Brevet FR2722582A1 — publié le 19960119

DISPOSITIF DE VISION AVEC SUPERPOSITION D'IMAGE L'invention concerne un dispositif de vision avec superposition d'image. Elle est applicable à l'observation d'un paysage extérieur avec superposition d'une image fabriquée. Un tel système est applicable dans la réalisation de lunettes de vision ou de visières "transparentes" permettant à l'observateur de voir le paysage extérieur tout en permettant l'affichage, dans son champ de vision1 d'images ou d'informations sélectionnées. Un tel système est conçu selon l'invention sous la forme d'un écran à commande active du type écran à cristal liquide. L'image de chaque pixel de l'écran à cristal liquide est projetée à l'infini pour l'oeil de l'observateur et se superpose au paysage extérieur. Le dispositif assure donc à chaque instant la présentation d'informations issues de l'écran à cristal liquide dans le champ visuel de l'observateur. Un tel système présente l'avantage d'être compact. De plus, la fonction de projection à l'infini de l'image de l'écran à cristal liquide peut être associée à la fonction de l'écran lui-meme. L'ensemble peut être déposé sur un support plan ou courbe (lunettes électrooptiques) ou sur une visière de casque pour applications du type viseurs ou simulateurs. L'invention conceme donc un dispositif de vision avec superposition d'image caractérisé en ce qu'il comporte: - un écran modulateur électrooptique comportant une série d'éléments images et recevant, sur une face d'entrée, ufaisceau incident à visionner; - une série de lentilles situées sur une face de sortie opposée à la face d'entrée et positionnées chacune de telle façon qu'un élément image est au foyer d'une lentille et que celle-ci collimate la lumière émise par l'élément image. Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaitront plus clairement dans la description qui va suivre et dans les figures annexées qui représentent: - la figure 1, un schéma général du dispositif selon l'invention; - la figure 2, une variante de réalisation du schéma de la figure 1; - les figures 3 et 4, des exemples de réalisation plus détaillés du dispositif selon l'invention. En se reportant à la figure 1, on va donc tout d'abord décrire un exemple de réalisation du dispositif selon l'invention. Un écran LCD du type modulateur électrooptique (à cristal liquide) comporte un certain nombre d'électrodes PX définissant des éléments images (pixels). Un tel écran est réalisé par des moyens connus sur un support plan ou courbe avec des dispositifs de commande tels que transistors TFT. Le mode électrooptique peut être l'effet de biréfringence dans les nématiques en hélice ou éventuellement la diffusion contrôlée des matériaux du type cristal liquide dispersé dans du polymère (PDLC Polymer Dispersed Liquid Cristal). Les électrodes PX sont situées sur une face El de l'écran à cristal liquide. La face opposée E2 de l'écran à cristal liquide comporte un réseau de microlentilles Ml réalisées par exemple par holographique dans un matériau polymère. Selon cet exemple de réalisation, chaque élément image (électrode PX) de l'écran LCD se trouve être le foyer d'une microlentille Ml. Si on suppose un observateur A placé à droite de l'écran sur la figure 1, À I'emplacement A, chaque microlentille est réalisée pour projeter l'image à I'infini de l'élément image dans la direction de la pupille de l'oeil de l'observateur A Ce demier focalise l'ensemble des images sur la rétine. Puisque la position de l'oeil de l'observateur est fixe, les lentilles holographiques ont donc des caractéristiques géométriques différentes (angle variable entre la normale à la lentille et la direction moyenne de diffraction). La vision du paysage extérieur, qui par ailleurs sert de source d'éclairage à l'écran LCD, est réalisée comme suit: - Dans le cas où on utilise un écran "Nématique twisté", on fonctionne par exemple dans le mode parallèle: I'écran étant interposé entre deux polariseurs parallèles PI, P2, les points images adressés sur l'écran LCD apparaissent noirs pour une tension de commande des points V = VON. Des niveaux de gris sont obtenus pour des tensions intermédiaires entre V =0 et V = VON. - Dans le cas d'un écran à cristal liquide encapsulé dans un polymère du type "PDLC" I'ouverture limitée de la microlentille module le flux diffracté dans la direction de la pupille de l'oeil. - Les lentilles holographiques ont un rendement limité à 50 %. Dans ces conditions, I'onde émise par un point du paysage extérieur est partiellement transmise sans être affectée par la fonction de phase diffractive. Elle se focalise sur la rétine de l'observateur en superposition avec l'image des points adressés sur l'écran LCD. La même fonction est obtenue avec un réseau de microlentilles réalisé sur un matériau "épais". La sélectivité "Bragg" du composant assure que la plupart des rayons lumineux venant du paysage extérieur sont directement transmis sans diffraction vers la pupille de roeil de l'observateur. Dans le dispositif proposé, L'écran LCD étant proche de roeil (5 cm par exemple) ce demier n'accommode pas sur l'écran LCD et voit en permanence et à l'infini, le paysage extérieur et l'image de l'écran LCD projetée au travers du réseau de microlentilles. Selon le dispositif de l'invention, on prévoit des électrodes PX (déterminant les éléments images) dont l'ouverture est nettement plus petite que le pas P de ces électrodes. Ce qui veut dire que les