'oeil 47 de l'observateur sous la forme d'un faisceau parallèle et est perçue comme venant de l'infini Il est bien entendu possible de déplacer le foyer du système de manière à mettre au point pour les objets non situés à l'infini. Les figures 5 et 6 illustrent la forme extérieure donnée au corps optique selon l'invention, conçue pour minimiser les obstructions partielles de la scène extérieure quand on regarde à travers Toute obstruction au voisinage de l'oeil obstruera une partie considérable de la scène extérieure pour l'oeil Afin de minimiser les obstructions, on a donné à ce corps une forme externe conique de sorte qu'un rayon qui se comporte comme s'il5 venait de l'oeil de l'observateur ne rencontrera pas d'obstructions de la part des surfaces extérieures du corps. En référence à la figure 5, le rayon 52 issu de l'oeil 47 et dirigé vers le bord inférieur 53 dudit corps fait un angle 54 (a) avec l'axe optique 55 du système Ce rayon est réfracté dans le corps transparent suivant la loi de Snell- Descartes et fait un angle 56 (D) avec l'axe optique et sort du système au point 57 parallèlement au rayon 52 Un autre rayon 58, issu de l'oeil 47 et parallèle au premier rayon, passe tout près du bord inférieur 53 mais n'est pas réfracté et continue tout droit sans rencontrer d'obstacle Le demi-angle au sommet 59 du cône est D miroir, du système optique et de l'oeil 72. Un autre mode de réalisation est illustré en référence à la figure 8, o 81 est une lentille convergente, présentant une surface courbe partiellement réfléchissante 82 dont la face convexe fait face à la scène observée 87 Sur la surface plane 83 de la lentille est collée une lentille plan-concave 84, de vergence négative, dont la surface concave 85 fait face à il 12 2698454 l'observateur 86 Les autres éléments, comme la surface 88 et le séparateur de rayons 89 sont les mêmes que sur la figure 3 La vergence résultante de cette lentille doublet est nulle, et ainsi l'image de 87 est vue en5 taille normale. REVENDICATIONS 1 Système optique intégré pour observer simulta- nément une scène extérieure (ou scène observée) ( 40, 49, 87) et des données d'information ( 38, 50, 60, 70) superposées à ladite scène ( 40, 49, 87), caractérisé en ce qu'il est constitué d'une lentille divisée en deux parties ( 34, 35; 41 a, 41 b) par un séparateur de rayons ( 36, 43, 89), ladite lentille possédant une première surface ( 31, 41, 85) faisant face à l'observateur ( 39, 47, 72, 86), et une seconde surface ( 32, 44, 82), convexe et partiellement réfléchissante, sur l'axe optique principal ( 33, 51, 55), définissant un miroir concave partiellement réfléchissant ( 32 ') faisant face à la première surface, ladite lentille possédant une troisième surface ( 37, 45, 88) parallèle à l'axe optique principal ou faisant un angle aigu avec lui, faisant face à la source des données d'information ( 38, 50, 60, 70) superposées, ledit séparateur ( 36, 43, 89) allant de la partie supérieure de la première surface ( 31, 41, 85) jusqu'à la partie inférieure dudit miroir concave ( 32 ') de sorte que la source des données d'information ( 38, 50, , 70) est située au foyer de ladite surface concave ( 32 '), de sorte que le faisceau provenant de la source de données ( 38, 50, 60, 70) traverse la troisième surface ( 37, 45, 88), est renvoyé par le séparateur ( 36, 43, 89) vers ledit miroir concave partiellement réfléchissant ( 32 ') et de là via le séparateur ( 36, 43, 89) vers la première surface ( 31, 41, 85) et de là vers l'oeil ( 39, 47, 72, 86) de l'observateur, qui observe simultanément lesdites données d'information ( 38, 50, 60, 70) et ladite scène ( 40, 49, 87) à travers la lentille, y compris le séparateur ( 36, 43, 89), le long de l'axe optique principal. 2 Système optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface de la lentille faisant face à l'observateur ( 39, 47, 72, 86) est une surface plane ( 31, 41, 85). 3 Système optique selon la revendication 1, dans lequel la surface de la lentille faisant face à l'observateur ( 39, 86) est une surface concave ( 41, 85) de sorte que la vergence de la lentille dans la direction de la scène observée ( 40, 87) est nulle. 4 Système selon la revendication 1, dans lequel une lentille supplémentaire divergente ( 42) est collée sur la surface convexe ( 44) de la première lentille, en face de la scène observée ( 49), de sorte que le système comprend une unité constituée d'une lentille doublet formée d'une lentille convergente ( 41) et d'une lentille divergente ( 42) liées à une surface courbe commune ( 44), servant de miroir partiellement réfléchissant, ayant une surface ( 45) parallèle à ou faisant un angle avec l'axe optique ( 51, 55) du doublet en face de la source de données ( 50), dans lequel la lentille convergente ( 41) est divisée par un séparateur ( 43) en une partie supérieure ( 41 a) et une partie inférieure ( 41 b), lequel séparateur ( 43) part de la partie supérieure de la surface extérieure ( 46) faisant face à l'observateur ( 47, 72), près de la surface supérieure du doublet ( 45), et descend vers la surface courbe ( 44), ladite surface supérieure ( 45) étant adaptée de manière à transmettre les images de "données" au séparateur et de celui-ci au miroir courbe ( 44). Système selon la revendication 4, dans lequel le doublet a une vergence nulle dans la direction d'observation de la scène extérieure ( 49). 6 Système selon la revendication 4, dans lequel la surface ( 45) faisant face à la source de données ( 50, 60, ) est courbe. 7 Système selon la revendication 1, dans lequel le miroir partiellement réfléchissant ( 32 ') est un miroir dichroïque. 8 Système optique selon la revendication 1, dans lequel l'aire optique efficace de la surface faisant face à la scène observée ( 40, 49, 87) est plus grande que la surface faisant face à l'observateur ( 39, 47, 72, 86) de sorte que le pourtour de la lentille n'obstrue pas la scène observée ( 40, 49, 87). 9 Système optique selon la revendication 8, dans lequel la forme de la surface extérieure de la lentille est un tronc de cône dont la base est du côté de la scène observée ( 40, 49, 87) et dont le sommet est situé derrière l'oeil ( 39, 47, 72, 86) de l'observateur. 10 Système optique selon la revendication 4, modifié en ce que la lentille divergente ( 84) est fixée sur la surface ( 83) de la lentille convergente ( 81) faisant face à l'observateur ( 86), moyennant quoi le doublet est de vergence nulle. 11 Système optique selon la revendication 1, dans lequel le miroir ( 32 ') possède une surface sphérique, conique ou torique. 12 Système optique selon la revendication 1, dans lequel la surface réfléchissante du miroir ( 32 ') est munie d'un revêtement multicouche ou d'un revêtement holographique.