dimensions de chaque électrode sont nettement plus faibles que le pas P. Si: d est la dimension d'une électrode f0 est la distance focale équivalente de l'oeil fm est la distance focale d'une microlentille MI on a la dimension d'un élément image dans le plan de la rétine de l'oeil de l'observateur A: d' = dx (fo/fm) Le pas des éléments images dans le plan de la rétine est P' =Px(rdo) D étant la distance microlentille Ml - oeil A. L'image affichée par l'écran LCD est résolue par l'observateur si la condition P' = d' est réalisée. Selon un exemple de réalisation, I'écran LCD est un écran monochrome (sans filtres colorés) ou trichrome (avec filtres colorés RVB) au pas de 300 pm avec une taille des éléments images d2 = 20 x 20 Clam. Pour la mise en oeuvre de l'invention on utilise des écrans LCD sans "black matrS afin de permettre la vision directe au travers de l'écran. On prévoit un réseau de microlentilles jointives avec pas du réseau P = 300 pm et avec une distance focale fm = d/p x d = 2,7 mm avec D = 40 mm Les lentilles sont réalisées par des moyens connus d'holographie calculée ou de gravure d'un microrelief sur un matériau polymère (type lentille "binaire"). La composante continue non diffractée par le réseau permet la vision du paysage au travers de l'écran LCD. Le réseau holographique peut être réalisé par inscription et/ou duplication d'une structure diffractante dans un matériau photopolymère à variation d'indice photoinduite. L'efficacité du composant pour chaque élément image du LCD peut atteindre 100 %. Compte tenu de sa sélectivité spectrale et angulaire, il n'affecte pratiquement pas l'image du paysage extérieur (ex: matériau photopolymère "Dupont"). Dans la mesure où les microlentilles sont constituées par une structure diffractante de volume, on peut tolérer un certain recouvrement entre les lentilles (voir figure 3). Cette configuration est rendue possible avec le nouveau matériaux photopolymères qui sous illumination présentent une variation élevée de leur indice de réfraction (An - 0,02). La figure 3 représente un exemple de réalisation plus détaille du dispositif de l'invention. On retrouve dons l'écran à cristal LCD avec ces électrodes PXi dont le pas P est nettement plus grand que la dimension d de chaque électrode. Les électrodes occupent donc qu'une petite partie de la surface de l'écran LCD. Sur cette figure, on voit que les différentes lignes qui joignent le centre de chaque électrode au centre optique de la lentille correspondante Mli à Mi n concourent toutes à un point où est situé roeil de l'observateur A et notamment à l'entrée de la pupille. L'observateur A voit donc à l'infini l'image entière affichée par l'écran LCD, et cette image se superpose à l'image du paysage extérieur vue naturellement à travers le dispositif. La figure 4 conceme un mode de réalisation dans lequel l'écran LCD est courbe. Selon un mode préféré de réalisation, il est sphérique de telle façon que l'oeil soit sensiblement au centre de la sphère et donc à égale distance de tous les points de l'écran LCD. Le dispositif de la figure 4 peut être ainsi un verre de lunette ou une visière de casque ou un pare- brise. REVENDICATIONS 1. Dispositif de vision avec superposition d'image caractérisé en ce qu'il comporte: - un écran modulateur électrooptique (LCD) comportant une série d'éléments images (PX) et recevant, sur une face d'entrée (ex), un faisceau incident à visionner; - une série de lentilles (M1) situées sur une face de sortie opposée à la face d'entrée et positionnées chacune de telle façon qu'un élément image est au foyer d'une lentille et que celle-ci collimate la lumière émise par l'élément image. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'écran modulateur est un écran à cristal liquide (LCD) possédant sur la face d'entrée (E2) une série d'électrodes (PX) correspondant chacune à un élément image, chaque électrode étant dans le plan focal d'une lentille. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le centre d'un élément image (PX), le centre d'une lentille (M1) et la pupille d'un oeil d'un observateur (A) sont alignés sur une droite. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'écran modulateur est plan ou courbe convexe, la face convexe du modulateur étant sa face d'entrée (El). 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que L'écran modulateur (LCD) est compris entre deux polariseurs (P1, P2) de directions de polarisations croisées à Soe. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la série de lentilles (Ml) est comprise entre les deux polariseurs (P1, P2). 7. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments images (PX) sont disposés sur la face d'entrée (El) selon un pas (P) et ont des dimensions (d) faibles par rapport à ce pas. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le pas (P) des éléments images, leurs dimensions (d), la distance (D) lentille (Ml) oeil de l'observateur sont dans le rapport suivant: P/D = dtfrn. 9. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'écran à cristal liquide (LCD) est à base d'un cristal liquide. 10. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la série de lentilles (M1 ) a été réalisée dans une couche d'un matériau photosensible par un procédé holographique. 11. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'écran à cristal liquide est un écran à cristal liquide nématique twisté ou un écran à cristal liquide dispersé dans du polymère (PDLC).